基于响应面法的水泥基材料裂缝自修复技术研究

研究旨在探索基于响应面法的水泥基材料裂缝自修复技术,通过对不同响应面参数的设计和优化,实现水泥基材料裂缝的自动修复,提高材料的使用寿命和耐久性。首先,利用响应面法对修复材料的配合比进行优化,确定最佳配合比比例,以实现最佳的修复效果。其次,通过实验室测试和分析水泥基材料的裂缝自修复性能验证自修复技术的有效性和可行性。研究结果表明,基于响应面法的水泥基材料裂缝自修复技术在一定程度上能够实现裂缝的自动闭合和材料强度的恢复,具有良好的应用前景和市场潜力。

基于水合物层骨架重构的低温早强胶凝材料

针对于天然气水合物能源试采过程中出砂导致试采作业被迫终止的问题,在水合物第2次试采工作经验和层内加固、防砂理论的基础上,进行了水合物层骨架重构的低温早强胶凝材料体系构建研究。该研究对比了嘉华G级、超细水泥和早强水泥的低温早期强度和长期长度、粒径分布,基于满足层内加固骨架重构孔隙尺寸,进行了低温早强胶凝材料组分设计,以水泥浆流动度、早强性及成本为目标,尽可能提高固结体的早期强度,为后续增渗提供更多强度下降空间。通过研究超细油井水泥与嘉华G级水泥的配比、早强剂优选及加量优化,构建出了低温早强胶凝材料体系,该体系在15℃水浴下24 h抗压强度可达到12.86 MPa,具有良好的流动性、稠化时间和失水可控性,相较于文献的低温早强水泥浆体系具有更好的增渗高强特性。该研究为后续研究水合物层内骨架重构高渗透、高强度的工作液体系奠定了材料基础。

防漏堵漏低密度水泥浆技术

跃进3-3XC井完钻井深达9432 m,水平钻进距离超过3400 m,刷新了亚洲最深和超深水平大位移井的纪录。该井地质结构复杂,施工难度大,对水泥浆性能要求高,除了高温、高压外,地层承压能力低,极易发生漏失。针对此类问题,通过研发新型功能性材料,构建了C-Lo PSD(1.30 g/cm^(3))、C-Lite STONE(1.60 g/cm^(3))与C-Hi PSD(1.40 g/cm^(3))三套低密度水泥浆体系,涵盖了中低温、高温等应用条件,并在跃进3-3XC井中成功应用,水泥浆性能满足固井需求。与之前用水泥浆体系相比,混浆效率、流变性、悬浮稳定性、水泥石抗压强度等明显提升。其中,C-Lite STONE(T_(BHC)=75℃/T_(TOC)=30℃)与C-Hi PSD(T_(BHC)=145℃/T_(TOC)=105℃)水泥浆体系在温差分别为45℃和40℃下,顶部48 h抗压强度达到8.1 MPa和14.3 MPa。跃进3-3XC井在施工期间多次遭遇漏失,通过使用自研的新型堵漏材料C-B62和C-B66,成功封堵裂缝,保证了固井施工的顺利进行。

适用于LAS系统的全液体隔离液体系

固井施工过程中,在注入水泥浆前,需要先泵入一定量的隔离液,在海洋固井现场施工作业过程中,隔离液配制一般需要繁重的人工劳作,劳动强度大,作业效率低,加量不准确。为解决上述问题,用液体添加剂代替固体添加剂,通过LAS材料添加系统将材料混配作业,从传统的重体力劳动转化为智能化操作,降低作业强度,提高固井作业效率与降低人员成本。通过反相乳液聚合制备了一种液体隔离剂C-S70L,以它为主剂,构建了一套适用于液体加料系统(LAS)的隔离液体系。该体系推荐使用温度为20~120℃,适用密度为1.30~1.70 g/cm^(3);具有良好的悬浮稳定性(热滚后无沉降)、流变可调、失水可控以及相容性好的特点。

