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％）。     

DRK韧性水泥浆体系的研制

为了提高油井水泥环抗射孔、压裂等动态冲击能力,提高水泥环射孔后层间密封能力,进行了提高水泥石韧性试验研究。研制出了抗冲击韧性水泥外加剂。该外加剂主要是在胶联剂的作用下通过高分子聚合物型增韧剂提高水泥石的韧性和变形能力,并在室内进行水泥浆常规性能评价试验基础上,利用材料动态力学性能测试装置和射孔模拟实验装置进行了抗射孔冲击能力的评价试验和现场射孔对比试验。试验表明,DRK韧性水泥浆具有速凝、早强、低失水和"直角稠化"的特性,有利于防止和控制水、气窜的发生,不仅能有效地提高固井质量,而且能够提高水泥环的抗射孔(或压裂)冲击能力,有利于延长油井寿命,提高产能。     

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%。     

射孔侵彻过程固井水泥环损伤影响因素分析

射孔是连通油层与井筒的主要手段之一,射孔起爆产生的聚能射流在侵彻过程中会破坏水泥环的完整性,影响油井安全。为了分析射孔过程水泥环的损伤程度及其影响因素,建立了水泥环损伤分析数值模型。采用ALE算法描述射孔弹药型罩,模拟高速金属射流的非线性大变形; 采用Lagrange算法描述套管-水泥环-地层,模拟动态冲击载荷作用下水泥环的力学响应; 获得了评价水泥环损伤程度的塑性应变等关键数据。通过室内物理试验,验证了模型的有效性,并在此基础上,基于正交试验方法设计数值模拟方案,定量分析了水泥环损伤的影响因素及其影响规律。研究结果表明,水泥环材料参数及射孔弹装药量是影响水泥环损伤程度的主控因素,水泥环强度影响权重最大,水泥环厚度与射孔弹装药量次之; 聚能射孔侵彻过程中,水泥环表现出明显的脆性特征,随着影响参数的变化,损伤程度非线性变化。研究结果对合理选择射孔参数,完善水泥环抗损措施具有一定参考。     

射孔完井工况下固井水泥环破坏研究进展

射孔完井作为国内外应用最为广泛的完井方式,对油气井增产有着非常重要的意义。随着射孔完井的不断推广,射孔后水泥环层间封隔完整性越来越受到重视,尤其是薄差油气层,而现有研究主要集中于射孔后套管损害及强度影响,对射孔完井工况下水泥环破坏涉及较少。为了更好地促进射孔后水泥环完整性的研究与发展,结合油气井射孔威力大、时间短、温度高、破坏性强等特点,分析指出了射孔完井工况下固井水泥环破坏研究难点主要集中于室内射孔模拟实验难、射孔后水泥环完整性破坏程度难确定、实际工况下水泥环抗冲击破坏能力难确定以及射孔参数影响不清楚等方面,综述了国内外射孔模拟实验、射孔水泥环完整性、水泥环抗冲击韧性、射孔作业参数影响的研究现状,探讨了目前研究存在的不足。提出了以自修复水泥、水泥浆及水泥石性能设计、优化射孔参数、井下水泥环动态破坏预测技术为核心的技术对策与趋势。      

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。      

活性外掺料提高油井水泥石抗二氧化碳腐蚀能力研究

为提高固井水泥环的抗CO2腐蚀能力,开发了富硅铝质活性外掺料（HA）。通过比较不同碳化龄期水泥石的抗压强度、分析孔结构、测定渗透率、分析碳化层的成分和显微形貌等方法,对水泥石的抗碳化性能进行了研究。结果表明,加HA水泥石抗CO2腐蚀能力明显优于净浆水泥石和掺硅灰水泥石:加HA水泥石在CO2压力2 MPa、95 ℃腐蚀介质中养护28和90 d后,试样的抗压强度为35.4和33.7 MPa,较同龄期盐水养护试样分别降低了3.01%和13.14%（净浆水泥石分别降低了7.75%和31.15%）,试样总孔隙率分别为19.87%和21.45%（净浆水泥石分别为28.81%和31.85%）,且有害孔（直径100 nm）所占比例小;在7 MPa驱替压力下,两个腐蚀龄期的加HA水泥石均未发生渗滤（净浆水泥石的渗透率分别为1.21×10-3 μm2和1.68×10-3 μm2）;碳化90 d后的加HA水泥石外层试样中CaCO3的衍射峰强度明显低于净浆水泥石,且碳化试样的产物呈连续致密,与净浆水泥石腐蚀后形成颗粒的结构明显不同。      

