留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

华北储气库韧性水泥浆及增韧机理

李立昌 曹洪昌 高阳 刘景丽 马骏 黄建 刘俊华 孙文昭

李立昌,曹洪昌,高阳,等. 华北储气库韧性水泥浆及增韧机理[J]. 钻井液与完井液,2025,42(2):239-246 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2025.02.012
引用本文: 李立昌,曹洪昌,高阳,等. 华北储气库韧性水泥浆及增韧机理[J]. 钻井液与完井液,2025,42(2):239-246 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2025.02.012
LI Lichang, CAO Hongchang, GAO Yang, et al.The toughening mechanisms of tough cement slurries for the underground gas storage in north China[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2025, 42(2):239-246 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2025.02.012
Citation: LI Lichang, CAO Hongchang, GAO Yang, et al.The toughening mechanisms of tough cement slurries for the underground gas storage in north China[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2025, 42(2):239-246 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2025.02.012

华北储气库韧性水泥浆及增韧机理

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2025.02.012
基金项目: 中国石油集团公司项目“高温高压固井与测试完井技术集成配套与应用”(2023ZZ20)。
详细信息
    作者简介:

    李立昌,正高级工程师,享受国务院政府特殊津贴专家,主要从事钻井技术及油田化学品研究。电话 (0317)2724776

  • 中图分类号: TE256

The Toughening Mechanisms of Tough Cement Slurries for the Underground Gas Storage in North China

  • 摘要: 储气库作为中国“能源保供”的重点工程,具备季节调峰、事故应急及国家能源战略储备三大功能。华北储气库普遍具有地质条件复杂、埋藏深、井底温度高、密度窗口窄、漏失风险大、一次封固段长、井筒长期密封完整性要求高等固井难点,普通的水泥浆难以满足该条件下的固井要求。通过大量实验研究出一种多功能活性增韧材料HFOC,探究了加入HFOC的韧性水泥浆的综合性能及其增韧机理,形成一套适用于储气库固井的韧性水泥浆体系,并优化了预应力固井等工艺技术。结果表明,韧性水泥浆体系密度范围为1.88~1.92 g/cm3,稠化时间可调,直角稠化,沉降密度差为0,游离液为0,API失水量不大于50 mL,7 d弹性模量小于6.48 GPa,80℃、24 h抗压强度大于14 MPa。从物理和化学两方面探索了韧性水泥浆的增韧机理,水泥成分中铁铝酸四钙对水泥石的韧性和力学性能有积极影响,铁铝酸四钙含量的增加可以更好地防止微裂纹扩展,提高水泥环的密封完整性。该项技术成功应用于华北储气库生产套管固井,固井质量满足储气库要求,可为其他储气库固井提供技术支持和借鉴。

     

  • 图  1  密度为1.92 g/cm3的韧性水泥浆稠化曲线(120℃)

    图  2  G级水泥石和韧性油井水泥石在静载荷作用下的三轴应力-应变曲线

    图  3  韧性水泥石与G级水泥石试样在80℃养护28 d后的X射线衍射图谱

    图  4  韧性水泥石与G级水泥石试样80℃养护28 d后的TG-DTG曲线

    图  5  韧性水泥石与G级水泥石试样的孔隙分布

    图  6  韧性油井水泥石与G级水泥石试样的微观形貌

    表  1  韧性水泥浆体系性能

    ρ/
    g/cm3
    FLAPI/
    mL
    t稠化/
    min
    沉降稳定性/
    g/cm3
    游离液/
    %
    流动度/
    cm
    1.88 42 241 0 0 22.0
    1.90 47 203 0 0 21.5
    1.92 44 172 0 0 21.0
      注:水泥浆配方为G级油井水泥+增韧材料+防窜剂+降失水剂+早强剂+缓凝剂+分散剂+消泡剂+水;稠化实验条件为120℃、75 MPa、40 min。
    下载: 导出CSV

    表  2  80℃下不同增韧材料加量的水泥石抗压强度

    试样 增韧
    材料/%
    流动度/
    cm
    p1 d/
    MPa
    p3 d/
    MPa
    p7 d/
    MPa
    p14 d/
    MPa
    Class-G 0 23.0 18.1 22.8 28.3 30.3
    HFOC-1 1.5 22.5 23.1 26.4 29.8 31.8
    HFOC-2 3.0 22.0 26.8 31.1 32.9 32.9
    HFOC-3 4.5 21.0 28.1 31.9 33.4 34.5
    HFOC-4 6.0 20.5 29.2 33.1 34.1 35.2
    下载: 导出CSV

