致密油藏超长水平井固井水泥石力学性能评价

准格尔盆地吉木萨尔致密油储层具有特低渗、层厚、砂泥岩薄互层发育等特点,采用超长水平井开发,必须对超长水平井段射孔及多级压裂才能实现商业化开采。超长水平井射孔及多级压裂对水泥石完整性会造成不可逆破坏、存在层间窜流风险。因此,研制了韧性膨胀防窜水泥浆体系,并结合力学软件和室内实验,优化水泥浆的防窜性能和水泥石抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数。结果表明:优化后的水泥浆体系具有较强的防窜性能,静胶凝值从0 Pa上升至200 Pa,时间为3.5 min;水泥石膨胀率达1.4%,可较好解决微环空问题;水泥石抗压强度38.6 MPa,抗拉强度4.25 MPa,弹性模量3 616.0MPa,泊松比0.37。与常规水泥石相比,优化后的水泥浆体系和水泥石性能既能够确保超长水平井的固井质量,同时又能满足压裂施工后水泥石完整性和封隔性要求。     

低温高强韧性水泥浆在致密油水平井的应用

长庆油田致密油延长组油层埋藏浅,井底静止温度低,常规水泥石强度发展慢、脆性强,大型体积压裂易导致水泥环密封完整性破坏,严重威胁致密油开采和油井寿命。针对以上难题,优选了低温促凝早强剂DRA、低温增强材料DRB和膨胀增韧材料DRE-300S,并结合配套固井外加剂,开发了综合性能良好的低温高强韧性水泥浆体系。该水泥浆体系在55℃条件下,24h抗压强度达到35.8 MPa,168 h抗压强度为50.6 MPa,抗压强度较常规体系提高了33.1%,弹性模量降低了14.3%,表现出良好的低温高强韧性特性,增强了水泥环在交变应力作用下的密封完整性。该体系在长庆致密油水平井φ139.7mm生产套管固井中进行了4次现场应用,现场应用效果良好,为低温高强韧性水泥浆体系的推广应用奠定了技术基础。      

威远区块页岩气水平井固井技术难点及其对策

针对四川盆地威远一长宁国家级页岩示范区威远区块页岩气水平井固井中所面临的油基钻井液与水泥浆不相容、高密度油基钻井液驱替困难、水泥环在大型体积压裂条件下易破坏等问题,有针对性地开展了水泥环密封力学参数理论依据、保证界面胶结的驱油前置液、满足压裂条件的韧性水泥石和有利于井筒密封的固井工艺技术等研究,取得了如下成果:①建立了考虑水泥环塑性特征及界面胶结强度的水泥环密封完整性理论模型,可指导页岩气水平井水泥石力学性能设计,减小微间隙的发生;②开发了驱油前置液,其对油基钻井液的冲洗效率超过90%且与油基钻井液及水泥浆相容性好;③根据水泥环密封完整性理论模型所开发的韧性水泥石,在保证相对较高抗压强度的同时杨氏模量降低30%;④确定了清水顶替等适用于页岩气井的固井技术,有利于保证井筒的密封性能。该研究成果应用于现场的12口井,水平段平均固井优质率达到92%,后期压裂效果良好,有效地保证了井筒的密封完整性,为页岩气高效开发提供了技术支撑。     

利用预应力固井方法预防水泥环微环隙研究

深层页岩气水平井环空带压问题较为普遍,套管-水泥环界面处微环隙是导致环空带压的主要原因。针对该问题,运用力学实验手段和数值模拟方法,分析了预应力固井条件下微环隙的产生与发展,明确了不同预应力条件下水泥环耐受压裂段数。结果表明:套管内压越小,水泥环保证密封完整性时可承受的循环载荷次数越多;循环载荷作用下微环隙宽度为30.89μm是发生气窜的临界值。预应力固井显著降低了初次塑性变形量,增大了塑性变形增量;考虑预应力作用下套管产生的径向预应变,预应力固井技术显著降低了微环隙的宽度,增加了多级压裂过程中水泥环密封完整性的耐受压裂段数。预应力值越高,微环隙出现前的耐受压裂段数越多;压裂段数相同的情况下,预应力越大水泥环微环隙越小。现场应用结果表明,采用预应力固井技术及低弹性模量水泥浆,可以有效缓解深层页岩气水平井套管环空带压现象。研究结果可为页岩气水平井固井提供技术支持。     

泾河油田水平井固井难点与对策研究

泾河油田地层承压能力低,固井过程中易发生水泥浆漏失,导致水平井固井质量较差。在分析固井技术难点的基础上,通过室内和现场试验优化了GSJ水泥浆体系,基于地层压力与破裂压力确定了环空浆体结构,优选了扶正器类型并优化了其加放位置,采用了加长胶塞、树脂滚轮刚性旋流扶正器和关井阀等工具,并采用"紊流+塞流"复合顶替工艺,以降低漏失风险、提高固井质量。室内试验表明,GSJ水泥浆体系具有良好的性能,尾浆API滤失量小于20 mL,过渡时间15 min,水泥石12 h抗压强度达19.0 MPa,模拟套管居中度大于72.5%。该固井技术在泾河油田18口水平井进行了现场应用,水泥浆全部返至地面,固井优良率达100%。现场应用表明,该固井技术解决了泾河油田水平井固井难题,提高了固井质量,为后期分段压裂提供了良好的井筒条件。      

