胶乳对油井水泥浆作用机理的实验研究

利用实验方法系统研究了聚乙烯醇胶乳对油井水泥浆的失水、稠化性能、游离水和水泥石抗压强度等参数的影响。结果表明,胶乳加量增大时,油井水泥浆的失水量迅速变小,稠化时间延长,初始稠度减小,游离水得到有效的控制,水泥石的抗压强度减小而柔性增大。试验证明,聚乙烯醇胶乳通过成膜、吸附、水化等作用能有效地控制油井水泥浆的液相运移情况,调节其稠化性能,改善水泥石的物理力学性能。自行设计了一套测定水泥石胶结强度的装置,实验证明所提出的测定方法是可行的。     

丁苯胶乳的研制及其水泥浆性能评价

在一定温度下,丁二烯和苯乙烯中加入引发剂、乳化剂和相对分子量调节剂后,聚合生成丁苯胶乳。应用X射线衍射仪、电位测试仪对生成的丁苯胶乳进行结构性能分析,并对丁苯胶乳水泥浆常规物性、水泥石的强度进行了评价。结果表明：丁苯胶乳水泥浆具有丁苯胶乳加量少、抗高温、低失水、低游离水、直角稠化、过渡时间短、防气窜和良好的流变性等特点。水泥浆性能良好,固井质量优异。     

矿渣对水泥性能的影响

矿渣作为油井水泥的一种外掺料,它的加入可以对水泥浆性能产生多方面的影响,表现在提高水泥石的抗压强度,改变水泥浆的稠化时间,可以使水泥石更加致密;电镜分析显示,矿渣的加入,可以大大加快水泥的水化速度,提高水泥石的早期抗压强度。     

微膨增韧胶乳水泥浆实验研究

在室内优选了一种微膨增韧胶乳水泥浆体系,综合评价了微膨增韧胶乳水泥浆体系,微膨增韧胶乳水泥浆体系具有耐高温、微膨胀、高韧性、低失水和游离液、稠化时间可调且过度时间短、抗压强度和胶结强度高、防气窜性能好,有利于提高固井质量,延长油气井寿命。     

煤层气泡沫固井新型早强剂FC-A及其性能

针对煤储层温度低,固井时水泥水化反应速率慢,水泥浆稠化时间长,水泥石抗压强度发展缓慢等问题,依据水泥浆的水化机理,以不同离子对硅酸钙矿物熟料水化速率的影响规律为理论基础,研制出过渡金属复合盐类新型低温早强剂FCA,并系统评价了该早强剂不同加量(1%、2%和3%)情况下的水泥浆性能,与早强剂氯化钙(Ca Cl2)进行对比,得到了FC-A对水泥浆的影响规律:早强剂FC-A能够提高水泥石低温早期抗压强度,完全满足6 h抗压强度(39℃、常压)大于等于4.0MPa技术指标;早强剂FC-A能够缩短水泥浆稠化时间,加有FC-A早强剂的水泥浆稠化时间与水泥原浆稠化时间之比(32℃、8.3 MPa)为0.438;FC-A对水泥浆的流变参数和初始稠度基本无影响,具有优异的低温早强和促凝作用,是一种综合性能优异的新型早强剂。     

脉冲振动对水泥浆性能影响的实验研究

为研究脉冲振动对水泥浆性能的影响,研制开发出液压水泥浆脉冲振动试验评价装置.采用该仪器,可模拟脉冲振动条件,测试不同性能的水泥浆体系经过不同振动频率、振幅的脉冲振动后,脉冲对抗压强度、胶结强度、游离液、初终凝时间等性能的影响.实验结果证明,脉冲振动可以显著改善水泥浆的性能,其中,在0.25—9Hz的振动条件下,水泥石的胶结强度平均提高了11%—22%,水泥浆的初凝时间平均缩短了3%,初终凝过渡时间平均缩短了12%—17%,水泥石的抗压强度平均提高了10%—14%,水泥浆稠度系数K平均降低16%—63%.因此,脉冲振动固井可以显著缩短水泥浆由液态转化为固态的过渡期,减小水泥浆胶凝失重,改善水泥浆胶结质量.     