    表  3  G级油井水泥石和韧性油井水泥石的三轴力学性能

    试样 峰值差应力/MPa 峰值应变/% 7 d弹性模量/GPa
    Class-G 33.85 2.82 8.45
    HFOC-1 44.13 3.32 7.52
    HFOC-2 44.25 3.53 6.63
    HFOC-3 50.82 3.88 6.48
    HFOC-4 43.26 3.65 5.68
    下载: 导出CSV

    表  4  韧性油井水泥石与G级水泥石试样  在100~800℃之间的质量损失

    试样 不同温度段(℃)的质量损失率/%
    100~150 150~400 400~600 600~800
    Class-G 6.86 2.87 4.51 2.24
    HFOC-1 7.06 2.98 4.39 2.13
    HFOC-2 7.43 3.14 3.99 1.99
    HFOC-3 7.48 3.19 3.88 1.79
    HFOC-4 8.17 3.34 3.63 1.54
    下载: 导出CSV
  • [1] 曹洪昌, 王野, 田惠, 等. 苏桥储气库群老井封堵浆及封堵工艺研究与应用[J]. 钻井液与完井液,2014,31(2):55-58.

    CAO Hongchang, WANG Ye, TIAN Hui, et al. Plugging of old wells for building UGS in Suqiao[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2014, 31(2):55-58.
    [2] 钟福海, 刘硕琼, 徐明, 等. 苏桥深潜山枯竭油气藏储气库固井技术[J]. 钻井液与完井液,2014,31(1):64-67,100.

    ZHONG Fuhai, LIU Shuoqiong, XU Ming, et al. Research and application on gas storage facility cementing technology of deep buried hill deplete zones in Suqiao[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2014, 31(1):64-67,100.
    [3] 钟福海, 钟德华. 苏桥深潜山储气库固井难点及对策[J]. 石油钻采工艺,2012,34(5):118-121.

    ZHONG Fuhai, ZHONG Dehua. Cementing difficulties and countermeasures of deep buried gas storage in Suqiao area[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2012, 34(5):118-121.
    [4] 杜慧星, 王宇, 刘玉林. 针对华北油田苏桥潜山地区固井双凝水泥浆体系性能优选[J]. 当代化工,2018,47(11):2417-2421. doi: 10.3969/j.issn.1671-0460.2018.11.045

    DU Huixing, WANG Yu, LIU Yulin. Performance optimization of cementing double curing system in Suqiao buried hill area of Huabei oilfield[J]. Contemporary Chemical Industry, 2018, 47(11):2417-2421. doi: 10.3969/j.issn.1671-0460.2018.11.045
    [5] 齐静, 王云, 马疆, 等. 弹性膨胀水泥浆在储气库固井中的应用[J]. 钻井液与完井液,2013,30(4):52-55.

    QI Jing, WANG Yun, MA Jiang, et al. Application of elastic expansion cement slurry in gas storage wells[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2013, 30(4):52-55.
    [6] 贾聚全. 吉林油田枯竭型气藏储气库固井技术[J]. 科技与创新,2024(2):88-90.

    JIA Juquan. Cementing technology of depleted gas reservoir in Jilin oilfield[J]. Science and Technology & Innovation, 2024(2):88-90.
    [7] 刘自茹, 肖尧, 陈旭, 等. 盐穴储能库固井工艺[J]. 钻井液与完井液,2024,41(3):374-382.

    LIU Ziru, XIAO Yao, CHEN Xu, et al. Well cementing technology for salt cavern energy storage[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2024, 41(3):374-382.
    [8] 闫睿昶, 徐明, 虞海法, 等. 巴彦河套盆地复杂储层固井技术[J]. 钻井液与完井液,2023,40(1):82-88.

    YAN Ruichang, XU Ming, YU Haifa, et al. Well cementing technology for complex reservoirs in the Bayan hetao basin[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2023, 40(1):82-88.
    [9] 于林, 谭慧静, 任阳, 等. 三高条件对弹韧性水泥浆性能的影响及短期腐蚀机理[J]. 钻井液与完井液,2023,40(2):222-232.

