川东北地区高密度水泥浆体系的开发与应用

针对川东北地区气井目的层埋藏深、地层压力高、固井作业时易发生井漏和气窜等问题,进行了防气窜高密度水泥浆体系研究。应用紧密堆积和颗粒级配原理,使用微硅和铁矿粉进行颗粒级配,并优选了铁矿粉和＂卫辉＂的外加剂,配制出了高性能的高密度水泥浆体系。对该水泥浆的稳定性、稠化时间、抗压强度、防气窜性能、流变性能进行了室内评价,试验表明,该体系在较大温度范围内具有浆体沉降稳定性好、密度可调、游离水为零、流变性好、失水量小、强度高、稠化时间可调等特点,而且具有良好的防气窜性能。该高密度水泥浆体系已成功应用于川东北地区建深1井的高压气层的固井作业中,现场应用表明,该体系的流变性能、初始稠度、失水量、稠化时间、抗压强度等指标均能满足施工要求,固井质量合格,可进一步推广应用。     

胜坨地区高密度水泥浆体系的设计与应用

针对胜坨地区油气井原始地层压力高,固井作业时易发生气窜等问题,进行了高密度抗盐水泥浆体系研究。应用紧密堆积和颗粒级配原理,使用微硅与铁矿粉进行颗粒级配,并优选了铁矿粉和沃尔德的外加剂,配制出高性能的高密度水泥浆体系。对该水泥浆的稳定性、稠化时间、防气窜性能、流变性能进行了室内评价,试验表明,该体系在较大温度范围内具有浆体沉降稳定性好、密度在1.90~2.60 g/cm3范围内可调、游离液为零、流变性好、失水量小、强度高、稠化时间可调等特点,而且具有良好的防气窜性能。该高密度水泥浆体系已成功应用于胜坨地区坨720等井以及胜利油田、新疆等高压油气层地区固井作业中,现场应用表明,该体系的流变性能、初始稠度、失水量、稠化时间、抗压强度等指标均能满足施工要求,固井质量优良,可进一步推广应用。     

SN井区抗高温液硅-胶乳防气窜水泥浆

SN井区井底静止温度高,气层非常活跃,压稳与防漏难度大,单纯胶乳防气窜水泥浆体系应用效果不理想。液硅乳液作为纳米级防气窜剂,活性SiO₂颗粒可参与水泥水化反应,具有增强水泥石强度、降低水泥石弹性模量和渗透率作用。在优化硅粉加量和粗细硅粉复配的基础上,研制出抗高温液硅-胶乳防气窜水泥浆,其具有API失水量小于50 mL、直角稠化、SPN值小于1、防气窜效果好、沉降稳定性好等特点;SEM和XRD分析显示,水泥石致密性好,水化产物中无Ca（OH）₂,而具有较多的雪钙硅石和硬钙硅石,高温下水泥石表现出良好的强度稳定性。液硅-胶乳防气窜水泥浆在SN井区进行了入井应用,实现了对高压气层的有效封固,取得了良好的效果。      

官深1井超高密度水泥浆固井技术

为解决异常高压气层和高压盐水层固井的实际困难,采用新型超高密度加重材料、超细加重稳定剂与其他填充剂进行颗粒级配,形成了密度为2.60~2.85 kg/L的超高密度水泥浆体系。该体系具有流动性好、强度高、抗高温、防窜能力强、对温度及密度变化自适应、施工安全性高、顶部无超缓凝的优点。针对超高密度水泥浆现场施工工艺,进行了超高密度材料灰样混配方案设计、高密度灰样模拟运输测试等研究,并通过优化施工方案,形成了超高密度水泥浆配套固井工艺技术。该技术在官深1井三开固井中成功应用,入井隔离液平均密度为2.75 kg/L,水泥浆平均密度2.78 kg/L,创造了国内入井水泥浆密度最高纪录。      

