油井水泥与钢管胶结界面处微观结构研究(I)

阐述了微观结构研究的意义 ,研究了静态养护条件下油井水泥与钢管胶结界面处的微观结构 ,结果表明油井水泥与钢管胶结界面处存在大量易冲蚀的Ca(OH) 2 晶体和高碱性的C -S -H凝胶 ,是一个结构较疏松、薄弱的过渡带 。

油井水泥与钢管胶结界面处微观结构研究(Ⅱ)

在动态养护条件下对油井水泥与钢管的胶结界面处微观结构进行了研究。结果表明 ,动态养护条件下油井水泥与钢管的界面处胶结强度即抗窜能力大幅度降低 ,与静态养护时完全不一样。在其胶结界面上 ,Ca(OH) 2晶体和高碱性的C -S -H凝胶大量被溶蚀 ,耐冲蚀的钙矾石等水化产物较发育 ,存在一个结构疏松、强度薄弱的过渡层 ,该层是抵抗油气水窜的薄弱环节。

钻井工程固井胶结界面研究现状

固井质量问题在石油勘探开发中备受关注,对特殊工艺井钻井、油水井开采寿命和勘探开发效益有直接 的影响。对固井胶结界面的研究是从根本上提高固井质量的一项基础性研究工作。为了推动固井胶结界面研究工作的 开展,分析了国内外近年来有关固井界面研究的文献,阐述了开展固井胶结界面基础研究工作的意义,着重分析了这 一研究领域目前所采用的研究方法,以及提高固井界面胶结强度的主要途径。在分析文献的基础上,提出今后深入开 展固井界面研究工作的重点是:1)继续完善研究方法;2)重视动态研究;3)从胶结界面的微观结构和钻井工程整 体系统的角度开展研究工作; 4)注重改善胶结界面水化产物的微观结构和钻井工作液之间的协调增强作用。

不同养护条件对胶结界面抗气窜强度的影响规律

设计了水浴、空气和先空气后水浴等3种养护条件,利用自行研制的胶结界面抗气窜强度实验仪,研究了不同养护条件对固井胶结界面抗气窜强度的影响规律。试验结果表明:对于相同的水泥浆体系,在含水保水的养护条件下,胶结界面的抗气窜强度较高,耐久性好;而在无水或缺水的养护条件下胶结界面的抗气窜强度很低,即使延长养护时间,界面强度仍然不会提高;胶乳防气窜水泥浆只有在含水的环境中养护才能发挥作用,而在缺水的条件下其抗气窜强度还不如油井水泥净浆;缺水状态会破坏天然气井固井水泥环的界面胶结强度并引起抗气窜强度的降低,是天然气井投产后发生气窜的一个重要原因之一。该结果对研究新的天然气井防气窜理论和方法有重要的启示和指导意义。

套管与水泥环胶结界面水力密封完整性评价实验研究

受制于评价手段单一、水泥胶结缺陷及井况条件复杂等因素,传统固井质量评价技术无法有效评价套管与水泥环胶结界面水力密封完整性。将水力突破评价装置和水泥胶结评价测井技术相结合,开展了水力突破和水力流动路径评价室内实验研究,分析了水泥环胶结质量、有效封隔长度、套管尺寸等因素对水力密封完整性的影响,并对水力密封完整性评价研究进行了展望。研究结果表明,提高水泥胶结质量和增加水泥环有效封隔长度能够提高套管与水泥环胶结界面水力密封完整性,可为现场油井全周期完整性寿命设计提供借鉴。

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。

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。

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。

工作液密度降低对水泥环界面胶结的影响

固井后工作液密度的降低会造成水泥环与套管和地层脱离胶结,从而形成微环隙,导致水泥环的层间封隔失效。根据厚壁圆筒理论,建立了更符合水泥环受力状况的套管—水泥环—地层力学模型,给出了工作液密度降低对水泥环与套管及地层间所受到的应力位移计算式。模拟计算结果表明,在相同井深处,工作液密度降低值越大,水泥环受到的应力值越大,界面处越容易产生微环隙。对于相同密度降低值,水泥环受到的应力值和产生微环隙的可能性随井深的减小而减小。结合模拟计算值和试验,测试不同水泥浆体系的水泥石与模拟套管的胶结强度值,选择和设计不同的水泥浆体系或降低合理的工作液密度值以防止微环隙产生的新途径。

