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。

废水泥浆对陶粒加气混凝土砌块性能的影响研究

在废水泥浆中的水取代全部拌合水的条件下,探究废水泥浆中的粉体以等量取代或系数为0.65~1.05折算取代部分粉煤灰时,对陶粒加气混凝土和易性及陶粒加气混凝土砌块抗压强度、干密度、干燥收缩、导热系数的影响。研究表明,水胶比为0.45,当废水泥浆浓度为0~18%时,按等量取代后,砌块28 d平均抗压强度为5.51~5.54 MPa,干密度为728~730 kg/m~3,干燥收缩值为0.28~0.41 mm/m,导热系数为0.137~0.145 W/(m·K);当废水泥浆浓度为20%时,按系数为0.75~0.95折算取代后,砌块28 d平均抗压强度为5.18~5.43MPa,干密度为732~743 kg/m~3,干燥收缩值为0.35~0.42 mm/m,导热系数为0.146~0.178 W/(m·K),此时,砌块符合JG/T 504—2016对CA5.0B07砌块要求。

水泥浆拌和固化二氧化碳对水泥性能的影响

为研究水泥浆拌和固化二氧化碳对水泥性能的影响,将不同状态二氧化碳以不同掺量加入新拌水泥,测试水泥浆的固碳效果和强度,并采用TG-DTG、MIP、SEM等表征方法,探究二氧化碳对水泥浆体强度和微观结构的影响机理。结果表明,当水灰比为0.50、气态二氧化碳掺量为1.5%(质量分数)时,水泥的抗压强度和二氧化碳固化效果最佳,3、7 d抗压强度提升100%,28 d抗压强度提升139.6%。掺入二氧化碳后,100~600 nm的孔几乎消失,100 nm以下的孔明显增多,水泥内部的有害孔减少,水泥硬化浆体内部孔结构得到改善。二氧化碳加速水泥早期水化反应,水化产物的生长状态和结合方式得到优化,实现水泥基材料的固碳强化。

水泥浆性能对固井效果的影响

固井效果的优劣,将直接影响到目标井固井完成后的生产情况,以及后续的其他各项施工作业,而水泥浆的性能,将会对固井的质量造成最直接的影响。为了提高固井施工的成功率,本文从水泥浆密度、稳定性、稠化时间、失水量、抗压强度等方面分析了水泥浆的各项性能对于固井效果的影响。

海域天然气水合物地层微生物自修复固井水泥浆的水化控热作用机理

随着深海天然气水合物资源开发的深入,固井技术成为保障开采安全的关键环节。固井水泥浆的水化热控制对于防止水合物分解、确保井筒稳定性具有重要意义。目前,微生物技术在固井水泥浆中的应用已取得初步进展,尤其是在提高水泥浆力学性能方面,但是在调控水化热方面的研究仍相对较少。本研究旨在探索微生物固井水泥浆在深水水合物地层中的应用前景。通过开展水泥浆水化热测试、热重分析(TGA)和傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)与能谱仪(EDS)测试,探究了微生物矿化作用对水泥浆水化热及水化过程的影响机理。本文研究表明,微生物自修复固井水泥浆在降低水化热方面具有显著优势,尤其是在水化中后期,其累积水化放热量较对照组降低了13.19%。微生物矿化反应生成的碳酸钙有效抑制了水泥水化反应,导致水化放热峰值滞后,且在水化过程中持续降低水泥浆的水化速率。此外,微生物自修复固井水泥浆中游离水和水化硅酸钙凝胶的含量均高于对照组,而氢氧化钙含量较低。碳酸钙含量与水泥浆水化放热量之间存在最优值,超过3.0%后,水化热开始降低。本研究为解决深水水合物地层固井水泥浆水化放热导致水合物分解的问题提供了新的技术途径,对于开发适应极端海洋环境的固井水泥浆体系具有重要的参考价值。