顺南井区高温高压防气窜尾管固井技术

顺南井区井温超高,地层压力系统复杂,气层异常活跃,防气窜固井难度大,导致固井质量不合格。为解决气体窜通和水泥石高温强度衰退的难题,开展高温高压防气窜固井优化研究。通过优化外加剂,得到了新型胶乳液硅防气窜水泥浆体系。研究结果表明,用粒径为0.18、0.125或0.09 mm的硅砂复配,能够克服178℃下水泥石高温强度衰退的难题;胶乳水泥浆体系加入液硅后,防气窜能力增大;加入纤维可以使水泥石弹性模量降低48%,抗冲击性好;水泥浆呈直角稠化,具有较好的防气窜能力。优化前置液结构,使用加重隔离液技术实现低速紊流顶替。为防止水泥浆失重导致气层不稳,替浆后反循环洗井并尽快进行环空憋压,实现以快治窜。同时,配套抗高温气密封固井工具与附件,以保证防气窜固井质量。顺南井区φ177.8 mm尾管防气窜固井质量得到良好改善,为该工区高温高压防气窜固井提供重要的技术支撑。      

莺琼盆地抗高温高密度防窜水泥浆研究及应用

南海西部莺琼盆地地质条件复杂,井底温度高达200℃,压力系数高达2.30,安全密度窗口极窄,固井过程中极易发生气窜,压稳与井漏矛盾突出。通过使用抗高温胶乳型防气窜剂,以球形颗粒的锰矿粉作为加重材料,优化得到抗高温防气窜高密度水泥浆体系。室内评价结果表明,高密度(2.40 g/cm~3)防窜水泥浆高温流变性好,失水量低,早期抗压强度高;同时沉降稳定性好,高温养护后水泥石上下密度差较小;高密度水泥浆静胶凝强度发展快速,稠化过渡时间小于5 min,且稠化时间受温度影响小,可有效防止气窜发生。该高密度水泥浆体系在莺琼盆地3口超高温高压气井得到成功应用,固井过程中无漏失发生,且固井质量检测结果显示固井质量良好。     

180℃液硅防气窜剂粒径优化及性能研究

为了改善常规液硅防气窜剂在超深井中的防气窜性能,通过在原材料中加入白炭黑和增加砂磨机物理机械研磨等方式,对液硅防气窜剂进行了粒径优化并进行了性能对比评价实验,通过基本性能实验评价了其与水泥浆的配伍性,通过抗压强度、渗透率和胶结强度评价了水泥石的防气窜性能,利用XRD和SEM分析解释了180℃液硅水泥浆体系的防气窜机理。实验结果显示,粒径优化实验制得了平均粒径为300 nm的液硅防气窜剂,与水泥浆配伍性能良好,15%加量以上的液硅使得水泥石抗压强度长期稳定,渗透率小于0.02 mD,胶结强度大于4 MPa,水泥水化产物氢氧化钙极大减少,微观水泥石结构从块状向条状和纤维状转变。研究结果表明,粒径优化后的液硅防气窜剂适用于现有水泥浆体系,能够改善常规液硅防气窜剂在超深井中的应用效果。     

180℃液硅防气窜剂粒径优化及性能研究

为了改善常规液硅防气窜剂在超深井中的防气窜性能,通过在原材料中加入白炭黑和增加砂磨机物理机械研磨等方式,对液硅防气窜剂进行了粒径优化并进行了性能对比评价实验,通过基本性能实验评价了其与水泥浆的配伍性,通过抗压强度、渗透率和胶结强度评价了水泥石的防气窜性能,利用XRD和SEM分析解释了180℃液硅水泥浆体系的防气窜机理。实验结果显示,粒径优化实验制得了平均粒径为300 nm的液硅防气窜剂,与水泥浆配伍性能良好,15%加量以上的液硅使得水泥石抗压强度长期稳定,渗透率小于0.02 mD,胶结强度大于4 MPa,水泥水化产物氢氧化钙极大减少,微观水泥石结构从块状向条状和纤维状转变。研究结果表明,粒径优化后的液硅防气窜剂适用于现有水泥浆体系,能够改善常规液硅防气窜剂在超深井中的应用效果。      

