“三高”气田固井水泥体系研究

针对高压、高产、高含硫化氢(H2S)气体("三高")气田在固井过程中面临的难点,探讨"三高"气田对固井水泥浆的要求,在分析水泥腐蚀机制的基础上,提出"三高"气田水泥防腐策略;采用水泥浆不同配料组分的颗粒粒径合理级配原理优化设计水泥,通过正交试验筛选出可形成致密水泥石、防腐性能优良的低密度高强度水泥和纤维-胶乳-微膨胀水泥2种体系4个配方,对其形成的水泥石进行抗硫化氢和二氧化碳(H2S/CO2)腐蚀性能评价试验,包括水泥石强度、渗透率、质量损失、腐蚀深度和腐蚀前后内部结构的变化情况,依据试验数据从理论上预测水泥石的抗腐蚀寿命。龙岗气田现场应用表明,所筛选的水泥浆的固井质量得到明显提高,可用于"三高"气田固井,并能延长气井寿命。     

川东北复杂压力体系气井固井技术

川东北地区普光、河坝、元坝等区块的海相天然气藏勘探取得了重大突破,该地区目的层埋藏深,地层压力和温度高,H2S和CO2含量高,属“三高”气田。陆相和海相地层有多套压力系统,长封固段和小间隙是固井工艺面临的主要挑战,H2S和CO2对气井长期安全造成威胁。2006年以前川东北探井的技术套管和生产套管固井的一次合格率仅为80 %和72 %。通过研究应用胶乳防腐防气窜水泥浆体系,紧密堆积高密度防气窜水泥浆体系,正注反挤工艺和分段压稳模型设计环空液柱结构等体系和工艺技术,固井质量较2006年前有大幅度提高。普光气田     

高温高压气井复合型水泥浆体系研究与应用

针对超深高温高压气井固井难点,通过优选DC200型胶乳增强水泥浆防气窜性能,降低水泥石渗透率;优选改性弹性粒子、有机聚合物纤维和无机矿物纤维为复合增韧材料,有效增强水泥石弹韧性,研制出了高温防气窜性能和弹韧性能优良的复合型水泥浆体系。评价显示:体系耐温达160℃以上,SPN值1,静胶凝强度过渡时间仅为12 min,防气窜效果好;与常规水泥石相比,渗透率可降低80%左右,弹性模量可降低60%左右,抗折强度可增加84%左右,水泥石抗冲击载荷可增加86.69%左右,显示出优异的力学性能;该体系在塔中顺南401井和顺南4-1井成功应用,整体固井质量良好。说明该体系可满足超深高温、高压气井固井技术要求,应用前景良好。     

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。     

苏南项目SNX井88.9,mm生产套管固井水泥浆技术

SNX井本层生产套管固井封固段长,且含有低压易漏层,存在漏失风险。由于本井为气井,目的层内的流体为致密砂岩气,故存在气窜的风险。为解决上述固井难题,选用了高强度低密度水泥浆与胶乳水泥浆双凝体系。高强度低密度水泥浆可以减少静液柱压力,降低了漏失的风险,且具有较高的强度;胶乳水泥浆可以有效防止气窜,改善了水泥石的性能,为后期开采提供了强有力的保障。双凝体系优化了固井工艺方案,保证压稳和防漏,现场施工顺利,取得了良好的固井效果。     

动态压力下固井防窜增韧剂研究与性能评价

调整井固井过程中地层压力时刻处于波动状态，这导致了严重的水窜；此外，储层改造时水泥环破裂将造成环空窜流。针对调整井固井存在的上述问题，首先，通过优选防窜增韧材料进行复配研究，制备出了一种动态压力下固井防窜增韧剂。然后，针对动态压力下水窜的特点，采用自主研制的新型水窜评价装置对防窜增韧改性水泥浆的防水窜性能进行评价。此外，还评价了防窜增韧改性水泥石的膨胀性能、力学性能和防窜增韧改性水泥浆的工程性能。最后，在渤海油田进行了现场试验。结果表明，防窜增韧剂增强了水泥浆的抗动态水分散性能和水泥石胶结界面的防水窜性能，减少了失水量和体积收缩；同时，该材料显著提升了水泥石的韧性，并且对水泥浆的各项工程性能没有负面影响；现场试验结果显示固井质量优于邻井。说明该防窜增韧剂可满足动态压力下固井防窜和增韧的要求。     

