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油井水泥外加剂

2021-01-27 19:17 作者:美高美官网 点击:

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  油井水泥外加剂及水泥浆体系 油井水泥外加剂及作用机理 常用的十大水泥浆体系 选择水泥外加剂和设计水泥浆体系应注意的几个问题 油井水泥外加剂及作用机理 1. 油井水泥早强剂 油井水泥早强剂主要是指能显著缩短水泥浆稠化时间,加速水泥熟料矿物的凝结与硬化, 提高水泥石早期抗压强度的外加剂。 主要用途: 缩短凝结时间,表层套管注水泥、打水泥塞、堵漏等。 1.1 油井水泥早强剂作用机理 研究发现,不同类型的早强剂对水泥浆具有不同的早强作用机理,通常常用的几类早强剂,其促凝早强的作用机理为: 氯盐类早强剂:氯盐促进水泥浆硬化和早强的机理,主要有两个方面的原因。一是增加水泥颗粒的分散度,从而加速水泥水化和硬化的速度 ;二是与水泥熟料矿物产生化合作用,与C3A化合生成水化氯铝酸钙,从而使胶体膨胀,水泥石孔隙减少,密实性增大,从而提高了水泥石的强度。 硫酸盐类早强剂:硫酸盐对水泥的促硬、早强作用,主要是因为它能与水泥熟料矿物水解析出的氢氧化钙发生置换反应,从而能加速与水泥熟料中的C3A反应生成更多的硫铝酸钙,提高水泥水化液相中的固相比例,加快水泥凝结硬化的速度和早期强度的提高; 有机早强剂:如三乙醇胺,它能起到促凝早强作用是由于三乙醇胺能促进水泥石形成更多的钙矾石,能有效地吸附在水泥熟料矿物表面,加快C3A与石膏之间的反应,但三乙醇胺可能减缓C3S的水化速度。通常,它与其它促凝早强剂复合使用,可发挥更好的早强作用。 常用的油井水泥促凝早强剂可分为无机盐类早强剂、有机化合物类早强剂和由多种不同类型早强剂复合而成的复合早强剂。 一、无机盐类 主要包括: 氯化钙:如BJ公司的:A-7,道威尔的:SI 液体氯化钙:如BJ公司的:A-7L,道威尔的:D77 硅酸盐:如BJ公司的:A-2,道威尔的:D29,Diacel A,HALLIBURTON:Econolite 硫酸盐:如BJ公司的:A-10,道威尔的:D53, HALLIBURTON:EA-2 氯化钠:如BJ公司的:A-9,道威尔的:M117等 其它无机盐类促凝剂还包括:铝酸盐、硝酸盐、碳酸盐、 硫代硫酸盐以及钠、钾、铵的氢氧化物等; 1.2 油井水泥早强剂的主要类型 油井水泥早强剂的主要类型 二、有机化合物促凝剂 主要包括:甲酸钙[Ca(HCOO)2]、甲酰铵(CHONH2)、草酸(H2C2O4)和三乙醇胺[(N(C2H4OH)3]等。 三、复合促凝剂 研究表明,由多种无机盐促凝剂和有机化合物促凝剂复合的早强剂,往往可得到比单一类型促凝剂促凝效果更好的外加剂。我国目前油田常用的早强剂通常为复合型的促凝早强剂,往往很少单独使用一种早强剂如::CA-2,CA903S,T90S,S601,S603,SA-1,SS-1等。 通过物理化学作用,能显著延缓水泥浆稠化时间,防止油井水泥凝结过快的外加剂可称作为油井水泥缓凝剂。有些缓凝剂同时还具有减阻和降失水的作用。 主要用途:增加水泥浆稠化时间,降低水泥浆粘度。 2. 油井水泥缓凝剂 2.1 缓凝剂作用机理 缓凝剂的作用机理主要是指缓凝剂的化学性质和缓凝剂与水泥相(硅酸盐或铝酸盐)的作用过程,由于不同的缓凝剂有不同的化学性质和作用过程,所以,目前所提出的所有理论都还不能全面的解释缓凝剂本身参与水泥的水化过程的情况,本项工作需进一步的研究。目前,所提出的缓凝剂的主要机理有: 吸附理论:缓凝作用的产生是因为缓凝剂吸附在水化物表面上抑制了与水的接触。 沉淀理论:缓凝剂与水相中的钙离子或氢氧根离子反应,在水泥颗粒周围形成一种不溶解的非渗透层。 成核理论:缓凝剂吸附在水化物的晶核上,抑制了它的进一步增长。 络合理论:缓凝剂螯合钙离子,因而防止了晶核的形成。 注:在某种程度上,上述四种机理有可能在缓凝过程中都发生,或其中的一种或两种机理在缓凝过程中同时发生。 2.2 油井水泥缓凝剂的主要类型 木质素磺酸盐类:如BJ公司的:R-1,R-12,道威尔的:D13,D81,D800,D801, HALLIBURTON: HR-4,HR-7 等, 羟基羧酸类:如葡萄糖酸、柠檬酸、酒石酸、水杨酸、苹果酸、乳酸、葡庚糖酸及它们的盐;如BJ公司的:CR-5,道威尔公司的D110:我院的;H88,H98 等; 糖类化合物:如蔗糖、棉子糖、可溶性淀粉等;如HALLIBUTION 公司的:HR-13L,我院的:S12,等 纤维素衍生物:如BJ公司的R-6或DIACEL-LWL,道威尔公司的D8, HALLIBUTION 公司的:Diacel LWL: 有机磷酸盐类:如HEDP,AMDP 等,如:J-RL,H-1 合成高温缓凝剂 AMPS共聚物体系 无机化合物类:如铝、锌、硼的化合物;如:HR-A,LW-1,LW-2等, 目前,用作油井水泥缓凝剂的化合物主要有以下的类型,它们可能是这几类化合物的改性合成化合物,或是几种化合物的复合物。 3. 油井水泥降失水剂 固井时水泥浆在压力下流经高渗透地层时,将发生“渗透”,水泥浆液相漏入地层,通称为失水,故能够降低油井水泥浆失水量的这种外加剂通称为油井水泥降失水剂,目前主要通过减小滤饼渗透率或提高水相粘度等手段来达到降低失水的目的。 