油井水泥石在围压作用下的力学形变行为

目前在单轴条件下研究油井水泥石力学行为通常忽略了井下情况环境对水泥石力学行为的影响，认为凝固后的油井水泥石是非均质脆性体，且在受力超过水泥石屈服极限时瞬间脆裂将会引起井下水泥环层间密封性能失效，但水泥环在井下的实际力学形变能力却受到温度和压力的影响，笼统认为油井水泥石是单纯的脆性材料具有一定的片面性。针对此种情况进行了实验研究，采用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统RTR 100研究了油井水泥石在围压作用下的力学形变行为。实验结果表明，单轴受力下水泥石为典型的脆性材料特征，而围压作用下水泥石破坏前为一定的塑性形变行为，特别是在高围压作用下塑性形变效应更明显；在围压作用下油井水泥石为脆塑性材料力学形变特征。     

提高油井水泥环力学形变能力的途径及其作用机理研究

进行了油井水泥浆添加纤维、胶乳、弹性颗粒对油井水泥石单位弯曲形变量的影响实验,实验结果表明,纤维、胶乳、弹性颗粒能增加油井水泥石的力学形变能力.分析了纤维、胶乳、弹性颗粒增加油井水泥石力学形变能力的作用机理,以期指导固井作业水泥环耐久性设计,延长油井开采寿命.     

胶乳对水泥石三轴力学形变能力的作用

针对套管、水泥环、地层三者间形变不协调而引起油气井生产后期层间封隔失效的问题,采用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统RTR-100,准确地测定了在三轴应力直接加载及三轴应力多周循环两种加载方式下水泥石的力学形变能力。实验结果表明,水泥浆中添加一定量的SBR胶乳,在降低油井水泥石抗压强度的同时增大了油井水泥石在低应力作用下的弹性形变和在高应力下的塑性形变,提高水泥石抗冲击破坏的能力。     

橡胶粉对油井水泥石力学性能的影响

针对油井水泥环抗冲击能力差、层间封隔易失效等问题,系统研究了橡胶粉对油井水泥石力学性能的影响。采用表面活性剂对橡胶粉粒子表面进行亲水处理,解决了橡胶粉粒子在油井水泥浆中的憎水及团聚现象。力学性能测试表明,橡胶粉在油井水泥浆中应用的适宜粒径为0.15~0.18 mm,适宜的加量为2%,加量过大不利于水泥石抗压强度和抗折强度的发展。微观研究表明,橡胶粉粒子部分充填于空隙结构之中,部分充填于水泥晶体颗粒之间,有效增大了油井水泥石受压前期塑性变形能力和受压后期弹性变形能力,当水泥石受冲击力作用时,橡胶粉粒子发生弹性变形将产生力的缓冲并吸收冲击能,从而提高油井水泥石抗冲击破坏的能力。     

丁腈橡胶颗粒油井水泥石抗冲击力学性能与损伤特征

油井水泥是一种典型的脆性材料，提高水泥环韧性和降低水泥环脆性是目前的研究热点，在保证油气井安全生产的前提下还能延长油气井使用寿命。该研究将球形丁腈橡胶颗粒(Microsphere nitrile Rubber Powder,MRP)与不规则丁腈橡胶颗粒(Nitrile Rubber Powder,NRP)分别加入到油井水泥中，探讨其抗冲击力学性能与损伤特征。采用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar-SHPB)设备测试了不同体系水泥石的动态抗冲击性能，讨论了动态抗压强度、能量演化、损伤特征的变化规律。球形丁腈橡胶颗粒加量为6%的油井水泥石试样动态抗压强度可达（64.0±1.6）MPa，试样吸收能为39.93 J，吸能率可达49.91%；不规则丁腈橡胶颗粒加量为6%的油井水泥石试样动态抗压强度为（74.1±1.8） MPa，试样吸收能为46.56 J，吸能率可达58.20%。通过高速摄影和微观形貌发现，不规则丁腈橡胶颗粒与水泥基体间结合更加紧密，通过裂纹偏转机制提高阻裂能力，利于延长试样承载时间，加大载荷能量的消耗。     

