老井封堵段水泥塞-地层界面剥离失效数值模拟

受限于套管直径小、套管连接螺纹不具备气密封性等因素,老井无法直接转为储气库注采气井,因此老井井筒必须进行封堵改造,并保障封堵的有效性。以河南叶县储气库某老井为例,根据地层岩性、井径情况,确定了老井段铣封堵层位,建立了基于内聚力模型单元(Cohesive)方法的盐穴储气库段铣封堵老井水泥塞-地层系统三维有限元模型,明确了储气库定压条件下水泥塞-地层界面剥离失效规律,得到了界面的极限剥离长度。研究表明:对于无射孔段老井,为防止天然气在纵向、横向上的泄漏,需要在盖层段和盐层段分别建立水泥塞屏障体;储气库压力恒定20 MPa条件下,水泥塞底部受压后会发生一定程度微小形变,致使水泥塞-地层胶结界面产生剪切方向变形,累计到一定程度后即发生剥离;随着模拟时间增加,剥离段长度逐渐增加并趋于稳定,极限剥离失效长度为18.4 m;水泥塞-地层界面剥离失效长度随水泥塞弹性模量的增大而降低,建议使用高弹模水泥浆体系进行井筒封堵作业。研究结果有助于判断现场老井段铣封堵长度是否足够,为保障储气库长久安全运行提供理论指导。

水泥-沥青复合材料界面微结构特征和力学性能研究方法综述

水泥-沥青复合材料(Asphalt-Cement Composite Material,ACCM)是由水泥与沥青复合制成的一种具有强承载能力和抗变形能力的新型复合材料,其在长期荷载与高温条件下具有优异的稳定性与耐久性,具有绿色、环保及经济效益高的优点,被广泛应用于公路、桥梁与铁路工程。前期大量研究表明:界面过渡区(Interface Transition Zone,ITZ)对复合材料的力学性能、耐久性能等起着十分重要的作用,水泥-沥青界面过渡区是复合材料损伤、断裂最先发生的区域。研究对水泥与沥青复合材料界面调控与宏观力学性能提升理论进行了系统性综述,总结了水泥基材料与沥青基材料ITZ形成机制与理论,对比探讨了ITZ微结构特征表征方法及评价指标,探究了ITZ宏-微观力学性能的研究思路、试验方法及适用范围,以期为水泥-沥青ITZ微结构特征、宏-微观力学性能的研究提供借鉴作用。

裸眼临时弃置井水泥塞-地层界面剥离数值模拟

地层流体沿水泥塞-地层界面运移并泄漏至地面会影响裸眼临时弃置井井筒密封完整性。为此,建立基于Cohesive单元方法的水泥塞-地层系统三维有限元模型,模拟水泥塞-地层界面裂缝的萌生及扩展过程,并与现有微环隙计算模型进行对比以验证模型的可靠性。定量分析了水泥塞-地层界面剥离过程中裂缝发展形态、裂缝扩展压力和裂缝剥离高度的变化,并对水泥塞力学参数、界面胶结强度及水平地应力差进行了敏感性研究。研究结果表明:较大的界面胶结强度和较高的水泥塞弹性模量有益于增大水泥塞-地层界面裂缝扩展压力,降低裂缝剥离高度,减小界面剥离失效的风险;在非均匀水平地应力条件下,地应力差越大,界面越容易剥离;水泥塞泊松比对裂缝扩展压力及剥离高度影响较小。研究结果为预测水泥塞-地层界面剥离导致的裸眼临时弃置井井筒密封完整性失效提供了有效方法。

AMK-2000M固井质量评价技术在川渝气田的应用

AMK-2000M仪器由声波MAK-9M和伽马密度SGDT-100M组成,利用专用软件gperd处理其测井资料,可对固井质量进行精细评价;针对川渝气田几口井的固井质量评价中所存在的多解性问题,利用AMK-2000M测井资料评价套管的偏心率、环空充填介质的水泥环密度、套管厚度及扶正器的位置、识别水泥环微间隙、评价快速地层、结合MID-K及MIT-60资料识别套管体积缺陷,取得了良好的应用效果,该评价技术值得推广应用。