主要用途:保护产能,用于油层注水泥、挤水泥、尾管注水泥、水敏地层注水泥、防气窜注水泥 3.1 降失水剂作用机理 研究降失水剂的作用机理主要应通过研究水泥颗粒的形状和尺寸、流体的粘度、水泥滤饼的质量等方面来进行,其中以改善滤饼质量为控制失水的关键,目前,降失水剂的作用机理主要有两种学术观点: 减少水泥滤饼的渗透率,改善水泥滤饼的结构,以形成致密、渗透率低的滤饼,从而降低失水,可通过: a: 调整水泥浆体系的颗粒分布,使超细颗粒材料能够嵌入水泥颗粒之间,阻塞滤饼空隙,形成致密结构的滤饼,有助于降低失水。 b: 采用水溶性高分子聚合物,通过其吸附基团和水化基团在水泥颗粒表 面形成“水泥颗粒—线性高分子—水分子吸附层”的网状结构,束缚住更多自由水,阻塞水泥内部空隙,从而降低失水。  增大水泥浆液相粘度,通过增大液相向地层滤失的阻力,降低水泥浆失水。 3.2 油井水泥降失水剂的主要类型 特制的超细研磨材料 如:膨润土、石灰石粉、沥青质、热塑性树脂、胶乳等类的颗粒材料 水溶性高分子及有机材料 1、水溶性改性天然产物 纤维素类 如:道威尔公司的:D-28, HALLIBURTON: Halad-14,22A 等,国产的BXF-1,LW-1,S24等。 聚乙烯醇类 如:CG701S, G60S系列等 淀粉类 经接枝改性的淀粉可用作油井水泥降失水剂,其水溶性好,降滤失性好,与其它水泥外加剂配伍性好,且具有较好的分散性和流变性。 如HALLIBURTON: Halad-9 褐煤类 是一类煤化程度较小的煤,含较高的内在灰分和不同数量的腐殖酸,通过接枝共聚反应在褐煤大分子链上引进乙烯类侧链的方法可用作油井水泥降失水剂, 如SM-B 单宁类,单宁的主要有效成分是具有多元酚基和羧基的有机物质,经接枝化学改性后的单宁还可用作油井水泥降失水剂。 降失水剂主要有两种类型:特制的超细研磨材料和水溶性聚合物。 2、合成具有磺酸盐基团或刚性基团的水溶性聚合物 AMPS的接枝共聚物,如HALLIBUTION的HALAD313S(L),国内由我院开发并广泛在国内外推广应用的 BXF-200L系列, 本系列的降失水剂有大量的专利报道,是世界油井水泥降失水剂发展的一个方向; 丙烯酰胺-丙烯酸聚合物体系: 如: HALLIBURTON: CEMAD-1,国产的XS-2, 聚丙烯酰胺,磺甲基聚丙烯酰胺体系:如国产的R90抗盐降失水剂系列 聚乙烯多胺的共聚物等:如国产的SK系列降失水剂。 合成苯乙烯-丁二烯,胶乳丙烯酸或类似胶乳水泥浆体系, 如HALLIBUTION的D-air系列,以及国产的BCT-800胶乳外加剂体系 油井水泥降失水剂的主要类型 4. 油井水泥分散剂 油井水泥分散剂主要用于改善水泥浆的流动性,降低水泥浆体系的粘度,改善并显著提高水泥浆的流变性能的外加剂。 使用效果:稀释水泥浆,提高顶替效率,降低水马力,使水泥浆易于泵送。 分散剂的主要作用机理是分散剂的吸附分散作用,其微观机制,则因分散剂的分子结构不同而存在一定的差异,其主要的作用机理表现为: 吸附-分散和释放游离水机理 分散剂可吸附于水泥颗粒的表面,形成吸附双电层,在电性相斥的作用下,使水泥水化初期形成的絮凝结构分散解体,絮凝体内的游离水释放出来,提高水泥浆的流变性; 润湿作用 分散剂的润湿作用会增加水泥颗粒的水化面积,在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜,阻止了水泥颗粒的直接接触,起到了润滑分散的作用; 微气泡润滑作用 分散剂的掺入将引入一定量的微细气泡,并与水泥质点具有相同符号的电荷,因而气泡与水泥颗粒间也因电性相斥,增加了水泥颗粒间的滑动能力,使水泥颗粒分散。 4.1 油井水泥分散剂的作用机理 4.2 油井水泥分散剂的主要类型 磺酸盐类 1)密胺磺酸盐类(PMS);如国产的SM 2)聚萘磺酸盐类 如道威尔公司的:D31L, HALLIBURTON: CFR-2 ,国产的FDN,MF,UNF等, 3)木质素磺酸盐如:HALLIBURTON: CFR-2L, 等, 4)聚苯乙烯磺酸盐 甲醛与丙酮(或其它酮类)缩聚物,如国产的 SXY,USZ,CF40 分子质量相对较低的羟基聚多糖,如水解淀粉等; 低分子化合物,如羟基羧酸等。 5. 油井水泥消泡剂 许多油井水泥外加剂在配制过程中可能引起气泡,水泥浆的过渡起泡可造成严重的后果。能够在泡沫表面扩散形成不稳定膜,从而起到消泡作用的外加剂材料可称作消泡剂。 消泡剂的分子结构通常带有支链并且烃链较短,使消泡剂在气-液界面上形成的双吸附层强度差,有利于消泡; 消泡剂亲水基的极性较弱,亲油性较强,对液膜中极性水分子的吸引力较弱,自由水多,膜中液体的粘度低

  ,容易流动,故液膜容易破裂而有利于消泡。 消泡剂分子的活性应较高,加入泡沫体系后可顶替泡沫分子,使泡破裂而有利于消泡。 5.1 油井水泥消泡剂的作用机理 通常认为作为消泡剂的材料,在消泡过程中的主要原理为: 5.2 油井水泥消泡剂的主要类型 固井中常用的消泡剂有: 高分子醇, 硅氧烷;如国产的GPE, 磷酸酯 如国产的G603 甘油聚醚等 如国产的GX-2, 国外常用的长链羟基化合物粉状消泡剂包括道威尔公司的D-6, HALLIBURTON: NF-P,NF-1 等,常用的长链有机化合物液体消泡剂包括道威尔公司的D-47, HALLIBURTON: P-Air 等, 降低水泥浆密度可有效减小静水液柱压力,防止压裂弱胶结地层;低密度水泥浆可以用于低压油气层,以免油气层收到伤害;减少注水泥的次数,提高水泥浆造浆率,并由此获得较好的经济效益。 通常,我们将能降低水泥浆密度的材料,统称为油井水泥减轻剂,在同一水泥浆中,为降低水泥浆的密度,提高低密度水泥浆的综合性能,经常同时使用几种减轻材料。 6. 