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.     

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。     

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.分析其根本原困在于,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.     

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。     

高酸性气体对硫铝酸盐水泥石腐蚀作用机理

为了研究硫铝酸盐水泥石在含有H₂S的高酸性环境的性能变化及腐蚀机理,采用氮吸附比表面积及孔径分析测试仪(BET和BJH方法)测试了腐蚀前后水泥石比表面积和孔隙结构变化,利用X射线衍射仪(XRD)和热分析仪(TG/DTG)分析了腐蚀前后水泥石水化产物的变化,采用扫描电子显微镜(SEM)观察对比了腐蚀前后水泥石水化产物微观形貌的变化。结果表明：SAC在60℃时强度发展较好,60℃腐蚀14 d后水泥石主要产物为AFt,90℃腐蚀14 d后主要生成物是CaSO₄·2 H₂O;水泥石被H₂S腐蚀后会产生明显的分层现象,外层最先被腐蚀,内层会由于膨胀作用出现短期内的强度提高;H₂S的腐蚀机理为水泥水化产物中的C-S-H和CH分别与H₂S发生反应,生成具有膨胀性的AFt和CaSO₄·2 H₂O,进而使水泥石产生裂纹,导致抗压强度下降。研究结果为硫铝酸盐水泥在高含硫油气井的固井应用提供了一定的实验及理论基础。     

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°~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。     

固井水泥界面胶结强度评价技术及在沈家铺油田的应用

针对大港油田目前固井界面胶结质量差、配套工艺针对性不强的现状,研制了水泥胶结强度评价装置,通过对高温高压养护后的水泥与胶结面剪切应力的采集,定量计算水泥与界面的剪切强度,定性评价固井水泥与井壁的胶结强度。利用该方法评价了YX-1等四种水泥浆在不同钻井液、不同冲洗液,以及地层水影响条件下的界面胶结强度,依据实验结果优选了水泥浆体系及制定了针对性的配套措施。现场24口井的应用表明,水泥界面胶结质量大幅提升,固井质量优质率提高了41.6%。     

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。     

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。     

固井水泥环界面胶结强度实验研究

目前大庆油田开采已指向薄油层,要求薄层固井水泥环有很高的封窜能力。为此,笔者进行了水泥环界面胶结强度实验研究,探索了水泥环界面胶结强度发展规律,并找出了胶结强度与水泥表观体积的胀缩特性及水泥水化热效应之间的内在联系。本文在进行大量实验分析的基础上,找出了提高第一界面和第二界面胶结强度的途径,对提高大庆薄油层固井质量有指导意义。     

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。     

提高水泥环二界面胶结质量方法的探讨

通过控制钻井措施、钻井液和前置液以及固井液性能,保证井身质量、井眼轨迹平滑、顶替效率高、固化井壁泥饼等,可以达到提高二界面胶结质量的目的.在钻井措施方面:直井段要防斜打直,造斜段要增斜平稳,避免井斜度大于5°/30 m以及狗腿度大于3°/10 m,使井眼轨迹平滑;使用近平衡技术钻井,并控制滤失量小于5 mL,保证井壁稳定.在钻井液方面:建议使用聚合醇-正电胶钻井液,因为该体系有很好的抑制防塌性和较强的降滤失性,能很好地防止缩径、垮塌掉块.固井方面:在固井前使用表面活性剂使井壁润湿反转;通过加双弓弹簧扶正器提高套管居中度;在下完套管大排量循环时及在固井时均要上下活动套管;用冲洗液 CMC溶液 药水作为前置液,该前置液对井壁疏松泥饼具有一定的浸透力,将前置液与地层的接触时间提高到7 min以上;在固井液中加入PZW增强剂,使水泥浆直角稠化,并要求矿渣浆凝结顺序为从下到上和保持正压差.通过实施以上几个方面的措施,收到了良好的效果,VDL电测显示第二界面合格率达100%.     