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。

水基钻井液泥饼增强剂及作用机理研究

非常规致密油藏的开采,一般采用水平井固井后,射孔加大型压裂的完井工艺。其中,固井质量至关重要,直接影响到后期压裂的效果。目前,水平井的固井质量普遍不高,主要原因之一就是存在固井弱界面现象。针对上述问题,本文研发了一种泥饼增强剂,利用冲击试验评价了泥饼增强剂对聚合物钻井液的泥饼增强效果,分析了其作用机理。结果表明,在钻井液中加入0.7%~1.0%的泥饼增强剂后,泥饼强度增大到原强度的29~33倍、厚度减小37%~39%、韧性增加15%~17%。现场试验表明,使用泥饼增强剂后,固井界面胶结质量中等以上占比提升32%,泥饼增强剂具有良好的泥饼性能改善效果,可有效提高水平井固井质量。

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。

定量评价固井Ⅱ界面胶结质量的方法研究

声幅 -变密度测井技术可以有效地评价固井Ⅰ界面 (套管和水泥环 )的胶结质量 ,但对固井Ⅱ界面 (水泥环和地层 )胶结质量的评价方法研究还不够完善。结合现场固井资料对比分析了前人评价Ⅱ界面胶结质量的方法 ,在此基础上提出一种简单、有效的方法定量评价固井Ⅱ界面胶结质量。该方法利用裸眼井声波时差和井径资料估计变密度波列中的地层波到达时间 ,并以该时刻为起点开窗 ;然后对时窗内的波形作快速傅立叶变换 ,在频域内求地层波能量。这样消除了高频的套管波和噪声的影响 ,获得了准确的地层波能量。考虑到地层声衰减的影响 ,定义了更合理的Ⅱ界面胶结指数。给出了用该方法处理现场固井资料的例子。

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。

油井水泥浆与多功能钻井液泥饼界面离子扩散阻碍机理

对泥浆转化为水泥浆(MTC)固井液水化离子可扩散进入多功能钻井液泥饼的机理已有研究,但对油井水泥浆水化离子不能扩散运移进入多功能钻井液泥饼的机理尚未清楚。采用离子色谱仪、原子吸收分光光度计和X射线衍射仪,从油井水泥浆与MTC固井液离子组成的差异性入手,对油井水泥水化离子向多功能钻井液泥饼扩散运移的阻碍机理进行了研究。结果表明,油井水泥浆中Ca2+的质量分数远远大于MTC固井液中Ca2+的质量分数,在油井水泥与多功能钻井液泥饼界面生成了CaCO3、CaSO4和Ca(OH)2,而MTC固井液中Na+的质量分数则大于油井水泥浆中Na+的质量分数;Na+可改变泥饼中活性颗粒表面的ζ电位和破坏钻井液有机处理剂表面形成的水膜是MTC固井液中水化离子能扩散运移进入多功能钻井液泥饼的主要原因,而在油井水泥与多功能钻井液泥饼界面生成的CaCO3、CaSO4和Ca(OH)2沉淀堵塞孔道则是油井水泥浆水化离子不能扩散运移进入多功能钻井液泥饼的主要机理。

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。

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。

裸眼时差与变密度测井地层波能量相结合改进固井Ⅱ界面评价

固井Ⅱ界面胶结情况直接影响生产井中油、水层的窜通,是固井质量检测的重要环节。利用裸眼井声波时差资料计算出变密度波列中的地层波波至,结合现场变密度资料在频域内对地层波能量进行了准确求取,并对固井Ⅱ界面进行了评价。结果表明,固井Ⅰ、Ⅱ界面水泥完全胶结时,地层波能量和声波时差存在一定的指数关系。在此基础上考虑地层声速参数对地层波能量的影响,特别是快、慢地层对Ⅱ界面评价的影响,给出了一种新的主要反映水泥胶结质量的Ⅱ界面胶结指数的定义。评价结果表明,新的胶结指数曲线在固井Ⅱ界面胶结良好井段相对较平滑且数值接近于1,基本能够消除地层声速对Ⅱ界面胶结质量的影响,进而改进了固井Ⅱ界面的评价质量。

