纳米材料PC—GS13L在固井水泥浆中防气窜性能研究与应用

固井水泥浆防气窜性能评价方法研究的开题报告1. 研究背景固井水泥浆是油气井固井施工中的关键材料之一，其重要作用是固定套管和保护地层。

固井水泥浆在固井过程中会受到各种力学、化学和环境因素的影响，其中之一就是气窜现象。

气窜是指固井水泥浆在充填套管过程中，由于压力和密度不足以抵抗地层内高压气体的作用，导致固井水泥浆中出现气体通道，从而影响固井效果。

因此，固井水泥浆的防气窜性能是评价固井质量的重要指标之一。

2. 研究目的本文旨在研究固井水泥浆防气窜性能评价方法，包括实验室模拟和场地试验两种方法，从而提高固井水泥浆的施工质量和效果。

3. 研究内容本研究的主要内容包括：（1）固井水泥浆防气窜性能的定义和测量指标：分析气窜现象的原因和影响因素，确定固井水泥浆的防气窜性能测量指标和方法。

（2）实验室模拟方法：建立固井水泥浆防气窜性能测试的实验方法和条件，并进行实验数据处理和分析。

（3）场地试验方法：根据实际固井施工需要，设计相应场地试验方案，并进行数据采集和分析。

（4）结果分析与讨论：综合实验室模拟和场地试验数据，分析固井水泥浆防气窜性能的影响因素，提出优化措施和建议，提高固井质量和效果。

4. 研究意义本研究将为固井水泥浆防气窜性能的评价方法提供新思路和理论基础，为固井施工质量的提高和保障地层环境的安全提供技术支持和指导，具有重要的应用和推广价值。

5. 研究方法本研究采用实验室模拟和场地试验相结合的方法，对固井水泥浆的防气窜性能进行评价。

实验室模拟方法主要包括密度、压力、温度等因素的控制和气窜现象的模拟；场地试验方法则针对实际固井施工情况，通过固井水泥浆的注入和现场观察等手段，评估其防气窜性能。

最后，综合实验室模拟和场地试验结果，进行数据分析和讨论。

6. 预期成果预期成果包括固井水泥浆防气窜性能评价方法的建立和完善，以及在实验室和场地试验中所得到的数据和结果，为固井施工质量的提高和环境保护提供技术支持和指导。

河南科技Henan Science and Technology矿业与水利工程总第872期第1期2024年1月收稿日期：2023-06-12作者简介：于培刚（1977—），男，本科，工程师，研究方向：固井防窜水泥浆体系的研发与应用。

不同固井水泥浆体系防气窜能力研究于培刚 侯海欧（中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，天津 300459）摘 要：【目的】为了研究常用的几种水泥浆体系防气窜性能，并建立科学的评价方法，同时指导施工现场进行水泥浆体系配方的调整。

【方法】在对固井水泥浆发生气窜机理研究的基础上，采用自制的水泥浆防气窜评价设备，建立水泥浆防气窜能力评价方法，测试并研究不同水泥浆体系的防气窜性能。

【结果】结果表明，高水灰比不利于水泥浆防窜，防窜材料能够明显提升水泥浆防窜能力。

【结论】研究得出，后期水泥浆防窜能力研究应聚焦在高压下模拟水泥浆气窜效果及弹性颗粒材料等方面。

关键词：固井水泥浆；防气窜能力；评价方法；压力组合中图分类号：TE256 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）01-0033-06DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2024.01.007Study on the Gas Channeling Prevention Ability of Different CementingSlurry SystemsYU Peigang HOU Haiou（Oilfield Chemical Business Department of China Oilfield Services Co., Ltd., Tianjin 300459,China ）Abstract: [Purposes ] This paper aims to clarify the anti-gas channeling performance of several com⁃monly used cement slurry systems, establish scientific evaluation methods, and guide the adjustment of cement slurry system formulations on construction sites. [Methods ] On the basis of studying the mecha⁃nism of gas channeling in cementing cement slurry, the author used a self-made evaluation equipment for gas channeling prevention of cement slurry, established an evaluation method for the gas channeling prevention ability of cement slurry, and tested and clarified the gas channeling prevention performance of different cement slurry systems.[Findings ] The results show that high water-cement ratio is not condu⁃cive to channeling prevention of cement slurry, but channeling prevention materials can significantly im⁃prove the channeling prevention ability of cement slurry. [Conclusions ] The research concludes that theanti channeling effect of cement slurry in the later stage should be focused on simulating the gas channel⁃ing effect of cement slurry under high pressure and studying elastic particle materials.Keywords:cementing slurry; anti-gas channeling ability; evaluation method; pressure combination0 引言油气井固井施工结束后，由于环空静液柱压力与地层间的压力平衡会随着水泥浆的水化过程产生变化，导致地层中的流体进入环空，这种现象称为流体窜流。

