新型低温固井早强剂性能研究

针对浅层低温导致水泥浆强度发展缓慢的问题,通过分散-共沉淀法制备了一种新型低温固井早强剂ES-22,并对制备早强剂的粒径及微观结构进行分析。比较了在低温条件下,新型早强剂ES-22与其他无机早强剂对水泥浆强度发展的影响,并研究了新型早强剂不同加量对水泥浆性能的影响规律。研究表明,制备的早强剂ES-22粒径主要集中在15～25μm之间。与其他早强剂相比,新型早强剂ES-22对水泥石早期抗压强度提升最大,且制备的早强剂在低温环境下对水泥石力学性能提升更大。早强剂掺入水泥浆中对水泥浆流变性影响不大,稠化时间无大幅度缩短,失水量降低。在20℃下养护24 h后,含4%早强剂水泥石的抗压强度和抗折强度比空白水泥石分别提高了204%和136%。新型早强剂在固井水泥浆中有很好的应用效果。     

纳米二氧化硅复合早强剂的开发与性能评价

针对深水固井中油井水泥早期强度增长缓慢的问题,考察了纳米二氧化硅低温早强特性,并通过递进式叠加优化获得一种纳米二氧化硅复合早强剂NS-4。模拟深水固井的温度、压力条件,测试了该早强剂对油井水泥稠化性能、静胶凝强度和抗压强度的影响。研究结果表明:纳米二氧化硅复合早强剂组成方案为0.8% 纳米二氧化硅（质量分数,下同）+2% 硫酸钠+0.05% 三乙醇胺+0.2% 铝酸钠,掺量为水泥的3.05%;15 ℃、10 MPa 条件下掺入该早强剂的水泥浆稠化时间为236 min,其中稠化过渡时间为34 min;30 ℃、15 MPa 条件下静胶凝强度0~576 Pa 发展时间为180 min,其中胶凝过渡时间为48 min;在4 ℃、15 ℃、30 ℃下,加入该早强剂的水泥石24 h 抗压强度分别是纯G 水泥的9 倍、4.7 倍、2.4 倍。该早强剂优异的低温早强、防气窜性能,有助于解决深水固井面临的低温、浅层水/ 气流动的难题。     

一种新型深水低温液体早强剂的研究及应用

通过引入新型早强剂,成功解决了低温环境下,特别是环境温度低于15℃情况下水泥浆的水化进程缓慢的问题,成功解决了固井候凝时间长的难题,值得在深水低温环境下借鉴与应用。     

低温固井水泥浆体系的室内研究

针对煤层气层的低温固井以及深水表层套管固井中油井水泥早期强度发展缓慢的问题,通过将胶体SiO₂、硫酸盐和醇胺类物质三元复配,开发出一种复合型无氯早强剂AA。研究了该早强剂不同加量对油井水泥的影响,采用XRD、SEM分析水泥水化产物和微观形貌,并结合早强剂中各组分作用,分析了它的作用机理。通过向水泥中加入减轻材料和配套外加剂,形成了一套密度为1.35~1.87 g/cm3的低温固井水泥浆体系。研究结果表明,早强剂AA可以加速水泥熟料C₃S、C₂S的水化反应进程,同时消耗水泥水化生成的Ca(OH)₂,胶体SiO₂可以与Ca(OH)₂发生火山灰反应生成C-S-H凝胶,它可以填充水泥颗粒之间的微孔隙,显著提高水泥石早期强度;该低温固井水泥浆在30℃下的24 h抗压强度大于13 MPa,稠化时间在196~258 min之间,失水量为24 mL,游离液为0,流动度大于20 cm。此外,该水泥浆体系具有直角稠化、防气窜性能优异等优点。      

一种新型油井水泥低温早强剂

针对水泥石低温情况下强度发展缓慢,影响钻井周期的具体情况,研制开发了早强剂DZ-Z.DZ-Z由多种无机化合物和有机化合物按一定的比例复合而成,具有双重早强作用,它能明显地提高低温下水泥石的早期强度,并能改善水泥石结构,使之致密、渗透率降低.早强剂DZ-Z加量为0.5%～2.0%,适用温度为0～50℃,8 h水泥石抗压强度大于3.5 MPa,随着加量的增加,水泥石强度也迅速增长.同时,早强剂DZ-Z基本不影响浆体的流变性能,还可以根据现场施工所需时间的长短,用缓凝剂调节水泥浆稠化时间,但仍能使8 h抗压强度大于3.5MPa.现场应用表明,低温早强剂DZ-Z在低温条件下明显缩短了固井候凝时间,节约了钻井作业成本.     