吉木萨尔页岩油井水泥环性能评价

水力压裂技术是提高页岩油井产能的重要手段,压裂过程中固井水泥石力学行为对油气井安全和高效生产有重要影响。基于吉木萨尔地区固井水泥浆体系配方,设计了水泥试样养护模具及水泥胶结强度测试方案,养护了水泥石标准圆柱试样及水泥石胶结试样,开展了模拟井底条件下单/三轴压缩实验、循环加载实验以及胶结强度实验,探究了固井水泥石本体、胶结面损伤及破坏规律。研究结果表明：单轴压缩条件下,水泥石具有显著的弹脆特性,破坏时水泥本体形成宏观裂隙,水泥弹性模量均值为3.054 GPa,泊松比均值为0.127;三轴条件下水泥石强度及塑性特征得到增强;循环加载过程中,水泥石塑性变形存在双线性累积现象,塑性变形量与载荷峰值呈正相关,载荷峰值由22.7 MPa增至53.2 MPa时,循环20次后的塑性应变由0.24%增至2.46%;水泥胶结面为天然力学弱层,水泥石胶结强度小于1 MPa,远低于水泥石本体强度,是井筒密封失效的风险点位。     

水泥石耐久性的力学评价

以G级油井水泥石为研究对象,研究了油井水泥石耐久性的评价方法,为完善评价水泥石力学性能提供了理论依据。通过三轴力学测试仪进行了水泥石的长期强度和破碎能试验,并结合理论分 析,给出了长期强度和破碎能两个评价水泥石耐久性的重要参数。该研究只针对原浆水泥石进行了室内试验,并未对加入外加剂的水泥浆体系进行对比研究,下一步研究重点应放在加入何种外加剂能够 提高水泥石的耐久性上。     

硫化氢与硫酸腐蚀油井水泥石的对比

采用G级油井水泥净浆,从腐蚀前后水泥石抗压强度、水化产物中氢氧化钙含量、SEM微观结构特征和孔隙结构的变化等方面.进行了硫酸溶液和硫化氢对水泥石的腐蚀对比实验.结果表明,设计的常温常压的硫酸溶液腐蚀实验与标准的高温高压腐蚀实验有较好的相关性和可比性,而且硫酸溶液腐蚀实验能够更直观地反映出水泥石潜在的腐蚀因素.利用常温常压的硫酸溶液腐蚀实验能够作为油井水泥石腐蚀研究的前期实验和油井水泥石抗酸蚀的耐久性实验,对降低水泥石腐蚀实验成本和风险,提高实验效率,更好地开展油井水泥石完整性研究有重要的应用价值.     

油井水泥增韧剂BF的室内研究

针对油井水泥石固有的极限应变小，抗冲击性能差、脆性大的缺点，研究了以混合短纤维为主要成分的油井水泥增韧剂BF，并对加有BF增韧剂水泥浆的力学性能进行了系统评价，同时还考察了BF增韧剂与油井水泥降失水剂F17B及油井水泥减阻剂USZ的配伍性能，室内实验表明，BF增韧剂能使水泥浆的流动度减小，凝结时间延长，析水率和失水量减小，且BF增韧剂与外加剂USZ和F17B的配伍性良好；BF增韧剂能够显著提高水泥石试样的韧性，使水泥石韧性增长20％，有效降低射孔对水泥环的破坏，改善水泥石的力学性能，抗折强度增长幅度为16％－29％，抗冲击功增量为17％－64％，而且水泥石抗压强度均大于14MPa；BF增韧剂掺量小（2.6%），其增韧效果优于中国现有的油井水泥增塑剂S（掺量为4％）。     

基于水泥石力学形变特征的环空封隔失效分析与计算

固井水泥环的封隔失效主要由于水泥环的变形或破坏造成,如何预测和防止水泥环封隔失效是固井广泛关注的问题。针对这一问题,对固井水泥石的力学性能做了深入的实验研究,研究了油井水泥石的弹塑性形变与破碎形式,“压实”与“弹性滞后”效应,疲劳变形与疲劳破坏等,阐述了水泥石复杂的力学形变特征及其对封隔失效的影响。结合水泥石的力学特性,建立平面数学模型,计算水泥环在内压变化时的应力变化,推导第一界面微环隙大小的定量计算式,以YAn002-7井Φ177.8mm套管回接固井为实例进行计算,结果与实际测井数据相吻合。同时指出,研发结构致密、无“压实”效应、强而韧的新型固井水泥,有利于改善水泥环的封隔性能。     