缝网压裂技术研究

针对目前延长油田密油开发存在的问题,并借鉴国内外同类油藏的开发经验,提出了采用水平井缝网压裂工艺技术来开发延长油田致密油藏。从地质条件出发研究了缝网压裂技术在延长油田的适应性,通过研究缝网压裂的机理,建立一套缝网压裂选井选层的技术方法,并完善了缝网压裂相关配套技术,形成一套适应于延长油田的缝网压裂工艺技术体系,以解决致密油缝网压裂面临的选井、设计、实施和评价等方面的技术难题。     

深层页岩气井高强度弹韧性水泥石力学性能研究

深层页岩气破裂压力高,压裂荷载大,分析认为在压裂荷载下水泥环可能发生界面胶结破坏和拉伸破坏。为了满足深层页岩气井在高压裂施工荷载下水泥环的密封完整性,需形成高强度弹韧性水泥石。在水泥浆中掺入弹性粒子、纳米硅灰和晶须,测试了水泥石的力学性能和微观结构。弹性粒子改善了水泥石的脆性,降低了水泥石的弹性模量;纳米硅灰填充水泥石中的孔隙,显著增加水泥石的抗压强度;长径比较大的晶须阻碍微裂缝的发展,起到桥链作用,提高水泥石的抗拉强度。三者复掺形成了弹性模量低且强度高的水泥石,有利于水泥环长期密封完整性。     

页岩气小井眼水平井纳米增韧水泥浆固井技术

为了提高页岩气小井眼水平井固井质量,保证水泥环压裂封隔效果及压裂后的完整性,研究了纳米增韧水泥浆及其配套技术。采用纤维复配碳纳米管,研制了纳米增韧水泥浆,其形成的水泥石具有低模量、高抗拉的特点。与常规水泥石相比,纳米增韧水泥石的弹性模量降低50.9%,抗压强度提高28.1%,抗拉强度最高可达5.2 MPa。同时,研究了配套的碳纳米管三级混配工艺,解决了大剂量纳米材料易缠绕、难分散的问题,首次实现了碳纳米管水泥浆的现场应用。纳米增韧水泥浆固井试验结果表明,水平段固井质量合格率达98%;采用微地震井中监测技术评价了纳米增韧水泥环封隔效果,压裂过程中设计外区域的微地震事件为0,表明纳米增韧水泥环封隔良好。研究表明,纳米增韧水泥浆可为页岩气高效低成本开发提供技术支撑。     

水泥石力学性能对井筒密封完整性的影响

长庆油田延长组致密油层物性差,孔隙度和渗透率低,开采难度较大,需采用大型压裂技术才能获得产能。在水力压裂的过程中,存在井筒完整性失效的风险。针对这一问题,探讨了井筒完整性的失效模式,建立了考虑套管、水泥环和地层相互作用的弹塑性有限元力学模型,分析了水泥石弹性模量、屈服强度对组合体密封完整性的影响。结果表明,水泥石的弹性模量较小时,变形能力强,载荷作用下不易于产生硬性压碎破坏,卸载后界面也不易撕开;水泥石屈服强度越高,卸载后界面抗撕裂能力越好,同时水泥环承受的荷载也越高。指出,除水泥环本身的性能外,地层的力学性质、套管尺寸等参数对井筒完整性也有重要影响,尚需进一步深入研究。对于长庆油田延长组致密油水平井,水泥石抗压强度为26 MPa、弹性模量为7.2 GPa、屈服强度为13 MPa的组合可满足施工及生产要求。采用长庆油田合平4井的现场工程数据,通过建立的有限元模型对该井进行井口试压及水力压裂过程中的密封完整性校核,结果表明,采用韧性改造的水泥浆性能满足施工及生产要求。     

抗高温弹韧性水泥浆体系优化研究

在顺北区块和塔中北坡勘探开发过程中,面临着传统水泥石硬脆性明显,在压裂施工中易出现环空微间隙,破坏水泥环完整性的问题。通过理论分析及实验研究,研发了水泥石弹韧性改性新方法,由传统技术的材料高性能发展为结构高性能,通过亲水改性的聚氟胶粉改善水泥石的弹性,有机、无机纤维协同作用增加水泥石的韧性,纳米二氧化硅改善水泥石微观结构增加强度,研发了抗高温弹韧剂,其耐温大于150 ℃,能降低水泥石弹性模量达37.13%,同时保持水泥石具有较高强度,并且具有较好的经济性。以高温弹韧剂为关键,通过评价配套的高温固井外加剂,开发出一套性能良好的高温弹韧性水泥浆体系,体系流变性良好、稠化时间合理、API失水量为45 mL,水泥石弹性模量为6.089 GPa、抗压强度大于30 MPa,满足固井施工要求,为高温高强高韧性水泥浆体系的推广应用奠定了基础。      

胜利油田沙河街组页岩油水平井固井技术

胜利油田沙河街组页岩油水平井固井时存在套管居中和安全下入难度大、水泥浆性能要求高和油基钻井液驱替困难等技术难点,为此研发了两亲冲洗隔离液体系、优选纤维膨胀水泥浆体系和塑性胶乳防窜水泥浆体系,并采取应用整体式弹性套管扶正器、偏心导向引鞋、漂浮顶替技术和环空加压等固井技术措施,初步形成了胜利油田沙河街组页岩油水平井固井技术...     