稠油多轮次注采固井水泥浆体系评价与优选

在稠油多轮次注采开发过程中,井筒水泥环需承受350℃高温及多轮次温度交变,需要水泥浆体系具有良好的耐高温和抗疲劳能力。开发了4种耐高温水泥浆体系,在350℃高温循环加热的条件下,对4种水泥浆体系进行10轮次的加热,分别测定其抗压强度和弹性模量,并取样进行X射线衍射分析、扫描电镜形貌分析、纳米CT扫描测试。评价了4种水泥浆体系的抗高温循环能力,探讨了其性能变化的机理。试验结果表明,复合加砂水泥和耐高温韧性水泥可满足稠油多轮次注采开发需求,硅酸盐水泥中添加细硅粉和弹塑剂可有效改善其抗高温能力和耐疲劳能力。

温敏形变纤维胶囊堵漏剂的开发及评价

针对现有玻璃纤维、聚丙烯纤维、剑麻纤维、陶瓷纤维等纤维材料的尺寸过大及加量过大导致水泥浆混拌过程中混配困难和浆体增稠的难题,研发了具有形状记忆功能的温敏形变纤维胶囊。当温度低于形变响应温度时,纤维胶囊的粒径较小,在漏失通道内形成高密度颗粒填充;当温度达到形变响应温度后,纤维胶囊激活发生膨胀变形,高密度颗粒之间相互挤压充填,在漏失通道内高强度架桥堆积,进而封堵漏失层。该纤维胶囊可将6 mm的纤维封装在3 mm的胶囊中,从而提高纤维材料在堵漏水泥中的有效含量及尺寸,改善水泥浆封堵能力,降低工作过程中的漏失风险,保证固井质量。加入温敏形变纤维胶囊堵漏剂的水泥浆流动度均值为22 cm,初始稠度为25 Bc,与纯水泥浆相似,相比于直接添加纤维材料,水泥浆体流态明显改善,可泵性大幅度增强,同时水泥石抗压强度也大幅提高,堵漏剂加量为5%时水泥石7 d的抗压强度可达50 MPa,解决了纤维水泥浆混配困难和浆体增稠的难题,对保证固井质量具有一定的实际意义。

一种全温域聚合物缓凝剂

针对传统链状聚合物缓凝剂规律性差、中低温易超缓凝、强度发展缓慢的技术难题,根据缓凝剂作用机理、通过优化分子结构设计,在2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和衣康酸(IA)基础上引入苯乙烯磺酸钠(SSS)单体和长链疏水缔合单体TAS-24,制备出一种新型四元聚合物缓凝剂C-R45L,并通过红外光谱和水泥浆性能评价对其进行了研究。研究结果表明:缓凝剂C-R45L具有良好的缓凝效果,在加量为4%、温度为210℃的下稠化时间可达到347 min;在高温及中低温下都具有良好的规律性,不仅适用于高温条件,也可应用于中低温固井;对水泥石抗压强度无不利影响,中低温及顶部强度发展快,具有良好的大温差性能,适用于长封固段固井。缓凝剂C-R45L在古探1井成功应用,固井质量优良。

多用途低温低密水泥浆体系室内研究及应用

多用途低温低密水泥浆体系,以G级油井水泥为基质,以人造玻璃微珠及火山灰活性胶凝材料为减轻材料,并辅其他功能性添加剂构建而成。体系以固相悬浮为基础模型,以紧密堆积技术为基本理论。通过优化颗粒级配提高单位体积水泥浆中的固相体积分数。减轻材料的使用进一步减少了固相颗粒间的游离水,降低水灰比,增强水泥石的致密性,降低渗透率,促进水泥石早期强度发展。现场应用结果表明,在不改变水泥浆体系材料种类的基础上,水泥浆配浆密度可实现1.4 g/cm^(3)与1.5 g/cm^(3)转换,同时可实现淡水配浆及海水配浆双液体作业;水泥浆适用温度范围为30~80℃;具有良好的浆体流动性,API失水可控,自由水为零,早期强度高,稠化时间可调。