纳米材料提高水基钻井液页岩稳定性研究进展
孙金声;李贺;吕开河;黄贤斌;杨峥
【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(48)2
【摘要】维持井壁稳定一直是油气钻探过程中的技术难题。

由于页岩微纳米孔缝与层理发育、水敏性高,井壁失稳问题在页岩层尤为突出。

提高钻井液的性能是减少井壁失稳的重要途径。

纳米材料因其独特的尺度和性质,可作为水基钻井液添加剂以提高页岩的稳定性。

通过对国内外技术的跟踪与分析,阐述纳米材料提高页岩稳定性的评价方法、纳米材料类型及其作用机制。

开展纳米材料在非均质地层的基础理论研究,开发在高温高压及高盐环境下稳定有效的新型纳米材料,建立纳米材料提高页岩稳定性的微观评价方法,是纳米材料的重要发展方向。

【总页数】9页(P74-82)
【作者】孙金声;李贺;吕开河;黄贤斌;杨峥
【作者单位】中国石油大学(华东)石油工程学院;中国石油集团工程技术研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TE254
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智者论道智库时代·260·随着纳米材料生产技术的进步，纳米技术已经在石油工程中广泛应用于勘探、钻井、采油和油藏多个领域。

如今人们越来越多地采用纳米技术来改善油井固井过程。

传统的水泥基材料是天然的，脆性好，但抗拉强度低，体积收缩率低。

影响井下作业环境的因素会带来成本昂贵、重复作业、产能减少、环境污染等问题，甚至导致油井产量的损失。

为了提高固井工艺，本文介绍了一种基于纳米乳液技术的纳米隔离剂，该隔离剂可以提高驱替效率，更好地去除水泥，改变润湿性，提升套管与地层间的附着力。

一、影响层间隔离的因素影响层间隔离的潜在失效组分可分为三组：地层-水泥脱粘(外环)、套管-水泥脱粘(内环)和水泥环本身的失效。

地层-水泥脱胶，可由体积收缩、泥浆清除不彻底、地层与水泥环之间的刚度差异和或套管内的温度和压力变化引起。

由于套管内部的刚度差异和或压力和温度波动，可能会形成套管水泥脱粘。

水泥环本身的破坏可由压力和温度的波动以及体积收缩引起的拉伸破坏或循环荷载、地层压力、地层沉降和移动，也可能导致剪切破坏，水泥套管不能正常工作的主要原因是抗拉性能过低和体积不稳定性。

二、影响拉伸性能的因素（一）纳米粒子具有高表面积/体积比的纳米颗粒可作为促进水泥水化添加剂的核心。

作为增强材料，必须使微观结构致密，从而降低孔隙。

对于所有纳米颗粒，最重要的问题是实现均匀分散，关键影响因素如浓度、基质黏度和吸引力。

添加5%和3%的纳米SiO2和5%的TiO2可降低混凝土的抗弯强度。

（二）柔性粒子柔性颗粒被用来提高水泥基体系的柔韧性。

可用于水泥系统柔性颗粒的特性包括：（1）粒径500μm；（2）密度小于1500kg/m 3；（3）杨氏模量<5GPa，优选<2Gpa；（4）0.3<泊松比<0.45。

多种聚合物材料符合上述性能标准，例如聚酰胺、聚丙烯和聚乙烯、苯乙烯-二乙烯基苯或苯乙烯-丁二烯等热塑性塑料，但上述聚合物材料不适合高温应用，因为在高温下熔化或变质。

摘要固井后水泥浆环空发生气窜是当前固井工艺技术存在的三大技术问题之一。

至今仍是国内外固井界未能很好解决的问题。

据估计，大约25%的完井过程中存在着气窜。

固井后环空发生气窜将损坏储层，影响油井自然产能，对油气田开发后续作业造成不利影响，即使采用挤水泥等补救工艺也很难奏效，严重时将导致油气井报废，浪费资源。

自上世纪60年代以来，国内外对固井后环空气窜机理、预测方法及防气窜技术方法进行了大量的系统研究，设想客观、准确评价水泥浆的防气窜能力，但还未能从根本上解决固井后环空气窜技术问题，因此气窜的有关成因及防窜措施值得进一步研究和探索。