油井水泥环降脆增韧作用机理研究

针对油井水泥环井下易脆裂问题,对脆性水泥环破坏的根本原因进行了研究.结果表明,水泥石内部化学键断裂导致内部裂缝的扩展是水泥环后期层间密封性能失效,并诱发环空窜流的主要原因之一.实验研究了外加剂及外掺料对油井水泥石脆性改善的微观作用机制,建立了包括结晶相、凝胶相、粒问充填及粒问搭桥在内的基质塑化设计模型.利用此设计模型开发了多元材料复合增韧水泥石,与常规水泥石相比,其力学形变完整性的保持能力有较大的提高,适应井下工况环境变化的能力得到增强,可满足油气井后期安全开发生产的需要.     

多尺度纤维韧性水泥浆体系研究与应用

针对油井水泥石脆性大、抗拉强度低、抗冲击和抗破裂性能差等问题,优选了3种不同尺度的无机纤维,并通过正交试验进行复配,形成了多尺度纤维增韧剂BCE-230S。考察了BCE-230S加量对水泥浆性能及对应水泥石力学性能的影响,确定了其最佳加量,形成了多尺度纤维韧性水泥浆体系。性能评价试验结果显示,与普通水泥石相比,多尺度纤维韧性水泥石的劈裂抗拉强度、抗压强度及抗冲击功显著提高,杨氏模量显著下降,且水泥浆性能良好。多尺度纤维韧性水泥浆体系在冀东油田低渗透油藏应用了10余井次,2个胶结面的胶结质量较邻井显著提高,后期压裂顺利,试油未见层间窜流。研究结果表明,多尺度纤维韧性水泥浆体系能够解决油井水泥石易脆裂的问题,可以保障井筒密封完整性和固井长期封固质量,具有广泛的应用前景。      

新型塑性添加剂在纤维水泥体系中基本性质研究与应用

在水泥中加入纤维材料，使水泥具有一定塑性是提高水泥石承受井下作用的较好方法。纤维水泥不仅能改善水泥石的微观结构，使得水泥浆体系具有较好的流动性、稳定性，而且对水泥石的抗压强度、抗拉强度、抗冲击强度、胶结强度及射孔时出现的裂纹现象都有所改善，并能保证水泥环与地层、套管间的良好胶结，提高了固井质量。文章通过对海泡石的各项实验研究及机理分析不难看出海泡石是石棉纤维等的理想天然替代产品，而且储量丰富，成本不高。     

自愈合水泥浆体系在四川地区的应用

针对油气井开发过程中水泥环受损产生裂缝而破坏固井封隔效果,以烃触发溶胀型聚合物为自愈合乳液粒子,形成自愈合水泥浆体系。结果表明,自愈合乳液粒子的粒径在200～250 nm,其加量为10%时水泥石吸油愈合效果及机械性能较佳;8 d内水泥石裂缝愈合率达70%～100%,2 d抗压强度为16.2 MPa,弹性模量为6 GPa;渗流实验结果表明,水泥石出现大于0.1 mm裂缝时,柴油气流速由9 g/min降至6 g/min,小于0.1 mm的裂缝时柴油流速由6 g/min可降低为0。说明自愈合水泥石一旦产生损伤,裂缝中渗入的油气分子使自愈合乳液粒子自发膨胀黏连并逐步修复闭合裂隙,裂缝越小自愈合效果越好,实现了水泥石自愈合修复功能。现场应用表明,该水泥浆体系固井质量优质率达到 88.9%,固井及压裂后技术套管均不带压,显示出良好的应用效果。      

固井用热固性树脂–镁氧水泥复合材料研究

常规油井水泥石脆性大、体积收缩幅度大,使水泥环胶结质量不高且在规模化压裂及生产时易破坏,从而导致油气井环空带压,为此优选了热固性树脂、镁氧水泥骨架材料和固化剂,研制了调凝剂,制备了热固性树脂–镁氧水泥复合材料。室内试验表明,该复合材料密度1.1～1.8 g/cm3,24 h抗压强度大于14.0 MPa,弹性模量2～4 GPa,能够承受70 MPa应力疲劳破坏,具有比油井水泥更好的抗破坏密封能力。现场试验结果表明,热固性树脂–镁氧水泥复合材料现场混配方便,与常规油井水泥固井设备和工艺完全兼容,具有良好的现场适用性和封固效果。研究认为,该复合材料不仅解决了油井水泥存在的问题,还可在油气层封堵、带压井治理及油气废弃井封井等方面替代油井水泥,为油气井的密封完整性提供技术保障。      

