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...     

气井水泥环长期密封失效机理及预防措施

高压气井环空带压现象普遍,迫切需要开展高压气井水泥环密封失效机理及预防措施研究。基于水泥石性能演化规律及气井温压场变化特点,开展了高温高压条件下水泥环密封失效试验,分析了不同龄期水泥水化产物、孔隙结构、力学性能及胀缩特性的演化机制,研究了周期载荷下温度压力对水泥环密封能力的影响规律。
结果表明：水泥石干缩及周期性温压变化是导致长龄期水泥环密封失效的主要原因;通过改善水泥石收缩特性、控制水泥石渗透率、增强水泥石力学性能,可有效降低环空带压现象,提高水泥石长期密封能力。研究成果可望为高压气井水泥石性能优化及固井技术完善提供参考与指导。     

环空圈闭压力对水泥环密封失效的影响

针对深水高温高压井环空圈闭压力变化可能造成水泥环密封失效的问题,现有文献大多从现场管理措施及理论模型的角度进行研究。鉴于此,基于全尺寸水泥环密封完整性试验装置,模拟了环空不同圈闭介质形成的压力随温度的变化规律,提出了一种套管内采用硅酸铝复合隔热涂料控制环空圈闭压力的新方法,并通过窜流试验研究了不同流体圈闭压力对水泥环密封完整性的影响规律。研究结果表明:不同圈闭流体对温度的敏感性差异较大,盐水钻井液最为敏感,油基钻井液温度敏感性最小;环空圈闭压力对水泥环密封完整性影响较大,环空圈闭压力越大,水泥环气窜压力越小;套管内采用硅酸铝复合隔热涂料,可有效减少井筒约50%热量传递,增强了井筒防气窜能力,可以有效抑制环空圈闭压力,保障井筒安全。研究结果可为深水高温高压井环空圈闭压力的控制提供技术支持。     

瞬态力－热耦合作用下水泥环完整性分析

页岩气井工程实践表明,套管压裂易导致水泥环完整性发生破坏出现环空带压。基于套管压裂工程实际,建立井筒温度场模型和套管－水泥环－地层组合体有限元模型,采用解析法和数值法结合方式,计算页岩气井压裂过程中瞬态力－热耦合对水泥环应力大小、分布影响规律。结果表明:压裂过程中水泥环内外壁温差先增大后减小,压裂初近内壁处存在陡峭温度梯度,易导致内壁应力显著提高;瞬态力－热耦合作用导致水泥环内壁应力大幅提升,加剧了水泥环完整性失效的风险,压裂初期为水泥环易发生损坏的“风险段”;水泥环内壁最大应力随着时间变化,易产生“多裂纹”形态,加剧环空带压。研究结果可为页岩气井压裂过程中水泥环完整性设计控制提供参考。     

页岩气井压裂交变载荷水泥环密封能力研究

页岩气井压裂后的环空带压问题严重影响页岩气安全高效开发,且低弹性模量水泥浆体系及环空加压固井工艺有效降低页岩气井环空带压力的力学机理尚未明确。为此,针对页岩气井水平段和垂直段井筒结构差异,考虑水泥石残余应变,建立了环空加压固井提高水泥环界面径向应力与密封能力的计算方法,分析了环空加压压力和残余应变对界面径向应力的影响规律。研究结果表明：页岩气井压裂过程中套管内压周期变化将导致水泥环内外界面产生较大的径向循环载荷,进而引起水泥环残余应变和界面微环隙,最终造成水泥环密封完整性失效;针对不同水泥环残余应变值需控制环空加压压力下限以满足界面密封能力要求,环空加压固井增强垂直段水泥环密封能力的效果显著大于水平段的效果。现场应用效果显示,提供的模型计算结果与现场实际相符,可为该技术工程推广及应用提供理论支持。     