油井水泥减轻剂 6.1 油井水泥减轻剂的分类 根据减轻剂降低水泥浆密度的机理,可以将减轻材料分为三类: 水基减轻剂:指能吸附过量的水且起到充填作用的材料,如膨润土,硅酸钠等水溶增粘剂;这类减轻剂能使水泥浆混配保持均匀,阻止过量游离水的产生; 低密度填充料:指密度低于波特兰水泥密度(3.15g/cm3)的低密度材料,这类减轻剂只要加量足够就可以降低水泥浆密度。 气体减轻材料:指常用空气或氮气来配制的具有超低密度且足够抗压强度的泡沫水泥,常有化学发泡和机械充气两种方法。 膨润土:也叫搬土,密度2.60-2.70g/cm3,是由主要含粘土微矿晶的蒙脱石(NaAl2(AlSi3O10)组成,是由两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体所组成,膨润土低密度水泥浆适宜的密度为1.53 — 1.58 g/cm3。膨润土掺量为干水泥重量的8—10%。国内主要产品有山东潍坊膨润土和安丘膨润土。国外同类产品HALLIBUTION公司有:HOWCO Gel,BJ休斯公司有:BJ Gel,道威尔有:Bentonite; 水玻璃(液体硅酸钠):水玻璃又称泡花碱。由二氧化硅含量很高的石英粉与工业纯碱按一定比例混合,置于 1350—1400℃溶炉中熔融后溶解于水而成的一种粘滞性溶液,呈半透明青灰色或微黄色。它由正硅酸钠(2Na2O·SiO2)、偏硅酸钠(Na2O·SiO2)及一硅酸钠(Na2O·2SiO2)胶态与分子状的二氧化硅和水的混合物组成。水玻璃低密度水泥浆的密度可低至1.37g/cm3,推荐掺量为每公斤水泥加0.0564升, 国外同类产品HALLIBUTION公司有:Econonite,BJ休斯公司有:A-2,道威尔有:D79; 粉煤灰:粉煤灰又称飞灰,是从以煤为燃料的发电厂锅炉的烟气中收集的灰渣。粉煤灰的比重一般为1.8-2.6,松散容重为600-1000Kg/M3,压实容重为1000-1400Kg/M3 。粉煤灰的颗粒粒径为0.5—300um。其化学成分主要以SiO2、AI2O3w为主,并含有少量的Fe2O3、CaO、Na2O、K2O和SO3等。通常粉煤灰的掺量约占干水泥重量的60%-120%,相应的水泥浆密度为1.68-1.55 g/cm3。国内粉煤灰低密度水泥浆已得到广泛的应用,国外同类产品HALLIBUTION公司的同类产品有:Pozmix,BJ休斯公司有:Diamix F,道威尔有:Litepoz3; 6.2 油井水泥减轻剂的主要类型 微珠:漂珠为空心、密闭、壁薄、粒细的玻璃球体, 视密度0.65~0.75g/cm3,主要成分为氧化硅、氧化铝,及少量的氧化铁、氧化钙等,可与水泥水化产物反应生成具有胶凝性质的化合物,可将水泥浆密度范围降至1.44—1.08g/cm3 ,掺量范围为8%~100%,国内漂珠低密度水泥浆已经得到广泛的应用,国外同类产品为:HALLIBUTION公司有同类产品为:玻璃微珠,道威尔公司的Litepoz500等。 泡沫:用机械充气发气法和化学发泡法在水泥浆中混入或产生一定量的气体,形成相对分布均匀且稳定的泡沫,以降低水泥浆的密度,泡沫水泥浆的密度可降至0.9-1.30g/cm3,水泥石强度高,渗透率低,可有效地应用于低压易漏油气田的固井。国内泡沫水泥浆已得到推广应用,特别是我院FC系列化学泡沫水泥浆已在我国各大油田得到广泛的推广应用,取得了良好的效果,国外各大公司如哈里巴顿、道威尔,BJ 休斯公司等都具有泡沫水泥产品及应用的报告。 此外,在油井水泥中可应用的减轻剂还包括:硬沥青,硅藻土,膨胀珍珠岩,矿渣,微硅以及沸石等;以上的减轻剂可以根据水泥浆降低密度的需要选择其中的一种或几种减轻材料进行水泥浆设计。 油井水泥减轻剂的主要类型 在油气井固井中,高孔隙压力、井壁不稳定和塑性流动地层都要借助高静水压力予以控制,为了保持井眼的稳定和安全施工,要求提高水泥浆的密度进行作业。 要提高水泥浆的密度,可以通过降低用水量和添加高比重的材料来实现,通常我们称这种可以加重水泥浆密度的高比重材料为油井水泥浆加重剂。 8. 油井水泥加重剂 合格的加重剂必须满足以下条件: 材料的颗粒粒度分布与水泥相容。粒度太大容易使水泥浆产生离析,粒度太小又容易增加水泥浆的稠度。 用水量要少。用水量过大,会使加重剂加量增大,影响水泥浆的强度发展。 不影响水泥水化进程,与其它添加剂有良好的相容性,同时对外加剂的吸附能力要弱。 最常用的水泥浆加重剂是:钛铁矿石,赤铁矿石,重晶石以及锰铁矿粉MICROMAX。 8.1 油井水泥加重剂的选择 重晶石:是一种白色粉末材料,比重为:4.33,可将水泥浆密度加重至2.3,但需要加入更多的水来润湿颗粒,所以使用效果受到一定的削弱.国内油田重晶石应用较广,国外同类产品有:HALLIBUTION的Barite,BJ 休斯公司的W-1,道威尔公司的D-31; 钛铁矿石:是一种黑色颗粒材料,比重:4.45,可将水泥浆密度加重至2.4,对水泥浆的稠化时间和抗压强度影响较小。目前能提供的钛铁矿石的粒度分布较粗,需要调整水泥浆的粘度以防止水泥浆离析。国外同类产品有:HALLIBUTION的Hi-Dense3,BJ 休斯公司的W-3,道威尔公司的D-18; 赤铁矿:是一种红色颗粒材料,粒度分布较细,需水量较低。比重:4.95,可将水泥浆密度加重至2.65,加量大时,常常加入分散剂来调节水泥浆的稠度,是一种较为有效的加重材料。