本文试图分析油井水泥浆发生气窜的原因，进一步主要了解国内外固井水泥浆防气窜性能评价方法以及它的计算式，深入了解美国千德乐公司开发的5265型静胶凝强度分析仪的工作原理，通过此仪器的一个常规水泥浆试验案例来了解一般水泥浆体系的静胶凝强度发展规律，结果表明，温度、压力、稠化时间在水泥浆静胶凝强度的发展过程中的影响比较明显，而水泥浆的失水量和密度对于水泥浆静胶凝强度的发展的影响作用并不是非常的明显。

之后在实例数据的基础之上，利用数理统计的方法，建立了水泥浆静胶凝强度的计算模型，为了方便计算水泥浆静胶凝强度，并将其应用于气窜的预测，最后本文结合了水泥浆有效液柱压力计算方法和水泥浆气侵阻力计算方法，从决定气窜发生与否的压力平衡关系出发，设计了水泥浆静胶凝强度预测以及防气窜评价程序，为以后油气井防气窜工作提供科学的依据，从而提高油气田开发的经济效益。

关键词：气窜，静胶凝强度，水泥浆失重，评价方法，固井质量AbstractAfter cementing cement annulus gas channeling is one of the three major technical problems of current cementing technology,and this problem is still not well resolved at home and abroad .According to estimates, there are gas channeling in the completion process of about 25%. The annular gas channeling after cementing will damage the reservoir, influence natural productivity of oil wells; and adverse impact on oil and gas field development and subsequent operations; even if the use of cement squeeze, remedial process is also very difficult, which will lead to waste of resources ,even if abandon of oil well.Since 60's n last century, domestic and foreign do a lot of system study to the annular channeling of cementing mechanism, forecasting and preventing gas channeling techniques , How to evaluate the gas-channeling prevention performance of cement slurry objectively and accurately,it is still a question can not resolved perfectly for the cement industry at home and abroad , therefore the causes and channeling prevention measures is worthy of further study and exploration.This paper tries to analyze the reason of oil well cement slurry gas channeling, To further understand the cement slurry anti-gas channeling performance evaluation methods and its calculation method.Mainly from the conventional cement slurry static analysis method of gel experiment，The results show that the influence of temperature, pressure, the development process, the thickening time of static gel strength in cement slurry are obviously.The effect of cement slurry filtration rate and density effects on the development of static gel strength of cement slurry is not very obvious,Then on the basis of the experimental data, using the methods of mathematical statistics, established the calculation model of static gel strength of cement paste.In order to facilitate the calculation of cement slurry gel strength, it was applied to predict the gas channeling.This paper combines the cement slurry effective fluid column pressure calculation method and cement slurry gas cutting resistance, from the gas migration balance relationship of cement slurry, the static gel strength prediction and gas channeling evaluation procedure for oil and gas wells, gaschanneling prevention work provided scientific basis, so as to improve the development of oil and gas fields economic benefit.Key words：Gas channeling，Slurry Weight Loss，Static gel strength，Evaluation method，Cementing quality目录1 前言 (1)1.1 研究气窜的目的及意义 (1)1.2 气窜研究历程以及国内外研究进展 (1)1.3 国内固井水泥浆防气窜技术与国外的差距 (3)1.4 本文的主要工作 (4)1.5 本文的主要思想 (5)2 水泥浆防气窜性能评价方法 (6)2.1 气窜的途径 (6)2.2 气窜的机理分析 (6)2.3 防气窜性能评价方法 (9)2.3.1 平衡压力法 (9)2.3.2 气窜潜力系数法(GFP) (10)2.3.3 水泥浆性能系数法（SPN） (11)2.3.4 修正的水泥浆性能系数法(SPNx) (12)2.3.5 水泥浆性能响应系数法（SRN） (13)2.3.6 胶凝失水系数法（GELFL） (14)2.3.7 综合因子法(CCGM) (14)2.3.8 阻力系数法 (16)2.4 防气窜评价方法存在的问题 (17)2.5 本章小结 (18)3 水泥浆防气窜性能评价实验模型 (19)3.1 水泥浆静胶凝强度的概念 (19)3.2 水泥浆静胶凝强度理论 (20)3.3 静胶凝强度测量装置及原理 (20)3.3.1 静凝胶强度测量装置 (20)3.3.2 静凝胶强度测量装置工作原理 (22)3.4 实验模型案例 (22)3.4.1 常规水泥浆的配方 (23)3.4.2 温度对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响 (23)3.4.3 压力对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响 (24)3.4.4 稠化时间对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响 (26)3.4.5 失水量对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响 (27)3.4.6 密度对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响 (29)3.5 本章小结 (31)4 水泥浆防气窜性能评价数值模型 (32)4.1 多元线性回归模型 (32)4.2 影响因素相关性评判方法 (33)4.3 影响因素综合分析案例 (35)4.3.1 常规水泥浆直线段的数据回归 (35)4.3.2 常规水泥浆曲线段的数据回归 (37)4.3.3 建立的静凝胶强度的的数值模型 (40)4.4 数值模型的验证 (41)4.5 本章小结 (42)5 设计气窜评价软件模型 (43)5.1 设计模型的功能简介 (43)5.2 设计模型的数值计算式 (43)5.2.1 评价气窜的力学平衡方程式及其导出式 (43)5.2.2 常规水泥浆静胶凝强度的数学模型 (45)5.3 设计模型的思路 (46)5.4 设计模型的使用说明 (46)5.4.1 输出结果分析 (46)5.4.2 气窜评价模型流程图 (47)5.4.3 界面设计 (48)5.5 本章小结 (50)6 结论及建议 (51)参考文献 (54)1前言1.1研究气窜的目的及意义固井后环空气窜是指在注水泥结束后,在水泥浆由液态转化为固态过程中,水泥浆难以保持对气层的压力或由于水泥浆窜槽等原因造成胶结质量不好,气层气体窜入水泥石基体,或进入水泥与套管或水泥与井壁之间的间隙中造成层间互窜甚至窜入井口。