油井水泥降失水剂丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-苯基乙磺酸共聚物的合成及性能评价

以丙烯酰胺(AM)与2-丙烯酰胺基-2-苯基乙磺酸(AMSS)为单体合成了油井水泥降失水剂P(AM/AMSS),用红外光谱分析证明合成了目标产物,但含有杂质。并对其性能进行了研究。该共聚物的初始分解温度为253℃,峰顶温度为293℃;耐温和抗盐性能明显好于其他AM类共聚物,在95℃、6.9 MPa压差条件下,当P(AM/AMSS)添加量为0.4％～0.9％(BWOC)时,水泥浆API失水量可以控制在100 mL以下;当P(AM/AMSS)添加量为0.7％(BWOC)、NaCl含量达到12％(BWOW)时,水泥浆API失水量仍然低于100mL。外加AM/AMSS共聚物的水泥浆的稠化时间可用CaCl_2调节。在水泥浆中添加P(AM/AMSS)和CaCl_2可调节水泥浆的流动度和析水率,改善水泥石的24 h抗压强度。     

射孔对水泥环与套管性能影响的分析计算

在建立水泥环-套管射孔数学模型和有限元分析模型后,计算分析了射孔对水泥环-套管性能的影响,得出如下结论:(1)射孔是造成套管损坏的主要原因,无水泥环固结,完好套管产生的应力是射孔套管的13;(2)射孔套管壁厚和水泥环固结状态对射孔套管性能影响较大,壁厚12.395mm射孔套管是壁厚7.720mm射孔套管抗挤强度的1.5倍以上,水泥环与套管固结良好且上下固定,可以提高套管抗挤强度;(3)生产中保持内压和外载相近,可以明显减小射孔套管应力;(4)增大水泥环弹性模量,保持水泥环弹性模量在30~35GPa之间,可以提高射孔水泥环-套管抗挤强度。     

压裂过程中射孔段水泥环力学响应规律

针对压裂过程中射孔段水泥环完整性失效,导致压裂中出现环空窜流,从而无法有效改善储层渗流能力的问题,通过建立射孔段套管-水泥环有限元模型,对压裂过程中射孔段水泥环力学响应进行了分析,并研究了不同射孔参数对射孔段水泥环的力学影响规律。结果表明:压裂过程中射孔段水泥环孔眼周围存在明显的应力集中和孔间应力干扰现象;压裂过程中固井一界面较二界面更容易产生密封性问题;射孔段水泥环应力分布与射孔相位角有密切关系,应尽量选取90°相位角螺旋射孔方式射孔;射孔孔径的增加对射孔段水泥环应力分布影响不大,为增加单孔泄油面积,可在小范围内增加射孔孔径;射孔密度对水泥环应力的影响要大于射孔孔径,但射孔密度超过16孔/m以后应力增加幅度会减小,且影响都在一个数量级以内,在有效控制水泥环射孔损伤的前提下可有限度地增加射孔密度。该研究可为压裂射孔方案制定提供理论依据。     

霍布金森水泥石动态力学性能与射孔验窜试验装置

射孔弹对水泥环和岩层的侵彻是在极短的时间内用极高的压力和速度完成的,因此在评价水泥环的抗冲击能力时,研究水泥石在高应变率下的动态力学性能极其重要.为了研究在一定温度和压力下的水泥石的动态力学性能和抗射孔冲击能力,研制了霍布金森水泥石动态力学性能测试装置与射孔验窜装置.介绍了霍布金森水泥石动态力学性能测试装置的基本原理和测试方法以及射孔验窜装置的设计和试验方法.霍布金森水泥石动态力学性能测试装置可以定量测定水泥石材料的动态力学性能,并通过射孔验窜试验装置对水泥环的抗射孔冲击能力进行评价,总结出了射孔对水泥环破坏的3个主要原因,并以动态弹性模量、水泥石破碎吸收能和水泥石动态断裂韧性作为评价参数,为水泥石材料的力学性能研究提供了科学的检测评价方法.利用该套试验装置可以进行提高水泥环韧性的试验研究、提高固井水泥石抗冲击能力的外加剂研究、分析射孔对水泥环损伤的原因,提出油井水泥石改性途径,给出水泥环抗冲击性能的临界力学指标等试验研究.     