国外同类产品有:Hi-Dense3,BJ 休斯公司的W-5,道威尔公司的D-76; 锰铁矿粉(Micromax):是一种以赤锰矿粉为主要成分棕红色粉末的超细加重材料,比重为:4.8~4.9,平均颗粒粒度5μm,不增加需水量,无沉降稳定问题,有适当减阻效果,可将水泥浆密度加重至2.8,但由于该种材料价格昂贵,通常与其它材料配合适用,目前在国外高压油气井固井中已得到较大量的应用,在我国南海高压气井固井中已有采用,效果良好。 8.2 油井水泥加重剂的主要类型 普通油井水泥属波兰水泥范畴,当温度低于110℃时,具有较低的渗透率,并随温度的升高,抗压强度提高,当温度超过110 ℃,尤其当温度超过125 ℃时,随温度的升高抗压强度大幅度降低,渗透率大大提高,这种现象称作水泥石强度退化。温度越高,水泥石强度退化现象更加严重,致使失去保护井壁,支撑套管和封隔作用,导致油井破坏。 能防止水泥石高温强度退化,稳定水泥石强度,降低水泥石渗透率的外加剂,称为防止水泥石高温强度退化的外加剂。主要用于热力开采稠油和深井注水泥。 9. 防止水泥石高温强度退化的外加剂 防止水泥石高温产生强度退化的外加剂 目前,防止水泥石高温产生强度退化的外加剂主要为: 硅石粉即石英砂。 硅粉作为一种高温稳定剂,在高温、水化过程中,一方面能吸收水泥水化时析出的Ca(OH)2,降低了液相中钙离子的浓度,打破了C2SH和C2SH(A)等高钙硅酸盐的平衡,另一方面,硅粉又与水泥中α-C2SH发生反应,生成纤维状的托勃莫莱石和耐高温的硬硅钙石,从而提高了水泥石在高温下的强度和热稳定性,硅粉密度为2.62g/cm3,加量为干灰的35~40%。 石英砂按使用的用途,可分为小于等于200目的细石英粉和粗石英粉,国内按不同的要求,在高温下已广泛应用硅石粉作为高温抗强度退化剂,国外各大石油公司也有同样的产品如:HALLIBUTION的Silica Flour,Silica Flour Coarse,BJ 休斯公司的D-8,D-80,道威尔公司的D-66,D-30等。 具有控制水泥浆沉降稳定性,降低游离液含量等作用的外加剂,可称作游离水控制和固体悬浮调节剂。 控制水泥浆的游离液和沉降稳定性的添加剂主要包括:有机聚合物、生物聚合物、硅酸钠以及膨润土,绿坡缕石,硅灰等材料,在诸多产品中,生物聚合物占绝对优势。 国内按水泥浆的设计需要,通常添加以上材料中的一种或两种材料来保证水泥浆的沉降稳定性 并控制游离液含量。国外也有同样的产品如BJ 休斯公司的A-2,FWC-10,BA-58,BA-90,道威尔公司的D79,D153,D128,D154,D155,HALLIBUTION公司的Econolite,Diacel A,FWC A ,Versa SetL,Gas Con496等。 10.游离水控制和固体悬浮调节剂 常用的十大水泥浆体系 普通低密度水泥浆体系; 高强度低密度水泥浆体系 高 高密度水泥浆体系; 短候凝固井水泥浆体系 高温深井水泥浆体系; 抗盐水泥浆体系; 防窜水泥浆体系; 新型泡沫水泥浆体系; 水平井固井水泥浆体系; MTC技术及多功能钻井液UF技术。 固井水泥浆体系之一 普通低密度水泥浆体系 普通低密度水泥浆的主要类型 膨润土低密度水泥 水玻璃低密度水泥 粉煤灰低密度水泥浆 漂珠低密度

  水泥浆 矿渣低密度水泥浆 使用特点: 膨润土低密度水泥浆 适用密度范围:1.50—1.60 g/cm3; 使用温度范围:40—100℃; 游离液含量大; 流动性差,稠化时间长; 强度低,24小时抗压强度为4.5—8.0MPa 渗透性高等 应用:主要用于分级注水泥的领浆,或作为充填水泥浆。具有货源广,成本低,使用方便等优点。 水玻璃低密度水泥浆 使用密度范围通常为:1.45-1.55g/cm3 使用温度范围为40一90℃; 推荐掺量为水泥重量的5.64%; 水泥浆稠化时间过长; 抗压强度低; 游离液大。 使用特点: 应用:可用作领浆;可用于表层套管固井,以赢得二次开钻的时间;还可用于井内地层坍落的地方,配制一定密度的促凝水泥浆固井。 粉煤灰掺量约为60%~120%,相应密度为1.68~1.55 g/cm3; 具有一定的抗腐蚀能力; 游离水大; 稠化时间长; 体积收缩大; 低温下强度低等缺点。但与T-90外加剂配合使用,可有效 改善粉煤灰低密度水泥浆的性能。 粉煤灰低密度水泥浆 使用特点: 应用:可用于有严重腐蚀性水、气地层的油、气井固井;也可应用于长封固段固井。 漂珠低密度水泥浆 适用密度范围: 1.68~1.18g/cm3; 适用温度范围:30 ~180 ℃; 游离液含量较少; 水泥石强度较高; 渗透率较低; 漂珠易上浮 、进水、破碎,可造成浆体沉降稳定性、体积 稳定性变差。可与T-90,T-93外加剂配合使用,有效改善水 泥浆的整体性能。 使用特点: 应用:采用漂珠超低密度水泥浆固井,可较好地解决长封固段漏失问题。 矿渣搬土低密度固井液的特点 密度适用范围:1.20~1.70g/cm3; 稠化时间可调、流动性好; 抗压强度发展快; 结构致密; 失水量低、微触变、耐腐蚀、高早强、短过渡、 沉降稳定性好等特点,是理想的固井材料。 应用:适用于各种注水泥作业或隔离液。与泥浆相容性好,顶替效率高,能有效提高固井封固质量。 使用特点: 固井水泥浆体系之二 高强度低密度 水泥浆技术 适用密度范围为:1.10~1.70g/cm3; 适用温度范围为:20~180℃; 游离液基本为零; 失水量易控制,小于50mL; 具有一定的防气窜能力; 具有一定的抗腐蚀能力; 水泥浆沉降稳定性好; 抗压强度高,水泥石均匀致密不收缩,具有低温下 其性能与常规水泥浆相媲美的特点。 