一种抗240℃超高温固井缓凝剂的研发与评价

随着我国油气资源勘探开发不断向深层挺进,深井、超深井面临着越来越高的温度、压力挑战。为了满足深层、超深层油气开发的需要,针对现有固井缓凝剂抗高温能力差(低于220℃)无法满足大于240℃超高温固井需求的技术难题,根据油井水泥水化产物吸附特点,通过优化分子结构设计,引入强吸附阳离子单体(CP-22)、不饱和羧酸等耐高温单体,制备出了一种新型四元超高温两性离子缓凝剂(HTRP),并通过红外光谱、高温高压稠化等方法对缓凝剂HTRP的分子结构和耐超高温性能进行了研究。研究结果表明:(1) HTRP耐超高温性能优异,在240℃超高温循环温度下水泥浆稠化时间达401 min,可有效延长油井水泥在超高温下的稠化时间;(2)在150~240℃对油井水泥浆调凝性能优异,对温度、加量不敏感,稠化时间线性可调,有利于深井、超深井水泥浆的安全泵送;(3)与其他固井水泥外加剂、不同地区产油井G级水泥配伍性好,对水泥石力学性能影响小,顶部强度发展迅速,可满足超高温井固井施工需求。结论认为,该缓凝剂有效地解决了超深井超高温缓凝剂的高温失效难题,为超高温聚合物类缓凝剂的分子结构设计及耐超高温性能提升提供了新思路,可为我国深层、超深层高温高压油气藏的勘探开发提供技术支持,具备良好的应用前景。

纳米SiO_2溶胶缓解油井水泥高温强度衰退的作用机理

油井水泥石强度衰退是高温固井所面临的主要难题之一,而添加纳米SiO_2能否缓解水泥石的高温强度衰退以及其作用机理是什么,还有待于验证和确认。为此,通过室内试验,基于X射线衍射仪、扫描电子显微镜和能谱仪分析水泥石的矿物组成、微观结构和水化产物的元素,测定了高温条件下(150℃/35 MPa)纳米SiO_2溶胶对G级油井水泥石抗压强度的影响及变化规律,据此研究纳米SiO_2溶胶在高温下对水泥水化产物的作用机理。研究结果表明:①纳米SiO_2溶胶可以提高G级油井水泥浆的稠度系数,对水泥浆的流变性会产生不利的影响;②在高温养护初期,纳米SiO_2溶胶会降低水泥石的抗压强度,但加入纳米SiO_2溶胶的水泥石的抗压强度不会随着养护时间的增加而产生明显的变化;③加入少量纳米SiO_2溶胶的G级油井水泥中的纳米SiO_2颗粒吸附在水泥矿物表面阻碍水化反应,能够缓解水泥水化产物的高温脱水变质,纳米SiO_2颗粒还可以提高水泥微观结构的致密性;④加入大量纳米SiO_2溶胶的G级油井水泥中的纳米SiO_2与氢氧化钙发生火山灰反应生成一种新型的、结构松散的薄片蜂窝状CSH产物,难以提供较高的抗压强度。结论认为,纳米SiO_2可以作为水泥添加剂以缓解油井水泥高温强度衰退,该研究成果为高温固井水泥浆体系的设计提供了一条新的思路。

南海天然气水合物地层固井二界面胶结特性模拟

针对南海天然气水合物泥质粉砂地层松软且固结弱,固井胶结规律及界面损伤过程仍不清楚的问题,首先,制备南海天然气水合物模拟地层;其次,探讨水泥浆、地层类型和养护时间等对固井二界面胶结强度的影响规律;最后,利用内聚力模型模拟固井二界面黏性接触,并考虑水泥水化过程,建立固井二界面损伤分析模型,探究水合物固井二界面损伤规律。研究结果表明:水合物固井受泥质粉砂地层和低温影响,固井二界面胶结强度低且发展慢,水泥石与泥质粉砂地层难以形成有效胶结,固井封隔失效风险大,特别在低温、低密度水泥浆下更明显;固井候凝时间对固井封隔性能及井筒安全性的影响较大,水泥石需养护3 d以上,其强度、二界面胶结强度才会显著增加,固井封隔能力逐渐变好。为此,水合物固井在保证水泥浆低水化热前提下,水泥石还需要低温强度发展快而且强度高,保证固井界面封隔能力与水合物安全高效开采。

两亲高温缓凝剂制备及自组装与温度智能响应特性

深井长封固段固井对水泥浆体系性能要求严苛,既要保证高温下安全泵送,又要保证顶部水泥石早期强度较快发展缩短建井周期,现有缓凝剂常表现为温度越高缓凝作用越弱、温度越低缓凝作用越强,甚至出现长时间不凝固的不利现象。为此,合成出一种具有温度响应自组装特性的两亲聚合物高温智能缓凝剂TRAP。通过低温下疏水基团分子自组装为有序排列构象将缓凝基团包裹,阻止缓凝基团吸附在水泥颗粒表面,降低低温缓凝的副作用,高温下分子构象从有序转变为无序,显露更多缓凝基团吸附于水泥颗粒表面,展现出充分的高温缓凝效果,实现了缓凝作用随温度变化而自行智能调控作用,为解决深井大温差固井难题提供了一种新方法。研究结果表明:两亲聚合物缓凝剂TRAP耐温性能优异,在30~200℃能延长水化诱导期,有效增大水泥浆稠化时间,在130~190℃范围内,缓凝性能随温度升高显著增强,最高与最低温度稠化时间仅差69 min,表现出随温度升高缓凝作用智能增强的调控特性;模拟井底180℃高温循环固井条件,顶部上返水泥浆早期强度发展快,水泥石在90℃、24 h的抗压强度达16.3 MPa,将固井候凝时间大幅度缩短至24 h。缓凝剂TRAP独特的温度智能响应特性,不同且显著优于现有大温差缓凝剂的调控规律与效果,为解决深井长封固段固井的高温稠化时间与顶部低温早期强度调控难题提供了一种新方法。

高密度水泥浆高温沉降稳定调控热增黏聚合物研制与性能

在深井/超深井固井过程中,井底高温加剧了水泥浆中颗粒的布朗运动、降低了水泥浆内部黏滞力,高密度水泥浆更易发生沉降失稳甚至严重分层,影响固井质量和安全。现有改善高温高密度水泥浆稳定性方法存在着"低温增稠、高温变稀"缺陷,为此,在丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚基础上引入耐高温N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)单体、憎水单体(HCZW-50),采用水溶液自由基共聚法,合成出具有优秀热增黏特性的新型聚合物(TV-1),利用红外光谱、核磁共振、热重分析、凝胶渗透色谱、冷冻扫描电镜等分析了TV-1的结构、热增黏机理等,评价了TV-1对高密度水泥浆高温沉降稳定性的调控规律。研究结果表明:TV-1聚合物耐温性能优异,在20~150℃温度范围内,表观黏度随温度的升高显著增加,其独特的热增黏特性有助于防止高温高密度水泥浆沉降,在155℃下TV-1可将高密度水泥浆上、下密度差控制在0.03 g/cm^3之内,为高温高密度水泥浆沉降稳定性调控提供了一种新方法,有利于提高深井/超深井固井质量,降低固井风险。