盐穴储气库老井封堵界面胶结强度试验研究

现阶段进行的水泥塞封堵界面胶结强度测试研究未考虑高温高压对其测试的影响,且大多数开展的是常温常压下水泥塞的剪切胶结强度测试。为此,设计了盐穴储气库老井封堵水泥塞综合胶结强度原位测试装置,并在80℃、15 MPa的模拟条件下,开展了不同界面、不同水泥塞长度和直径及水泥浆体系条件下的水泥塞胶结强度测试试验,明确了不同因素对胶结强度的影响规律。试验结果表明:水泥塞-岩石/套管界面的胶结强度受水泥浆体系影响较大,盐层水泥浆体系下的界面胶结强度大于盖层水泥浆体系下的界面胶结强度;水泥塞-岩石界面胶结强度略大于水泥塞-套管界面胶结强度;水泥塞-岩石/套管界面的拉伸胶结强度低于剪切胶结强度,且两者之比为0.41~0.45。研究成果可为盐穴储气库老井封堵界面密封失效的预测提供重要的理论支撑。

基于正交试验的不同胶结强度Bimrock岩体力学特性试验研究

Bimrock在不同胶结强度下的力学特性鲜有研究,而胶结强度对Bimrock力学特性和变形破坏特征有着重要影响。为探究不同胶结强度对Bimrock力学特性的影响规律,通过正交试验设计法,开展Bimrock基质配比试验,对不同配比基质试样的强度力学参数进行参数敏感性分析,基于正交试验结果,制作不同胶结强度的Bimrock试样,通过单轴压缩试验,分析不同胶结强度对Bimrock力学特性的影响。结果表明:Bimrock试样的单轴抗压强度和弹性模量与其胶结强度呈正相关,从弱胶结到强胶结,单轴抗压强度从11.02 MPa增加到34.21 MPa,弹性模量从2.11 GPa增加到5.57 GPa;随着胶结强度的增加,试样在变形至破坏的各阶段表面裂纹数量均减少;强胶结试样的压缩破坏模式表现为单条主裂纹的贯通破坏,破坏时间较短,脆性破坏明显;中等胶结试样发生整体与局部剪切破坏,表现为一条明显贯穿整个试样和一条仅贯穿试样下半部分的剪切破坏面;弱胶结试样发生横向拉张破坏,可见多条沿竖直方向的张拉裂纹,局部出现张剪破坏并存的破坏特征,从变形到破坏产生的裂纹较多且较为破碎,破坏时间相对较长。Bimrock岩体工程问题复杂而且较难处理,针对Bimrock力学特性与变形破坏特征的研究对工程建设以及地质灾害防治有重要意义。

-3℃养护条件下引气混凝土胶结强度与冻结强度增长规律研究

主要研究负温(-3℃)养护条件下,引气混凝土随龄期增长各自的强度变化规律及相互关系,阐明了引气剂含量对强度增长的不同影响。在已有的冻结强度高于结构强度研究基础上,本文系统阐述了不同龄期胶结强度高于冻结强度的内在原因,并通过胶结强度与冻结强度对比,凸显胶结强度这种改进的负温养护措施对强度增长的贡献作用。同时与标准养护条件下,相应龄的期强度作对比,分别得出胶结强度与冻结强度的强度损失率。胶结强度与冻结强度概念的引入可为冬季多雨地区混凝土的施工养护技术及负温混凝土的强度理论提供参考依据。

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。

-3℃养护下引气混凝土早期胶结强度与冻结强度试验关系研究

研究-3℃养护条件下,引气混凝土早期胶结强度与冻结强度随龄期增长各自的强度变化规律及相互关系,且系统阐述了7、14、28 d胶结强度(冻结强度在常温水容器中完全浸泡4 h后的强度)高于冻结强度的内在原因。另外,分别与标准养护条件下相应龄期强度作对比,得到了早期胶结强度与冻结强度的损失值,在侧面证明了冻结强度高于结构强度(冻结强度在标准养护室空气中缓冻4 h后的强度)的理论事实,同时为冬季施工多雨区及多年冻土区混凝土强度和负温混凝土施工技术提供理论依据。

