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。      

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。      

复杂井况固井低密度水泥浆体系

针对粉煤灰低密度水泥浆体系存在的不足,经过室内研究,开发出了适用于高水灰比条件下的粉煤灰体系稳定剂SSD和早强激活剂TSN,使粉煤灰复合低密度水泥浆性能稳定,密度在1.30～1.45 g/cm3范围内可调,抗压强度较高并具有一定膨胀性.稳定剂SSD是以海泡石这种具有高比表面积纤维状物质为主,它加入到水泥浆体系中,将发挥纤维在界面上的交联与强化作用,以提高水泥石的抗压强度并使水泥浆具有一定的触变性.实验结果表明,稳定剂SSD的加入使水泥浆的析水率有明显减少,保证粉煤灰体系在高水灰比下的稳定性,同时由于稳定剂中还含有活性成分SiO2、MgO,能进一步提高该水泥石的抗压强度以及凝结后水泥石体积有一定量的膨胀,实现水泥环与地层、套管间的良好胶结,提高固井质量.     

高温多功能防气窜水泥浆体系在四川盆地海相超深井中的成功应用

针对四川盆地海相高温、高压、高含硫超深气井所面临的高温水泥浆沉降、气窜、水泥石强度衰退等主要固井技术难题,基于高温高压稠化仪模拟沉降稳定性评价方法、颗粒级配原理优选体系稳定材料,采用直接测定气窜和塑性态渗透率为辅助手段的防气窜评价方法优选防气窜材料,基于乌氏黏度计法的聚合物耐温能力评价方法来优选高温缓凝剂,采用正交法测试、热重法辅助分析180℃高温养护后水泥石抗压强度,优选高温稳定剂石英砂粒径和加量,研究出水泥浆和水泥石性能良好的胶乳弹韧性和低渗透防窜水泥浆体系。结果表明,①水泥浆体系在密度为1.90~2.30 g/cm3、温度为150~180℃范围内具有良好的工程性能和应用前景,为解决该类固井技术难题奠定了基础;②加砂可缓解水泥石强度衰退,高温下,加砂量与抗压强度呈正向关系,相同加砂量下,只加细砂强度表现更优,但长期强度增加幅度不如粗砂;建议150℃和180℃时,硅砂加量分别大于35%和45%;③基于乌氏黏度计法的聚合物耐温能力评价方法能有效评价降失水剂和缓凝剂的抗高温能力,是快速筛选高温井关键处理剂的重要辅助手段;④建议进一步开展H₂S介质等酸性气体对水泥石的腐蚀评价,有利于合理设计防气窜防腐水泥浆体系。      

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随着勘探领域不断向深部油气藏拓展，固井遭遇的复杂井越来越多。为了进一步加强粉煤灰低密度水泥浆体系在低压易漏复杂地层固井中的应用，经过大量室内研究，开发出以海泡石为主要成分的新一代稳定剂SSD，碱性有机物质类早强激活剂TSN，室内评价了它们在粉煤灰水泥浆体系中的性能，配制出密度可在1.30~1.45 g/cm3之间可调的粉煤灰复合低密度水泥浆体系。实验结果表明，该水泥浆体系的流动性好、析水率小、失水可控、稠化时间可调，水泥浆凝结后的水泥石不但抗压强度高，而且还具有一定的体积膨胀率，能完全适用低压易漏地层固井的要求，并保证水泥环与地层、套管间的良好胶结，提高固井质量。另外，粉煤灰、微硅使水泥石具有良好的抗腐蚀能力，海泡石、微硅等使水泥浆具有一定的触变性，这说明该水泥浆体系能兼有多种特性，是一种能满足复杂井固井需要的低密度水泥浆体系。     

高温大温差固井水泥浆体系研究

针对高温深井长封固段大温差固井面临的水泥浆顶部强度发展缓慢、易气窜等固井技术难题.在对高温大温差水泥浆设计难点分析基础上,通过合理设计水泥浆外掺料组成,优选抗高温性能好、对水泥石强度影响较小的外加剂,并研制出一种新型强度调节剂FZ-1,加快水泥石顶部抗压强度发展,最终设计出一套密度为1.90g/cm3,能有效解决顶部水泥浆超缓凝问题的高温大温差水泥浆体系.实验结果表明,该体系沉降稳定性好、失水量小、稠化时间可调、早期强度高且具有良好的防窜能力,能够满足循环温度为110～140℃,温差为50～70℃的高温大温差固井施工要求.     