丁苯胶粉固井水泥浆的研究

本文对市售丁苯胶粉(SB)理化性能分析,并对其用于固井水泥浆进行探讨。红外光谱分析表明其是以高岭土为隔离剂的羧基丁苯胶粉,其水溶液粒度分布呈现纳米级颗粒并表明其具有良好可再分析特性;在水泥浆中单独使用丁苯胶粉存在破乳现象,若添加以十二烷基二甲胺羟丙基磺基甜菜碱LHSB与壬基酚聚醚TX-15组合物(质量比4∶1)为稳定剂时,可消除破乳现象,90℃和140℃稠化曲线均正常;水泥浆中引入丁苯胶粉,水泥浆略有增稠,失水和SPN值均变小,说明胶粉起到辅助降失水和提高水泥浆抗窜性能;胶粉影响水泥石24 h早期强度,但对于6 d后水泥石起到降模量和增加泊松比的作用,水泥石弹韧性得到了改善。

控压固井注入阶段流体密度和流变性分段预测方法

为解决控压固井注入阶段入井流体密度及流变性预测难的问题,设计了流体密度和流变性测量试验,基于试验结果优选了流变模式,建立了考虑不同流体性能差异的温压耦合模型,提出了流体密度和流变参数的分段预测方法。以川北地区X井为例进行了模拟计算,模拟结果表明:采用分段方法可将赫巴模式、四参数模式等多种流变模式作为优选对象,能更精确地描述流体的流变性;控压固井注入阶段采用常规计算方法,井口回压值偏低,大大增加了地层气侵风险,且不同方法预测的环空温度场相差不大;温度和压力的耦合作用对于流体密度和流变性及其变化规律的影响较大,也会对环空浆柱结构的设计及固井施工效果产生重要影响。研究结果为控压固井设计施工提供了理论依据。

用于深水/超深水低温固井的纳米水化硅酸钙/明胶接枝磺化醛酮晶种早强剂

针对深水/超深水低温固井作业面临着水泥浆强度发展缓慢、候凝时间长的难题,纳米水化硅酸钙(CSH)晶种可通过晶核作用有效促进水泥水化速率。然而,CSH易团聚,造成粒径不均匀,且制备过程中用到的分散剂又会延迟水泥水化,无法满足深水/超深水低温固井作业要求。为此,以明胶、甲醛、丙酮等为原料制备明胶接枝磺化醛酮缩聚物(SG);以SG为高分子有机分散底液,采用溶液法制备纳米水化硅酸钙/明胶接枝磺化醛酮晶种(SG-CSH)。通过激光粒度分析仪、透射电镜、等温量热仪、X射线衍射仪等,分析了SG-CSH的微观结构、水化放热规律、水化产物和低温早强性能。结果表明,SG具有优异的插层分散能力,与CSH形成的晶种具有低钙硅比(1.0)、粒径分布(3~100 nm)窄和分散性好的特性,体系在长久保存下稳定无沉淀;加入SG-CSH后在水化反应早期生成更多的氢氧化钙和钙钒石,加快水泥水化速率。水泥浆稠化实验和抗压强度检测结果表明,与空白实验相比,加入SG-CSH后水泥浆的稠化时间明显缩短,30℃下的稠化时间从210 min缩短至125 min;加入4%SG-CSH的水泥浆在10、15、30℃下候凝1 d后的抗压强度分别提升1.9、1.3、5.0 MPa,表现出优良的低温早强性能。

