CO_(2)腐蚀-应力耦合下固井水泥环密封完整性

CO_(2)地质封存过程中,与地层围岩中的水反应后腐蚀着固井水泥环,腐蚀损伤和套管内压(应力)耦合作用极大地影响着水泥环的密封完整性。基于CO_(2)腐蚀实验,获得不同腐蚀程度水泥石材料力学性能参数,采用混凝土损伤塑性(CDP)本构模型和Mohor-Coulomb准则描述腐蚀前后水泥环的应力-应变行为,利用ABAQUS软件建立考虑CO_(2)腐蚀与应力耦合作用的井筒组合体(套管-水泥环-地层围岩)有限元分析模型,分析和探讨了套管内压和腐蚀时间对水泥环完整性的影响。结果表明,较高套管内压下,井筒水泥环发生弹塑性变形,出现结构损伤,套管与水泥环界面易形成微间隙;受腐蚀和套管内压的耦合作用,水泥环更易于出现完整性失效问题,相比较于未腐蚀水泥环,腐蚀水泥环受压后径向应力、等效塑性应变、微间隙以及拉伸和压缩损伤均较大,与之相反,塑性半径是减小的;微间隙与拉伸和压缩损伤受腐蚀时间的影响不明显。

海上CCS场景防CO_(2)腐蚀固井水泥浆体系研究

CCS技术是一项将二氧化碳(CO_(2))捕获和封存的技术,是稳定大气温室气体浓度的减缓行动组合中的一种选择方案。中国海油CCS示范项目利用一口超浅层大位移井,将油田开发过程中高含量二氧化碳原位处置回注至类似“穹顶”地质构造,以达到二氧化碳封存的目的。而高浓度的CO_(2)往往处于超临界状态,其对水泥环的腐蚀能力大大增强,本次研究采用了三大创新水泥浆体系保障了油气田的高效开采:改性硅酸盐长效防腐水泥浆技术,解决常规水泥浆体系长效耐久性问题;CAPLOCK不腐蚀水泥浆体系,解决关键位置水泥环被高浓度CO_(2)腐蚀破坏问题;弹韧性水泥浆体系,增加水泥石抵抗交变应力的能力,保障水泥环完整性。本文通过开展一系列实验,阐释了三项水泥浆体系作用机理及应用优势,研究成果为推进CCS固井技术发展提供一定的科学依据,为揭示海上高碳源场景下水泥环完整性建立理论基础。

CO_2埋存井固井水泥环封存效果与其性能参数研究

CO2埋存井固井水泥环封存能力是决定CO2长期有效埋存的关键,影响水泥环封存能力的因素除了井筒周围外部条件外,还与水泥环自身的力学特性有关。首先分析了影响水泥环封存能力的外部因素,并对水泥环受力状态与其力学参数之间的关系进行研究,最后结合外部条件和水泥环自身力学特性,确定出能够满足CO2长期有效埋存的水泥环的力学参数。

CO_(2)-EOR井井筒温度变化对固井水泥环封隔完整性影响

CO_(2)-EOR过程中由于井筒温度变化产生的诱导应力易导致水泥环封隔失效。目前对温度变化诱导应力使水泥环封隔失效的机理和规律认识不清制约了CO_(2)-EOR效果。针对该问题建立了温度变化诱导应力用下水泥环封隔失效模型。利用该模型分析了CO_(2)井口注入参数对水泥环封隔失效的影响规律,发现:随着CO_(2)注入压力、注入排量、注入时间增加以及注入温度降低,水泥环越容易封隔失效形成微间隙,而且纵向上微间隙长度也逐渐增加。

遇CO_(2)自修复防腐固井水泥浆体系研究及应用

针对在CCUS井下难以维持水泥石长期完整性的问题,构建了一种遇CO_(2)自修复防腐固井水泥浆体系。该体系引入了自修复材料以及防腐材料,配合其他外加剂形成了密度1.9g/cm^(3)的水泥浆体系。该自修复水泥浆体系常规性能良好,能够达到固井施工的要求。研究了该体系的防腐性能以及自愈合性能,研究结果表明,腐蚀30d后水泥石的腐蚀深度小于1.00mm,CO_(2)腐蚀后抗压强度增强。腐蚀30d后,造缝自修复水泥石的抗压强度相对增长百分比为149.30%。腐蚀12h和24h后,水泥石的自修复率分别为97.64%和97.97%。本文构建的自修复防腐固井水泥浆体系能够有效推进CCUS技术发展以及助力CO_(2)上百年的封存。