井下复杂温度条件对固井界面胶结强度的影响

针对复杂多变的井下温度影响固井界面胶结强度的问题,利用自主研制的界面胶结强度测试仪,在恒温或交替变温的条件下,对3类水泥浆体系和5种不同岩性岩心所形成的封固系统进行了第一与第二界面胶结强度的实验研究。结果表明,水泥浆凝固过程中,一界面胶结强度在室温到75℃范围内基本不受温度变化的影响;水泥浆凝固后,温度变化会使界面胶结强度显著降低,且降低幅度随温差和温度变化次数的增大而增大;水泥石弹性模量越小,一界面胶结强度随温度变化的降低幅度就越小;二界面胶结强度随温度变化的降低程度取决于水泥石的热膨胀和机械性能,与岩心性能越相近,胶结强度降低幅度越小。

MTC固井液二界面胶结强度实验研究

常规水泥浆体系固井二界面胶结强度较低,为了解决这一问题,进行了MTC固井液二界面胶结强度实验研究。结果表明,MTC固化体的体积收缩率远小于水泥石的体积收缩率。与低密度水泥浆体系相比,MTC固化体系与泥饼之间能够实现整体固化胶结,MTC固化体二界面胶结强度受井壁界面性质影响较小,尤其在有一定泥饼存在的情况下更是如此。但由于MTC固化体的抗压强度较低,在地层压力或注入压力较高的井中应谨慎使用。

泥饼厚度对固井二界面胶结强度的影响

泥饼夹在水泥浆和地层之间,其质量会直接关系到固井二界面的胶结质量。用现场钻井液在自制的仿制井筒上形成不同厚度的泥饼,然后注入水泥浆养护一定时间,通过测出不同样品的二界面抗压强度,计算出二界面胶结强度。实验结果表明,随着泥饼的增厚,二界面胶结强度显著降低,根据拟合趋势线得出二界面胶结强度与泥饼厚度呈指数关系,当泥饼厚度达到5 mm时,固井二界面胶结强度将降为零。分析其根本原因在于,泥饼的内部结构并不是均一的,而是连续变化的,越靠近地层,泥饼越致密,泥饼的强度越大,与地层的胶结也越好,但是越靠近水泥浆,泥饼越疏松,孔隙度和渗透率越大,其强度越弱,二界面的胶结强度也就越小。

双重强化界面胶结强度技术

通过使用含有大量活性颗粒的LQ冲洗液配合CW自愈合水泥浆体系,利用活性颗粒的"楔合效应"与自愈合水泥的"微膨效应"起到双重强化界面胶结强度的效果,并利用环境扫描电镜、原子力显微镜等现代分析手段,对其作用效果进行了微观分析。得到了LQ冲洗液配方为:水+0.5%HEC+1%KZ-1+2%GF-1+2%JM-1+7%硼酸+1.5%JFC-1。实验结果表明,冲洗液的流变性能良好,对三磺钻井液的冲洗效率达到了82%,并且在110℃老化后仍能保持较好的流变性能,并可提高界面胶结强度50%以上。

YLD-1油水井堵漏剂界面胶结强度增强机理研究

在动静态养护条件下通过对 YLD- 1油水井堵漏剂与钢管的胶结界面力学性能和微观结构的研究 ,探讨了 YLD- 1油水井堵漏剂的界面胶结强度增强机理 .结果表明 ,YLD- 1堵漏剂能够在胶结界面生成抗冲蚀的水化产物且形成致密坚固的微观结构 ,再加上独特的自我修复的再愈合能力 ,增强了界面胶结强度 ,提高了抗窜能力 .