锂盐早强剂改善油井水泥的低温性能及其作用机理

为缩短深水低温固井候凝时间,开展了锂盐早强剂对油井水泥低温水化能力和性能影响的研究。结果表明,锂盐早强剂通过加快水化保护膜破裂使水化诱导期缩短的方式提高油井水泥中C₃S、C₂S 低温水化能力,从而明显缩短油井水泥的低温稠化时间,提高低温抗压强度,并且对水泥浆初始稠度无影响,表现出优异的低温早强功效。锂盐早强剂对油井水泥的水化产物类型无影响,水化产物主要为硅酸钙凝胶、Ca(OH)₂晶体和少量钙钒石AFt晶体,与单纯油井水泥水化产物一致,但水化产物的微观结构较常规水泥石致密。     

低温早强低水化放热水泥浆体系开发

深水水合物地层的特殊环境要求固井水泥具有低水化放热和低温早强特性,而现有的固井水泥浆体系大多不具备低水化放热特性,而且低温水化速度较慢。为此,提出了低温早强低水化放热水泥浆体系的研究思路。在铝酸盐水泥和G级水泥按照1:1质量比形成的混合水泥浆的基础上,通过对储能微球研发以及对密度减轻剂、稳定剂和其他外加剂的种类和加量的优选,形成了低温早强低水化放热水泥浆体系,其早强剂为0.06%三乙醇胺,降失水剂为1%聚乙烯醇类降失水剂CML,缓凝剂为0.35%硼酸,分散剂为1.5%SYJZ-1。同时对该体系进行的性能测试表明,在4℃养护24 h水泥石抗压强度可以达到5.9 MPa,水泥浆呈现低水化放热和低温早强特性。可以看出,该低温早强低水化放热水泥浆体系在早期强度、水化放热、密度等方面性能优异。      

一种低温早强低密度水泥浆

低温下,常规低密度水泥浆体系早期强度发展缓慢,水泥石胶结能力差,影响了水泥环封固质量,浅层易漏井固井质量问题日益突出,为此,进行低温早强低密度水泥浆体系研究。根据紧密堆积理论及综合室内实验研究,研制了密度为1.30~1.50 g/cm3的低温早强低密度水泥浆体系,主要优选了超细胶凝材料和锂盐复合早强剂,增加了低密度水泥石的致密性,提高了低密度水泥石的早期强度,25℃凝结时间为13 h,24 h抗压强度为10.2 MPa。该体系具有低温早期强度高,凝结时间短,稳定性好等优点。在大庆油田现场成功应用2口井,固井质量合格率100%,取得良好的应用效果。      

纳米级水化硅酸钙晶种作为油井水泥促凝剂的研究

纳米材料对水泥水化有促凝作用，近几年研究的重点为纳米级二氧化硅，但高的比表面积使其对水泥浆体增稠明显。水化硅酸钙晶种是采用人工合成的纳米级水化硅酸钙，其成核作用可以加速水泥的水化反应，因此，以四水硝酸钙和五水偏硅酸钠为原料，通过沉淀反应制备水化硅酸钙晶种，并开展了晶种作为油井水泥促凝剂的研究。结果表明，在10℃下，采用Tam air微量热仪对水泥水化热和水化速率进行了96 h不间断测试，随着晶种添加量的增加，水泥水化的诱导期呈现明显缩短趋势，放热量呈现增加趋势；用超声波强度分析仪实时跟踪水泥石强度的发展过程表明，加入晶种后起强度的时间明显缩短，水泥石强度发展速率得到了明显提升，且随着晶种添加量的增加，趋势更加明显；而水泥浆黏度并没有随着晶种添加量增加而呈现出明显的增加趋势。因此，水化硅酸钙晶种具有加速水泥水化反应、提高水泥石早期强度以及缩短静胶凝过渡时间的特点，是一种具有应用潜力的低温促凝剂。      