使用优质钻井液提高固井二界面胶结质量

钻井液对固井界面胶结质量的影响是近年来国内外日益关注的问题。从胶结界面的基本观点、钻井液对固井质量的不良影响和新型钻井液体系对固井界面胶结质量的增强作用等方面对相关文献进行了综述分析,得出结论如下:①钻井液不仅仅是钻井工程的一个重要部分,而且也是完井工程的一个重要组成部分,与固井质量息息相关,直接影响到油气井的勘探开发效益;②在认识钻井液对固井质量的影响方面,不仅要认识到钻井液对固井质量的不良影响,更要看到新型钻井液技术的发展可能会有效地改善和强化固井质量的积极的一面;③应该注意研究新型的能够增强固井二界面胶结质量的钻井液技术,做为固井技术的一个有益的补充,以此更加高效经济地提高特殊工艺井和各种复杂井的固井质量;④由于钻井液在钻井和完井工程中的特殊地位,为了提高油田建井质量和勘探开发效益,应适当加大对钻井液的投入,以保证在钻井的全过程钻井液性能优异,同时为提高固井质量创造有利条件。

“死泥浆”影响界面胶结力学性能的实验研究

针对目前油田常用来改善界面胶结强度的水泥浆体系,以窝存的“死泥浆”为基础,系统评价了四种界面组成条件下的胶结力学性能。实验结果表明,若固井二界面没有窝存的“死泥浆”,早强型水泥浆可使界面胶结强度提高97.62%,但当有窝存的“死泥浆”存在时,它对固井二界面胶结强度的改善效果就十分有限甚至起反作用;窝存的“死泥浆”对增强型水泥浆与模拟岩心之间的胶结强度则影响相对较小,且在各种钻井液混入比例条件下,其固井二界面胶结强度均明显高于纯水泥浆和早强型水泥浆。探讨了早强型水泥浆和增强型水泥浆的胶结强度强化机理,提出了从根源上解决层间窜问题的有效途径。

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 .

提高二界面胶结强度的多元硅钻井液

根据大庆油田 3次加密调整钻井的需要 ,以及油田长期开发造成的多压力地层状况 ,研制出了多元硅钻井液 ,通过室内实验和 5口井的现场试验 ,证明这种钻井液可以有效地改进二界面胶结强度 ,有利于提高二界面固井质量。

煤层气井井斜角对隔水层界面胶结强度影响试验

为了控制煤层气井开采过程中的水窜问题,采用自主设计的试验装置对沁水盆地晋城地区煤层气样品进行模拟试验,获得了井斜角分别为0°、30°、60°、90°条件下隔水层界面胶结强度试验数据,分析了井斜角对隔水层界面胶结强度的影响机理。结果表明:隔水层界面胶结强度随井斜角的增大而降低,原因是随着井斜角增大,井壁的泥饼环上部依次变薄,下部依次变厚,井斜角到90°时达到最厚,且随着泥饼的变厚,泥饼成分中黏土矿物的成分逐渐减少,钻屑和重晶石的含量逐渐增多。分析还认为,影响隔水层界面胶结强度主要因素有黏聚力、泥饼的含水率、颗粒密实程度、颗粒结构和矿物成分。因此,煤层气井型对隔水层界面胶结强度的影响较大,即若采用水平井开采煤层气,可能水窜问题更突出。

南海天然气水合物地层固井二界面胶结特性模拟

针对南海天然气水合物泥质粉砂地层松软且固结弱,固井胶结规律及界面损伤过程仍不清楚的问题,首先,制备南海天然气水合物模拟地层;其次,探讨水泥浆、地层类型和养护时间等对固井二界面胶结强度的影响规律;最后,利用内聚力模型模拟固井二界面黏性接触,并考虑水泥水化过程,建立固井二界面损伤分析模型,探究水合物固井二界面损伤规律。研究结果表明:水合物固井受泥质粉砂地层和低温影响,固井二界面胶结强度低且发展慢,水泥石与泥质粉砂地层难以形成有效胶结,固井封隔失效风险大,特别在低温、低密度水泥浆下更明显;固井候凝时间对固井封隔性能及井筒安全性的影响较大,水泥石需养护3 d以上,其强度、二界面胶结强度才会显著增加,固井封隔能力逐渐变好。为此,水合物固井在保证水泥浆低水化热前提下,水泥石还需要低温强度发展快而且强度高,保证固井界面封隔能力与水合物安全高效开采。