H_2S对固井材料的腐蚀过程研究

针对油气田开采中固井水泥石易受损害、不够牢固的问题,开展了H2S对固井材料腐蚀过程的研究。研究分为两个方面:通过对H2S气体与碳酸钙和弱碱性含水碳酸盐的腐蚀过程的研究,获得了水泥石中所有化合物的稳定性顺序,对腐蚀产物体积变化研究后认为,水泥石的破坏是因为在水泥石孔隙空间积累了腐蚀产物;通过对溶解在液体中的H2S对水泥石的腐蚀研究,得到了H2S对水泥石腐蚀的影响因素,认为,降低与固井水泥石接触的岩层的孔隙率和渗透性,可以降低水泥石的被腐蚀速度。研究成果对高含硫储层的开采具有一定意义。     

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。     

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。     

深水固井水泥石微观结构研究

随着全球油气需求的不断增长和陆地油气资源的不断减少,石油勘探开发不断向深海深入。国内也开始全面向深水进军,开发深水油气资源。对于深水表层固井,面临着低温、地层疏松、浅层流等技术难题,国内外在这方面做了大量的研究,这些研究主要针对解决深水固井技术难题,针对深水低温水泥石的微观结构的研究较少。本文利用XRD、SEM等仪器对密度1.5g/cm3的水泥石在低温条件下不同养护期的微观结构及成分进行了分析研究。结果表明:加入防窜增强剂PC-GS12L的水泥浆体系的水化产物形状变化不大,只是结构上变的致密许多,并且生成的水化产物更多。     

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。     

VAE乳胶粉改性砂浆耐久性能研究

针对实际工程应用中普通砂浆耐久性不足问题,研究了VAE乳胶粉对水泥砂浆耐久性改性效果,对不同聚合物含量（8%、9%、10%、11%和12%）的VAE乳胶粉改性砂浆通过收缩率、开裂性敏感度、抗渗性、耐氯盐腐蚀性和碳化实验,测试了收缩率、开裂总权值、渗水高度、透水压力、碳化深度以及氯离子渗透高度,结合扫描电镜实验,揭示了VAE乳胶粉对砂浆的微观改性机理。结果表明,VAE乳胶粉的加入显著提高了砂浆的抗渗透性。当聚合物含量为12%时,VAE乳胶粉砂浆的开裂总权值仅为普通水泥砂浆的55.1%,透水压力较普通水泥砂浆提高了78.6%,28 d碳化深度和氯离子渗透高度较普通水泥砂浆分别降低了36.8%、53.1%。VAE乳胶粉与砂浆中的骨料在浆体内部形成高黏结力的网状膜结构,填充改性砂浆的孔隙,使浆体内部更加密实,进而增强了改性砂浆的耐久性。     

泥水盾构泥浆在砂土地层中的渗透特性及对地层强度的影响

对于泥水盾构隧道施工,在有压泥浆渗透到地层的情况下,开挖面表面会形成渗透系数极小的泥膜.通过作用在不透水的泥膜上的泥浆压力来平衡掌子面前方的土水压力,以保证开挖面的稳定.以南京纬三路过江通道工程为背景,选择粒径及级配不同的3种地层,进行室内有压泥浆渗透地层模型试验,探讨有压泥浆在不同地层中的渗透特性及泥浆渗透对地层强度的影响规律.研究发现,对于砂土地层,其渗透系数是影响泥浆渗透深度及泥膜质量的重要因素,渗透系数分别与泥浆渗透深度及滤水量呈线性相关关系,而渗透到地层中的泥浆也会随着地层粒径的变化对砂土地层的剪切强度产生不同且有规律的影响.本文的研究成果可以为泥水盾构合理的泥浆支护压力提供相关参考.     