深水固井水泥性能及水化机理

针对深水固井中出现的低温、浅层水-气流动问题,测试了G级油井水泥-硫铝酸钙复合深水固井水泥体系的稠化时间、静胶凝强度、抗压强度、长期抗压强度和水泥石体积膨胀率,利用XRD手段表征了不同温度下水化产物和长期水化产物。结果表明:早期主要为硫铝酸钙矿物熟料水化生成钙矾石AFt,使水泥浆具有优异的低温早强、"直角稠化"、静胶凝强度"过渡时间"短和水泥石体积微膨胀的优点;后期主要为C₃S、C₂S水化生成水化硅酸钙凝胶C₂SH₂和Ca(OH)₂,水化硅酸钙凝胶C₂SH₂填充在钙矾石AFt晶体间,使水泥石结构致密,促进水泥石强度持续增长。体系中主要水化产物AFt、C₂SH₂凝胶稳定保证了水泥石力学性能的长期稳定。     

新型相变材料对低热水泥浆性能的影响

深水低温天然气水合物地层固井,需要水泥浆体系在水化过程中少发热,尽量降低水合物地层温度上升的程度。因此,针对深水天然气水合物地层固井,研究了一种用于低热水泥浆体系设计的新型相变材料,并研究了相变材料的热存储性能及其对水泥浆体系性能的影响。实验结果表明,新型相变材料相变峰值温度为15.5℃,相变温度在井下低温与常温之间,且相变潜热较大。当相变材料在77.8℃以下时,具有良好的热稳定性,且在0℃～60℃之间经历多次升降温后,相变材料化学结构没有发生变化。随着相变材料加量的增加,水泥浆的流变数据呈现增大的趋势,但加量达到8%时流变性依然满足固井施工要求。此外,新型相变材料可以改善水泥浆体系的稳定性。相变材料对低热水泥浆体系的抗压强度影响不大,加入8%相变材料的水泥石抗压强度也达到8.9 MPa,抗压强度最大下降幅度小于5%。当加入2%、4%、6%、8%相变材料后,水泥浆体系稠化时间比无相变材料水泥浆体系最大缩短约15 min,水泥浆体系72 h水化热较空白水泥浆体系分别下降5.2%、29.1%、35.6%、47.6%。研究结果为天然气水合物层低热水泥浆体系的设计提供了支持与参考。      

一种新型低放热水泥材料的室内性能研究

海洋深水钻探常常钻遇浅层水合物层,常规低温水泥浆放热量大,固井期间会引起水合物层不稳定,影响固井质量。通过对几种胶凝材料的筛选研究,开发了一种新型低放热水泥材料,从而建立了一套可适于深水浅层水合物层固井的低热水泥浆体系。该水泥浆体系在密度为1.40～1.60 g/cm3时,3 d的水化热均小于200 J/g,水泥石在10℃下养护24 h后的抗压强度大于3.5 MPa,降失水性能较常规低热水泥有较大提高,均小于50 mL,流变性测试φ₃₀₀均在300以下,同时新型低热水泥性能比普通低热水泥水化热更低,稠化时间可调,室内实验表明,新型低热水泥浆体系在低温环境下具有低水化热、高早强、低失水以及稠化性良好等特点,能够满足海洋深水水合物层固井作业的要求。      

-18℃下冻土区负温水泥浆水化微观过程研究

极地冷海地区具有重要的油气勘探开发价值,但常规固井水泥浆液相水分在该地区负温环境下会分凝结冰,水化反应无法进行,导致固井工作难以开展。为此,针对极地冷海冻土区负温环境下固井水泥浆不凝固难题开发了一种负温水泥浆体系,并对比研究了其在-18℃和室温环境下水化反应微观产物的区别。实验结果表明:该体系具有优良的负温固化性能,在-18℃下0.5~3 h内固化,24 h抗压强度达3.5~9 MPa,可有效解决负温条件下常规水泥浆不固化无强度难题;微观成分测试发现,-18℃下冻土区负温水泥浆的水化程度较室温下低,但水化产物中Aft含量较室温下高,这对水泥石的机械性能起到了积极作用。      

