交变压力下固井界面微间隙产生规律研究

针对油井长期服役过程中的固井界面微间隙产生机理及规律问题,对比国外学者的经典试验,利用ABAQUS有限元软件对套管内压交变作用下的固井界面力学响应进行了模拟分析。分析结果表明,当套管和水泥环应力均处在弹性范围内时,没有微间隙产生;而在高应力作用下水泥环中存在塑性残余变形时,套管内压交替变化将导致套管、水泥环和地层界面变形不再协调,将可能脱开产生微间隙。因此得出结论:套管内压交变作用下的水泥环塑性残余变形是导致微间隙产生的主要原因之一。进一步对影响微间隙尺寸的关键因素及规律进行分析,指出套管内压值越大,产生微间隙的可能性就越大,套管内交变压差越大,微间隙的尺寸就越大;在套管内交变压力作用下,软地层比硬地层固井界面更容易产生微间隙;同时,选用低弹性模量水泥固井界面产生微间隙的可能性则会降低。研究结果对环空带压和环空窜流的产生原因及预防具有重要意义。

体积压裂过程中固井界面微环隙扩展的数值模拟

射孔完井作业中射孔会对水泥环完整性造成破坏,尤其是固井界面微环隙的产生,导致后续压裂过程中出现环空带压与环空窜流的问题。针对此问题,建立压裂过程中水泥环界面微环隙扩展三维模型,通过Cohesive单元损伤模型模拟固井界面在体积压裂过程中微环隙的扩展,对界面微环隙的扩展长度进行分析计算,研究不同参数对压裂过程中固井界面失封长度的影响。结果表明:适当降低水泥环弹性模量,提高水泥石与套管、地层的胶结强度有利于减小水泥环界面微环隙扩展长度,保证水泥环有效封固;研究结果能够对体积压裂条件下的水泥环封固性能进行评价和预测。

固井界面接触热阻对井筒温度场预测的影响

固体界面不完整接触会产生接触热阻。为研究固井界面不完整接触产生的微环隙对井筒温度场预测的影响,推导了接触热阻计算方法,并设计空气条件下测试接触热阻的实验进行了验证,最后研究了不考虑固井界面接触热阻的经典方法在预测井筒温度场时产生的偏差。结果表明:接触热阻与接触表面的间距和温度有相关性;固井界面微环隙增大(0.05~1 mm)、注蒸汽时间增加(2~40 d)、地层温度升高(305~400 K)等情况下,预测井筒温度场时不考虑固井界面充填气体的微环隙,将使计算的水泥环外壁温度略有偏低(约3 K),而水泥环内壁温度和地层内壁温度偏高较大(约14 K)。提出的将固井界面接触热阻应用到井筒径向传热的方法,可以使井筒温度预测更符合现场实际。

密度差对水平段固井顶替界面影响规律研究

针对密度差对水平段固井顶替界面影响规律问题,首先从水平段环空流场计算网格模型以及水平段环空固井顶替流体力学模型两个角度出发,开展数值实验模型分析,对数值实验与结果进行研究,为了解密度差对水平段固井顶替界面的影响规律奠定基础。

考虑多因素的固井二界面胶结抗拉强度室内评价方法

受井壁表面粗糙度、钻井液残留和温压扰动等因素的影响,固井二界面是整个环空封隔的最薄弱环节,且极易发生张拉破坏导致环空密封失效,但已有的评价方法只能获得固井二界面的胶结剪切强度,不能很好地评价固井二界面抗拉破裂性能。为此,考虑岩性、界面粗糙度、钻井液残留、冲洗液清洗和水泥浆等主要因素,建立了一种固井二界面胶结抗拉强度室内评价方法,从冲洗效率、胶结细观结构、抗拉强度、破裂形貌等多个维度对固井二界面胶结抗拉性能进行了系统评价。研究结果表明,该评价方法科学合理、步骤清晰、简单适用、试验结果离散性小,不同因素下测试结果区分度好,进一步完善了固井二界面胶结强度评价方法,具有较高的推广应用价值。

硫铝酸盐水泥的膨胀性能对固井一界面胶结强度的影响

硫铝酸盐水泥是一种具有微膨胀特性的新型固井材料,同时具有抗渗性好、耐久性持久、强度高等优点.为深入了解硫铝酸盐水泥的膨胀性能对其固井一界面胶结强度的影响,本文利用XRD分析硫铝酸盐水泥的水化进程及水化产物;通过三轴岩石力学测试系统,测定硫铝酸盐水泥石的膨胀特性以及一界面的力学性能;采用扫描电子显微镜观察硫铝酸盐水泥石一界面的微观形貌.分析结果表明:硫铝酸盐水泥的微膨胀特性可通过化学预应力的产生提高固井一界面的胶结强度,当龄期为1d、3d、7d时,其一界面胶结强度比G级水泥浆分别提高了24.3%、20.1%和25.3%.微观机理表明套管表面分布着大量的铝元素和钙元素,形成结构较为密实的界面,有利于固井质量的提高.