基于电化学阻抗谱的石灰石粉硬化水泥浆体孔结构演化研究

为了研究大掺量(质量分数为20%以上)石灰石粉硬化水泥浆体的孔结构演化行为,本文基于电化学阻抗谱(EIS)、压汞(MIP)测试分析,探究大掺量石灰石粉对硬化水泥浆体EIS拓扑结构和孔结构参数的影响规律,并建立大掺量石灰石粉硬化水泥浆体的微观结构等效电路,研究等效电路中元器件和孔结构参数之间的关系。结果表明:随水化龄期的延长,石灰石粉掺量对EIS拓扑结构参数中Bode角和θ_(max)的影响规律显著,大掺量石灰石粉硬化水泥浆体的孔径分布整体由大孔和毛细孔向过渡孔和凝胶孔发展演化;另外,EIS等效电路中电阻随硬化水泥浆体中毛细孔含量的增加而减小,电容随硬化水泥浆体中凝胶孔含量的增加而减小。

基于紧密堆积理论的深水低密度三元固相水泥浆体系

深水浅表层固井作业过程中由于海底低温导致水泥环早期力学强度发展缓慢、内部密实度不高,易引发水气窜流,进而导致固井质量低劣甚至密封失效等复杂情况。为此,采用分形特征方程对G级油井水泥、纳米CaCO_(3)(NC)和漂珠(CS)进行紧密堆积,然后结合室内实验评价,优选出了一套密度为1.50 g/cm^(3)的具有低温早强性能的三元固相水泥浆体系,并利用抗压强度测试、XCT、SEM等方法对紧密堆积体系的增强机理进行了表征和分析。研究结果表明:(1)三元紧密堆积体系早期力学强度发展快速,在10℃的低温条件下,24 h抗压强度可达3.5 MPa以上;(2)相比于相同密度的NC二元体系和CS二元体系,孔隙率降低了19.10%~33.05%,抗压强度提高了7.0%~21.1%;(3) NC可以为水泥水化提供成核位点、填充细化孔隙,CS可以部分替代水而提高体系致密性,在两种材料的协同作用和紧密堆积效应下可实现早期力学强度的快速发展。结论认为,三元固相级配水泥浆体系利用紧密堆积理论发挥了3种材料的各自优势,进而实现了早期力学强度的快速发展,对于深水井表层套管固井作业防止水气窜流具有很好的理论指导意义和应用推广价值。

FRP筋与水泥浆界面粘结滑移特性数值模拟研究

基于试验和数值模拟方法研究FRP筋与水泥浆的粘结特性与不同因素对其粘结行为的影响.以有限元软件中的Cohesive单元模拟FRP筋与水泥浆之间的界面粘结滑移,以混凝土塑性损伤模型模拟水泥浆体的损伤与破坏行为.按试验工况及加载条件建立FRP筋-水泥浆界面粘结滑移模型.通过控制变量法研究了FRP筋类型、直径、长度等因素对界面粘结行为、粘结应力分布和破坏机制的影响。结果表明:不同纤维材料的粘结性能差异较大;增大粘结长度、筋材直径能够提高极限承载力;在加载过程中,FRP筋体轴力主要分布在加载端,随着荷载增加,靠近加载端的筋体轴力增幅大于粘结段末端;拉拔荷载达到峰值时,界面粘结单元开始破坏、界面粘结单元发生损伤,粘结强度不断下降;随着粘结-滑移曲线进入下降段,界面粘结作用逐渐失效,构件完全破坏.

固井水泥浆共聚物类耐高温降失水剂的制备及其机理探究

以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)为单体,通过自由基共聚制备了降失水剂FLA。考察了适宜的合成条件,利用FTIR,1H NMR,GPC,TG-DTG对FLA的结构等进行了表征,并研究了含FLA的水泥浆性能。实验结果表明,合成FLA适宜的条件为:m(AMPS)∶m(AM)∶m(AA)∶m(NVP)=4∶3∶2∶1,反应温度50℃,pH=8,引发剂加量0.3%(w),反应时间4 h。FLA的添加降低了水泥浆的流变性能,但搭配分散剂时水泥浆的流变性能满足要求。FLA对水泥石的抗压强度无显著影响。含FLA的水泥浆具有较好的稠化性能。FLA加量为6%(w)的水泥浆在淡水中210℃下失水量小于60 mL,在18%(w)和36%(w)盐水中失水量小于100 mL。FLA各项性能均满足高温下固井技术要求。FLA可吸附在水泥颗粒表面,形成致密的吸附层,降低材料孔隙度,从而控制水泥浆过滤能力,有望应用于超深层油田固井工作中。

