页岩气井固井分级式环空憋压技术研究与应用

防止环空异常带压以提高固井水泥环密封完整性是页岩气井安全高效开发的有力保障。固井候凝期间,水泥浆因失重导致环空液柱压力下降,地层流体窜入环空发生窜流,通常严重影响固井质量。针对页岩气井固井难点,研究了现场用水泥浆的失重过程与静胶凝强度发展过程。结果表明:三种水泥浆中快干浆的静胶凝强度发展最快,过渡时间最短(30 min);在静胶凝强度达到48 Pa时,缓凝浆失重率为1.04%,快干浆失重率达到85.2%,在过渡时间段内(48~240 Pa之间),中凝浆的失重速率最快,缓凝浆和快干浆的失重速率较慢;基于模拟计算环空憋压过程,在Z201井进行了现场试验,结果显示固井质量得以改善,第一界面合格率为97%,第二界面合格率为95.9%,气层段水泥胶结良好。分级式环空憋压技术具有良好的应用前景。

非渗透性随钻堵漏剂HTK-1的室内性能评价

自制非渗透堵漏剂HTK-1加入钻井液中,对钻井液的配伍性、钻井液老化后性能的影响以及岩心封堵等方面进行评价。实验表明,该堵漏剂HTK-1能在随钻过程中防止漏失,减小漏失量,提高地层承压能力,从而有效地实施封堵,保证钻井过程的顺利进行。

双重强化界面胶结强度技术

通过使用含有大量活性颗粒的LQ冲洗液配合CW自愈合水泥浆体系,利用活性颗粒的"楔合效应"与自愈合水泥的"微膨效应"起到双重强化界面胶结强度的效果,并利用环境扫描电镜、原子力显微镜等现代分析手段,对其作用效果进行了微观分析。得到了LQ冲洗液配方为:水+0.5%HEC+1%KZ-1+2%GF-1+2%JM-1+7%硼酸+1.5%JFC-1。实验结果表明,冲洗液的流变性能良好,对三磺钻井液的冲洗效率达到了82%,并且在110℃老化后仍能保持较好的流变性能,并可提高界面胶结强度50%以上。

用于油井水泥的JAS型无皂胶乳的合成及性能

采用无皂乳液聚合法,合成以苯乙烯(St)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(n-BA)为单体,以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为乳化剂的无皂乳液JAS。通过粒径分析、Zeta电位、透射电镜及热重分析方法,考察了AMPS用量对乳液粒径分布、Zeta电位值以及乳液热稳定性等的影响。该乳液无需加入稳定剂,即可用于油井水泥,制成JAS胶乳水泥。JAS胶乳水泥石养护72 h的抗压强度和胶结强度与基浆水泥石的抗压强度和胶结强度相比,分别提高13.35 MPa和1.15 MPa。这说明JAS乳液可以显著地改善油井水泥的性能。

高密度高效冲洗液XM-1

由于深井、超深井的井底温度和地层压力高,容易发生油气水窜,导致水泥环的胶结质量较低。在研究多功能冲洗液的基础上,研发了一种高密度高效冲洗液XM-1,以优选出的植物胶X-P作为悬浮剂,以磁铁矿CTK-1为加重材料,以矿渣KZ-1为界面增强剂。对该高密度高效冲洗液进行了性能评价。结果表明,冲洗液XM-1与油基钻井液相容性高,泥饼清洗率高,与单独用CTK-1加重的冲洗液相比,界面胶结强度提高了50%以上;经过含有KZ-1的冲洗液冲洗的界面,微膨水泥在界面可以很好地胶结,即使在微裂缝处也可以生成大量层状物并填充空隙,形成良好的封隔能力,而未加KZ-1的冲洗液冲洗的界面,界面胶结存在明显的裂缝,而且裂缝中也没有填充物。

DZD型高效双相分散冲洗液的室内研究

改善钻井液-冲洗液-水泥浆这三液两界面的相容性,减少彼此絮凝和结构的破坏,可以有效提高注水泥顶替效率和界面胶结强度,保证较好的固井质量。通过大量的室内研究,优选出一种高效双相分散剂,确定冲洗液配方。性能评价结果表明,该冲洗液具有良好的流变性,与低固相钻井液和水泥浆均具有良好的相容分散性;对低固相泥浆冲洗效率达到了90%以上,界面胶结强度平均提高50%以上。此外,通过电镜、原子力显微镜等现代分析手段,对胶结强度提高原因进行了微观分析。