固井二界面封隔能力评价方法研究

利用测井评价方法和界面胶结强度评价方法均难以获得固井二界面的实际封隔能力。基于固井二界面封隔失效机理,设计了固井二界面封隔能力仿真评价装置,建立了固井二界面封隔能力评价方法。该方法把固井二界面作为独立的测试对象,直接沿固井二界面来评价流体的窜通能力,并以固井二界面当量渗透率为指标,实现了固井二界面封隔能力的定量评价。同时,解决了固井二界面胶结强度评价方法无法模拟环空窜槽的问题。验证结果表明,该方法能比较客观地反映固井二界面的实际封隔能力,可为难采储层薄隔层压裂工艺的选择提供科学依据。

固井二界面泥饼仿地成凝饼与凝灰岩成岩的关联性

为了解固井二界面泥饼仿地成凝饼(MTA)的地质成岩作用,采用XRD、TG、SEM+EDX和XRF荧光分析测试技术对MTA与凝灰岩火山沉积作用成岩反应的关联性进行研究。结果表明:泥饼改性剂在MTA成岩反应中所起的作用与火山碎屑物质在凝灰岩成岩反应中所起的作用相类似,且物相和化学组成基本一致;凝饼形成剂将凝灰岩火山沉积作用成岩流体的缓慢形成过程直接化为一种现存成岩流体,加快了成岩反应速度,控制了反应产物的类型,二者的特征成岩现象和反应产物均有相似性,且均存在FeS2垃圾矿物析晶现象;随着养护时间延长,MTA凝饼的硅和铝含量均降低,而钙含量增加,即MTA的固化反应过程与火山灰质材料被碱激发后发生的'脱铝—结硅—吸钙'化学反应模式相一致。

不同条件下泥饼固化提高固井二界面胶结强度的实验研究

采用室内模拟实验方法,对不同养护温度与泥饼厚度条件下泥饼固化提高固井二界面胶结强度的情况进行了实验研究。结果表明:在养护温度为45℃的条件下,泥饼厚度为0.5mm和1.0mm时,泥饼固化后固井二界面胶结强度分别提高了230.86%～4 538.74%和757.30%～106 537.50%;在养护温度为80℃的条件下,泥饼厚度为0.5mm和1.0mm时,泥饼固化后固井二界面胶结强度分别提高了656.28%～1 979.69%和331.19%～5 258.82%。通过红外光谱测试结果,探讨了泥饼固化提高固井二界面胶结强度的主要原因,并对其影响因素进行了分析。

泥饼固化提高固井二界面胶结强度的微观分析

采用XRD、ESEM-EDX和TG-DSC测试分析方法,对泥饼固化提高固井二界面胶结强度的机理进行了研究。结果表明,泥饼固化法制备的固井二界面凝饼中生成了水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和沸石类凝胶。它们是由泥饼改性剂中的活性物质、黏土矿物被溶蚀析出的活性物质、水泥水化产生的水化离子和凝饼形成剂共同作用形成的。这些胶凝物质填充在黏土矿物和钻井岩屑之间,并将之粘接在一起,相互胶结形成了连续相,实现了固井二界面的整体固化胶结。

MTA方法固井二界面整体固化胶结实验

基于泥饼仿地成凝饼的科学构想,采用力学性能评价（如胶结强度）、微观结构分析（如X射线粉末衍射分析、热失重分析、环境扫描电子显微镜分析）和流体溶蚀实验等方法对MTA方法固井二界面整体固化胶结进行了实验研究。研究结果表明：随着养护时间的延长,用MTA方法得到的固井二界面胶结强度较目前提高了37.81%-1 606.31%;泥饼与水泥浆发生了局部的同步水化硬化反应,且生成了少量的团状水化硅酸钙（CSH（Ⅰ））凝胶和片沸石类凝胶,显示固井二界面整体固化胶结;流体溶蚀实验表明,采用目前方法,养护成型的样品浸泡28 d后,泥饼还原成了浑浊的稀钻井液,而用MTA方法得到的凝饼与水泥硬化体已胶结为一体,且凝饼未被溶蚀,表现为杯内流体仍清澈。这印证了两个事实：一是泥饼仿地成了凝饼,二是固井二界面已整体固化胶结。

养护时间和泥饼改性剂对固井二界面胶结强度的影响

建立了切合实际的固井二界面仿真实验系统和评价方法,包括仿地井筒制备、泥饼形成、样品养护和固井二界面胶结强度测试。以取自油田的相关样品为基础,研究了养护时间和泥饼改性剂加量对固井二界面胶结强度的影响。在38℃、75℃、90℃下,无论泥饼改性剂是2%或是3%,固井二界面胶结强度均随养护时间的延长而增大,且从2 d到7 d增长较快,而从7 d到14 d增长趋于平缓,最大胶结强度达1.142 MPa。在上述不同温度、不同养护时间条件下,泥饼改性剂加量由0%增至3%,固井二界面胶结强度逐渐增加。在3%泥饼改性剂加量、养护时间14 d的条件下低温养护下的二界面胶结强度高于高温养护下的强度。论述了泥饼改性剂和凝饼形成剂的联合作用所产生的胶凝效应和微骨料效应。