基于拉伸胶结强度的水泥环一界面完整性评价

油气井工作液密度降低或油气开采必将导致井筒内压降低,使水泥环一界面受到拉伸作用,造成水泥环与套管发生剥离,从而产生微环隙。过去由于没有拉伸胶结强度测量装置和方法,在进行水泥环封隔完整性研究和设计时,均采用水泥环一界面的剪切胶结强度或者水力胶结强度,导致在水泥浆体系优选和封隔完整性设计时存在不足。为此,根据水泥环工作时的受力过程,研制了水泥环一界面拉伸胶结强度测试装置并提出了相应的测量方法,基于该装置进行了水泥浆体系优选及一界面封隔完整性评价。通过对比水泥环一界面拉伸胶结强度和剪切胶结强度,发现前者约是后者的0.37～0.45,采用剪切胶结强度进行水泥浆体系优选或封隔完整性评价可能导致水泥环一界面封隔失效。实验发现,在高压养护条件下胶乳水泥浆体系一界面拉伸胶结强度大于膨胀增韧水泥浆体系和自愈合水泥浆体系一界面拉伸胶结强度。将水泥环一界面拉伸胶结强度作为油气井固井水泥浆实验设计、评价水泥环封隔完整性的重要依据之一,更能保证油气井安全生产运行。     

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。     

硅藻土改善胶乳水泥性能的室内研究

利用国产胶乳开发胶乳水泥体系时,通常采用外加剂的复配克服胶乳外渗和消除体系气泡。由于复配中需要注意的问题很多,给实际应用带来诸多困难;化学添加剂价格昂贵也增加 了 固井成本;这些问题给胶乳水泥体系的开发形成了障碍。通过室内研究发现,按照材料科学干涉原理,在胶乳水泥体系中加入一定量硅藻土,可克服胶乳外渗、消除体系气泡,并能提高水泥石的抗压与抗折强度、降低滤失量与析水量、增强体系的防窜性能;同时硅藻土价格低廉且用量较少,现场使用较为方便,具有很好的应用价值。     

超高密度水泥浆体系实验研究与应用

为了解决高密度钻井液条件下固井水泥浆密度问题,开展2.80 g/cm~3超高密度水泥浆研究势在必行。根据固井水泥浆相关工艺及颗粒级配理论模型,优选高密度水泥浆相关材料进行实验分析。确立了三级加重模式设计超高密度水泥浆,即选用100目、500目及200目密度为7.0 g/cm~3的还原铁粉进行加重。选用DHL胶乳作为加重悬浮剂,胶乳颗粒属于纳米颗粒,具有良好的悬浮作用;同时还具有减少水泥浆失水的能力。采用液体外加剂控制水泥浆性能,通过室内试验水泥浆密度达到了2.82 g/cm~3,流动性、沉降稳定性良好,现场应用效果良好。该成果刷新了中石化水泥浆固井纪录,对油气开发具有重大、深远的意义。     

CZ3-1、CZ3-3复合型缓蚀剂的研制与应用

为解决磨溪气田的腐蚀问题,研制了油溶性成膜缓蚀剂ＣＺ３－１与水溶挥发性缓蚀剂ＣＺ３—３,并将其复配使用．在室内采用常压、８０℃静态试验和高压（高Ｈ２Ｓ气体分压、高ＣＯ２气体分压）、８０℃静态试验评价了ＣＺ３—１和ＣＺ３—３复合使用时于含Ｈ２Ｓ、ＣＯ２、Ｃｌ－及高矿化度等腐蚀介质中的缓蚀作用;在现场试验中采用了加拿大卡普罗克（ＣａＰｒｏｃｏ）腐蚀监测系统考察了ＣＺ３—１和ＣＺ３—３复合使用时对气井地下管串及井口设施的缓蚀效果．室内评价及现场监测均表明ＣＺ３—１和ＣＺ３—３复合使用时在含Ｈ２Ｓ、ＣＯ２、Ｃｌ－及高矿化度等腐蚀介质中有良好的缓蚀效果．