新型胶乳的合成及其在实心低密度水泥中的应用研究

长封固井段和低压易漏井段等复杂井段通常利用低密度水泥浆进行固井,西南石油大学与胜利油田钻井工艺研究院合作开发的实心低密度水泥浆体系,具有密度稳定、早期强度高和成本较低等优点,但存在失水量偏大和胶结能力较低的问题。采用苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸正丁酯三元共聚,制得一种新型胶乳,并应用于实心低密度水泥中。实验结果表明,失水量降低20%,有效减少体积收缩,提高胶结强度30%以上。SEM结果显示,水泥石结构致密,质量较好。

PZJ型多功能冲洗液的室内研究

在钻井施工中,钻井液形成的泥饼直接影响后期的固井质量,如何有效地冲刷泥饼,提高界面的胶结能力,对提高固井质量至关重要。在前期对复配型表面活性剂的冲洗效果及其作用机理研究的基础上,经室内实验,确定了PZJ多功能冲洗液配方。实验结果表明:该冲洗液具有良好的流变性和耐温性,接近于牛顿型流体;对低固相泥浆、油基泥浆的冲洗效率均达到了88%以上,同时使界面胶结强度提高50%以上。通过扫描电镜,对胶结强度提高原因进行了微观分析。

油基泥浆用弱酸性冲洗液的室内研究

油基泥浆具有低滤失和低伤害等优点,但其滤饼难以清除,固井质量受到严重影响。在前期研究成果基础上,通过对悬浮剂、渗透剂、弱酸和微硅的种类或加量的优化,得到了一种新型弱酸性冲洗液XY-1。室内研究结果表明,XY-1流变性优异,稳定性和相容性良好,对油基泥浆滤饼的冲洗效率超过80%,并能大幅提高界面胶结强度。

WYL型高密度冲洗液评价及微观分析

在原有多功能冲洗液配方的基础上,通过优选加重材料与活性材料,研制出针对油基泥浆的WYL型高密度冲洗液。考察了该冲洗液对油基泥浆的冲洗效果、相容性以及对界面胶结强度的影响,并通过X射线衍射和电镜扫描进行了微观分析。实验结果表明,WYL型冲洗液与油基钻井液相容性好,泥饼清除率高,界面胶结强度明显提高,界面胶结良好。

暂堵剂HTK-1在含盐钻井液中应用实验评价

暂堵剂HTK-1以坚果壳和纤维素为主要原料,具有可降解和膨胀率较高的特点,在淡水钻井液中被广泛使用。本文对HTK-1在不同浓度盐水钻井液体系进行膨胀性、抗盐性及封堵效果室内实验评价,探究其在盐业钻井中的应用效果及前景。

交变载荷作用下固井水泥石抗拉强度实验方法研究及应用

抗拉强度是评价固井水泥石力学性能的关键指标,对保障固井质量和井筒长期密封完整性具有重要意义。为了克服目前固井水泥石抗拉强度测试方法普遍存在应力集中、结果误差大、重复性差、不能研究交变载荷作用工况等方面的不足,创新研发了固井水泥石拉头,优选了高强度结构胶,形成了一种固井水泥石抗拉强度直接测试方法,弥补了现有测试手段的不足。通过对纯水泥和韧性水泥浆体系开展评价实验发现,形成的固井水泥石抗拉强度测试方法消除了应力集中的影响,提高了实验结果的准确性和可重复性,具有安全可靠、成功率高、可研究交变载荷作用工况等优点。其中纯水泥比韧性水泥浆体系具有更高的抗拉强度,约高出近40%;但因其弹性较差,导致在10~30轮次循环加载的工况下,其强度衰减比韧性水泥浆体系快,最高降幅达47.73%。该方法在川渝地区页岩气固井中现场应用效果良好,具有广阔的应用前景。

固井用隔离液材料对界面胶结质量的影响

优良的固井界面胶结质量是防止环空气窜的关键性保障之一。围绕固井用隔离液研究存在的诸多技术难题,利用X衍射和扫描电镜测试等方法,开展了矿渣、重晶石等不同固相材料形成的隔离液对固井界面胶结质量的影响评价,并从界面胶结机理的角度,对不同材料影响的实质进行了分析。结果表明:含有矿渣类水硬性材料的前置液与钻井液的相容性良好,提高了固井二界面的胶结强度,而含有重晶石等惰性材料的前置液对界面胶结强度的提高作用不明显;含有矿渣类水硬性材料的前置液能够显著地抑制被前置液污染后水泥石抗压强度的衰退;在界面处矿渣类水硬性材料与水泥发生水化反应,降低了界面处氢氧化钙的含量,而且生成胶凝材料填充界面胶结的空隙,从而提高了界面胶结质量。研究结果为川渝油气田固井用隔离液的评价及优选提供了支撑,为固井质量的提高提供了重要参考。