高温高性能低密度水泥浆的室内研究

针对高温、低压易漏以及封固段长等固井难点,开展了密度为1.2 g/cm<'3>长封固段高温水泥浆的研究.选择耐高压合成钠硼珠为减轻剂,基于紧密堆积理论设计高温低密度高性能水泥浆,开发出了配套的缓凝剂BCR-300S和降失水剂BCF-230L,并研究了耐高温低密度水泥浆的高温稳定性、流变性、水泥石在高温下的强度稳定性以及顶部强度发展情况.研究结果表明,含有钠硼珠的低密度水泥浆密度在高压下变化较小,高温下浆体稳定(≤0.05 g/cm<'3>);水泥浆在180 ℃下稠化时间和失水性能可调;水泥石在230 ℃下养护24 h强度达18 MPa,强度7d不衰退,并且水泥浆顶部强度发展较快.     

复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系路

普通加砂G级水泥无法满足异常高温固井,水泥石高温强度衰退严重。针对高温深井固井问题,开展了在145~180℃下35%硅粉加量水泥石强度衰退机理研究,探索了170~200℃高温下硅粉粒度、加量及硅粉复配对水泥石强度发展的影响规律,优化出抗高温防衰退水泥浆体系。研究结果表明:①在温度大于160℃下,加量为35%硅粉的水泥石养护30 h时开始强度衰退,温度越高,衰退越早;②根据粗、细硅粉对水泥石强度发展的影响,得出0.18、0.09 mm硅粉及液硅比例为30:60:10,复合加量70%时,可以抑制200℃水泥石强度衰退;③优化出抗温为170~200℃、密度为2.08~2.41 g/cm3的复合加砂抗高温防衰退高密度防气窜水泥浆体系。通过以上研究,不但抑制了水泥石强度持续衰退,也改善了水泥石长期力学性能,对高温高压气井的良好封固提供技术支撑。      

复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系

普通加砂G级水泥无法满足异常高温固井,水泥石高温强度衰退严重。针对高温深井固井问题,开展了在145~180℃下35%硅粉加量水泥石强度衰退机理研究,探索了170~200℃高温下硅粉粒度、加量及硅粉复配对水泥石强度发展的影响规律,优化出抗高温防衰退水泥浆体系。研究结果表明:①在温度大于160℃下,加量为35%硅粉的水泥石养护30 h时开始强度衰退,温度越高,衰退越早;②根据粗、细硅粉对水泥石强度发展的影响,得出0.18、0.09 mm硅粉及液硅比例为30:60:10,复合加量70%时,可以抑制200℃水泥石强度衰退;③优化出抗温为170~200℃、密度为2.08~2.41 g/cm~3的复合加砂抗高温防衰退高密度防气窜水泥浆体系。通过以上研究,不但抑制了水泥石强度持续衰退,也改善了水泥石长期力学性能,对高温高压气井的良好封固提供技术支撑。     

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。      

耐高温抗盐固井降失水剂的制备及性能研究

针对目前聚合物降失水剂耐高温性能不佳、抗盐能力差以及低温增黏、高温稀释严重的问题,通过在分子结构上引入特殊阳离子功能单体,采用自由基水溶液聚合方法,制备了一种抗温可达210℃的两性离子型耐高温抗盐降失水剂DRF-4L。采用红外光谱、热失重分析以及环境扫描电镜对聚合物分子结构和耐温性进行了表征,并对其应用性能进行了评价。结果表明,DRF-4L适用温度范围广（30~210℃）,降失水性能优异;210℃（BHCT）时,掺4% DRF-4L的水泥浆API失水量为42 mL;抗盐能力强,可使饱和盐水水泥浆API失水量控制在50 mL以内;此外,DRF-4L低温不增稠、高温弱分散,对改善水泥浆初始流变性能和提高水泥浆高温稳定性具有明显优势;含DRF-4L的水泥石早期强度发展快,90℃下12 h抗压强度高于14 MPa,且后期强度发展正常。同时,以DRF-4L为主剂的低密度、常规密度、高密度水泥浆以及胶乳水泥浆体系等综合性能良好,能够满足高温深井超深井的固井技术需求。      