高强度低密度水泥浆体系 使用特点: 应用:可应用于低压易漏、浅层气、定向井、水平井、欠平衡钻井、长封固段的固井;可用于打高强度低密度水泥塞,如侧钻等; 根据紧密堆积和颗粒级配理论,利用线形堆积密 度模型和二元系统的最大堆积密度与微细胶凝材 料直径的关系,提高干混材料堆积体积(PVF);       根据物料组成的物理化学作用;进行充填的矿物微粒 应该是充填性好、表面光滑致密、化学活性较高的具 有减水作用的高性能矿物掺合料。 设计原理 高强度低密度水泥浆体系 紧密堆积理论 根据紧密堆积理论,利用合理的物料颗粒级配,提高单位体积水泥浆中的固相,形成更加致密的水泥石。 线型堆积模型示意图 高强度低密度水泥浆体系 紧密堆积理论 根据紧密堆积理论,改善物料的表面性质,减少物料颗粒间的充填水和物料表面的润滑水,进一步提高单位体积水泥浆中的固相。 含水化膜颗粒的紧密堆积 高强度低密度水泥浆体系 增强剂PZW:具有合理颗粒级配的活性超细胶凝材料组 成,掺入水泥浆中,可显著提高低密度水泥浆的强度 稳定性等综合性能; 油井水泥:主体固结材料; 漂珠:减轻材料; 降失水剂、调凝剂、分散剂:调节水泥浆性能。 高强度低密度水泥浆体系 高强度低密度水泥浆的组成: 根据紧密堆积理论和水泥、漂珠、增强剂的粒径分布,设计的低密高强水泥浆体系的粒径分布主要为10-60μm、 40-250μm 、 0.5-40μm 。 分布显示,体系不同粒径球形粒子可以显著减小颗粒堆积空隙率,能有效提高和改善水泥浆的综合性能。 高强度低密度水泥浆体系 高强低密度水泥浆的强度性能 高墙低密度水泥浆 普通漂珠低密度水泥浆 高强度低密度水泥浆体系 1.3g/cm3,50℃,静胶凝发展 超声波静胶凝强度发展趋势 高强度低密度水泥浆体系 1.3g/cm3,50℃,超声强度发展,稠化时间190min 超声波抗压强度发展趋势 高强度低密度水泥浆体系 1.4g/cm3,50℃,超声强度发展,稠化时间173min 超声波抗压强度发展趋势 高强度低密度水泥浆体系 水泥浆密度1.3g/cm3,90℃,静胶凝强度发展,稠化200min 高强度低密度水泥浆体系 超声波抗压强度发展趋势 高强度低密度水泥浆体系 高强度低密度水泥浆体系沉降稳定性能 高强度低密度水泥浆体系 高强度低密度水泥石的防腐性能 PZW 低密度增强剂由较低密度的活性胶凝材料组成,在水泥浆中不仅能发生凝硬性反应,还可进一步充填水泥石孔隙,形成更加致密的水泥石。 1.5g/cm3(左) 1.3g/cm3(右) 高强度低密度水泥浆体系 高强度低密度水泥浆失水性能 图表1 382 180 40 30 30 G60S降失水剂掺量(占活性材料重)% API失水量(mL) 降失水剂对失水量的影响 Sheet1 Sheet2 Sheet3 0 382 0.259 180 0.516 40 0.775 30 0.93 30 0 382 3.04 180 4.85 50 5.45 40 0.16 150 0.3 260 0.46 300 0.61 400 0.38 220 0.53 267 0.68 312 0.76 330 0.76 210 0.91 258 1.06 312 1.21 350 19.4 200 25.8 151 28 143 30.1 140 Sheet3 0 0 0 0 0 G60降失水剂掺量(占活性材料重)% API失水量(mL) 降失水剂对失水量的影响 0 0 0 0 BXF-200L降失水剂掺量(占活性材料重)% API失水量(mL) 降失水剂掺量对失水量的影响 0 0 0 0 BXR缓凝剂掺量(占活性材料重)% 稠化时间(min) 缓凝剂对稠化时间的影响 0 0 0 0 BXR缓凝剂掺量(占活性材料重)% 稠化时间(mL) 缓凝剂对稠化时间的影响 0 0 0 0 BXR缓凝剂掺量(占活性材料重)% 稠化时间(min) 缓凝剂对稠化时间的影响 0 0 0 0 PZW掺量(占固相重)% 稠化时间(min) PZW掺量对稠化时间的影响 高强度低密度水泥浆体系 40℃下不同密度的水泥浆性能 水泥浆密度 1.3 1.4 1.5 1.6 性 能 G级水泥 100 100 100 100 漂珠 54.6 34.0 22.0 13.2 PZW-A 50.0 35.0 32.0 25.0 水 112.0 88.8 78.6 68.2 CG71S 3.2 2.6 2.6 2.2 CA909S 3.0 3.0 2.0 1.5 CF41L 3.0 1.8 1.5 1.2 CX60L 0.1 0.1 0.1 0.1 性 能 流动度 cm 20.0 20.5 20.0 21.0 游离液 ml 0 0 0 0 失水量 ml 24.0 26.0 24.0 20.0 稠化时间 min 131 128 145 143 抗压强度 MPa/24h 9.0 12.0 14.0 15.3 高强度低密度水泥浆体系 50℃下不同密度的水泥浆性能 水泥浆密度 1.3 1.4 性 能 G级水泥 100 100 漂珠 65.7 47.5 PZW-A 57.1 57.1 水 107 96.4 G60S 3.14 2.42 早强剂 1.43 1.42 CX60L 0.1 0.1 性 能 流动度 cm 21 21 游离液 ml 0 0 失水量 ml 20 20 稠化时间 min 143 120 抗压强度 MPa/24h/48h 14.6/24 15/30 高强度低密度水泥浆体系 70℃下不同密度的水泥浆性能 水泥浆密度g/cm3 1.3 1.4 1.5 1.6 组成 G级水泥 100 100 100 100 漂珠 71 47.1 31.4 15 增强剂 79 57.1 57.1 57.1 G60S+G64 4.3 4.54 4.5 4.3 水 129 100 88.6 78 消泡剂 0.1 0.1 0.1 0.1 水泥浆性能 流动度 cm 20 22 22 22 游离液 ml

