钻井利器的故事之“护壁堵漏材料”

近年来,作为入地最为关键手段的钻探所面临的地层越来越复杂,钻孔垮塌、掉块、缩径和超径等事故发生概率增加,严重制约了钻探工程质量与效率的提升。护壁堵漏材料是钻探工程不可或缺的关键性工程材料,护壁堵漏技术则是保证钻进工作安全、快速以及持续进行的重要技术环节,是复杂地层钻孔处理的主要内容。本文从科普的角度介绍了护壁堵漏材料的基本概念与组成、冲洗液护壁堵漏作用、水泥基材料护壁堵漏作用、护壁堵漏材料的进一步发展空间等,以期加深对护壁堵漏材料的认识,促进新型护壁堵漏材料的研发和应用。

三高条件对弹韧性水泥浆性能的影响及短期腐蚀机理

针对固井水泥石所处的高温高压含H_(2)S/CO_(2)腐蚀环境以及复杂工况,开展三高条件下弹韧性水泥浆的性能变化及短期腐蚀机理研究。基于弹韧性外掺料的3种主要类型,采用向G级油井水泥中分别加入10%橡胶粉末、0.3%玄武岩纤维以及10%丁苯胶乳的方式制备弹性水泥浆。通过力学性能测试、XRD、FTIR、MIP及SEM-EDS测试,分析弹韧性材料添加前后及腐蚀前后,水泥石的力学性能、孔径分布、水化产物类型及微观结构变化。结果表明,掺入3种弹韧性材料均有利于水泥石的脆度系数降低、韧性提高,其中玄武岩纤维最利于控制材料破坏时裂缝的发展,而丁苯胶乳最利于降低材料的弹性模量和保持较大的抗折强度。经过短期液相腐蚀后,水泥试样的力学强度均出现增长,特别是掺入玄武岩纤维和丁苯胶乳的试样。玄武岩纤维在该研究中的腐蚀条件下性能稳定,腐蚀反应生成的致密碳酸钙晶体堆积于玄武岩纤维与水泥基质界面孔隙处,引起了腐蚀后材料总孔容的减小及力学强度的大幅度增长。丁苯胶乳在水泥石中形成聚合物膜,覆盖及包裹水泥基质,可提高复合水泥表面的耐腐蚀性能。

用于高温地热井泡沫水泥泡沫剂性能研究

地热井钻井具有高温、地层压力低、地层破碎等特点,采用抗高温泡沫水泥进行固井,要求泡沫剂具有一定的抗高温性能。本文评价和优选了多种泡沫剂在常温和180℃高温下的起泡能力、稳定性,并且将优选出来的单种发泡剂进行复配评价,得到最佳的复配体系为SLES∶CAO∶CAB=63.3∶31.7∶5,并且与单种发泡剂进行比较,将所得最佳复配体系加入到API G级油井水泥体系中进行性能的初步评价。

表面改性玻化微珠增强地热保温固井水泥研究

在地热开采井上部非储层段采用保温水泥固井,将有利于提高出口温度,改善能量利用效率。玻化微珠因其质轻、价廉、导热系数低等优势,已广泛应用于建筑外墙保温中。但由于其钝化表面与水泥基质结合性较差,随其掺量的增加,复合水泥的强度呈线性降低。本文利用酸腐蚀、高温灼烧、喷涂硅烷偶联剂等方式,开展玻化微珠表面改性,并利用改性后的玻化微珠制备了地热保温固井水泥。通过SEM,XRD等微观测试手段,对改性前后微珠的表面形态进行了表征,测试了改性前后微珠对水泥石的强度、水化产物、微珠与水泥基质界面形貌等的影响研究。得出了以下结论:密度较小的微珠,等质量与水泥混合后,水泥基质对微珠表面覆盖不足,导致其掺入后强度的迅速降低;60℃养护后,改性玻化微珠水泥试块抗压强度提升了173.5%,掺入氟硅酸镁使得强度进一步提升;改性后,微珠表面活性提高、其中的无定型SiO_(2)与CH火山灰反应增强,生成了起主要强度作用的C-S-H凝胶;微珠表面粗糙度增加,水化产物的附着增多并参与水泥整体的硬化过程中,水泥基质与微珠表面的粘结改善,共同提高了水泥石强度。