深层页岩气水平井钻进中井筒-地层瞬态传热模型

目前深层页岩气井常用的旋转导向工具服役环境温度为135 ℃,准确预测深层页岩气水平井钻进中循环温度对延长井下测量工具使用寿命与有效延伸水平段长度非常重要。基于能量守恒原理,考虑井筒-地层各控制区域——钻柱内流体、钻柱壁、环空流体及近井壁地层在径向与轴向传热机理,建立了井筒-地层瞬态传热模型,应用全隐式有限差分法对数学模型求解,分析了各敏感因素对井筒温度的影响。研究表明:页岩气水平井流体循环初期环空流体温度高于原始地层温度;增加循环时间、流体比热容与密度、降低入口温度可以降低井底温度;排量过高引起摩阻生热,使得井筒温度非降反升;通过地面降温装置降低入口温度能抵消水平段延伸产生的热量,增加水平段钻进距离;结合Y101H26-1井数据,当入口温度为35、65 ℃,对应钻进井深分别为5 650、5 250 m时,不超过旋转导向工具服役环境温度,计算误差在3%以内。该研究成果可避免井筒降温技术应用的盲目性和低效性。     

DY2HF深层页岩气水平井分段压裂技术

DY2HF井是位于川东南丁山构造、目的层为龙马溪组海相页岩气的重点探井,具有高温、超高应力的特点。为解决该井压裂作业存在的施工压力高和加砂困难等难题,开展了深层页岩气水平井分段压裂技术研究。根据丁山页岩特征和地应力状态,进行了井口施工压力预测和排量优化,建立了水平井段多裂缝覆盖率计算模型,并结合诱导应力场计算结果进行了段簇优化。根据页岩气网络压裂技术的特点及该井的具体情况,确定采用高减阻低伤害滑溜水和活性胶液进行混合压裂,采用低密度高强度覆膜支撑剂进行组合加砂,并对压裂参数进行了模拟优化。DY2HF井分段压裂井口限压95 MPa,施工总液量29 516 m3,总砂量319 m3,最高排量13.6 m3/min,滑溜水减阻率达78%,胶液完全水化,压裂后获得高产工业气流,实现了深层页岩气水平井压裂技术突破。该井分段压裂结果表明,丁山等深层页岩气已经具备了有效勘探开发的技术基础。      

瞬态力-热耦合作用下水泥环形态对套管应力的影响

基于页岩气水平井压裂工程实际,采用解析法与数值法结合的方式,建立了压裂过程中井筒温度场计算模型和套管偏心、水泥环缺失有限元模型,据此研究瞬态力-热耦合作用下的水泥环形态对套管应力的影响。结果显示:1)页岩气井压裂过程中瞬态力-热耦合作用显著提高了套管应力;套管应力呈先升高后降低的动态变化,最大应力值出现在压裂初期。2)水泥环完整或套管偏心时,瞬态力-热耦合作用降低了套管应力周向分布不均匀差异;水泥环缺失时,套管应力随着缺失角、偏心距的增大而提高。研究结果对于精确计算页岩气井压裂过程中的套管应力具有重要意义。     

四川盆地深层海相页岩气赋存机理与勘探潜力

深层—超深层页岩气是四川盆地天然气增储上产的战略接替领域。基于志留系页岩气的大量勘探开发实践、实验测试资料和前瞻性研究成果,探讨了深层海相页岩气的赋存状态与聚集机制,指出了四川盆地深层页岩气的有利勘探区。页岩的纳米孔喉系统决定了其内部聚集的天然气呈现吸附态,主要以单分子层在微孔—介孔中吸附聚集。页岩吸附气量除受控于孔、缝的比表面积,还受TOC含量、温度、压力和含水性的影响。深层高温条件下,页岩储层的最大吸附气量较低,随着温度降低页岩的吸附能力增强,最大吸附气量也逐渐增加。页岩气在深层超压条件下主要以游离气赋存,呈超临界状态高密度聚集,游离气含量受储集空间及孔喉结构、埋藏深度、地层温度和压力、超临界流体性质以及页岩含水性等诸多因素综合影响。在抬升过程中,因构造改造的强度、时间和方式不同,页岩气的赋存相态转化及散失机制不同。其中,抬升幅度小且改造强度弱时,页岩气层仍保持深层"游离气为主,超压富气"的特性;抬升至中—浅层时,受断裂开启、剥蚀露头和页岩自封闭性降低等游离气散失机制影响,页岩气层的含气量和游离气量降低、吸附气占比增加,因此,远离剥蚀区、大断裂带的深埋藏区是深层页岩气的最有利富集区。四川盆地内部构造相对稳定,深层海相页岩气普遍保持着"早期滞留,超压富气"的成藏特征,优选宜宾—泸州地区、綦江—涪陵地区、永川—大足地区和垫江—梁平地区为有利勘探区。     