不同钻井液对固井二界面胶结强度的影响

钻井液不仅要满足钻井工程的要求,同时还必须有利于提高固井二界面胶结质量,但钻井液对固井二界面胶结强度的影响目前尚不明确。以井楼油田、温米油田和双江油田钻井液为研究对象,研究了3种钻井液对固井二界面胶结强度的影响,探讨了相应的影响机理。室内模拟实验结果表明,井楼油田钻井液的固井二界面胶结强度最大,温米油田钻井液次之,双江油田钻井液最小。XRD和SEM测试分析结果表明,在一定范围内,随着钻井液中黏土矿物的增加,固井二界面胶结强度有减小的趋势,钻屑含量的增加也不利于固井二界面的胶结,重晶石等加重材料对固井二界面胶结强度的改善并无明显作用。

LPS多元硅钻井液提高二界面胶结强度的研究

针对大庆油田三次加密区多压力层系薄油层、差油层的二界面固井质量问题,通过对井壁围岩、泥饼、水泥石的物理和化学结构、组成和成分的分析,研制出了一种多元硅界面增强剂LPS。LPS主要由硅醇、低分子量聚合物、有机成膜剂组成。以LPS为主要处理剂研制出一种新型钻井液体系。研究结果表明,LPS多元硅钻井液体系具有流变性合理、抑制性强、油气层保护性好、能够提高水泥环-泥饼-地层的胶结能力等优点。经5口三次加密调整井的现场试验证明,LPS多元硅钻井液对井壁有较好的稳定作用,在一定程度上抑制了泥岩地层造浆;该钻井液适合调整井高密度快速钻井,有效地提高了二界面胶结强度,利于提高二界面固井质量;钻井液性能优良,保护油气层效果好,井径扩大率较小,满足大庆油田加密调整井钻井要求。

提高水泥环第二界面胶结质量的固井技术

分析了苏北小油田固井水泥环第二界面胶结质量的影响因素，并从井眼准备和使用套管扶正器、泥饼刷、膨胀水泥、前置液等方面探讨了提高水泥环第二界面胶结质量问题。现场数十口井的应用表明，采用合理的固井技术措施后，该地区固井合格率达１００％、良好率达９０％以上，第二界面胶结质量合格率达７６％、良好率达４７％。

固井液与多功能钻井液泥饼整体固化胶结的可行性探讨

研究了MTC固井液和油井水泥浆固井液与多功能钻井液泥饼的胶结状况。试验结果表明,多功能钻井液泥饼的固化反应直接受到固井液水化反应机理和过程的控制。在MTC浆水化反应初期会产生大量发生水化反应必需的可溶性离子,这些可溶性离子渗透到多功能钻井液泥饼内部,为其提供了可激发水化反应的可溶性离子,从而实现了整体固化胶结;而在油井水泥浆与多功能钻井液泥饼的胶结试验中,能够渗透到泥饼内部的大多是Ca2+,而Ca2+离子极易和泥饼中的膨润土颗粒和处理剂发生絮凝反应,形成不会固化而且破坏胶结强度的絮凝产物,剩下的少量Ca(OH)2难以激活多功能钻井液泥饼的水化反应,因此整体固化胶结难以实现。要实现油井水泥浆固化体与多功能钻井液泥饼的整体固化胶结,应该对固井液体系进行必要的改进,使其在水化反应过程中产生的水溶性离子的种类和数量能够满足泥饼固化的需要;同时应该注意研究新的能够激发和促进泥饼固化水化反应的钻井液添加剂,对钻井液进行必要的改进。

固井用隔离液材料对界面胶结质量的影响

优良的固井界面胶结质量是防止环空气窜的关键性保障之一。围绕固井用隔离液研究存在的诸多技术难题,利用X衍射和扫描电镜测试等方法,开展了矿渣、重晶石等不同固相材料形成的隔离液对固井界面胶结质量的影响评价,并从界面胶结机理的角度,对不同材料影响的实质进行了分析。结果表明:含有矿渣类水硬性材料的前置液与钻井液的相容性良好,提高了固井二界面的胶结强度,而含有重晶石等惰性材料的前置液对界面胶结强度的提高作用不明显;含有矿渣类水硬性材料的前置液能够显著地抑制被前置液污染后水泥石抗压强度的衰退;在界面处矿渣类水硬性材料与水泥发生水化反应,降低了界面处氢氧化钙的含量,而且生成胶凝材料填充界面胶结的空隙,从而提高了界面胶结质量。研究结果为川渝油气田固井用隔离液的评价及优选提供了支撑,为固井质量的提高提供了重要参考。