一种油井水泥石高温稳定剂

针对普通加砂水泥石经受高温后抗压强度衰退的问题,研发出一种油井水泥石高温稳定剂,该稳定剂对水泥浆的稠化时间、水泥石常温强度发育、流变性无副作用,与油井水泥外加剂配伍性良好,形成的水泥石高温下（320℃、450℃）抗压强度不衰退,优于加砂水泥石及超细二氧化硅水泥石。同时加入高温稳定剂的水泥浆还具有很好的胶结强度,约是加砂水泥石环的4倍,超细二氧化硅水泥石环的3.5倍。该高温稳定剂在蒙古林油田现场应用2口井,整个施工过程顺利,固井质量较好,一二界面胶结质量良好,具有良好的应用前景。     

抗高温弹韧性水泥浆体系优化研究

在顺北区块和塔中北坡勘探开发过程中,面临着传统水泥石硬脆性明显,在压裂施工中易出现环空微间隙,破坏水泥环完整性的问题。通过理论分析及实验研究,研发了水泥石弹韧性改性新方法,由传统技术的材料高性能发展为结构高性能,通过亲水改性的聚氟胶粉改善水泥石的弹性,有机、无机纤维协同作用增加水泥石的韧性,纳米二氧化硅改善水泥石微观结构增加强度,研发了抗高温弹韧剂,其耐温大于150 ℃,能降低水泥石弹性模量达37.13%,同时保持水泥石具有较高强度,并且具有较好的经济性。以高温弹韧剂为关键,通过评价配套的高温固井外加剂,开发出一套性能良好的高温弹韧性水泥浆体系,体系流变性良好、稠化时间合理、API失水量为45 mL,水泥石弹性模量为6.089 GPa、抗压强度大于30 MPa,满足固井施工要求,为高温高强高韧性水泥浆体系的推广应用奠定了基础。      

松科2井超高温水泥浆固井技术

针对中国大陆科学钻探松科2井超高温固井难点,采用四元共聚型抗高温降失水剂和三元共聚复合膦酸盐类缓凝剂,提高了水泥浆的耐温稳定性,避免了"热稀释"现象带来的风险,通过调整这2种耐高温外加剂的加量,满足了超高温下控制水泥浆失水量和调整稠化时间的要求。同时,根据颗粒级配及紧密堆积原理,对硅砂的粒径和加量进行优化,使硅钙比接近于1,防止超高温下水泥石后期强度的衰退,另外,优选了由颗粒和纤维共同组成的弹韧性材料,提高水泥石的弹韧性。通过合理配比设计出了抗260℃超高温的水泥浆体系,浆体稳定性好,水泥浆上、下密度差不大于0.03g/cm3,稠化时间为200~420 min,失水量小于100 mL,48 h抗压强度大于20 MPa,后期强度不衰退,7 d抗压强度大于38 MPa。优化尾管悬挂固井工艺,严格控制水泥浆密度,确保不压漏地层,采用耐高温高效冲洗隔离液,提高顶替效率,保证施工安全和固井质量。该体系在井底静止温度为260℃,循环温度为210℃的松科2井四开尾管固井中应用,现场施工顺利,保证了固井质量。      

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...     

纳米基复合增强剂的研究与性能评价

低密度水泥浆体系常面临水泥石强度低、顶部强度发展缓慢的问题,而常规促凝早强材料虽可增加水泥石强度,但多会明显缩短稠化时间,稠化时间和强度之间矛盾突出。针对该问题,通过引入表面改性的纳米材料,搭配高效激活材料,开发出了一种“弱促凝、高早强”型复合增强剂。针对不同低密度水泥浆体系,通过控制增强剂加量、温度、水灰比、密度等变量,对该剂进行了评价实验。结果表明,纳米基复合增强剂可在对稠化时间影响较小的前提下,大幅提高水泥石的抗压强度,其中低密度水泥石顶部强度提高率可达40%以上,在不同类型低密度水泥浆体系中均有提强效果,并在长庆油田进行了应用,效果良好。      

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。      

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。