纳米材料在油气井水泥浆中的应用研究进展摘要：在油井水泥浆中添入纳米材料，可显著提高水泥石强度，让油气井的固井质量得到保证。

基于此，本文将着重介绍纳米材料在油气井领域的应用现状和发展趋势。

关键词：纳米材料；油气井水泥浆；应用现状；发展趋势在钻井作业过程中，油井固井至关重要，因为随着能源的不断枯竭，我国油气资源的开采难度也在不断提高，为了提高油气井的产出安全性，就要求油气井必须具备良好的固井质量。

随着纳米技术的不断成熟和进步，纳米材料开始在油气井领域扮演着重要角色，常见的纳米材料有纳米氧化铁、纳米二氧化硅、改性纳米管、纳米粘土等。

但是现如今，我国纳米材料在固井领域的应用和研究尚处于起步发展阶段，需要技术人员在此方向和领域进行深入研究和探讨。

一、纳米材料在油井水泥浆中的应用现状（一）纳米二氧化硅在高温条件下，纳米二氧化硅可以显著提高乳胶水泥浆的稳定性，因为纳米无机材料可以对乳胶颗粒进行均匀包裹，并在颗粒物表面形成一层保护膜，在保护膜的作用下，乳胶颗粒发生胶结的概率较低。

除此之外，纳米无机材料也可以对水泥的水化产生一定影响，并可有效减少水化产物中的硅酸钙凝胶和氢氧化钙含量，如此一来，乳胶体系中的钙离子就会相应减少，钙离子所带来的影响就会降低，这可显著提高乳胶体系的稳定性。

将纳米硅乳液与乳胶按一定比例调配，得到一种新型的纳米液硅防气窜水泥浆体系，在该水泥浆体系中，纳米二氧化硅表面的大量羟基，会与氢氧化钙发生反应，并生成水化碳酸钙，该物质具有较高活性，同时也可使得水泥浆的胶凝强度为进一步提高。

该水泥浆体系形成的水泥石具有胶结强度高、稳定性好、抗冲击能力强等特点，能有效应对井区静止温度高、气层活跃等问题。

通过实践应用，极大程度的解决元坝、彭州区块超深油气井固井难题。

（二）改性碳纳米管在油气井领域，碳纳米管类似于纤维，作为一种纳米级的纤维，可让水泥石中存在的细微裂缝得到有效填充，这可显著提高水泥石的韧性和抗拉强度。

固井水泥纳米复合结构与性能研究发布时间：2022-10-08T03:19:56.778Z 来源：《新型城镇化》2022年19期作者：邓子波杨洪雷[导读] 纳米材料自身具有优异的理化特性，被誉为“21世纪最有前途的新型材料”。