考虑井筒完整性的固井方案风险评价方法

在吉木萨尔页岩油藏开发过程中,压裂导致井筒完整性失效的问题严重,不同固井方案下的失效位置和比例差异较大。为研究固井方案对压裂时井筒完整性的影响,基于该地区固井现状构建了二开特征水平井Ⅰ井和Ⅱ井,分别选取这2口井在一开、二开井段的相同位置及Ⅰ井水泥环与钻井液的固液交界处作为关键节点进行研究。采用有限元软件模拟压裂施工对井筒的影响,明确了压裂时不同固井方案下井筒不同位置处套管和水泥环的应力分布规律,分析了全井筒多节点的失效风险,优选了固井方案。研究结果表明:B环空内是钻井液时油层套管的Mises应力明显大于是水泥环时,损伤风险更大;B环空中水泥环的受力大于C环空,且顶部有较高拉伸破坏风险,底部有较高压缩破坏风险;固井方案Ⅰ相较于方案Ⅱ完整性失效风险低。风险评价及优选结果可为拟压裂井的固完井方案设计提供指导,为优选安全经济的固完井方案提供参考。

负压力窗口控压下套管井筒压力控制技术

负压力窗口油气井下套管时井筒内压力难以控制,容易引发溢流或漏失等复杂事故的问题。为此,以井筒内多密度梯度钻井液为基础,基于瞬态波动压力理论,建立了控压下套管过程中井筒内液柱结构及井筒压力计算模型;以中国石油重点探井乐探1井为例,模拟计算了下套管及钻井液循环过程中液柱结构的变化情况,给出了下套管过程中的钻井液循环方案,推荐了不同阶段的套管下入速度及井口控压值。结果表明:1)优化后的多密度梯度钻井液可实现负压力窗口地层起钻后的防漏压稳;2)套管下入不同深度时,通过循环不同密度的钻井液,可以实现钻井液循环过程中的防漏压稳;3)通过分段控制套管下入速度及环空回压,可以实现下套管过程中的防漏压稳。研究结果为负压力窗口地层控压下套管提供了理论依据。

新型油井水泥用纳米基促凝早强剂

针对传统油井水泥促凝剂存在的腐蚀套管、增稠及早强作用较弱等问题,根据结构设计,通过溶液法合成了一种新型纳米基促凝早强剂A-1,并对其综合性能及作用机理进行了研究探讨。实验表明,该纳米基促凝早强剂在改善水泥浆流变的同时可显著缩短中低温下水泥浆的稠化时间,明显加快水泥石强度发展,稠化时间之比可达0.33,起强度时间可缩短50%,6 h抗压强度可达净浆的5倍以上,后期强度提高率仍可达29%。此外,该纳米基促凝早强剂还可明显缩短水泥浆静胶凝过渡时间,表现出良好的防窜作用。微观分析表明,该纳米基促凝早强剂可通过成核模板效应改变水泥石微观形貌,加速水泥石水化,使水泥石更加致密,从而改善水泥石力学性能。

空心玻璃微珠低密度水泥有效弹性模量计算与分析

空心玻璃微珠低密度水泥是典型的高水灰比、低胶凝相、多掺杂的多相多层次非均质复合材料,在弹性阶段其宏观力学性能由细观、微观乃至纳观尺度下的组成与结构决定。为探究材料的细微观结构对宏观力学性能的影响,在细微观力学框架下,基于Mori-Tanaka法、自洽法和四相模型,建立了考虑界面与微珠相互作用的微珠-低密度水泥弹性模量的多尺度均匀化理论模型,根据实验验证结果进行了影响因素拓展和分析。结果表明:水泥养护龄期越长,其弹性模量越高,但随着时间增长,弹性模量增大的趋势逐渐放缓,到28 d时趋于平稳;ITZ(界面过渡区)厚度是水泥弹性模量的重要影响因素,厚度的增加会使水泥的弹性模量极大地减小;微珠的密度与弹性模量共同影响水泥的弹性模量。