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、CO_2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封隔失效。     

四川盆地页岩气水平井B环空带压原因分析与对策

四川盆地页岩气井环空带压井比例较高,对气藏高效开发和气井井筒完整性带来了挑战。通过对国内页岩气开发区块环空带压实际情况的具体分析,运用同位分析方法确定气体来源,采用物理模拟试验方法开展页岩气井环空带压机理研究,明确了不同水泥浆体系下压裂过程中水泥环密封失效规律,形成了改善水泥环密封性能、缓解分段压裂井环空带压现象的关键技术:在浆柱结构完全满足密封要求的基础上,利用相间填充技术和降低水泥石孔隙度方法,开发出低孔隙度低弹性模量水泥浆体系,弹性模量低至4.2 GPa,相比常规水泥石35%的孔隙度,孔隙度降低27.1%,水泥石弹性变形能力大幅提升。现场5口井的应用实践证明,固井质量优质率达到100%,且未发生环空带压现象,对环空带压的控制具有良好的借鉴作用。     

长庆致密气藏水泥环完整性分析

长庆致密油气藏的压裂压力较高,对水泥环力学性能提出较高要求,通过建立的套管-水泥环-地层组合体模型和组合体密封性能评价方法（密封安全系数法）,对长庆一种典型井身结构（φ152.4 mm井眼φ114.3 mm套管）进行水泥环完整性分析。结合现场数据分析认为:①随着水泥环弹性模量的降低,水泥环的受力明显降低,安全系数明显增大;②随着压裂压力的升高,安全系数降低;③随着水泥体积收缩率的增大,水泥环的安全系数显著降低。根据该井计算结果,提出了水平段保障密封的水泥力学性能需求,该项研究成果可为长庆致密气藏或类似区块固井水泥环完整性提供理论支持。      

抑制油井层间水窜的固井技术探析

油井存在油水互层时,油层和水层间具有良好的封隔效果是延长油井见水期的方法之一。Ｘ井位于新疆油田准噶尔盆地西北缘,其目的层石炭系地层裂缝发育、油水层交错且受边底水及注水井等因素的影响,油井完井投产后油井含水率上升快并形成水淹,油井产能迅速下降。为保证完井后水层和油层间的水泥石仍然具有良好的封隔效果,采用韧性膨胀防窜水泥浆体系进行固井。文章在室内测试了该水泥浆体系的密度、流变性和失水量等基本属性,并结合力学软件和室内试验,优化水泥石的力学参数。现场应用表明,该体系既能够确保油井的固井质量,同时又能满足完井施工后水泥石完整性和封隔性要求,具有良好的防窜性能,满足封隔油井层间水窜的要求。Ｘ井固井作业的成功为同类井确保完井后水泥石力学完整性提供借鉴。     

致密气藏超长水平段低摩阻水泥浆固井技术

长庆油田致密气藏超长水平段固井,存在裸眼段长、环空间隙小、流动摩阻压耗大和施工压力高,易发生漏失造成固井质量差和后期环空带压等一系列复杂问题,严重影响后续开采和单井产量。为此开发了低摩阻低密度水泥浆和低摩阻高强韧性水泥浆,来提高水泥浆的流动性,降低流动摩阻压耗、施工压力和漏失风险。低摩阻低密度水泥浆采用耐压性能优良的空心玻璃微珠做为主要减轻材料,提高体系的耐压性能,入井后保持较高的结构圆整度,有效降低摩阻压耗。低摩阻高强韧性水泥浆在常规高强韧性水泥浆的基础上,引入实心玻璃微珠和复合高效增强剂,在保证水泥石力学性能的基础上,提高了水泥浆的流动性能,降低了水泥浆的摩阻压耗。室内模拟实验表明,低摩阻低密度水泥浆较常规低密度水泥浆范宁摩阻系数由0.0593降低至0.0295,降低50.25%;低摩阻高强韧性水泥浆较常规高强韧性水泥浆摩阻系数由0.070降低至0.0414,降低40.86%。前期先导性试验应用表明,使用低摩阻水泥浆摩阻压耗降低明显,有效降低施工压力。采用低摩阻水泥浆并进行低摩阻高强韧性水泥浆分段梯度携砂设计,助力致密气藏5256 m超长水平段固井施工顺利完成,固井质量合格,为长庆致密气藏超长水平段固井提供有力的技术支撑。