变温条件下泥饼对二界面胶结强度的影响

研究变温条件下泥饼对二界面封固系统的影响有助于改善二界面封隔性能。利用自行设计的二界面胶结强度实验装置测定了不同温度变化条件下,岩心表面水湿、岩心表面涂有泥饼等情况的二界面胶结强度。分析发现:温度变化时会使界面胶结强度降低,且温度变化幅度越大,界面胶结强度降低幅度越大,温度循环变化时比单次温度变化时的界面胶结强度降低的幅度更大;与岩心表面水湿时相比,岩心表面有泥饼时二界面胶结强度对温度变化更加敏感,降低幅度更大。研究结果可用于指导设计和施工,以降低温度变化对界面封隔性能的不良影响。

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。

套管表面润湿性对固井界面胶结强度的影响

油基钻井液黏附使套管表面变为亲油性,影响固井界面（套管与水泥环）胶结强度。通过测定不同润湿性的套管与水泥环的胶结强度,探究了套管表面润湿性影响界面胶结强度的规律,结合原子力学显微镜分析了其影响机理;同时研究了表面活性剂类型、浓度及温度等因素对套管表面润湿性的影响。结果表明：随表面活性剂浓度的增加,套管表面亲水性增强,阴离子型表面活性剂LAS效果最好;通过表面活性剂的乳化增溶作用,套管表面黏附的大部分油膜被携带走,从而使亲水性套管表面裸露出来。胶结强度随套管表面亲水性的增大（水在其表面接触角的减小）而增大,在接触角62°数63°时出现突变;随LAS浓度的增大接触角呈降低趋势,当LAS浓度小于5 g/L时,接触角减小较快,当LAS浓度大于20 g/L后,接触角几乎不变,LAS加量应在20 g/L以内。此外,温度对LAS润湿反转能力有一定的促进作用。

岩石力学性能实验与水泥环胶结强度评价

通过对新庄油田4口井不同并深岩心以及固井水泥石的三轴抗压强度实验研究，获得了该油田区块地层岩石和水泥石的密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、内聚力以及内摩擦角等，为该区块地应力场的反演研究提供了必不可少的岩石力学参数数据，根据大量实验结果的岩心差应力-应变曲线，把三轴抗压实验曲线划分为了3个典型的区域阶段，根据这3个阶段可以直观地得到岩心的弹性模量和抗压强度数值：提出了水泥环与地层岩石第二界面胶结强度评价标准，地层岩石抗压强度小于等于20MPa时，对水泥环第二界面的胶结强度属于“不稳定区”；地层岩石的抗压强度为20～30MPa时，水泥环第二界面的胶结强度为“次稳定区”；地层岩石的抗压强度在小于等于30MPa时，水泥环第二界面的胶结强度为“稳定区”。并对所研究的4口井不同井深地层岩石与水泥环第二界面胶结强度进行了评价，其评价结果为该区块套管柱强度设计提供了可靠的依据.

高温高压下油井水泥环胶结强度测试新方法

固井注水泥完成后,水泥环与套管(Ⅰ界面)、与地层(Ⅱ界面)的胶结强度是影响固井质量的重要因素,但目前的水泥环胶结强度测量方法不能很好地模拟井下条件水泥环的形成以及泥饼的冲洗过程,致使测量出的胶结强度数据不能很好地为现场施工提供参考。为此,在分析现有测量水泥环胶结强度方法的基础上,提出了一种能够模拟井下条件的水泥环胶结强度的测量新方法,并且研制了相应的测量装置。该装置能够模拟高温高压环境下不同钻井液在岩心上形成泥饼、钻井液泥饼的动态冲洗、水泥环的养护形成过程,并测量出水泥环与岩心、水泥环与模拟套管的界面胶结强度等。结论认为,利用该装置能够开展水泥环动态冲洗与高温高压养护实验,还能测量第一界面与第二界面的胶结强度,较之于以前的方法更能贴合现场的实际,更具有实用价值;但要评价地层岩性、冲洗液体系等因素对胶结强度的影响还需要利用该装置做进一步的深入研究。