基于触变水泥浆的套漏井不留塞封堵技术

套漏井不留塞封堵工艺要求封堵剂在地层里能驻留、井筒里能冲洗出来,油田常用的G级油井水泥性能难以满足要求。针对水泥浆封堵剂不留塞封堵工艺的要求,开展触变水泥浆配制和性能评价。在室内不同温度下对触变水泥浆的流变性、静切力、静置增稠和剪切稀释特性、稠化性能和水泥石的抗压强度等进行了测试,分析了触变水泥浆作为不留塞封堵剂比G级油井水泥的优势。根据不留塞封堵施工过程封堵剂的状态,采用常压稠化仪模拟了封堵套漏井的施工过程;了解触变水泥浆在施工过程稠度变化规律,为优化封堵施工各道工序完成时间提供依据,尤其是确定反冲洗时间这一关键参数,为不留塞封堵施工成功和确保施工安全提供了参考。现场采用触变水泥浆实施不留塞封堵施工获得成功。     

碳纤维水泥配伍性试验研究

水平井、小眼井钻井技术的应用以及薄油层的开发易使水泥石射孔开裂,从而造成上下油水层串通,因此对水泥石韧性有了更高的要求。为了满足固井施工过程中对水泥浆性能以及对水泥石性能的要求,根据国家固井水泥性能测定操作标准,对碳纤维水泥进行了针对性的配伍性试验研究,包括水泥浆流变性、稠化时间、失水量以及水泥石抗压强度、抗折强度等方面的配伍性试验。研究结果表明,碳纤维与水泥以及水泥添加剂具有良好的配伍性;一定尺寸的短碳纤维可以有效地提高水泥浆的流变性和水泥石的抗折、抗压强度。     

碳纤维水泥配伍性试验研究

水平井、小眼井钻井技术的应用以及薄油层的开发易使水泥石射孔开裂，从而造成上下油水层串通，因此对水泥石韧性有了更高的要求。为了满足固井施工过程中对水泥浆性能以及对水泥石性能的要求，根据国家固井水泥性能测定操作标准，对碳纤维水泥进行了针对性的配伍性试验研究，包括水泥浆流变性、稠化时间、失水量以及水泥石抗压强度、抗折强度等方面的配伍性试验。研究结果表明，碳纤维与水泥以及水泥添加剂具有良好的配伍性：一定尺寸的短碳纤维可以有效地提高水泥浆的流变性和水泥石的抗折、抗压强度。     

防腐蚀的非渗透性胶乳聚合物水泥浆研究

为了研究CO2腐蚀水泥石的机理,并开发出适合某气田群固井水泥石的缓蚀剂,室内合成并筛选了符合防CO2腐蚀水泥石原理的缓蚀剂PC-CB86L。实验从水泥石孔隙结构影响因素、养护温度、养护压力以及养护时间都对水泥石的腐蚀产生影响及对比PVA水泥石、胶乳水泥石和非渗透性聚合物胶乳水泥石的渗透性,研究发现该非渗透缓蚀剂与胶乳水泥浆体系具有良好的相容性,加有PC-CB86L非渗透剂的水泥浆体系渗透率降低率达到98.94%,水泥石与PVA聚乙烯醇水泥浆制备的水泥石比较,开始产生渗透现象的初始压力达到6倍,体现出非渗透胶乳聚合物水泥石具有较强的抗CO2和H2S等腐蚀能力,具有防气窜和抗腐蚀的功能,满足某气田群开发的固井作业要求。     