水泥环对套管射孔后抗挤毁强度的影响

建立了未射孔套管、不带水泥环射孔套管、外裹水泥环套管的有限元分析模型,对这3种情况下套管的抗挤毁强度进行了对比分析。得出如下重要结论(1)射孔使套管抗挤毁强度显著降低,降低幅度为29%;(2)固结良好的水泥环对于加强射孔套管强度有明显作用,使射孔套管的抗挤毁强度提高188%;(3)水泥环不能抵消射孔对套管抗挤毁强度的伤害,外裹固结良好水泥环的套管,射孔后其抗挤毁强度与无孔套管相比下降156%。     

地层和水泥环弹性模量对套管强度的影响分析

以地层-水泥环-套管组合系统为研究对象,根据弹性力学理论,推导了热应力和非均匀地应力作用下套管壁上的三轴应力计算公式,并研究了热采井和常规非热采井中不同地层、水泥环弹性模量对套管强度的影响规律。研究结果表明,随着水泥环弹性模量的增加,套管内壁Mises应力先急剧增加,后呈缓慢下降趋势;在套管Mises应力达到最大值之前,降低水泥环的弹性模量,可以对套管起到明显的保护作用,这一点对于热采井注汽期间的套管保护效果更加显著;地层弹性模量越大,常规井中套管内壁的Mises应力值越小,而热采井注汽过程中套管内壁的Mi-ses应力值则越大。     

水泥环对套管强度影响的理论和试验研究

针对有关水泥封固质量是否对套管柱强度有帮助作用的讨论 ,采用弹性力学分析方法推导了平面应力和平面应变状态下水泥环与套管接触处的接触压力表达式 ,对水泥环分担内、外压的能力进行了计算。采用全尺寸实物试验方法对套管有无水泥环情况下的抗挤毁能力做了对比试验。分析和试验指出 ,水泥环对提高套管柱整体抗挤毁能力较之提高抗破裂能力作用更大一些 ,但封固良好的水泥环对提高套管抗挤毁能力的作用有限。如果水泥封固质量不高 ,高压介质经过短时间渗透直接作用在套管外表面 ,水泥环的卸载作用被短路 ,对提高套管抗挤强度无任何帮助 ,所以在管柱设计时不应考虑水泥环对套管强度的增强作用。     

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液变必合理，抑制剂强，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，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。     

用套管外封隔器及早强水泥浆体系配套提高二连油田调整井固井质量

套管外封隔器与早强油井水泥桨体系配套应用的综合固井工艺技术,在华北二连油田阿南砂岩油藏阿31断块的应用,很好地解决了多年来该高压注水断块油水井固井质量差的技术难题,为阿南及哈南高压注水砂岩油藏油水井固井质量的提高探索出了一条行之有效的途径。建议以后在二连油田阿南及哈南砂岩油藏进行调整井固井时,套管外封隔器以下油层段使用具有早强、低失水、零析水、微膨胀特点的水泥浆体系。     

套管磨损与水泥环缺陷位置对套管应力的影响

以APDL为开发工具建立有限元模型,系统研究了非均匀地应力场中套管内壁磨损位置与水泥环缺陷位置对套管应力的影响规律。以塔里木油田迪娜2井5000m井深处为实例进行分析,结果表明,在一定磨损程度下,套管内最大等效应力总是在最大地应力方位取得最小值,在最小地应力方位取得最大值,工程中假设磨损位置在最小地应力方位是偏于安全的;水泥环缺陷明显改变了套管应力的分布规律,当套管磨损位置与水泥环缺陷位置角度相等时,套管内的应力最大,为最危险工况。     

深水钻井表层套管固井井口稳定性及防下沉实践

深水表层土壤松软,导管通常采取喷射的方式下入,井口径向稳定性能薄弱,尤其在深水新区块探井海底地质情况不明确、浅层土质强度参数不准确的情况下,水下井口径向稳定性问题尤为重要。为提高水下井口径向载荷的稳定性,针对现场作业中表层套管在固井前循环及注水泥固井期间出现的井口下沉现象,进行导管在表层套管固井期间的径向受力情况分析,结合现场作业实践,提出了防止井口下沉的方法,并且在作业实践中得到了成功应用,提高了水下井口径向载荷的稳定性,有效促进了深水表层作业的顺利、安全进行,保证了深水钻井的安全性。     

套管强度余量试验研究

套管强度余量的研究,为经济、可靠地设计管柱提供了有力参考。为此,通过对近几年国产套管实物试验数据的统计,采用与API套管强度额定值相比较的方法,反映了套管实物存在强度余量。统计检验分析表明,国内主要套管生产厂的API套管强度性能趋于稳定并达到较高水平,存在高于API额定值的强度余量。对套管实物强度余量与API额定值强度比差的正态分布做了比较,分析了套管强度余量的主要影响因素——钢级和壁厚,为合理选择套管并发挥强度余量提供了依据。采用套管强度余量设计管柱时,应对该批套管进行全面的实物试验评价。