耐CO_2腐蚀磷铝酸盐固井水泥浆的研制

针对目前固井水泥石耐CO2腐蚀不足的问题,根据不同特种胶凝材料水化产物耐CO2腐蚀性能的差异,优选出耐CO2腐蚀好的特种胶凝材料——磷铝酸盐水泥。为了进一步改善磷铝酸盐水泥石的耐腐蚀性能,基于酸基热液反应原理,在磷铝酸盐水泥中引入磷酸盐SHP,优化其水化产物组成和改善水泥石的耐CO2腐蚀性能。同时选用复合缓凝剂CSB和聚合物降失水剂AADI来调节耐CO2腐蚀复合固井材料的性能。结果表明,复合材料的稠化性能和失水性能可调,且性能对添加剂加量的敏感程度能够满足工程要求,具有"直角稠化"的特点,失水量能控制在50 mL以内,静胶凝强度"过渡时间"短,具有优良的耐CO2腐蚀性能。

电石渣对CO_(2)拌和水泥浆性能及固碳效能的影响

为提高CO_(2)直接拌和水泥基材料的固碳效能,以电石渣作为增强固碳材料,研究了电石渣和CO_(2)对新拌水泥净浆的流动度、凝结时间、抗压强度、固碳量和固碳效率等性能的影响。结果表明,电石渣掺入水泥浆体中会降低浆体流动度,加速浆体凝结,降低水泥石各个龄期的抗压强度。通入CO_(2)会进一步降低浆体的流动度,可延长浆体的凝结时间,水泥石抗压强度也有所提高。电石渣的掺入能够提高CO_(2)拌和水泥净浆的固碳量和固碳效率,当电石渣替代水泥用量为15%(质量分数),时固碳量最高且为6.95%,当电石渣掺量为10%时,固碳效率最佳,可达13.03%。研究结论旨在为建立低碳水泥基材料制备和电石渣资源化协同利用新途径提供参考。

含CO_(2)气体油气井防腐固井水泥浆体系研究

在含CO_(2)气体油藏中,CO_(2)对油井固井水泥石的腐蚀给石油开采带来了严重的安全问题。基于CO_(2)对水泥石的腐蚀机理、水泥浆各种外加剂的作用机理,通过实验来遴选水泥浆体系中防腐剂及其比例,并确定其他外加剂添加量,最终构建出能有效防止CO_(2)腐蚀的水泥浆体系。此体系下的水泥浆需要的稠化时间能控制在3~5 h范围内,失水量小于50 mL,无自由液,水泥石在24 h内抗压强度大于14 MPa。所得的水泥浆和水泥石的其他各项性能也均符合室内实验和实际固井的要求。

ZnFe-LDHs型固井水泥H_(2)S防腐剂制备及性能评价

我国高酸性油气田资源丰富,但在开发过程中固井水泥石将长期受到H_(2)S等酸性介质的侵蚀,严重威胁到油气井的施工和安全生产。针对此问题,采用水热共沉淀法制备了ZnFe-LDHs型H_(2)S防腐剂,并将掺有优选出的ZnFe-LDHs的水泥石置于5%浓度的Na_(2)S溶液中分别在常温及60℃下浸泡1、3、7、14、28 d,通过抗压强度测试、XRD、SEM等表征手段,分析ZnFe-LDHs对水泥石的防H_(2)S腐蚀能力和作用机理。结果表明,晶化温度为90℃下制备的Zn/Fe物质的量的比为(1~4)∶1的ZnFe-LDHs性能较好,均可提高水泥石的抗压强度,且强度随着Zn/Fe物质的量的比增加而增大,即掺加了Zn/Fe物质的量的比为4∶1的ZnFe-LDHs水泥石的作用效果最为明显,其强度增长了10.11%,而经Na2S溶液浸泡后,其早期强度降低,浸泡7 d时其强度相比于浸泡前在常温及60℃下分别增长了8.73%、4.96%,7 d后强度基本趋于稳定,这是由于ZnFe-LDHs能促进水化反应,并在浸泡后期与Na2S反应生成ZnS,提高水泥石的致密性,从而有效防止H_(2)S对水泥石的腐蚀。

