一界面存在微间隙的热采井井筒热应力分析

针对二界面固结良好,一界面存在微间隙的固井质量问题,建立了三岩层剖面的有限元模型,研究了微间隙对井筒温度场和应力场的影响。分析结果表明,微间隙改变了井筒径向温度分布的连续性;相对于所研究的整个岩层段,微间隙段井筒温度为低值点。在蒸汽吞吐过程,由于微间隙的影响,套管在温度场作用下部分约束得到释放,使得套管上产生的等效热应力较低。同时,微间隙段套管和水泥会产生较大的径向位移,给工程测井带来困难,可能使固井解释评价出现偏差。

热采井蒸汽吞吐过程形成的一界面微间隙计算

根据热采井套管柱的受力环境和注热模式,将研究的热采井套管柱力学模型划分为4个区段进行分析,即井口活动伸长段、低温区间隔伸长压缩活动段、封隔器活动段以及射孔段间隔伸长压缩活动段。针对不同的套管柱区段,建立了2种一界面微间隙宽度数学模型。为了综合评价微间隙,将2种模型叠加后几何平均,得到综合评价水泥环微间隙的数学模型,利用该数学模型可以方便地计算不同区段的一界面微间隙宽度。这为准确的CBL/VDL测井解释提供了理论依据。

固井第一界面微环隙对声波传播规律的影响

为消除微环隙对固井质量评价的影响,研究微环隙对声波传播的影响规律是非常必要的。针对微环隙对声波传播的影响,分别进行了实验室试验和理论计算。试验采用简化的平板模型,用中间挖空填水的超薄塑料薄膜来模拟充水微环隙。根据试验模型的特点,由声波在多层介质平面层的透射理论得到微环隙影响声波传播的理论计算公式。试验结果表明,声波首波幅度随微环隙尺寸的增大而减小,当微环隙尺寸增大至0.1mm时声波透射幅度减小70%左右,这会造成测井时接收到的反射波声幅的增大,可能将固井质量合格的井解释为不合格。理论计算印证了试验结果,同时也说明声波传播对充气微环隙的敏感程度高于充水微环隙。研究得出,微环隙对声波传播的影响是非常显著的,在声波测井中其影响规律可以应用于对固井质量的评价中。

水平井固井一界面泥膜分布规律及其特性

套管外表面泥膜厚度及其分布规律是影响固井一界面胶结质量的一个重要因素,而对于不同井斜角下套管外表面的泥膜厚度分布规律及其对界面胶结强度的影响,则迄今尚未见到相关文献报道。为此,通过自主设计的实验装置测定了井斜角分别为0°、30°、60°、86°条件下模拟套管(钢管)外表面不同部位的泥膜厚度,进而分析总结了泥膜厚度在管外的分布规律及其对界面胶结强度的影响情况。研究结果表明:①当井斜角从0°增大到86°时,泥膜厚度从均匀分布递变为薄厚相间分布,泥膜偏薄区域和泥膜偏厚区域面积占比均变大,尤其是在井斜角为86°时,上表面泥膜厚度很大,并且钢管左、右表面有大片裸露区;②裸套管组的一界面胶结强度远大于带泥膜组界面胶结强度,并且随着井斜角的增大,带泥膜组界面胶结强度趋于增大;③随着井斜角的增大,界面胶结强度依次增大与钢管裸露区在其外表面实泥膜中的面积占比密切相关。结论认为,模拟套管外表面裸露区域面积的大小是影响其界面胶结强度的关键因素。

基于拉伸胶结强度的水泥环一界面完整性评价

油气井工作液密度降低或油气开采必将导致井筒内压降低,使水泥环一界面受到拉伸作用,造成水泥环与套管发生剥离,从而产生微环隙。过去由于没有拉伸胶结强度测量装置和方法,在进行水泥环封隔完整性研究和设计时,均采用水泥环一界面的剪切胶结强度或者水力胶结强度,导致在水泥浆体系优选和封隔完整性设计时存在不足。为此,根据水泥环工作时的受力过程,研制了水泥环一界面拉伸胶结强度测试装置并提出了相应的测量方法,基于该装置进行了水泥浆体系优选及一界面封隔完整性评价。通过对比水泥环一界面拉伸胶结强度和剪切胶结强度,发现前者约是后者的0.37~0.45,采用剪切胶结强度进行水泥浆体系优选或封隔完整性评价可能导致水泥环一界面封隔失效。实验发现,在高压养护条件下胶乳水泥浆体系一界面拉伸胶结强度大于膨胀增韧水泥浆体系和自愈合水泥浆体系一界面拉伸胶结强度。将水泥环一界面拉伸胶结强度作为油气井固井水泥浆实验设计、评价水泥环封隔完整性的重要依据之一,更能保证油气井安全生产运行。

N80钢/SiO_2基涂层/油井水泥石的界面特征研究

为了提高固井一界面的胶结强度,采用热化学反应法在N80钢制套管钢基体上制备SiO2基陶瓷涂层作为套管和水泥石之间的过渡层。通过X射线衍射结构分析、扫描电子显微镜和体视显微镜形貌观察以及划痕仪涂层结合力测试,研究了N80钢/SiO2基涂层/油井水泥石的界面微观结构特征和结合行为。结果表明,陶瓷涂层内部和陶瓷涂层/水泥石界面分别产生了新相MgAl2O4和Ca54MgAl2Si16O90;陶瓷涂层与钢基体结合力的临界载荷在40 N左右,陶瓷涂层的制备起到了提高套管与水泥石结合强度的作用。