川东南盆缘复杂构造区深层页岩气富集特征

以川东南盆缘复杂构造区南川地区为研究对象,基于钻井、实验分析测试等资料,开展深层页岩气富集特征研究,重点讨论地层温度、地层压力等成藏环境变化对深层页岩气富集的影响作用。研究认为：(1)优势沉积相带是页岩气藏成烃的基础,研究区五峰组—龙马溪组一段形成于深水陆棚沉积环境,优质页岩发育,具备形成页岩气藏的良好物质条件。(2)有机碳含量控制纳米级有机质孔隙的发育程度,高压—超高压环境有利于孔隙的保持,对改善深层页岩物性发挥积极作用。(3)深层页岩气具有高温、高地应力的典型地质特征。温度较压力对页岩吸附能力的影响更为明显,深层页岩气赋存方式以游离气为主;高上覆地层压力导致页岩渗透率呈指数下降,页岩气运移能力显著减弱,逸散程度降低,有利于页岩气原位聚集。(4)温度、压力变化对气体扩散作用影响复杂,高温会增大气体的扩散系数,加剧气体的运移和逸散,而高压可以减缓或抑制气体的流动,有利于页岩气保存。(5)埋深与压力系数呈现一定的正相关性,埋深对向斜型页岩气藏压力系数的影响作用显著,表明深层向斜型页岩气保存条件趋好。埋深较大的残留向斜核部、凹中隆、有反向逆断层遮挡的斜坡区是复杂构造区页岩气勘探的有利目标。     

储气库注采井水泥环破坏机理实验研究

储气库注采井的注气与采气、环空带压与泄压等情况使井筒反复承受加载卸载,水泥环因此受到不同程度的损害,严重时导致地层气体窜入环空。为了研究注采井水泥环的破坏机理,针对某储气库B环空上部水泥环的工况条件,开展了水泥环承受8.1 MPa和13.6 MPa循环内压的实验模拟,并对水泥环进行了密封性、渗透率、SEM电镜扫描、微CT扫描分析,探究水泥环微裂缝和孔隙的变化情况。实验表明,8.1 MPa的内压循环30次未造成水泥环气窜,13.6 MPa的内压循环23次则导致气窜,与某储气库出现浅层气窜入B环空的情况相符;循环载荷可导致水泥环产生微裂缝,随着循环载荷压力值的增加,取样渗透率逐渐小幅度增加,微裂缝产生越多,裂缝扩展越大,甚至出现贯穿缝;微环隙由水泥环微观结构破坏持续累积造成,对于固井质量良好的环空,水泥环发生微观结构破坏是气窜的本质原因;水泥环微观结构破坏和界面产生微环隙均可直接引起气窜,主导者受多种因素影响而变化。实验结果揭示了循环载荷下注采井水泥环的破坏机理以及与气窜的关联性,对储气库运行优化和新建储气库的井筒质量控制具有指导意义。      

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。      

页岩地层体积压裂过程中水泥环完整性研究

为了准确了解多级压裂过程中水泥环的应力变化规律,基于分步有限元的思想,构建了考虑页岩各向异性的套管-水泥环-地层组合体有限元瞬态分析模型,模拟多级压裂过程中水泥环的应力变化特征。新的模型考虑了注液温度、套管内压、地应力、孔隙压力、水泥环以及地层性质等因素对水泥环受力状态的影响。研究结果表明:高压注液过程中,采用传统模型会低估井下水泥环周向应力的变化程度;大排量压裂施工过程中,井筒内温度震荡变化,注液温降导致水泥环应力发生剧烈变化;储层改造后的地应力以及孔隙压力变化对水泥环周向应力均有较大影响;水泥环周向应力随着地层各向异性程度的增加而有所增加;调节施工内压并适当降低水泥环刚度可明显降低水泥环发生拉伸破坏的概率。研究成果可为页岩气开发提供理论指导。     