  泥浆体系; J-2B短候凝防窜水泥浆体系; SQ短候凝防窜水泥浆体系。 短候凝水泥浆体系 使用温度范围:27 ~ 75 ℃; API滤失量≤50~100ml; 具有明显的促凝早强作用; 具有较高的早期强度,8小时抗压强度较净浆提高50%--100%; 静胶凝过渡时间短,一般为15~30min,初凝到终凝时间为10~20min; 具有微触变性和较高的内聚力; 水泥浆硬化后具有一定的微膨胀性,可防止微裂缝--微裂隙的形成; 使用特点: 本体系主要是针对调整井、底水活跃井、高压油气井以及丛式井快速钻井中导管和表层套管及低温浅井的固井而研究开发的。 低温短候凝水泥浆体系 原浆:水泥+44%水,密度1.90;短侯凝:水泥+44%水+4%CA903 水泥浆 体系 实验 温度 ℃ 胶凝强度到100lb/100ft2 时间 胶凝强度500lb/100ft2时间 胶凝强度从100lb/100ft2到500lb/100ft2 时间 抗压强度, 6h/MPa 原浆 27℃ 1:49 2:42 0:53 短候凝 体系 27℃ 0:50 1:06 0:16 3.8 J-2B短候凝防窜水泥浆体系 已先后在滇黔贵油田、南阳油田、 长庆油田、江苏油田推广使用逾200多口,固井优质率90%。 SQ短候凝防窜水泥浆体系 在百色油田6口调整井中进行了应用, 其固井一、二界面优质的有3口,合格的有2口,满足了调整井固井 要求。 CA903S短候凝防窜水泥浆体系已成功应用于渤海油田丛式井快 速钻井中导管和表层套管固井,使固井候凝期由24小时缩短为4小时。, 实现了丛式井集中表层快速不间断钻井作业。替代了进口外加剂, 固井300余井次。仅缩短钻井周期一项就为油田节约7000余万元。 短候凝水泥浆的应用 固井水泥浆体系之五 防窜水泥浆体系 防气窜水泥浆的主要类型 不渗透防窜水泥浆体系 G60、 G60S、 J-2B、 W99 充气水泥浆体系 KQ(H2)、 FC(N2) 使用温度范围:30 ~ 185℃; API滤失量≤50~100ml;体系中高聚物能迅速成 膜,形成较高的内聚力,有效防止气窜的发生; 过渡时间短,具有较强的防气窜能力; 早期强度高,水泥石致密,有助于防气窜的发生;; 具有一定的微触变性。 防窜水泥浆体系 性能特点: G60防窜外加剂 自1987年以来,已在渤海、南海、东海、辽河 等油田应用数百吨,固井质量优良。与国外同类产品相比,其价格 仅相当于同类产品的1/10,具有很好的性能价格比,取得了较好的 社会效益; G60-S防窜外加剂 自1987以来,已在辽河、长庆、大港、新疆 等油田得到广泛应用,共计数百吨,并已出口伊朗等国家; J-2B防窜外加剂 自1995年以来,已在长庆、滇黔桂、辽河、 江苏等油田广泛应用,均取得良好的固井结果。 W99防窜剂 已在河南和长庆油田推广应用,取得了明显的效果。 防窜水泥浆体系的现场应用 固井水泥浆体系之六 高密度水泥浆体系 高密度水泥浆体系的主要类型 G60 高密度水泥浆体系 SQ 高密度抗盐水泥浆体系 BXF-1高密度抗盐水泥浆体系 BXF-200L高密度抗盐水泥浆体系 本体系主要针对高孔隙压力、井壁不稳定和塑性流动地层而研究开发的。 高密度水泥浆体系 使用特点: 使用密度范围:1.90~2.60g/cm3; 降失水小于100mL,可满足不同地层、盐层的固井需要; 水泥浆具有良好的沉降稳定性,保证了高密度水泥浆的综合性能; 水泥浆游离液含量较低; 具有良好的防窜性能; 具有良好的流动性,配浆施工顺利; 具有配套的高、中温缓凝剂,可任意调节水 泥浆的稠化时间。 目前,高密度水泥浆体系已在中原、长庆、青海、塔里木、辽河等油田得到广泛应用。特别是在青海鸭深1井的固井中,取得了显著的效果,该井是大庆油田勘探分公司在柴北缘区块布置的第一口重点探井,位于柴达木盆地北缘断块鄂博梁—鸭湖构造带鸭湖构造上,地质情况非常复杂。三开固井采用双级双凝水泥,二级采用正常密度水泥浆,四开固井采用双凝水泥,四开井段喷漏并存,利用BXF-1体系成功地对该井进行了封固,取得了优良的固井质量。 高密度水泥浆体系的应用 固井水泥浆体系之七 水平井水泥浆体系 适用温度范围:55℃-80℃;   水泥浆失水量 ≤ 50ml;   水泥石抗压强度 ≥ 20MPa;   水泥浆在45°倾角下游离液为零; 浆体沉降稳定性好;水泥环上、中、下密度差 ≤0.05g/cm3; 具有良好的流变性能,流动度≥21cm。 水平井固井水泥浆体系 使用特点: 水平井固井水泥浆体系的以上特点,保证了水平井固井的主要功能:封隔注水泥井段;支撑和保护套管;射孔的中间介质;巩固不坚实砂层;控制地层压力。 水平井固井水泥浆体系的应用 在长庆油田塞平二井的固井中,固井施工24小时声幅验证, 固井质量优质。声幅合格井段占97.38%,优质井段占88.1%。 在新疆宝浪油田H3水平井技术套管和油层套管的固井中,注 水泥平均密度达到设计要求,碰压明显,经测井解释表明固 井质量均为优良。 可应用于开采低渗透油藏、水锥、气锥油藏、稠油油藏、裂缝性油藏、薄油层以及老油田的二次勘探和开发;可广泛应用于水平井、侧钻水平井、大斜度井、多底分支井的固井施工作业。 固井水泥浆体系之八 抗盐水泥浆体系 抗盐水泥浆体系的主要类型 R90 抗盐外加剂 BXF-1 系列抗盐外加剂 BXF-200L 抗盐水泥浆体系 抗盐水泥浆体系的技术特点 适用温度范围为:30 ~180℃; API失水量易控制小于100mL,可根据不同的井况选 用不同类型的降失水剂; 具有良好的流动性,不需任何加重材料,密度可以控 制在1.95~2.2g/cm3,必要时加重材料可以进一步提高 水泥浆密度; 适应各种水质,对Ca2+、Mg2+不敏感;可适用于淡水、 含盐、饱和盐水的制备。 