环空扰动固井二界面胶结性能评价装置及方法

为了评价扰动条件下固井胶结性能,设计并制造了一套扰动条件下固井二界面胶结性能评价装置,建立了实验方法,实现了不同地层、泥饼是否存在、井下水泥浆是否受压差影响、不同井下温度及地层水流动状态等对二界面胶结影响的模拟,较好地还原了水泥浆体系在井下候凝状态受到流动地层水冲刷和侵蚀的过程;同时,实现了对固井二界面水力胶结强度的测试,丰富了固井质量的评价手段,为研究各因素对固井二界面胶结性能影响程度,以及提高固井二界面质量措施提供参考。

固井二界面问题与泥饼仿地成凝饼科学构想

研究了固井二界面封隔失效机理,给出了相应的实验证据。实验研究表明,固井二界面问题的根源是镶嵌于水泥浆与地层岩石之间的泥饼。据此提出了泥饼仿地成凝饼(MTA)解决固井二界面问题的科学构想,并阐述了MTA的研究方法和技术关键。结论认为,实现基于MTA的油井水泥浆-泥饼-地层岩石的整体固化胶结,才能从源头上解决固井二界面问题,满足油气开采的需要。

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。

固井二界面泥饼固化剂与水泥浆滤液的反应机理

固井二界面封隔失效已是制约油气高效开采的重要因素,而提高固井二界面胶结质量是解决这一工程难题的主要途径。基于提出的MCS(mud cake solidification)技术,采用现代分析测试技术,研究了固井二界面泥饼固化剂与水泥浆滤液的反应机理。研究结果表明,在压差的作用下泥饼固化剂的有效成分将发生向泥饼方向的迁移扩散,进而吸附在泥饼表面且渗透进入泥饼本体;泥饼固化剂与水泥浆滤液反应,生成水化硅酸钙(C—S—H)、水化铝酸钙(C3AH6)等胶凝物,且随着养护时间的延长,这些胶凝物可由低聚态的硅酸阴离子逐渐聚合为高聚态水化硅酸胶凝物,即在最初的3 h内,硅酸阴离子单聚体的量急剧下降,同时二聚体的量先增多后减少,最终生成高聚物,进而固化泥饼,提高固井二界面胶结质量。

对固井二界面问题的一些认识

对固井二界面进行了介绍,阐述了二界面的破坏对油气生产的重大危害,对其受破坏的原因进行了分析,对影响固井二界面胶结质量的因素进行了总结,从方法手段到工艺技术提出了一些自己的观点和认识。

一种新型的固井二界面胶结质量评价方法

为了更真实地模拟并定量评价固井二界面胶结质量,建立一种新型固井二界面评价方法,此种评价方式以二界面胶结强度和等效渗透率为评价手段。研究结果表明,该评价方法简单适用、数据重复性好、对比性强,能够较为真实地模拟二界面与水泥浆的胶结情况。此评价方法一方面可以量化二界面胶结强度;另一方面可以间接的表征出界面的渗透率,为固井二界面胶结质量提供定性定量的数据参考。

环空压力对高温高压井固井二界面接触应力变化的影响

针对高温高压井水泥浆固化过程中环空压力变化可能引起水泥环密封失效的问题基于全尺寸高温高压水泥环应力传递实验装置,根据厚壁圆筒理论提出了一种测量井下高温、高压条件下水泥环二界面接触应力的实验方法,开展了不同环空压力养护和不同环空压力变化对固井二界面接触应力的影响实验。实验结果表明:其他条件不变在养护时间168 h,随着养护时环空压力越大,最终水泥浆凝固后固井二界面的接触应力越大,最大为21 MPa;针对五组养护好的试件环空压力从12 MPa卸载,随着环空压力卸载的越多水泥环两界面的接触应力就越大,当环空压力从12 MPa直接降到0 MPa时,水泥环第一界面处接触应力达到最大22.7 MPa,水泥环第二界面处接触应力达到最大21.84 MPa,此时水泥环两界面处径向应力也都达到了最大。该研究结果可以现场指导用多大的环空压力对注水泥固井过程中来的油井水泥环进行养护,以及开发后期要避免环空压力的较大的变化引起水泥环密封失效问题。

固井二界面泥饼固化强度室内评价方法建立

建立了一种固井二界面泥饼固化强度的室内评价方法。该评价方法借鉴固井水泥浆初终凝评价的维卡仪的原理,建立了固化泥饼强度评价装置,采用压力传感器实时记录测试过程中固化泥饼破坏承受的力;通过ABAQUS建模分析,建立了泥饼所受极限作用力与泥饼强度值的关系模型,从而实现了泥饼固化强度的定量化。该评价方法能够评价泥饼的固化强度,为泥饼固化技术的研究奠定基础。