铁矿粉对高密度水泥浆流变性的影响

以粒度级配和紧密堆积原理为理论依据,以嘉华G级高抗硫油井水泥和铁矿粉等为基本原料,采用NN—D6型六速旋转粘度计,研究了密度为2．6g/cm^3的高密度水泥浆体系中铁矿粉的形状、粒度及粒度级配对其流变性能的影响。结果表明：采用颗粒圆形度较好、粒度较大、粒度级配范围较宽的铁矿粉作为加重剂,可以改善高密度水泥浆体的流变性。     

液体加重技术在超高密度水泥浆研制中的应用

随着深井和超深井复杂地层钻井的日益增加,普通高密度水泥浆已经不能满足深井、超深井及超高压固井作业的需要,研究超高密度水泥浆体系势在必行。由于常规高密度水泥浆采用无机矿物固相加重,密度难以突破2.6 g/cm³,为了有效地提高水泥浆密度,采用以液体加重为主的配制超高密度水泥浆的方法,即采用无机盐提高水泥浆配制基液的密度,结合颗粒级配原理,辅以无机矿物材料加重水泥浆密度,降低了配制超高密度水泥浆体系的难度,室内配制的超高密度水泥浆体系密度达3.05 g/cm³,具有良好的悬浮稳定性、流变性能、降失水性能和抗盐能力,稠化时间易于调节,其工程性能满足超高密度固井作业的需要。     

基于热增黏共聚物的高密度水泥浆高温稳定剂

针对水泥浆高温沉降失稳问题,设计开发了一种基于热增黏共聚物的高温高密度水泥浆稳定剂。首先,合成了一种热增黏共聚物,共聚物中引入新型疏水单体,测试了热增黏共聚物溶液不同温度下的流变性能,探索了其热增黏机理。热增黏共聚物溶液表观黏度随着温度的升高逐渐增加,115～125 ℃时达到最大值,温度持续升高,表观黏度略有降低,但150 ℃表观黏度仍可维持在初始表观黏度的2～4倍,表现出良好的热增黏效果。基于合成的热增黏共聚物,与助剂复配,制备了高温高密度水泥浆悬浮稳定剂,评价了稳定剂对高密度水泥浆沉降稳定性的影响,和加有稳定剂的高密度水泥浆流变性能、失水量、游离液、稠化性能和抗压强度等综合性能。实验结果显示,2.50 g/cm3高密度水泥浆中加入1%稳定剂后,150 ℃水泥浆密度差由0.58 g/cm3降低至0.07 g/cm3,水泥石密度差降到0.08 g/cm3以下,水泥浆高温变稀现象得到抑制,稳定性显著改善。加入稳定剂后,高密度水泥浆失水量及游离液降低,对水泥浆稠化时间、流变性能及抗压强度影响小,综合性能能够满足现场施工需求。      

海上超高温高压探井弃井水泥塞技术

莺琼盆地超高温高压探井高密度弃井水泥塞面临着流动性与沉降稳定性矛盾突出,水泥石强度易衰退,封固段长,温差大,顶部强度发展缓慢,安全密度窗口窄,水泥浆漏失与气窜风险并存等难题。通过使用球形微锰矿加重水泥浆,改善高密度水泥浆流变性,同时提高其沉降稳定性,优选高温成膜防气窜剂,降低气窜风险,优化硅粉加量,提高水泥石高温抗压强度,强化隔离液防漏性能,配合挤入式固井注水泥塞工艺,形成了一套莺琼盆地超高温高压弃井水泥塞技术。该技术在莺琼盆地应用最高井底静止温度达213℃,水泥浆最高密度达2.50 g/cm3。现场应用表明,弃井水泥塞流动性及沉降稳定性好,高温强度发展快且不衰退,稠化时间稳定,具有良好的防窜及防漏能力,均成功封固住高压气层。      