固井水泥环内部缺陷超声波检测仿真研究

固井水泥环内部的各种缺陷会导致层间窜流、井口带压等事故。无损检测技术作为一种非破坏性的检测方法,可以对固井水泥环内部的缺陷进行检测。基于超声波在连续介质中的传播规律,采用COMSOL仿真软件模拟压电效应以及超声波在水泥环中的传播状态和反射规律,研究水泥环缺陷反射信号的相关特性。研究结果表明:选择1.0 MHz 5周期Hanning窗调制的超声正弦波作为激励信号,超声探头可以在50μs内接收到水泥环缺陷的反射信号;不同类型的缺陷中,矩形缺陷的检测效果最佳;当缺陷主方向与超声波入射方向垂直时,检测效果最佳。研究结果验证了超声波无损检测技术可以快速准确地确定固井水泥环内部缺陷的类型和位置,同时调整超声波入射角度有助于提升检测效果,可为超声波在水泥环内部缺陷检测中的应用提供一定的指导意义。

页岩油二氧化碳注气提采环境下固井水泥环完整性保障技术研究

为提高二氧化碳(CO_(2))注气提采环境下固井水泥石(环)的腐蚀完整性,文章从超临界CO_(2)腐蚀机理、防腐添加剂及体系三方面进行科研攻关,探讨不同水泥石在超临界CO_(2)环境养护中宏观力学与微观形貌的相关变化。研究结果表明:超临界态CO_(2)显著加速水泥石结构破坏,抗CO_(2)腐蚀固井水泥石可控制其腐蚀30 d的抗压强度衰退率≤8.56%,遇CO_(2)自修复水泥石具有≥90.22%的高效裂缝自修性,同时该水泥环腐蚀60 d后环空窜逸流量≤0.0002 mL/min,该技术在长庆油田陇东页岩油示范区完成推广应用83井次,固井质量优质率≥93.9%,施工至今无气体窜逸现象发生。该研究结果对提高页岩油二氧化碳注气提采环境下的固井水泥环完整性具有一定的实践指导意义。

高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律

由于高温高压井中,固井工况复杂,套管与水泥环之间会出现缺失现象,导致套管损坏,尤其多层套管时上述问题更为突出而复杂。针对上述问题,以准噶尔盆地南缘某高温高压高产气井为研究对象,建立了套管水泥环缺失套管水泥环套管地层轴对称有限元模型,模型中水泥环缺失处采用圈闭流体单元,岩石和水泥环采用EDP本构模型,相互界面间用接触力学有限元模型。研究结果表明,该模型能够准确分析复杂条件下水泥环缺失套管受力情况,解决了以前的模型无法模拟水泥环缺失处流固耦合问题;当套管环空出现环状缺失时,水泥环缺失的交界面附近应力最大且水泥环缺失处液体性质对套管强度有较大影响。为保证其井筒完整性,在深井、超深井中,建议优化水泥环返高,使水泥环不返到井口,减小固井段长度,消除水泥环缺失问题。

改善固井水泥石抗CO_2腐蚀性能的无皂胶乳合成及性能评价

为改善苏里格区块油气田固井水泥环的抗CO_2腐蚀性能,以对苯乙烯磺酸钠、纳米二氧化硅为离子型复合共聚乳化剂,采用无皂乳液聚合法制备出一种新型无皂胶乳,首先考察了无皂复合乳液综合性能、热稳定性、结构特征,然后评价了含无皂胶乳水泥石的抗腐蚀性能。结果表明,无皂胶乳粒径分布均匀,具有典型核壳结构和良好的耐热性能;无皂胶乳有效提高水泥石的抗腐蚀性能,经CO_2腐蚀60 d后,无皂胶乳的水泥石(相对于空白水泥石)腐蚀深度降低29.75%,抗压强度提高21.36%,渗透率降低56.63%。无皂胶乳通过聚集成膜作用阻断腐蚀介质的运移通道及与水化产物的接触机会,进而提高水泥石的抗CO_2腐蚀性能。

耐CO_2腐蚀固井水泥浆的研究及应用

CO2与水泥石反应会导致固井水泥环封隔失效,缩短油井寿命,影响油气田开发。针对该问题,开发了耐CO2腐蚀的固井材料,对加入该材料的水泥浆进行了研究,结果显示在水泥浆中加入该材料可以提高水泥石的耐CO2腐蚀性能;同时对耐CO2腐蚀的水泥浆的施工性能进行了研究,形成了施工性能良好的水泥浆技术。该技术在长深XX井中得到了应用,取得了良好的效果。