接枝改性聚乙烯醇的合成及性能评价

聚乙烯醇(PVA)作为油井水泥降失水剂,适用温度较低(<120℃),难以满足高温固井的需求。以PVA1788、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)和交联剂乙二醛等为原料,合成了一种油井水泥降失水剂接枝改性聚乙烯醇(PVA-1)。室内试验评价了添加降失水剂PVA-1的水泥浆的耐温性能、流变性能、稠化性能、抗压强度和防气窜性能等。试验结果表明,加有降失水剂PVA-1的水泥浆API失水量可以控制在50mL以下,抗温能力接近150℃;加有PVA-1的水泥浆稠化时间稍有延长,抗压强度不降低,抗析水能力增强;其与分散剂DZS和缓凝剂DZH的配伍性良好,还能提高水泥浆的防气窜能力。综合分析认为,合成的PVA-1能够满足150℃以下高温固井的需求。

偏高岭土活性影响因素及其碱激发反应研究进展

偏高岭土具有能耗少、钙含量较低、可耐二氧化碳腐蚀等优点,有取代普通硅酸盐水泥的潜力。通过总结偏高岭土活性影响因素、碱激发反应的研究进展,分析了将偏高岭土应用于固井行业的可行性。总结了目前研究的偏高岭土活性影响因素,包括煅烧温度、煅烧时间和偏高岭土中氧化铝、二氧化硅含量等。煅烧温度过高或过低、煅烧时间过长或过短,偏高岭土的活性都较低。同时,介绍了碱激发反应影响因素及碱激发反应产物的组成。并针对目前研究中存在的不足,讨论了未来研究方向为在固井领域推广应用偏高岭土体系,今后研究应注重揭示各实验因素对偏高岭土体系稠化时间的影响规律,及如何在不引入含钙量较高的物质的基础上,提高偏高岭土体系的抗压强度。

用于防砂的高渗透水泥浆体系

研制出一种能增加水泥石渗透率的增渗剂S-1和KQ-C。S-1是以复杂的天然油溶性有机物为原料自行进行化学改性的固体产物,KQ-C是经过钝化处理的铝粉体系,它可和水泥浆中的碱性物质反应生成氢气的微小气泡,使得原来S-1与S-1不相连的地方,因气泡的产生而相连。并在水泥浆中辅以石英砂、中试纤维、微硅。获得了具有良好浆态性质的防砂用高渗透水泥浆,凝固后的水泥石抗压强度达到7—9MPa。经一定处理后渗透率达到0.5—0.9μm^2。

聚合物胶乳水泥浆的流体阻隔性能研究

考察了已知组成的3种实验水泥浆形成的水泥石对气、水、油的阻隔性能。聚合物胶乳水泥石,80℃、21 MPa下养护24小时的随其中胶乳掺量的增大（0-30%）,用空气、水、煤油测定的突破压力增大,渗透率降低。25℃、0.1MPa下养护96小时的PVA、聚合物胶乳和非渗透聚合物胶乳水泥石,其空气渗透率随气体驱替压力的增大（0.1-3.5MPa）而增大,最大渗透率分别为0.50986×10^-3、0.01649×10^-3和0.00541×10^-3μm^2,与第一、第二壁面胶结有关的验窜突破压力分别为13.0、15.0和17.0MPa/m。聚合物胶乳水泥浆和非渗透聚合物胶乳水泥浆可以满足含CO2和H2S气井固井作业要求。

胜科1井ф244.5 mm×ф250.8 mm复合尾管固井技术

胜科1井三开固井存在的盐膏层蠕变和软泥岩膨胀造成的井眼缩径、钻井液密度高(2.26 kg/L)、井径不规则、井底温度高(168℃)等问题及水泥封固段上下温差大(90℃)等技术难点,采取了优化钻井液性能、确定套管安全下入时间、选用高抗挤套管复合管柱和附件,采用抗高温抗盐抗污染高密度(2.30 kg/L)水泥浆和其他配套技术措施。在实际固井时,在下完套管发生井漏不返的情况下,采取先尾管注水泥后高压挤水泥的补救措施,固井质量合格,在四开钻穿孔1段下部及孔2段巨厚裂缝发育的泥岩地层、超长裸眼段、钻开多套压力共存地层和井下温度超高的情况下,没有出现244.5 mm×250.8 mm复合尾管被挤扁现象,安全钻至井深7 026 m。