    YU Lin, TAN Huijing, REN Yang, et al. Study on the influence of elastic toughness cement slurry performance and short-term corrosion mechanism under HPHTHS conditions[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2023, 40(2):222-232.
    [10] 李军, 陈勉, 柳贡慧, 等. 套管、水泥环及井壁围岩组合体的弹塑性分析[J]. 石油学报,2005,26(6):99-103.

    LI Jun, CHEN Mian, LIU Gonghui, et al. Elastic-plastic analysis of casing-concrete sheath-rock combination[J]. Acta Petrolei Sinica, 2005, 26(6):99-103.
    [11] 李斐. 抗高温弹韧性水泥浆体系优化研究[J]. 钻井液与完井液,2021,38(5):623-627.

    LI Fei. Study on optimization of high temperature cement slurry with elasticity and toughness[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2021, 38(5):623-627
    [12] 罗长斌, 李治, 胡富源, 等. 韧性水泥浆在长庆储气库固井中的研究与应用[J]. 西部探矿工程,2016,28(1):72-76.

    LUO Changbin, LI Zhi, HU Fuyuan, et al. Research and application of ductile cement slurry in cementing of Changqing gas storage[J]. West-China Exploration Engineering, 2016, 28(1):72-76.
    [13] 冯瑞阁, 李玮, 孟仁洲, 等. 星探1井韧性防窜水泥浆技术[J]. 钻井液与完井液,2023,40(5):658-664.

    FENG Ruige, LI Wei, MENG Renzhou, et al. Study and application of a tough Anti-Channeling cement slurry for well Xingtan-1[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2023, 40(5):658-664.
    [14] 李成嵩, 李社坤, 范明涛, 等. 高密度弹韧性水泥浆力学数值模拟[J]. 钻井液与完井液,2023,40(2):233-240.

    LI Chengsong, LI Shekun, FAN Mingtao, et al. Numerical simulation study on mechanics of high density elastic and tough cement slurries[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2023, 40(2):233-240.
    [15] 王涛, 申峰, 展转盈, 等. 页岩气小井眼水平井纳米增韧水泥浆固井技术[J]. 石油钻探技术,2023,51(3):51-57.

    WANG Tao, SHEN Feng, ZHAN Zhuaiying, et al. Ductile nano-cement slurry cementing for slim-hole horizontal shale gas wells[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2023, 51(3):51-57.
    [16] 张佳滢, 严俊涛, 周迎春, 等. 深层页岩气井高强度弹韧性水泥石力学性能研究[J]. 钻采工艺,2021,44(4):132-136.

    ZHANG Jiaying, YAN Juntao, ZHOU Yingchun, et al. Study on mechanical properties of high strength Elastic-Toughness cement for deep shale gas wells[J]. Drilling & Production Technology, 2021, 44(4):132-136.
    [17] 高元, 杨广国, 陆沛青, 等. 一种大温差弹韧性水泥浆[J]. 钻井液与完井液,2019,36(1):97-101,108.

    GAO Yuan, YANG Guangguo, LU Peiqing, et al . Study and application of a large temperature difference cement slurry with good elasticity and toughness[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2019, 36(1):97-101,108
    [18] 田磊聚,朱海金,卢海川,等. 改善固井水泥石力学性能的研究进展 [J]. 钻井液与完井液,2024,41(6):695-708.

    TIAN Leiju, ZHU Haijin, LU Haichuan, et al. Progress in studying on improving mechanical property of set cement in well cementing[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2024, 41(6):695-708
    [19] 刘翠微, 安耀彬, 周怡. G级油井水泥物理性能影响因素分析[J]. 钻井液与完井液,2008,25(6):65-69.

    LIU Cuiwei, AN Yaobin, ZHOU Yi. An analysis of the contributing factors to the physical property of the class G oil well cement[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2008, 25(6):65-69.
  • 加载中
图(6) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  44
  • HTML全文浏览量:  13
  • PDF下载量:  19
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-11-25
  • 修回日期:  2024-12-20
  • 刊出日期:  2025-04-17

目录

    /

    返回文章
    返回