丁苯聚合物超细水泥的研究与应用

在油气田开发过程中,由于固井水泥石孔隙大,韧性差,在射孔及地层应力的作用下容易破裂,形成窜槽,造成油气上窜,浪费了油气资源,严重影响了油气井的正常生产。减少固井水泥石的孔隙,提高韧性,将极大增强固井水泥石的防气窜能力。室内实验表明超细水泥与丁苯聚合物有较好的配伍性,在超细水泥中加入丁苯聚合物,有效地减少了固井水泥石的孔隙,提高了韧性。在现场成功应用丁苯聚合物超细水泥。     

压痕法评价煤层气井固井水泥石断裂力学性质

深部煤层气井高压注入压裂、水平井分段压裂、CO₂地质封存等复杂工况对井筒环空封隔能力提出了更高的要求。为了探究煤层气井固井水泥石本体破坏原貌特征、水泥石断裂力学性质对环空封隔失效的影响,通过实地解剖沁水盆地晋城矿区煤层气井的固井情况,基本查明了煤层气井井筒环空水泥环的破坏情况,并利用压痕法(IM)对该矿区煤层气井固井水泥石原样进行维氏硬度、断裂韧度的实验测试,研究其在不同载荷下的变化规律。研究结果表明:①该区煤层气井井筒封隔失效的主要形式包括固井水泥环的第一、第二界面的开裂形成流体通道,以及水泥环本体脆性断裂形成高角度垂向裂缝和断块体;②水泥石的高脆性导致硬度随载荷增加先降低再升高,现用固井水泥浆体系的高脆性是其在射孔、压裂环节封隔失效的关键内在因素;③断裂韧度随着载荷的增大逐渐升高,后期维持在0.71 MPa·m^1/2,抗裂性能较差;④射孔冲击在水泥石中形成辐射裂纹,压裂期间高压流体的挤注导致射孔辐射裂纹失稳扩展并形成垂向裂缝窜槽和断块。结论认为,采用抗冲击型高韧性复合水泥可以控制射孔阶段固井水泥石的辐射裂纹尺寸,有利于防止煤层气井井筒环空...     

垦东油田固井水泥浆技术

胜利垦东油田地层压力系数低,一般为0.9～1.0,600～700 m井段间还有浅气层,要求水泥浆返至地面,固井面临着封固段长、水泥用量大、易漏失憋泵、地温梯度低、水泥石强度发展慢、施工压力高、油气水易侵入造成窜槽等难题.该区块2003年固井30口(其中5口井经补救合格),合格率为93.3%,优质率为60%,固井质量严重威胁着油田的合理开采和产能建设.经室内实验研究和分析对比,优选出了水泥浆配方,并采取了相应的技术措施.现场应用表明,优选出的水泥添加剂相容性好,配伍性强,浆体性能优良,能防止对油层的污染,延长油井寿命;水泥石的渗透率低、强度高、韧性强,大大提高了固井优质率,现场固井20口,合格率达100%,优质率为80%.     

储气库固井用油井水泥增韧材料的优选与应用

针对储气库生产对水泥石韧性的特殊要求,优选了粒径为0.15~0.18 mm经表面改性的橡胶粉作为弹性材料,聚丙烯纤维作为增韧材料,通过实验确定弹性材料和增韧材料的最佳加量分别为3.0%和0.1%,并配合使用PVA胶乳类降失水剂,改善水泥石脆性,提高耐冲击能力及抗折能力,满足水泥环频繁高压注采条件下的长期密封性。综合评价了增韧水泥石的弹性模量、抗折强度、抗压及胶结强度、渗透率及应力条件下水泥环密封性,与净浆水泥石相比,弹性模量降低了43%,抗折强度增加了84.6%,渗透率小于0.05 mD,能够满足35 MPa压力、35℃温差下的水泥环密封性要求,适用于储气库固井。