交流电场养护对水泥浆体性能的影响

交流电场养护是一种绿色、可智能调控水泥基材料温度的快速养护方式。为研究交流电场对水泥浆体性能的影响,测试了水泥净浆试件在养护电压、试件长度、截面面积和水灰比4个影响因素作用下的温度变化,并测试了不同峰值温度条件下试件的力学性能。通过MIP测试的试件微观孔隙结构分析了峰值温度对孔隙结构的影响,讨论了交流电场能耗和电功率对峰值温度的影响。结果表明:交流电场的施加提高了水泥浆体的峰值温度和升温速率。各因素对试件峰值温度的影响由大到小依次是电压、试件长度、试件截面面积、试件水灰比。试件的抗压强度随着峰值温度的增加先上升后下降。这可能是由于试件峰值温度的提升会加速水泥的水化和产物的形成,密实了样品的孔结构,进而提升试件早期力学性能。但过高的温度也会导致试件产生热伤损,不利于微结构与性能的发展。此外,发现单位体积能耗和电功率与试件峰值温度成线性关系。

CaCl_(2)与BaCl_(2)复配对水泥浆抗负温劣化和硫酸盐侵蚀的试验研究

随着我国“西部大开发”和“一带一路”发展战略的深入推动,冻土区施工日渐增多,负温劣化和硫酸盐侵蚀对水泥浆性能的负面影响给工程建设带来了安全隐患。通过-20℃恒温无预养水泥浆水化试验,利用XRD、SEM、TG、CT和力学测试等手段对水泥浆水化产物、孔隙结构、力学性质等进行分析,综合评价了CaCl_(2)-BaCl_(2)复配使用对水泥浆在负温和硫酸盐环境下水化性能的影响。试验结果表明:相比于单一使用CaCl_(2),添加BaCl_(2)不仅可以促进水泥浆水化程度,还可与SO_(4)^(2-)反应,减少高硫型水化硫铝酸钙(又称钙矾石,AFt)的生成,提升水泥浆抗硫酸盐侵蚀能力;CaCl_(2)-BaCl_(2)复配使用时BaCl_(2)的合理掺量为10wt%~15wt%,此时水泥浆具有相对最优的水化产物、孔隙结构和力学性质,其抗负温劣化和抗硫酸盐侵蚀能力也得到了显著提高。该研究结果可为冻土区工程建设提供理论参考和技术借鉴。

基于一种新型触变剂的堵漏水泥浆体系

天然大缝洞、薄弱泥页岩、窄安全密度窗口等复杂地层造成恶性井漏问题突出,堵漏成功率低,已成为制约钻井工程提质增效的重要技术难题之一。基于触变剂作用机理,利用纳米二氧化硅与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)和二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)3种单体进行接枝共聚,开发出了一种有机与无机相结合的新型低黏触变剂XZ-CBL,并配套优选了降失水剂和缓凝剂,形成了触变堵漏水泥浆体系。测试结果表明,触变堵漏水泥浆体系流动性好,初始稠度可低至10Pa·s,静置10min后表现出较强的触变性,停机稠度增值大于20 Pa·s,再次剪切稠度迅速恢复至停机前稠度,具有可泵性好、滞留性强的特性。

一种适用于油基钻井液堵漏水泥浆体系研发

水泥浆堵漏是解决恶性漏失的有效措施之一,但是水泥浆在油基钻井液中难以凝结固化,致使其使用受限。从油基钻井液污染水泥浆机理出发,开发油水置换剂,并对胶凝体系和配套降失水剂和缓凝剂进行研选,开发油基钻井液堵漏水泥浆体系,并对水泥浆体系性能进行评价。研究表明:通过微乳液共聚法(即油相和水相同时引发聚合)制备了油水置换剂,在油井水泥中加入油水置换剂后,钻井液与水泥浆的相容性良好,水泥浆与油基钻井液体积比为50∶50的混浆体系在50℃条件下养护时间24 h,强度可达2 MPa左右,且油水置换剂具有很好的广谱性能,现场不同区域取的不同类型的油基钻井液,均发展强度;研选了配套降失水剂BXF-200LL和缓凝剂GH-9,开发出了适用于油基钻井液堵漏的水泥浆体系,油水置换剂对水泥浆稠化没有不良影响,且抗温达120℃。

