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1、油井水泥及外掺料物理改性技术进展与展望,报告内容,一、前言 二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法 三、认识与展望,一、前言,1.固井面临的地质条件更加复杂、固井难度不断增加 井深不断增加，带来高温、长封固段、小间隙等技术难题 复杂压力体系固井，窄密度安全窗口，压稳防漏固井矛盾突出 水平井、复杂结构井数量不断增加 CO2、H2S等腐蚀性地层对水泥环腐蚀 两高（高温、高压）、两低（低温、低压）固井环境 对固井质量要求愈来愈高（分段压裂、薄互层开发等）,一、前言,2.油井水泥外加剂技术发展迅速，但是难以克服油井水泥固有的缺陷 固井油井水泥外加剂已经发展了11大类（降失水剂、分散剂、缓凝剂、早强剂、
2、促凝剂、防气窜剂、减轻剂、加重剂、膨胀剂、高温强度稳定剂、前置液） 油井水泥外加剂用量已经占到油田钻井化学剂用量的38% 已经成为提高固井质量、保护油气层的重要手段 油井水泥由于受粒径、内部矿物成分等的固有特性的影响，其中熟料在高温下强度衰减严重且韧性较差，水泥浆混配过程中存在不均匀等因素影响，水泥石还存在着渗透率高、体积收缩、脆性等难以克服的缺陷,一、前言,3.物理改性技术 物理改性是指在水泥浆中通过对粒度分布进行调控、脉冲振动或对颗粒形状进行整形处理，达到利用物理方法（非化学方法）对水泥浆/水泥石进行改性的技术方法 在建材、橡胶、高分子等行业已经得到广泛应用 通过对油井水泥及外加剂、配浆水
3、和水泥浆进行一定的物理改性处理，可以提高油井水泥自身的活性，改善水泥石微观结构，提高水泥石的强度和各项力学特性，提高水泥石胶结质量等,报告内容,一、前言 二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法 三、认识与展望,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,1.采用颗粒级配设计水泥浆,颗粒级配设计原理: 优化水泥与充填材料之间的粒度分布，使材料之间的堆积比例达到最大。 有助于提高水泥石的强度、体系稳定性等综合性能。,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,单一颗粒堆积,等径球体有规则排列的配位数与孔隙率,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,异径球体级配,异径球体的级配与配位数相关,多组分球体的堆积
4、特征,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,CemCRETE技术：高密度水泥浆DensCrete和低密度水泥浆LiteCrete设计技术，基于颗粒级配原理。 LiteCrete水泥浆体系：水泥浆密度最低1.20g/cm3,其24Hr抗压强度大于14MPa,水泥石的渗透率和孔隙度明显小于常规水泥浆。 DensCrete水泥浆体系：2.04-2.9g/cm3的高密度水泥浆，其抗压强度通常可达到35MPa以上，水泥浆流动性好。,斯伦贝谢Cemcrete技术,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,中国石化工程院超高密度水泥浆技术,通过粒度分析，将3级粒度加重材料按一定比例与水泥混合，用激光粒度仪分
5、析粒度分布，与理论计算之对比，可以看出拟合效果比较好,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,在官深1井的现场应用,2950m嘉陵江组超高压盐水层,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,水泥浆600转读数低于300,官深1井现场水泥浆性能,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,2.70稠化曲线,2.80稠化曲线,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,官深1井现场施工情况,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,固井质量 重叠段及嘉二段水层封固质量较好，下部较差。全井封固段固井质量声幅值合格率60.8%；优质率
6、达35% 套管鞋固井质量较好,2.油井水泥及外掺料分级处理技术,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,技术原理：针对水泥及粉煤灰超细粉对水泥浆体系的影响，采用分级的办法，在不破坏物料形状的情况下，将固体材料通过一定的分级工艺分成窄粒级的水泥和粉煤灰，通过优化颗粒级配，实现提高水泥石的强度以及降低渗透率的目的。,分级前原料,分级后样品,分级机结构示意图 典型的超细分级系统,分级处理的工艺流程,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,水泥及粉煤灰分级工艺、参数优化及调控出不同产品的粒级与得率。,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,原料 D1样品,D2样品 D3样品 D4样品,二、油井水泥及外
7、掺料物理改性途径与方法,粉煤灰分级,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,水泥原料 D2,B2 F1,油井水泥分级,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,粉煤灰分级前原料,粉煤灰分级后样品,水泥分级前原料,水泥分级后样品,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,95分级水泥样品的抗压强度,160高温下分级水泥样品的抗压强度,单粒级水泥石抗压强度：95，F1=27.88MPa， 160 ， B2、F1的抗压强度较高，分别为44.34、37.51MPa,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,95 ，F1水泥与D4粉煤灰粒度叠加图,160， JHG水泥与D4粉煤灰粒度叠加图,二、油井水泥及外掺