可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能影响的试验研究

为研究可再分散乳胶粉对水泥稳定碎石材料性能的影响，开展水泥胶砂试验及无侧限抗压强度、抗折强度、干缩、温缩路用性能试验，并通过XCT、SEM微观试验分析胶粉的作用机理。试验结果表明：胶粉应用于低剂量水泥基材料时，对强度和抗裂性具有显著的提升效果。考虑水泥稳定碎石的抗压强度、抗折强度及韧性，5%胶粉用量最优。5%胶粉水泥稳定碎石7 d无侧限抗压强度提高9.8%、抗折强度提高9.6%、弯曲韧性提升21.0%。掺入胶粉后，水泥稳定碎石的7 d、28 d干缩系数分别降低41.5%、34.0%，温缩系数降低17.1%，收缩性能得到显著改善。XCT图像分析显示，加入胶粉改变了水泥胶砂的孔隙特征，减少了大孔的数量，孔隙率和平均孔径是影响胶砂强度的主要因素。SEM结果显示胶粉可以增强水泥稳定碎石的界面粘结，优化其孔隙结构，并且与水泥水化产物联结形成弹性空间网络结构，是水泥稳定碎石韧性和收缩性能提升的主要原因。     

油井水泥石脆性降低的途径及其作用机理

针对国内油田薄油层井、小间隙井和侧钻井固井后射孔及后续增产措施造成的水泥环脆裂（即二次窜流）问题，为了降低水泥石的脆性，正确评价不同材料对水泥石韧性或弹性的影响，对掺有胶乳、橡胶粉和PVA纤维水泥石的抗折强度、抗压强度、抗冲击功和弹性模量等力学性能进行了研究，并对3种材料的作用机理进行了剖析。研究结果表明，与净浆水泥石相比，掺有胶乳和橡胶粉水泥石的弹性模量分别降低了69％-76％和49％-60％，掺有PVA纤维水泥石的抗冲击功和抗折强度分别提高了9％-89％和16％-37％。胶乳、橡胶粉与水泥水化产物的有效铰接和桥联作用显著提高了水泥石的弹性，PVA纤维的有效阻裂作用显著提高了水泥石的韧性。     

丁苯胶乳对固井水泥石性能的影响

针对油田中后期开发面临的固井水泥环受腐蚀、脆性破裂的问题,采用水泥石抗腐蚀性分析、试件抗压和抗折强度实验,对胶乳改善水泥石的抗腐蚀性和韧性进行了研究,分析了胶乳改善水泥石抗腐蚀性和韧性的机理。结果表明,胶乳水泥石比普通水泥石抗腐蚀能力明显提高;随着水泥石中胶乳加量增加,水泥石的脆性系数逐渐减小,抗折强度逐渐增大,韧性增强。m(胶乳)∶m(水泥)在1∶10～1.5∶10时,水泥石的致密程度最高,渗透率最小。     

基于HYMOSTRUC3D的固井水泥石孔隙结构演变及力学强度发展规律

固井水泥石微结构发育规律是固井工艺设计和固井质量评价的重要参考依据.以HYMOSTRUC3D软件为基础,建立了水泥水化模型,获取了CH[CH表示Ca(OH)2晶体]含量和抗压强度,并对实验结果进行了对比,模拟结果与实验结果的偏差基本都在10％以内.然后,基于水泥水化模型获取了不同水灰比(W/C,W/C=0.4、0.44、0.5、0.6、0.8、1.0、2.0)和水化龄期对固井水泥浆水化过程中C3S(3CaO·SiO2),C2S(2CaO·SiO2),C3A(3CaO·Al2O2),C4AF(4CaO·Al2O3·Fe2O3),C-S-H(Ca5Si6O16(OH)·4H2O)CH、孔隙率、孔径分布、抗压强度和三维结构等的影响.同时,采用Ryshkewitch方程、Schiller方程和二次线性方程重点讨论了抗压强度与孔隙率的关系.结果表明:在水泥水化过程中,随水化反应的进行,水泥石孔隙率逐渐减小,抗压强度增大;随水灰比增大,粗孔含量增加,细孔占比减小,孔隙率增大,孔径分布变宽,抗压强度减小.采用Ryshkewitch方程、Schiller方程和二次线性方程拟合抗压强度与总孔隙率和毛细孔隙率的相关系数都达到0.92以上,分别为0.96、0.92、0.95和0.98、0.97、0.98;毛细孔隙率是固井水泥石强度发展的主要影响因素.     