泥饼质量改进剂及其对固井质量的影响

以增强油井固井界面胶结强度,提高固井质量为目的,从增强泥饼的强度、减小泥饼厚度、提高泥饼与固井水泥浆胶结力的角度出发,研制了一种新型的泥饼质量改进剂EA,考察了EA对固井界面胶结强度的增强效果,分析了EA的界面胶结增强机理。EA由磷酸钙矿物纤维、金红石粉和磺化丹宁组成,通过网状支撑和诱导作用增强泥饼强度,通过表面活性和静电排斥作用减薄泥饼厚度。将EA以1%的比例加入到钻井液中,泥饼强度和模拟固井二界面的胶结强度分别提高到原强度的19倍和8.5倍,油田现场应用结果表明油井的平均固井优质率可提高30%。

基于声波变密度测井的固井质量综合评价方法

声波变密度测井作为评价固井质量的主要方法,可以提供第一和第二界面的水泥胶结质量状况.通过从变密度波形中提取套管波和地层波幅度(或能量)值,计算第一和第二界面的水泥胶结指数,用于评价第一和第二界面固井质量.由于地层波在传播过程中受影响因素较多,在使用地层波评价第二界面时需要进行衰减校正、干扰校正等常规处理.在此基础上,提出对地层波幅度进行声阻抗差校正,使最终获得的地层波幅度变化主要反映第二界面水泥胶结状况.同时,分析了微间隙在声幅曲线上的特征.实际资料分析取得了良好的效果.

滤饼固化剂在元页HF←1井的应用

为了提高页岩气井的固井质量,在元页HF1井244.5mm套管固井时试验应用了滤饼固化剂。采用元页HF-1井实际使用的钻井液和水泥浆,根据自主建立的固井第二界面胶结强度评价方法,评价了GJ-Ⅰ型滤饼固化剂和GJ-Ⅱ型滤饼固化剂对固井第二界面胶结强度的作用效果。评价结果表明,在分别养护3,7,15和30d的条件下,采用滤饼固化剂的固井第二界面胶结强度比常规固井第二界面胶结强度分别提高了629.03%,222.37%,241.43%和273.33%。现场固井试验后的声幅-变密度测井结果表明,封固段相对声幅值≤15%的井段占全井段的93.49%,固井质量为优质。研究表明,滤饼固化剂可大幅度提高页岩气井固井第二界面胶结强度,可提高页岩气井的固井质量。

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。

减弱泥饼对二界面胶结质量影响的方法与技术

钻井液上返时会在井壁发生滤失形成泥饼,虽然在固井前会对井壁进行冲刷,但仍无法完全清除井壁上的泥饼。泥饼强度低,与水泥浆相容性差,固化时会收缩并产生裂缝,导致固井二界面胶结质量差,使固井质量达不到要求,产生油气井窜流等现象。为了减弱泥饼对二界面胶结强度的影响,相继提出了MTC、MTA等方法,通过消除井壁的泥饼及在钻井液中加入添加剂改善泥饼的强度、韧性、致密度等方面来提高固井质量。综述了这些技术和方法的原理、应用情况及发展方向。

MTA凝饼形成剂低温稳定性能的研究

MTA凝饼形成剂在低温环境中出现的析晶现象给MTA方法的推广和应用提出了新的挑战,充分认识MTA凝饼形成剂的低温稳定性能具有重要的理论意义和使用价值。通过单因素析晶对比试验可知,温度降低是溶质析晶出现的主要原因。通过离子色谱(IC)测试分析析晶前后阴离子浓度(主要是Cl-、NO3-、SO42-)的变化,确定析出的晶体为十水硫酸钠。研究发现,GA-ⅠA溶液中同时存在同离子效应和氢键作用,其中同离子效应不利于硫酸钠溶液的稳定,而氢键作用则可以促进硫酸钠溶液的稳定,在一定条件下,两者相互作用处于一个动态平衡,共同影响MTA凝饼形成剂的低温稳定性能。