深水固井低温水泥外加剂的开发及应用

针对深水固井面临的低温、海底松软地层、浅层流等技术难题,采用单体复配技术开发了新型深水固井低温早强剂PC-DA92S、PC-DA93L,采用悬浮聚合技术开发了低温降滤失剂PC-DG72S。根据南海海域钻探的实际井况,研制出了适合现场应用的2种低温水泥浆,对该水泥浆在深水环境下的性能进行了评价。在南海LH16-1-1井的现场应用结果表明,2种低温水泥浆体系低温早强效果良好,具有失水量小、防气窜能力良好、稠化时间易于调整、水泥浆性能稳定等优点,能够满足现场施工要求,可用于海洋深水表层套管固井。      

AMPS水泥浆体系低温促凝剂的研究

为了研究一种对AMPS水泥浆体系有效的低温促凝剂,对不同组分促凝材料促凝效果进行了研究。采用正交实验,优选出了一种可以在AMPS水泥浆体系中起到良好促凝效果的促凝剂BCA-210S。结果表明,该促凝剂能促进AMPS油井水泥低温水化能力,缩短其在低温下的稠化时间,能将稠化时间控制在60 min左右;使静胶凝强度过渡时间降低到10min;在30℃、8 h条件下抗压强度可达到5.3 MPa。结论认为,该促凝剂能显著提高水泥石早期抗压强度,表现出优异的低温早强、防窜性能,有助于解决低温井、调整井固井面临的问题,是一种新型多功能促凝剂。      

高温合成水化硅酸钙对油井水泥水化进程的影响

以氧化钙、氢氧化钙、白炭黑等为主要原料,在160℃、80 MPa下,通过高温水热合成法合成了颗粒状水化硅酸钙晶体,并研究了其对油井水泥水化的影响。结果表明,合成的颗粒状水化硅酸钙晶体能使水泥水化放热量增加超过1倍,且能够显著加快水泥浆的放热速率;合成材料的粒径大小对水泥浆水化过程有一定影响,粒径为纳米级时水泥浆放热速率和总放热提高更为明显,一定加量下具有早强、增强水泥石强度的作用。研究表明水泥的钙硅比会影响水泥水化规律,相关机理需要进一步深入研究。     

低温高强韧性水泥浆在致密油水平井的应用

长庆油田致密油延长组油层埋藏浅,井底静止温度低,常规水泥石强度发展慢、脆性强,大型体积压裂易导致水泥环密封完整性破坏,严重威胁致密油开采和油井寿命。针对以上难题,优选了低温促凝早强剂DRA、低温增强材料DRB和膨胀增韧材料DRE-300S,并结合配套固井外加剂,开发了综合性能良好的低温高强韧性水泥浆体系。该水泥浆体系在55℃条件下,24h抗压强度达到35.8 MPa,168 h抗压强度为50.6 MPa,抗压强度较常规体系提高了33.1%,弹性模量降低了14.3%,表现出良好的低温高强韧性特性,增强了水泥环在交变应力作用下的密封完整性。该体系在长庆致密油水平井φ139.7mm生产套管固井中进行了4次现场应用,现场应用效果良好,为低温高强韧性水泥浆体系的推广应用奠定了技术基础。      

适用于低温地层的纳米复合水泥浆体系研究

为解决低温地层钻探过程中的井壁坍塌和井漏问题，研制了适用于低温地层的纳米复合水泥浆。采用宏观试验与微观分析相结合的方法，研究了低温下纳米Al₂O₃对硅酸盐–硫铝酸盐复合水泥浆性能和水化过程的影响；以普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复合产生的水化协同效应为基础，结合纳米Al₂O₃、防冻剂EG、减水剂JS-1和早强剂TEOA，配制了纳米复合水泥浆NAC；采用扫描电镜、X射线衍射和水化放热试验相结合的方法，研究了NAC的低温水化过程及水化机理。试验得知，温度为–9 ℃时，纳米复合水泥浆具有良好的初始流动性，可泵期为57 min，初、终凝时间分别为84和101 min，24 h抗压强度为6.9 MPa。研究结果表明，NAC具有直角稠化效应，低温下性能优越，能够满足钻进低温地层时的护壁堵漏要求。