硅灰耐高温低密度水泥浆的研究

用硅灰作高温稳定剂,漂珠为减轻剂,与G级油井水泥配制密度为1•5g/cm3的水泥浆。该水泥浆的特点是:①密度低,用水量小;②在低温下强度高、滤失量低、析水为零、稠化时间可调、流变性好,能满足施工工艺的要求;③水泥石能承受高温,在350℃、20MPa下养护3天,强度达12MPa。该低密度水泥浆可用于低压易漏地层稠油热采井的固井,并可大大减轻因高温引起的水泥石强度衰退,延长油井的寿命。     

低温抗盐降失水剂LTF-1的室内合成及性能研究

针对低温浅层、盐层油气井固井水泥浆存在低温强度发展缓慢、受盐层影响较大的问题,依据自由基水溶液聚合原理,制备出一种低温抗盐降失水剂LTF-1.LTF-1是利用AMPS、AM和一种单体X通过共聚反应制备而成,采用正交实验法,确定单体配比、优化分子结构、调整相对分子质量大小及其分布,优选出LTF-1的最佳合成工艺条件.室内研究表明,以LTF-1为主剂的低温水泥浆体系具有强度发展迅速、失水量低、抗盐能力强、流变性优异、缓凝性弱及稠化时间易调等特点,解决了常规降失水剂固井水泥浆存在低温强度发展缓慢、受盐层影响较大的问题;其综合性能能够满足低温浅层及盐层油气井的固井要求.     

单轴应力条件下水泥石强度与弹性模量的关系

利用高温高压养护釜、压力试验机等设备对油井水泥石的应力-应变曲线进行了检测.分析了温度、外加剂对水泥石强度和弹性模量的影响规律,研究了强度与弹性模量关系模型的建立问题.结果表明,单轴应力条件下水泥石具有明显的弹性变形及脆性破坏特征;强度与弹性模最初随养护温度提升而增大,达到一定温度后,随温度继续升高而减小;各体系的强度及弹性模量均随养护时间的增长而增加,分散剂、降失水剂、胶乳能降低强度和弹性模量,早强剂、膨胀剂能增加强度和弹性模量,硅砂能增加高温条件下水泥石的强度及弹性模量;采用数据回归分析方法建立水泥石强度与弹性模量之间的关系模型,可以依据所建立的模型利用水泥石强度测试数据估算弹性模量.     

一种水溶性树脂对水泥石抗CO2腐蚀性能的影响

针对苏里格区块油气田在固井过程中面临CO_2酸性气体腐蚀的难题,在分析CO_2对水泥石的腐蚀机理基础之上,设计并合成出一种水溶性树脂(WSR),将其作为一种新型防腐蚀剂以期达到提高固井水泥石抗腐蚀性能的目的。表征结果表明WSR具有酸性环境响应特性,即可在酸性环境下可形成一种连续立体网络结构;腐蚀性能评价结果表明:WSR对水泥浆基本性能无不利影响;相对于活性硅质材料,WSR可以使水泥石的腐蚀深度、力学性能衰退和微观结构破坏程度明显减小;经CO_2腐蚀35 d后,WSR水泥石腐蚀深度增加14. 60%,抗压强度衰退6. 65%,渗透率降低9. 63%,总孔隙率降低16. 31%; SEM表征WSR在遇酸水泥石表面形成一层明显的连续分布膜状物质,此膜状物质效避免了酸性介质对氢氧化钙(CH)和硅酸钙凝胶(C—S—H)的腐蚀破坏,保持了水泥石微观结构的完整性,近而提高固井水泥石的抗CO_2腐蚀性能;此外,膜状物质"屏蔽层"还可抑制酸性腐蚀介质与水泥石的脱钙反应及减缓对水泥石的淋滤冲刷作用。