中石化胜利石油工程公司固井技术服务中心山东省东营市 257064摘要：纳米材料自身具有优异的理化特性，被誉为“21世纪最有前途的新型材料”。

本文从现有纳米材料中筛选确定纳米SiO2为研究对象，探究水泥浆中纳米材料分散方式、分散行为及掺加量，对固井水泥综合性能的影响与作用机理。

研究表明，固井水泥中掺加纳米材料可显著提高其强度及耐久性。

在聚合物工业中，环氧树脂应用广泛。

然而，由于环氧树脂本身的脆性和抗裂性较差，添加微橡胶颗粒（MR）是提高环氧树脂性能的常用方法，但增强韧性的同时也会导致拉伸性能的显著损失。

纳米橡胶颗粒（NR）的应用，增加了热阻以及增韧效果，并保持了拉伸性能[4-6]。

研究了纳米橡胶颗粒（NR）在油井水泥系统中应用的可行性。

结果还表明，该材料在井况下具有良好的性能，对水泥体系高温高压下的抗拉强度有一定的正向影响。

关键词：固井水泥；收缩；拉伸性能；弹性；纳米橡胶纳米材料具有粒径小、表面能大、比表面积大的特点，将其添加到油井水泥中制备成性能优异的固井水泥浆是国内外研究的热点。

介绍了纳米材料在油井水泥中的作用，包括促进水泥水化、改善油井水泥石力学性能、降低水泥石渗透率和孔隙度、提高水泥石耐温性、提高浆体稳定性等；并对目前在油井水泥中应用的纳米碳材料、纳米矿粉、纳米金属氧化物三类纳米材料进行了详细分析，对油井水泥性能的双重影响及应用成本方面进一步探索和研究。

1 试验部分1.1 主要原料羧基丙烯腈丁二烯橡胶NarpowVP-501（NR），中国石化北京化工研究院；APIG级油井水泥，四川嘉华水泥制造有限公司；硅粉SSA-1（Sf），美国哈利伯顿公司；膨润土、缓凝剂HR-25、消泡剂NF6，成都川锋化学工程有限责任公司；分散剂CFR-8L，河南卫辉市化工有限公司。

超高温超高密度防气窜水泥浆超高温超高密度防气窜水泥浆的论文摘要：本研究旨在研究超高温超高密度防气窜水泥浆，通过实验研究，发现添加含钨钨矿渣、高温膨胀剂、抗氧化剂等多种添加剂对水泥浆密度、流变性能和抗气窜性能具有较好的改良效果，进一步提高了水泥浆在高温、高压环境下的防气窜能力。

关键词：超高温、超高密度、防气窜、水泥浆、添加剂1. 研究背景随着油气勘探工作的持续进行，钻井工程也面临着更高的温度、压力、含气量等条件，给水泥固井工作带来了更高的要求。

其中防止气窜是很关键的一点，因为气窜时间长、难以控制，使水泥固井工作效果大打折扣。

因此，我们需要在水泥浆中加入添加剂，以提高水泥固井工程的成功率。

2. 实验方法2.1 实验材料我们采用的水泥是OPC42.5R水泥，添加剂包括钨钨矿渣、高温膨胀剂、抗氧化剂等。

2.2 实验步骤（1）粉末配比将水泥、添加剂进行粉末混合，按照不同比例配比。

（2）反应器实验将混合后的粉末加入水中，在反应器中进行搅拌反应，进行流变性能测试。

（3）温度升降通过控制反应器的加热、降温，模拟钻井过程中的温度变化，观察添加剂对水泥浆的影响。

（4）抗气窜性能测试通过气压控制装置对水泥浆进行气窜测试，观察添加剂对水泥浆防气窜性能的影响。

3. 结果及分析3.1 简要实验结果实验结果表明，添加含钨钨矿渣、高温膨胀剂、抗氧化剂等多种添加剂对水泥浆密度、流变性能和抗气窜性能具有较好的改良效果，能够有效提高水泥浆在高温、高压环境下的防气窜能力。

3.2 实验分析3.2.1 含钨钨矿渣含钨钨矿渣中含有较高的WO3含量，可以增加水泥浆的密度。

此外，钨钨矿渣中含有的钼、铅等元素也有助于加强水泥浆的抗压强度。

实验结果表明，当钨钨矿渣中添加量为7%时，能够有效提高水泥浆的密度和流变性能。

3.2.2 高温膨胀剂高温膨胀剂的添加可以提高水泥浆的收缩性能，改善水泥浆的流变性能，从而提高水泥浆的防气窜能力。

实验结果表明，当高温膨胀剂添加量为2%时，能够有效提高水泥浆的抗气窜性能。