纳米改性固井水泥在CO_(2)地质封存中的应用现状及进展

论述了纳米固井水泥和CO_(2)封存的研究现状。总结了CO_(2)腐蚀固井水泥的机理:淋滤作用、碳化作用、溶蚀作用和协同作用和水泥防腐蚀机理,目前提高固井水泥的防CO_(2)腐蚀能力的途径有以下三点:(1)适量减少固井水泥的碱性物质;(2)降低固井水泥的钙硅比(Ca/Si);(3)充填固井水泥内外部孔隙,阻断CO_(2)腐蚀性流体进入固井水泥内部的通道。重点论述了纳米固井水泥浆的防CO_(2)腐蚀性能。展望了纳米水泥在CO_(2)封存中的应用。

固井水泥环对套管承载能力的影响规律

固井质量的好坏直接影响油水井的使用寿命。通过采用计算机辅助工程 (CAE)方法 ,研究了水泥环缺损、水泥环不居中以及水泥环的性质对套管承载能力的影响规律 。

固井水泥环柱的腐蚀研究

水泥环柱作为油气井套管的护套和包被，对防止套管腐蚀，封隔油、气、水，延长油气井寿命有至关重要的作用。水泥环柱的腐蚀、腐蚀机理及抗腐蚀固井材料的研究至关重要。本文全面地综述俄罗斯（ 包括前苏联）、美国、中国（特别是中油气集团公司工程技术研究院） 在这一领域的长期、系统的研究成果，应用非金属腐蚀及耐腐蚀理论系统地探讨水泥环柱腐蚀动力学及减少水泥环柱腐蚀的研究结果。

固井水泥环完整性模拟评价实验仪研究

为较好地模拟固井水泥环损伤的井下实际工况,评价固井水泥环的力学性能和完整性,研制出了一种新型固井水泥环完整性模拟评价实验仪。将固井水泥样品放置在特制的钢管中,在规定条件下养护成型后,放入由压紧圆盘和旋紧压环等主要部件组成的模拟实验仪中,通过施加机械挤压力模拟固井水泥环受压破裂的实际工况,同时施加水力压力模拟地层流体压力,测试固井水泥浆固化体在复合压力作用下的抗窜强度,从而客观地分析样品的抗裂性能、胶结强度和弹韧性,获得比三轴应力仪和万能实验机更直观的实验数据。固井水泥环完整性模拟评价实验仪为固井水泥环力学性能和完整性评价实验提供了一个新的实验手段。

川渝地区含硫气井固井水泥环界面腐蚀机理分析

酸性气井井下防腐是石油工程学界的技术难题之一,对于"井筒第一屏障"——固井水泥环的腐蚀研究更是备受重视。针对目前井下固井水泥环腐蚀研究中存在的问题,采用界面腐蚀的试验方法,利用X射线衍射、扫描电镜等实验分析手段,对川渝地区含硫气井固井水泥环腐蚀机理进行了探索。结果表明:①水泥石的腐蚀深度和H2S分压值、腐蚀时间成正比;②腐蚀后水泥石抗压强度值和H2S分压值、腐蚀时间成反比;③由于水泥石受酸性气体腐蚀后的产物逐渐富集、堆积及运移,使水泥石形成一个较为稳定的致密层或腐蚀过渡带,腐蚀后水泥石的孔隙度和渗透率随腐蚀时间的增加呈现先增加后降低的特点,并最终使腐蚀介质进入水泥石内部变得更加困难;④确保水泥环在保持一定腐蚀深度的情况下,尽快形成较为稳定的腐蚀过渡带或降低水泥环的腐蚀速率,是含硫气井固井水泥环在酸性环境下保持长期密封性及化学完整性的重要基础条件。

固井水泥环微间隙与微裂缝的模拟试验方法

对于固井水泥环微间隙和微裂缝模拟试验方法以及自修复评价试验方法,目前尚未统一。为了顺利开展固井水泥环自修复技术研究,基于大量的探索实验,提出了两种模拟微间隙和微裂缝的试验方法:使用不锈钢钢管模拟套管,通过先在套管内壁涂抹均匀的钻井液液膜,然后灌入固井水泥浆的方法模拟固井水泥环微间隙;通过直接灌入水泥浆(内壁无钻井液液膜),待试样固化后再对钢管外壁施加机械挤压力的方法模拟固井水泥环的微裂缝。从抗窜强度测试、试验误差分析和无损伤CT扫描等方面,对模拟试验方法的可靠性、稳定性和模拟样品的微观形态进行了分析研究。结果表明,该模拟试验方法简单易行,微裂缝与微间隙模拟的过程和微观形态与实际工况接近,试验数据稳定可靠。结论认为,该模拟试验方法能够较好地应用于固井水泥环自修复技术研究和固井水泥浆力学性能分析测试。