海洋深水表层固井壁面剪切及胶结强度室内试验研究

海洋深水温度低、压力大、地层破裂压力小,对固井作业产生了较为严重的影响。在分析深海环境特点的基础上,利用自行设计的界面剪切胶结强度测定仪,研究了地层岩性及表面性质、套管壁面性质、水泥浆性能等对界面强度的影响,特别详细深入地分析了水泥浆密度、水泥浆滤失性能、水泥石强度对界面强度的影响。并在此基础上,分析了水泥浆体系、钻井液体系、冲洗隔离液体系及注水泥工艺,提出了合理的钻井及固井工艺措施,以全面提高Ⅰ、Ⅱ界面的剪切及胶结强度。

隔水导管与土壤胶结强度试验分析研究

为研究隔水导管与水泥浆、水泥浆与海底土之间作用机理,在天津塘沽渤海湾海滨地区做了系列模拟试验,根据试验结果分析了隔水导管与水泥浆固结力随时间的变化规律以及水泥浆与海底土层固结强度随时间的变化规律。在海上隔水导管钻入法施工中,隔水导管的入泥深度确定与海底土性质及水泥浆固结质量有很大关系。隔水导管钻入法施工一般使用海水钻进,钻完固井后隔水导管外面与水泥浆直接接触,而水泥浆又与海底土层直接接触。通过模拟试验结果得出,水泥环强度突变点是发生在注入水泥浆后的48 h的时间段。该研究成果能够为海上隔水导管钻入法固井作业施工和钻井隔水导管入泥深度的确定提供科学依据。

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。

硫铝酸盐固井水泥石-套管界面胶结强度增强机理

硫铝酸盐水泥是一种潜在固井材料,其固井界面胶结强度及微观结构尚不明确,为此进行硫铝酸盐水泥浆胶结界面胶结强度增强机理实验研究。采用X射线衍射仪研究硫铝酸盐水泥浆的水化机理,利用胶结强度测试装置测定硫铝酸盐水泥浆固井界面胶结强度,利用扫描电子显微镜和X射线能谱分析表征固井界面的微观结构及化学组分。研究结果表明:龄期为1 d、3 d、7 d时,硫铝酸盐水泥与套管的胶结强度比同龄期G级水泥分别提高了24.3%、20.1%和25.3%;微观分析结果表明,套管表面聚集着大量Al元素(AH3凝胶),其高聚合度可以降低界面处的孔隙率,从而提高硫铝酸盐水泥石的界面封固性能。

提高水泥胶结强度的套管黏砂技术研究

为提高固井水泥胶结强度,对黏砂套管—水泥环间各界面进行强度校核,建立黏砂套管水泥胶结强度计算模型,分析胶结剂厚度与砂粒半径的比值、黏砂密度、胶结剂抗剪切强度及水泥环抗压强度等因素对水泥胶结强度的影响。研究结果表明:当胶结剂厚度和砂粒半径的比值为1时,黏砂套管水泥胶结强度最大,且在其他条件不变时,胶结剂厚度和砂粒半径的比值相同,对应的黏砂套管水泥胶结强度也相同;在临界黏砂密度内,黏砂套管水泥胶结强度与黏砂密度和胶结剂抗剪切强度呈线性增长关系;当水泥环抗压强度小于胶结剂抗拉强度时,黏砂套管水泥胶结强度为与胶结剂抗拉强度相关的定值,当水泥抗压强度介于胶结剂抗拉强度和1.5倍胶结剂抗剪切强度之间时,黏砂套管水泥胶结强度随水泥环抗压强度增大而增大,当水泥抗压强度大于1.5倍胶结剂抗剪切强度时,黏砂套管水泥胶结强度为与胶结剂抗剪切强度相关的定值。因此,当胶结剂厚度和砂粒半径的比值为1、黏砂密度为80%、胶结剂中添加质量分数为13%的四乙烯五胺固化剂及水泥环抗压强度大于1.5倍胶结剂抗剪切强度时,黏砂套管水泥胶结强度可达最大值。