可以根据具体情况选择不同的外加剂体系,任意调节 水泥浆的稠化时间。 最新特色技术 BXF-200L新型降失水剂 BXF-200L油井水泥降失水剂是我公司的最新产品,是一种密度为1.07g/cm3的浅黄色的多元共聚物,具有良好的耐温、抗污染、抗盐能力,与不同水质及水泥具有良好的相容性和通用性,利用两种外加剂就可满足30~180℃条件下的常规固井,自成功研发以来,已在塔里木、伊朗成功应用。 最新特色技术 BXF-200L新型降失水剂设计原理 在共聚物单体中引入磺酸盐基团和屏蔽基团,使合成的高分子共聚物具有抗高温、抗污染和抗饱和盐水的能力; 在共聚物中引入强吸附基团,使合成的高分子共聚物具有优异的降失水性能; 通过有效控制共聚物分子量的大小分布以及强水化基团的作用,使水泥浆具有良好的流变性能和稳定性能。 通过选择合理的配比及聚合工艺,使合成的高分子共聚物对水泥浆稠化时间和抗压强度无不良影响,具有广泛的通用性。 最新特色技术 BXF-200L水泥浆体系的技术特点 具有良好的抗温能力 BXF-200L具有很宽的温度使用范围,淡水水泥浆中适用温度为30~150℃,盐水水泥浆中适用温度30~180℃。 具有良好的抗污染能力 BXF-200L具有良好的抗污染能力,对不同品牌的水泥、水质、泥浆相容性良好。 具有良好的抗盐能力 BXF-200L具有良好的抗盐能力,在不同浓度的盐水及饱和盐水中水泥浆综合性能良好。 最新特色技术 BXF-200L水泥浆体系的技术特点 具有良好的流变性能 BXF-200L合理的分子量大小分布使水泥浆不仅具有良好的流变性能,而且水泥浆稳定,游离液少。 对稠化时间及抗压强度无不利影响 BXF-200L在使用温度范围内对稠化时间及抗压强度无不利影响,在低温下具有轻微的促凝作用,在较高温度下不会显著影响稠化时间。 具有很好的通用性,可用于多种水泥浆体系 BXF-200L具有很好的通用性,可设计用于多种水泥浆体系,水泥浆结构简单,水泥浆性能良好。 加量少,失水低 抗盐能力强 BXF-200L水泥浆体系的典型水泥浆稠化曲线 过渡时间短 BXF-200L水泥浆体系的典型静胶凝强度曲线 胶凝强度发展快 BXF-200L水泥浆体系的典型超声波抗压强度曲线 强度高 最新特色技术 BXF-200L水泥浆失水量随盐水浓度的变化规律 水泥浆密度:1.9g/cm3,实验温度:80℃ 失水量 图表5 34 30 38 48 28 失水量 盐(%) Sheet1 30 60 70 80 90 100 118 130 150 失水量 32 37 36 40 45 39 40 42 49 稠化时间 90 93 89 80 94 1.5 2 3 4

  5 失水量 75 60 45 32 20 稠化时间 81 90 93 97 94 Sheet1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 稠化时间 失水量 失水量 稠化时间 温度 不同温度对BXF-200L失水量和稠化时间的影响 Sheet2 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0 失水量 75 60 45 32 20 稠化时间 81 90 93 97 94 Sheet2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 稠化时间 失水量 失水量 稠化时间 掺量(%) BXF-200L掺量变化对水泥浆失水量与稠化时间的影响 Sheet4 海水 5 10 15 30 失水量 34 30 38 48 28 Sheet4 0 0 0 0 0 失水量 盐(%) 不同盐水浓度对掺BXF-200L水泥浆失水量和稠化时间的影响 Sheet3 1.55 2.0 2.3 失水量 30 44 42 稠化时间 380 365 269 Sheet3 0 0 0 0 0 0 稠化时间 失水量 失水量 稠化时间 密度 g/cm3 不同密度的BXF-200L对水泥浆失水量和稠化时间的影响 最新特色技术 BXF-200L水泥浆失水量随密度的变化规律 水泥浆密度:1.9g/cm3,实验温度:80℃ 稠化时间 失水量 图表6 30 380 44 365 42 269 失水量 稠化时间 密度 g/cm3 Sheet1 30 60 70 80 90 100 118 130 150 失水量 32 37 36 40 45 39 40 42 49 稠化时间 90 93 89 80 94 1.5 2 3 4 5 失水量 75 60 45 32 20 稠化时间 81 90 93 97 94 Sheet1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 稠化时间 失水量 失水量 稠化时间 温度 不同温度对BXF-200L失水量和稠化时间的影响 Sheet2 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0 失水量 75 60 45 32 20 稠化时间 81 90 93 97 94 Sheet2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 稠化时间 失水量 失水量 稠化时间 掺量(%) BXF-200L掺量变化对水泥浆失水量与稠化时间的影响 