水泥环套管射孔力学的有限元法分析计算

油井开发层段射孔对套管力学性能影响较大,油井开采中后期射孔套管损坏严重。建立水泥环—套管射孔模型并应用Ansys有限元软件计算分析射孔套管应力变化和套管性能,分析得出,射孔是造成套管损坏的主要原因。射孔水泥环套管最大应力在射孔孔眼产生,沿孔径方向应力减小。水泥环对射孔套管的抗挤强度影响明显,可以有效减小套管产生的应力。均匀载荷下射孔套管的应力随外压的增加而增加,不同类型的套管应力变化较大。射孔套管的应力随着孔径的增加而明显增加。非均匀载荷对射孔套管影响较均匀载荷明显,套管的抗挤强度较均匀外压时明显减小。在非均匀外压较大时,应采用P110套管,以提高射孔套管的抗挤强度。     

巨厚盐膏层固井用过饱和氯化钾水泥浆

为提高巨厚盐膏层固井质量,解决固井过程中的盐溶问题,提出利用过饱和氯化钾溶液（相当于38%盐浓度氯化钾溶液）配制水泥浆,通过优选抗盐降失水剂CG80S、增强防窜剂GS12L以及非渗透剂BX-80等材料,构建了一套过饱和氯化钾水泥浆体系。室内对过饱和氯化钾水泥浆体系的物理性能、抗污染性能以及界面胶结性能进行了评价研究。实验结果表明,过饱和氯化钾固井水泥浆体系稠化时间以及失水量可控;68℃、24 h养护抗压强度大于15 MPa,混入5%的石膏、芒硝或页岩岩屑均不会对水泥浆的性能产生较大的影响,界面胶结实验显示该水泥浆能够显著提高水泥浆与盐岩地层的胶结质量,能够保障巨厚盐膏层一、二界面的胶结质量。      

纤粒复合型油井水泥石增韧剂的性能及机理研究

针对国内油田油气井因后续施工(射孔、压裂、酸化等)造成水泥环脆裂的问题,根据断裂力学原理和复合材料理论设计配方,选用GX(1.0%的特种无机富硅纤维 2.5%的有机弹性颗粒)作为油井水泥石增韧材料;并对掺有GX的油井水泥浆的工程性能、物理性能、与其他外加剂的配伍性以及水泥石的微观结构进行考察,结合性能评价试验,分析了GX在水泥石中的增韧作用机理。结果表明,GX可以显著提高油井水泥石的韧性和弹性,并且与其他外加剂配伍性良好。     

煤层气直井地层破裂压力计算模型

为了高效开发煤层气、成功实施水力压裂作业,针对射孔完井条件下,对水力压裂时煤层的破裂压力进行预测。提出将套管、水泥环的影响纳入到井筒周围应力场计算中,运用坐标转换和线性叠加原理,建立了考虑套管、水泥环影响的煤层直井井周应力场解析模型。结合最大拉应力、张性破坏、剪切破坏3种破裂准则,建立了考虑套管、水泥环影响的煤层气直井破裂压力预测模型,分析了射孔径向深度、割理走向倾角、地应力差对破裂压力的影响。以云南地区X井为例,模型计算结果误差在7%以内,证明了该模型的正确性。研究结果表明：套管、水泥环会引起应力集中效应,使得破裂压力降低;在最大水平主应力方向射孔时,煤层更容易本体破裂;射孔周向角在一定区间时,本体破裂和割理张性破裂同时发生;中等割理走向倾角有较低的张性破裂压力,地应力差较小时,不易发生剪切破裂。     

复杂应力环境下纤维水泥阻裂机理实验研究

水泥环在井下复杂应力环境下易发生脆裂而引起"二次窜流"。在水泥中加入纤维可以改善水泥环的韧性。利用电镜扫描的手段对纤维水泥石受拉、受压以及受射孔冲击破坏产生的裂纹进行的镜像分析实验表明:纤维的存在会使水泥石微裂纹处局部强度增加,从而增加了水泥石抗压强度。同时,纤维的加入使得水泥石的断裂应力强度因子降低,从而增强了水泥石的抗断裂能力。不论裂纹发展方向与纤维长度方向垂直还是一致,纤维—基体界面对裂纹的发展都有一定的阻挠作用。在纤维水泥石受压、受拉以及射孔的破坏过程中,纤维对裂纹的发展都起到了阻裂作用。这种阻裂作用增加了水泥石的韧性,一方面有助于射孔完井作业的顺利完成;另一方面有助于水泥承受复杂的井下应力,进而减少"二次窜流"现象的发生。根据纤维水泥阻裂的机理,建立了纤维水泥阻裂的力学模型。     