浅谈固井水泥浆配方数据库的目的与意义

随着海油勘探开发工作量的不断攀升,油服固井作业量随之增加,固井化验室工作量相应迅猛增加。鉴于此现状,以前靠经验,看个人能力就会使化验室人员应接不暇,陷于疲惫状态。为了跟上现场作业步伐,改善现有状况,固井化验室建立了自己的数据库。一是按照水泥浆体系分门别类进行命名,二是在各水泥浆体系下面再细化命名方式,进而依据水泥浆配方关键影响因素确定固井水泥浆配方数据库的命名原则。水泥浆配方数据库的建立有利于后续作业配方的快速查找、翻阅以及设计,提高了化验室配方构建能力,有效指导了今后水泥浆配方的设计与施工。

低水胶比水泥浆体静动态流变行为的经时变化

基于浆体流动度、静态屈服应力以及小振幅振荡模式下储能模量,研究不同水胶比以及减水剂用量对浆体静动态流变行为经时变化的影响机制,探讨低水胶比浆体的静动态流变行为。研究结果表明:通过调整减水剂用量获得的初始流动度相同但水胶比不同的浆体,流动性经时变化存在显著的差异。极低水胶比浆体的流动性经时损失更为显著;但高减水剂用量时,浆体的流动性经时损失较小。基于静态屈服应力和储能模量G′表征了浆体静态流变行为的发展,发现颗粒胶体作用力和水化产物的桥接作用共同决定了浆体微观结构强度发展。低水胶比浆体的静态屈服应力和储能模量随时间延长增长更加显著。增加减水剂用量,可增大颗粒间距,抑制早期水化,有利于延缓颗粒网络强度发展。影响静动态流变行为内在机制的不同导致了浆体的静动态性能经时变化存在显著差异,其中水化产物的桥接作用是关键因素。

偏高岭土对聚合物改性水泥浆体流变的影响

研究了偏高岭土掺量对不同水胶比的聚合物改性水泥浆体流动度、流变参数、触变性和粘弹性的影响.结果表明:掺入偏高岭土的复合浆体在新拌阶段的流变性能符合H-B模型,并且所有浆体均呈剪切稀化的流变特性.随着偏高岭土掺量的增大,浆体流动度、屈服应力和塑性黏度均增大.掺入20%偏高岭土后,水泥浆体的触变环面积由原来的1502 Pa·s^(-1)增加至6672.63 Pa·s^(-1),并且水胶比更低的浆体对应更大的触变面积.所有的复合浆体均存在明显的粘弹特性,并且当偏高岭土掺量越大时,浆体的临界点振幅和线性区的储能模量值均越大.

超低密度水泥浆固井质量改进方法研究

随着油气田勘探和开发的不断深入,对于一些极低压力地层条件,有时低密度水泥浆也无法满足安全固井施工的需求,只能采用超低密度水泥浆解决平衡压力固井问题。由于现有低密度固井质量评价标准不能客观准确地反映超低密度水泥浆的真实胶结质量,因此,对超低密度水泥浆在不同养护条件下的水泥石的声学特性、力学参数等进行了实验检测,分析了影响超低密度水泥石力学及声学特性的因素及规律。研究结果表明:密度、温度、养护时间均会对超低密度水泥石的声速和抗压强度发展产生影响,其中,温度对水泥石早期影响较大,后期影响小;水泥石密度越高,声阻抗与抗压强度越高,声阻抗与弹性模量存在线性关系,与抗压强度呈指数关系;建立了超低密度水泥浆固井套管波相对声幅计算公式,研究结果为制定超低密度水泥浆固井质量评价指标提供了基础。