耐高温高压超高密度水泥浆体系的室内研究

天湾1井是位于准噶尔盆地中部的一口超深预探井,井深为7500 m,井底压力为170 MPa,井底温度为160℃,针对该井高温高压的问题,以及目前超高密度水泥浆存在的流动性和沉降稳定性差、动态失水量较大、以及大温差下顶部水泥石强度出现过缓凝等问题,室内成功研制出耐高温高压超高密度水泥浆体系,水泥浆密度可达2.55 g/cm3,该体系主要由新型加重剂、微硅、高温稳定剂、600目硅石粉（粒径为0.025 mm）、新型微锰矿粉、悬浮剂、高温缓凝剂、高温降失水剂、高温减阻剂等组成。实验结果表明,该体系水泥浆流动度达到32 cm,同时具有较好的沉降稳定性能,顶部水泥石强度较高,防气窜能力强,在160℃、170 MPa下,稠化时间线性可调,动态失水量为40 mL,该水泥浆体系应用范围广泛,可通过调整外加剂掺量来满足天湾1井不同井深温度下的固井施工要求。      

油井水泥浆高温悬浮稳定剂的开发及性能研究

针对油井水泥浆高温沉降失稳问题,引入疏水单体N-十四烷基丙烯酰胺,制备了一种高温悬浮稳定剂,并测试了稳定剂的热增黏性能,分析了热增黏机理。综合评价了高温悬浮稳定剂对油井水泥浆沉降稳定性、流变性能、稠化性能和水泥石抗压强度的影响。结果表明,高温悬浮稳定剂通过分子间疏水缔合作用增加高温水泥浆的黏度;稳定剂的适用温度为60~150℃,最佳加量为0.15%;控制水泥石的密度差在0.025 g/cm3以内,具有非常良好的防沉降性能;稳定剂保证水泥浆的稠度系数变化很小,在4.441~5.760 Pa·sn范围内,保证水泥浆浆体稠度稳定;稳定剂对水泥石强度影响较小,水泥石强度满足固井施工要求。      

抗循环温度210℃超高温固井水泥浆

随着勘探开发不断向深层迈进,超深井、超高温井逐渐增多,超高温对水泥浆抗温能力提出了更高挑战。为了解决现有水泥浆体系抗高温能力差的问题,研制了抗高温降失水剂DRF-1S、抗高温缓凝剂DRH-2L及其他配套抗高温水泥外加剂,并形成了超高温常规密度固井水泥浆,在室内对该水泥浆的性能进行了评价结果表明,该水泥浆能够满足井底循环温度210℃、井底静止温度230℃的固井要求,水泥浆API失水量可以控制在100 mL以内,稠化时间可调,高温沉降稳定性不大于0.04 g/cm3,230～250℃超高温下水泥石强度高且不衰退。该水泥浆在华北油田杨税务地区高温深井安探4X井φ127 mm尾管固井进行应用,固井质量优质,为该地区勘探开发提供了固井技术支撑。      

川深1井固井水泥浆高温沉降稳定性研究与应用

川深1井是一口超深风险探井,完钻井深高达8420 m,井底温度178℃,为保证固井质量,水泥浆高温沉降稳定性至关重要。论文结合水泥浆在井底的顶替和静止自由沉降过程,利用高温高压稠化停机实验结合浆杯底部沉降颗粒层的厚度,建立了水泥浆高温沉降稳定性测试评价方法。基于水泥浆高温沉降失稳机理分析,从液相和固相角度出发,基于红外光谱检测分析提出了有机聚合物液相外加剂耐温能力评价技术,结合环境扫描电镜微观结构观察探明了硅砂粗细搭配以及超细材料微硅、液硅、纳米SiO₂以及胶乳对水泥浆高温沉降稳定性的影响及其作用机理。论文研究满足了1.90～2.30g/cm3水泥浆高温150～180℃沉降稳定性的要求,研究措施应用于川深1井五开油层尾管水泥浆体系设计中,水泥浆高温沉降稳定性良好,固井质量优良率88.1%。      