Sheet4 海水 5 10 15 30 失水量 34 30 38 48 28 Sheet4 0 0 0 0 0 失水量 盐(%) 不同盐水浓度对掺BXF-200L水泥浆失水量和稠化时间的影响 Sheet3 1.55 2.0 2.3 失水量 30 44 42 稠化时间 380 365 269 Sheet3 0 0 0 0 0 0 稠化时间 失水量 失水量 稠化时间 密度 g/cm3 不同密度的BXF-200L对水泥浆失水量和稠化时间的影响 最新特色技术 掺BXF-200L新型降失水剂的水泥浆综合性能 最新特色技术 BXF-200L水泥浆体系的性能特点 适用温度范围:30~180℃; 适用密度范围:1.2~2.6g/cm3; 适用水质:海水、矿化水、欠饱和盐水、饱和盐水; 适用于不同品牌的水泥; 在较低掺量下,API失水可控制到 50mL 以下; 水泥浆流变性能良好; 水泥浆稳定,游离液少; 对强度发展无不良影响,24h强度一般可达到18MPa以上; 稠化时间可调,稠化曲线基本为直角稠化; 掺量范围一般为3-8%BWOC。 最新特色技术 BXF-200L新型降失水剂的应用 BXF-200L新型降失水剂具有耐温,抗污染,抗盐,良好的相容性及通用性等特点,由该外加剂配制的水泥浆结构简单,适用范围广,是我公司目前的拳头产品之一。已在塔里木、辽河等油田中试成功;并成功应用于伊朗TABAK区块盐水层尾管固井。 抗盐水泥浆体系的应用 对于浓度较低的盐水层、泥页岩、蒙脱石、伊利石等黏土矿物地层以及高压盐水层、盐层、盐膏层、碱层等地层,为防止盐溶出造成的井眼扩大,井壁坍塌或形成微间隙而造成油气水窜,必须使用含盐水泥浆或饱和盐水泥浆。 目前,抗盐水泥浆体系已经在中原、长庆、青海、塔里木、辽河等油田得到广泛应用。特别是最新开发的新产品BXF-200L系列抗盐降失水剂已在多个国际招标井中使用,并已成功应用于伊朗TABAK区块盐水层尾管固井。 固井水泥浆体系之九 高温深井 水泥浆体系 高温深井固井水泥浆体系的主要类型 G60 深井固井水泥浆体系 BXF-1 深井固井水泥浆体系 BXF-200L 深井固井水泥浆体系 高温深井固井水泥浆体系 使用特点: 水泥浆适用于110~185 ℃ (BHCT) ; 初始流动度 ≥21cm,具有良好的施工性能; 失水量易控制,配套的降失水剂能有效控制失水; 游离液含量低,一般小于1.5ml; 体系缓凝剂随掺量和温度变化线性关系好,水泥浆的可泵 时间可根据工程要求任意进行调节; 抗压强度(BHST,21MPa,24h)≥14.0MPa。 高温深井的井眼条件和套管程序复杂,深井固井作业不仅受到井深、井底温度高、环空间隙窄、高压地层和腐蚀性流体等条件的制约,还应满足欠平衡钻井、大位移水平井等技术特点。近几年来,各类高温深井固井水泥浆体系已在大港、新疆、辽河、青海、江苏等多个油田成功固井上百口,包括尾管固井、技套固井、套管固井,应用平均井深 4500余米,最大井深6200米,最长封固段2900米,最高温度(BHCT)达175℃,地层情况既有高压又有低压,还有欠平衡钻井的配套固井。 高温深井固井水泥浆体系的应用 固井水泥浆体系之十 泥浆转化为水泥浆技术 多功能钻井液技术 不同固井技术的界面胶结 泥浆转化为水泥浆技术 多功能钻井液技术 为有效解决固井二界面胶结强度低的难题,将钻井泥浆转化为固井水泥浆,既有效利用钻井废泥浆,简化固井工艺,又具有经济和环保意义,已大量推广,并成功应用于我国各油田数百口井的固井。 稠化时间可调,适用温度范围35 ℃~ 235 ℃; 使用密度范围为:1.2 ~ 2.4g/cm3; 流动性能好,触变性较强; 抗压强度满足各种注水泥要求; 耐高温、抗腐蚀性能好于油井水泥; 渗透率低于同等密度的油井水泥浆; 沉降稳定性好,无游离液; 与泥浆的相容性好。 MTC技术的技术特点 聚合物不分散泥浆 胺盐聚合物泥浆 正电胶泥浆 聚合物分散泥浆 三钾聚合物泥浆 三磺泥浆 部分混油泥浆 饱和盐水水泥浆 已成功转化的泥浆体系 长庆油田 400余井次,油层套管非目的层固井390余井次,封固目 的层9井次,采用井场设备进行堵漏注水泥作业1井次; 滇黔桂油田 4井次,油层套管(热采井); 辽河油田 2井次,表层套管1井次,技术套管1井次; 大港油田 2井次,技术套管固井; 胜利油田 2井次,技术套管; 胜利油田 4井次,全部为油层套管,其中非目的层1井次; 地矿部 1井次,技术套管,采用井场设备直接进行固井; 河南油田 3井次,油层套管目的层固井; 河南油田 1井次,技术套管固井; 35井次,油层套管固井5井次,用泥浆泵固井12井次。 MTC技术的应用 选择水泥外加剂和设计水泥浆体系应注意的几个问题 根据井况和地层特点选择水泥和外加剂 地层温度 (封固段底部及顶部) 泥浆密度 (完钻时的泥浆密度) 地层性质 (盐岩层、水敏性地层、易漏层等) 井身结构 (斜井、水平井等) 根据主要的外加剂选择配套的水泥浆体系 外加剂与水泥的配伍性 外加剂与配浆水的配伍性 主要外加剂与其他外加剂的配伍性 水泥浆体系在适用范围内的可调性 水泥浆性能的评价 除了流动性、稠化时间、抗压强度、失水量外, 要注重水泥浆的综合性能(稳定性、水泥环顶部强度) 要注意水泥浆在许可的密度差内性能的变化 要注意水泥浆在许可的温度差内性能的变化 要注重水泥石在井下条件的长期稳定性 要注重水泥浆与泥浆、隔离液的相容性 要注重水泥浆与施工设备、工艺的系统配套!

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