8、料物理改性途径与方法,分级水泥与粉煤灰组合体系的抗压强度试验,100:30抗压强度,100:80抗压强度,水泥F1与粉煤灰D1水泥浆体的抗压强度为32.3MPa，提高了35.32%。 水泥原料与粉煤灰D4低密度水泥浆体的抗压强度为16.64MPa，提高了95.31%。,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,油井水泥整形技术,整形前,整形后,3.球形化处理技术,球形化有利于减小粉体间的摩擦力,航空、航天工业、微电子工业,精细化工、特制陶瓷、日化用品等,石油行业：钻井液、水泥浆,球形化的材料，更利于实现颗粒级配,有稳定的比表面积，对粉体较为均匀,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,二、油井水
9、泥及外掺料物理改性途径与方法,粉体球形化 处 理 技 术,机械整形机处理技术：借助球磨机等设备，物料相互之间产生自磨，磨掉部分棱角。,高温整形技术：高温热熔，在表面张力的作用下迅速自动流平，形成球形。,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,粒径：亚微米超细胶质颗粒 平均颗粒粒径小于0.4m 比表面积： 约24 m2/g 比重： 4.8g/cm3 形状：球形 应用：钻井液、水泥浆加重剂,国外代表性产品：微锰Micromax,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,优点： 控制水泥浆自由液为零、降低滤失量、低粘度、高早期强度、高后期强度、提高胶结质量、提高水泥浆稳定性和耐腐蚀。,国外代表性产品：
10、液硅Microblock,5m锰矿处理后,5m锰矿原样,15m锰矿处理后,15m锰矿原样,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,5m铁矿原样,5m铁矿处理后,15m铁矿处理后,15m铁矿原样,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,4.脉冲振动固井技术,水泥浆保持运动状态,减缓水泥浆失重，实现压稳,改善水泥石界面胶结质量,防止通过界面气窜,增加水泥石密实性,防止通过基体气窜,技术原理：在固井注水泥、侯凝等过程中，通过机械或者液压的方式对水泥浆（含钻井液）实施振动，达到提高固井质量的目的。,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,脉冲振动对水泥抗压强度的
11、影响分析,对常规水泥浆抗压强度的影响,对低失水水泥浆抗压强度的影响,显著提高了水泥石的抗压强度，有利于提高固井质量 低失水水泥浆平均为10.1%，常规水泥浆为14.3%,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,脉冲振动对水泥胶结强度的影响分析,对常规水泥浆胶结强度的影响,对低失水水泥浆胶结强度的影响,显著提高了水泥石的胶结强度，有利于提高两界面的胶结质量 低失水水泥浆平均为11.4%，常规水泥浆为22%,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,脉冲振动对水泥胶结时间的影响分析,显著缩短了水泥浆初凝和初终凝过渡时间 初凝时间：低失水水泥浆平均缩短3.2%、常规水泥浆为2.6% 初终凝过渡时间：低
12、失水水泥浆平均为12%、常规水泥浆为21%,对常规水泥浆初终凝过渡时间的影响,对低失水水泥浆初终凝过渡时间的影响,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,振动频率和振幅的影响分析,脉冲振动对水泥浆性能具有明显作用，但是频率对水泥浆主要性能的作用效果变化无明显的变化规律,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,5.包覆处理技术,技术原理：采用微硅超细材料在颗粒表面包覆技术，在橡胶颗粒表面通过有序化包覆，改善了橡胶颗粒的表面活性，降低了与水泥浆的密度差，在浆体内能够有序分散，提高浆体的稳定性和橡胶颗粒与水泥石的胶结性。,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,包覆工艺系统： 1、混合机 2、计量
13、3、PCS主机 4、收集装置 5、控制系统,微纳米颗粒复合示意图,核壳复合颗粒,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,硅灰包覆量为5%时的复合橡胶粒,硅灰包覆量为10%时的复合橡胶粒,硅灰含量为10%时，与5%相比，颗粒表面粘附大量硅灰，包覆层厚度增大。当硅灰含量为10%时，外观颜色发灰，而硅灰含量为5%时，颜色发黑。,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,高速搅拌后未养护包覆样品 高速搅拌95养护后包覆样品,不论是养护还是未养护，表面包覆的纳米硅灰均不会脱落。,二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法,复合橡胶颗粒水泥体系综合力学性能,加入6%的复合橡胶颗粒（表面纳米硅灰包覆量为5%）对水
14、泥石韧性有一定的改善，水泥石的弹性模量降低了20%以上。,报告内容,一、前言 二、油井水泥及外掺料物理改性途径与方法 三、认识与展望,三、认识与展望,物理改性从表面上看是物理/机械作用，但实质上是既有物理作用，也有化学作用（如在机械力的强烈撞击和摩擦作用下，固体颗粒不仅产生尺寸变小的粉碎效果，而且破裂的本质是晶格结构的破裂和化学键的断裂；脉冲振动可以促进水化的速度等） 通过物理方法对油井水泥浆/水泥石进行改性是可行的，甚至可以起到许多化学改性无法达到的效果 采用物理改性和化学改性相结合的方式，是今后解决复杂地层固井技术难题的重要方向之一，物理改性技术有望在今后一段时间得到快速发展，具有广阔的应用前景,敬请指导！,