一种抗盐抗高温非离子型防窜丁苯胶乳的室内研究

非离子丁苯胶乳原浆直接应用于油井水泥浆体系中时,水泥浆体系的稳定性差,适用温度低,不具有抗盐的性能,难以满足高温深井、复杂结构井固井的需求。通过在非离子丁苯胶乳原浆中加入3%非离子表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚(10) FB-1、1%烷基酚聚氧乙烯醚(40) FB-2,制备出一种油井水泥防窜胶乳BZT-L2。对BZT-L2胶乳的抗温、抗盐以及防窜性能评价。结果表明,在30~170℃下,加入8% BZT-L2胶乳的水泥浆的API失水量控制在50 mL以内;稠化曲线呈直角,SPN值小于3,静胶凝强度过渡时间仅为11 min,抗盐达半饱和,胶乳的加入不但可以减少水泥浆失水量,而且可以增强水泥浆的防窜性能。此外,BZT-L2胶乳与其它水泥浆外加剂的相容性好,由其配制的水泥浆体稳定,综合性能好,自由水和密度差均接近零,流变性和流动度良好,抗压强度较高。BZT-L2胶乳水泥浆可以应用于复杂结构井、小井眼井以及水平井固井。      

高温固井水泥浆用降失水剂GT-1的制备及性能

随着油气勘探向深井、超深井方向的不断发展,固井作业对其工作液体系及外加剂提出了更高要求。针对目前降失水剂耐温、抗盐性能不足、适应温度范围窄、且与其他外加剂相容性差等问题,基于分子结构设计思想并结合功能单体优选,以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、对苯乙烯磺酸钠（SSS）、纳米二氧化硅等为原料制备了高温固井水泥浆用降失水剂GT-1。采用红外光谱、凝胶色谱、热综合及扫描电镜等分析方法研究了其化学结构、分子量、热稳定性及水溶液微观形貌。并对GT-1的失水性能、耐温性能、抗盐性能及所配制水泥浆体系的流变性能、抗压强度和稠化性能进行了研究。结果表明,降失水剂GT-1化学结构符合预期设计,重均相对分子质量为138 431,热稳定性优良,且其水溶液呈现规整的空间网状结构;同时,降失水剂GT-1耐温、抗盐性能突出,能够控制水泥浆失水量,且所配制水泥浆工程性能良好,满足固井施工需求,具有较好的应用前景。      

超高温固井水泥浆降失水剂的合成与性能

为实现超深井与复杂井超高温固井水泥浆体系的构建目标,突破常规固井水泥浆降失水剂的超高温控失水瓶颈,研制开发了超高温水泥浆降失水剂F-SHT,并对其进行了结构表征与性能评价。结果表明,F-SHT的数均分子量为21 475 Da,表观黏度低,不影响水泥浆的配制;在温度达到294 ℃时开始发生明显热失重,表明其分子链热稳定性良好;有效控失水温度可达240 ℃且可抗饱和盐水,采用水泥浆静态失水量评价方法,测得240 ℃/6.9 MPa下饱和盐水水泥浆API失水量为38 mL。测试了F-SHT在水泥浆体系中的综合性能,停开机、稳定性与API失水评价结果均合格。F-SHT在河探1井Φ177.8 mm尾管固井中成功应用,结果表明F-SHT现场适应性良好,固井质量良好,同时为超深层油气资源的勘探开发提供了有力支撑。      

高密度抗盐隔离液BH-HDS的研制与应用

高密度、盐膏层井对提高顶替效率的固井隔离液提出了更高的要求。通过选用生物质聚合物、无机悬浮物以及无机盐复合材料作为悬浮剂,阴离子聚合物作为稀释剂,重晶石作为加重剂,配制出一种新型隔离液。研究表明,该隔离液体系在1.50～2.40 g/cm3范围内具有良好的流变性能和沉降稳定性能,并且该体系具有良好的抗温性能,当温度达到180℃时,1.80 g/cm3隔离液的上下密度差为0.06 g/cm3,2.20 g/cm3隔离液的密度差为0.03 g/cm3 ;此外,该隔离液抗盐能达半饱和,半饱和盐水隔离液具有良好的悬浮稳定性和流变性。测试了隔离液与钻井液、隔离液与水泥浆、隔离液与钻井液、水泥浆3种混合液的相容性能,研究表明隔离液具有良好的相容性,加入隔离液的水泥浆的稠化时间较纯水泥浆稠化时间长。该高密度抗盐隔离液在伊拉克高压盐膏层应用2井次、在大港油田中深层油层现场应用1井次,固井质量1口合格,2口优质。