溶蚀水泥浆弹性模量预测的分步解析法

在低碱度环境中混凝土内部钙离子的溶出是引起混凝土内部孔隙率显著增大,进而使力学性能减退的重要原因。为深入研究水泥浆溶蚀后弹性模量的退化规律,建立了一种预测溶蚀水泥浆弹性模量的分步解析法。首先将水化水泥颗粒视作由未水化水泥颗粒(UC)、高密度水化凝胶(H-HL)和低密度水化凝胶(L-HL)组成的三相复合球,通过引入由UC和H-HL组成的等效夹杂相(EQ),三相复合球模型就可以简化为由夹杂相和L-HL组成的等效水化水泥颗粒模型,最后利用弹性理论求解由等效水化水泥颗粒和溶蚀水泥浆孔隙率组成的两相复合球弹性模量。通过对比第三方数值结果,验证了分步解析法的有效性。基于本文建立的解析方法,分析了水化度、氢氧化钙(CH)与水化硅酸钙(C-S-H)的体积比、高密度水化硅酸钙(C-S-H_(a))与低密度水化硅酸钙(C-S-H_(b))体积比三个重要参数对溶蚀水泥浆弹性模量的影响。本研究给出了水泥浆溶蚀后弹性模量退化的解析方法,可为混凝土钙溶蚀后的耐久性设计提供一些参考。

一种添加自交联环氧树脂乳液的防腐韧性水泥浆

酸性气体中H_(2)S和CO_(2)要与硅酸盐水化物发生反应,导致水泥石的渗透率增大、抗压强度大幅降低,使油井水泥环受到严重腐蚀,影响井筒完整性。为此,合成一种自交联环氧树脂乳液,用于增强油井水泥耐H_(2)S和CO_(2)腐蚀的能力。在H_(2)S分压为2.0 MPa、CO_(2)分压为1.5 MPa下,对水泥石的防腐蚀性能和作用机理进行评价与分析。研究结果表明:①交联环氧树脂乳液加量增加,抗压强度增大,超过一定加量后抗压强度增加不明显甚至减小,而弹性模量降低显著,增幅逐渐减少;②自交联环氧树脂乳液能够提高油井水泥石耐H_(2)S和CO_(2)腐蚀的能力,随着自交联环氧树脂乳液加量的增大,水泥石受H_(2)S和CO_(2)的腐蚀深度、渗透率降低,抗压强度先增加后降低;③自交联环氧树脂乳液包裹水泥石的水化产物,阻隔了硅酸盐水泥石水化产物与H_(2)S和CO_(2)等酸性气体的接触,提高了水泥石对H_(2)S和CO_(2)等酸性气体的耐腐蚀能力;④自交联环氧树脂乳液防腐韧性水泥浆常规工程性能良好,固井水陈化时间、自交联环氧树脂加量、温度变化对稠化时间不敏感,现场应用可操作性强。在6口井开展了防腐韧性水泥浆试验,固井质量平均优质率达到90%以上,合格率为99%以上。结论认为,自交联环氧树脂乳液充填和成膜包裹水泥水化产物,使水泥石具有防腐韧性性能,在川东北高含硫区块具有良好的推广应用前景。

环氧磷酸缓凝剂研发及抗220℃常规密度水泥浆综合性能

针对油井水泥常用缓凝剂在200℃以上稠化时间不稳定问题,笔者以官能团和聚合物功能结构为基础,对抗高温缓凝剂进行分子结构设计。以AMPS、SAS、NVP、AM和环氧丙基磷酸5种单体制备了一种五元抗高温缓凝剂NPAAS-1。采用红外光谱、热重分析以及核磁共振H谱对NPAAS-1进行表征。结果表明,缓凝剂NPAAS-1为预期产物,300℃时失重仅为22.30%。通过其性能评价可知,NPAAS-1在200℃以上具有很好的缓凝性能,且稠化时间与加量呈线性关系。在220℃下,缓凝剂加量为3.5%时,稠化时间为297 min;加量为4.5%时,稠化时间为530 min。可以实现对超高温环境下水泥水化速率的有效控制。