乌式黏度计法在固井聚合物外加剂耐温能力评价中的应用研究

外加剂是水泥浆性能调控的基础,超高温条件对固井外加剂的耐温能力提出了极高的要求。因此,要确保高温深井固井安全和质量的首要前提就是优选耐温能力良好的聚合物外加剂。文章从聚合物的本质特性出发,借助乌式黏度计测聚合物分子量方法,通过对比分析聚合物外加剂在高温作用前后的“黏度-分子量”变化,对三种聚合物降失水剂和三种聚合物缓凝剂开展了评价优选,并通过水泥浆实验验证了评价结果的有效性。实验结果表明,降失水剂C和缓凝剂H在经180℃高温热处理前后,分子量变化最小,具有较好的耐温能力,水泥浆评价结果与采用乌式黏度计法得出的评价结果相符。

固井现场大样水陈化时间对含有机磷酸盐类缓凝剂影响分析

安全、顺利施工是保证固井质量的前提,其直接影响着整个钻井工程的成败和井的寿命周期。围绕川渝气井固井安全、顺利施工的技术难题,以固井现场大样水为主要研究对象,利用现场监测评价和室内复核等手段,研究分析了固井现场大样水陈化稳定性对施工安全的影响。结果表明,未清除干净的固井现场大样水水罐中的污垢中含有的Ca^(2+)、Fe^(3+)、Mg^(2+)等金属离子将与有机磷酸盐类缓凝剂等外加剂发生反应,从而降低大样水中相应外加剂的有效含量,导致水泥浆体系综合性能的改变,尤其是稠化时间的缩短,将会直接导致"插旗杆"等恶性事故的发生;加强甲方在固井现场对水泥浆体系性能的实时监测将有效降低固井施工风险,避免较大事故的发生。

聚合物基纳米SiO_2复合微球固井降失水剂的合成及表征

针对目前水溶性高分子类固井降失水剂抗温抗盐能力差、综合性能欠佳等问题,采用无皂乳液自由基聚合法,以苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)为单体,对苯乙烯磺酸钠(SSS)、2–丙烯酰胺基–2–甲基丙磺酸(AMPS)为离子型共聚乳化剂,纳米二氧化硅为填料,制备P(St/BA/MMA)–g–Si O2复合微球降失水剂(ZJD–220),考察了AMPS/SSS对聚合速率及复合微球性能的影响,评价了含降失水剂(ZJD–220)水泥浆的降失水、抗温抗盐等工程性能,探讨了其在水泥浆中的降失水作用机理。结果表明:复合聚合微球粒径分布均匀且窄,具有典型核壳结构和良好的耐热性能;复合微球(ZJD–220)可以明显改善水泥浆的降失水、耐温耐盐性能,在温度为200℃,复合微球的质量分数为3.0%时,淡水基水泥浆失水量为43 m L,盐水基水泥浆(18%Na Cl)失水量为28 m L;与不同水泥浆体系及外加剂具有良好的配伍性。通过化学分析、电镜扫描等手段揭示降失水剂ZJD–220的降失水作用机理为:聚合物微球在水泥颗粒及滤饼孔隙间通过"吸附架桥–填充堵塞–聚集成膜"的协同作用,改善了水泥浆滤饼质量,降低了滤饼渗透率,控制了水泥浆失水量。

环境响应型聚合物对水泥石抗CO2腐蚀性能的影响

利用压汞法、扫描电子显微镜和X射线衍射仪等分析方法研究了环境响应型聚合物ERP对油井水泥石抗CO2腐蚀性能的影响,并揭示了其改善水泥石抗腐蚀性能的作用机理。结果表明,聚合物ERP使腐蚀60d的水泥石孔径分布发生明显变化,有害孔（>100nm）减少51.13%,微细孔（<50nm）增大32.07%,总孔隙率降低16.31%,孔径细化;聚合物ERP可在水泥石遇酸表面或者内部形成一层膜状物质,膜状物质有效屏蔽了腐蚀介质与水化产物的直接接触,保持了水泥石结构完整性和水化产物相对稳定性;ERP改善水泥石抗腐蚀性能的作用机理为形成水化产物“包被层”,减少与离子交换源接触机会;腐蚀环境下形成连续分布“膜状物质”,阻断酸性腐蚀介质渗流通道。