固井二界面泥饼固化剂与水泥浆滤液的反应机理

固井二界面封隔失效已是制约油气高效开采的重要因素,而提高固井二界面胶结质量是解决这一工程难题的主要途径。基于提出的MCS (mud cake solidification)技术,采用现代分析测试技术,研究了固井二界面泥饼固化剂与水泥浆滤液的反应机理。研究结果表明,在压差的作用下泥饼固化剂的有效成分将发生向泥饼方向的迁移扩散,进而吸附在泥饼表面且渗透进入泥饼本体;泥饼固化剂与水泥浆滤液反应,生成水化硅酸钙(C-S-H)、水化铝酸钙(C₃AH₆)等胶凝物,且随着养护时间的延长,这些胶凝物可由低聚态的硅酸阴离子逐渐聚合为高聚态水化硅酸胶凝物,即在最初的3 h内,硅酸阴离子单聚体的量急剧下降,同时二聚体的量先增多后减少,最终生成高聚物,进而固化泥饼,提高固井二界面胶结质量。      

金属丝电爆炸冲击波对水泥环完整性的影响

随着电爆炸技术被应用于油井解堵、除蜡以及在近井地带构造微裂缝等作业,其在井下产生的冲击波对固井水泥环的影响不可忽视。为了研究电爆炸井下工具在作业过程中对水泥环完整性的影响,采用数值模拟方法,在AUTODYN中建立了套管-水泥环-岩石组合体模型,研究了冲击波载荷在组合体中的传播过程及其对水泥环的损伤。研究结果表明:在射孔区域,冲击波会经过射孔孔眼在液体中传播,并保持较高的压力,而在非射孔区域,冲击波经过套管后衰减较大;水泥环和岩石受到冲击波的作用时,损伤区域都是从射孔孔眼开始向外扩展,水泥环和岩石主要受冲击波的拉伸和剪切破坏,同时冲击波造成的套管变形也可能会造成水泥环损伤。研究结果对于电爆炸技术在石油行业的安全应用具有一定的指导作用。     

射孔水泥环损伤评价及压裂裂缝扩展规律

为了进一步提高储层段水泥环在射孔作业、压裂充填完井或水力压裂作业过程中的力学完整性,满足后期增产作业对固井质量的需求。以射孔作用下的水泥环损伤响应为研究对象,在模拟地层温度和压力工况条件下分别采用大孔径和深穿透2种射孔弹开展射孔实验,分析射孔水泥环损伤与射孔弹及水泥环性能的关系。结合射孔弹结构,建立射孔动态冲击载荷作用下的水泥环伤响应数值模型,提出以累计塑性应变率和最大偏应力为关键指标,形成射孔水泥环冲击损伤量化评价技术。基于流固耦合理论和压裂裂缝扩展力学理论,建立非均值特性水泥环压裂裂缝延展数值分析模型,针对射孔水泥环初始裂纹的4种状态,开展了压裂过程中的水泥环损伤及裂缝延展规律研究。研究结论可指导优化固井设计、优化射孔方案和优化压裂完井方案,对保障井筒安全具有重要意义。      

纤维韧性水泥浆技术在中原油田的应用

针对中原油田易漏地层调整井水泥浆低返问题和薄油层井、小间隙井和侧钻井的射孔及后续增产措施造成的水泥环脆裂,进行了油井水泥增韧防漏剂研究,对其各种力学性能、水泥浆体系的防漏性能及工程性能进行了系统研究,并进行了聚能射孔模拟试验、地面混灰打浆试验、现场易漏井的固井试验。室内研究和现场试验表明:F27A油井水泥增韧防漏剂具有优异的增韧、抗冲击能力和防漏作用,其综合工程性能也满足易漏地层固井施工的技术要求。纤维韧性水泥浆体系在中原油田钻井三公司卫11-53井等8口井的油层固井中获得了成功应用,并取得了良好的经济效益和社会效益,现已推广应用。