高韧性水泥环降低油气井套损作用机制分析

由于油气资源紧缺,各大油田复杂地层钻井数量增多,致使套损率急剧上升,严重影响了油气井的生产寿命和采收率.通过对套损井的成因分析发现,提高水泥环的韧性可以防止地层压力对套管的挤压损坏和地层流体对套管的腐蚀.其作用机理为:纤维材料能增加水泥环的韧性,提高水泥环二界面胶结质量,防止水泥环的胶结面被破坏,阻止地层流体对套管产生腐蚀,可降低腐蚀套损率;同时,该材料能降低水泥石的弹性模量,增加水泥石的韧性,保持水泥环的完整性,可降低挤压套损率.     

高韧性水泥环降低油气井套损作用机理

油井套管在机械和化学作用会下引起变形、错断、破裂以及腐蚀等损坏,使油气井寿命缩短.水泥环韧性提高与弹性模量降低,有利于阻止地下流体对套管产生化学腐蚀,降低套管受到的最大应力和挤压套损.采用弹性力学和有限元方法分析井下水泥环以及套管的受力情况,明确了高韧性水泥环降低套管挤压套损的作用机制.     

页岩气水平井分段压裂排采规律研究

目前页岩气水平井压裂后排采主要依靠现场经验,规律性不强。为此,通过挖掘气藏数值模型的功能,并结合井筒流动模型,初步研究了页岩气水平井分段压裂排采规律。基于正交设计原理,考虑了页岩基质参数、裂缝参数及生产参数等13个影响因素。结果表明,影响压后返排率的因素按影响程度排序依次为破胶液黏度、压力系数、井底流压、段数、单段注入量、裂缝半长、日排液量、返排时机、导流能力、束缚水饱和度、裂缝形态、裂缝支撑剖面和吸附气含量。为了取得最好的压裂后排采效果,上述不可控参数可作为选井、选段的重要依据,而可控参数可用来对压裂施工参数进行优化调整。该成果已在涪陵焦石坝区块的页岩气水平井压裂中成功应用,压裂后排采效果显著,多口应用井压裂后获得10×104 m3/d以上的产量,且稳产前景良好。      

深层页岩气水平井多尺度裂缝压裂技术

深层页岩气（埋深3 500.00 m以深）资源量丰富,但存在压裂施工压力高、加砂困难和压裂后产量低等问题,尚未实现商业化开发。为此,通过模拟地层条件的三轴应力-应变试验分析了深层页岩的变形特征,发现深层页岩具有较强的非线性变形特征,导致深层页岩压裂后平均裂缝尺度偏小;在此基础上,总结深层页岩气井的压裂经验,提出了深层页岩气水平井多尺度裂缝压裂技术:采用酸预处理或中途注酸、粉砂段塞打磨等技术降低施工压力,利用大阶梯变排量、变黏度多级交替泵注模式实现对多尺度裂缝的改造,增加小粒径支撑剂比例实现对多尺度裂缝的长效支撑。该技术在川东南某井进行了现场试验,压裂效果明显改善。这表明深层页岩气水平井进行多尺度裂缝压裂具有可行性,并能提高深层页岩气井的压裂效果。      

天然气井水泥环封隔能力的测井评价

水泥环气层层间封隔和气井井口带压评价是勘探开发中亟待解决的问题.综合分析了气井固井质量测井资料、验窜资料、钻井历史和气井井口带压的有关资料.通过CBL、SBT和USI测井资料的验证实例,讨论了天然气井水泥环层问封隔能力的分析方法.提出用良好胶结累计长度法、混浆带长度法评价及2种方法交会法评价气井井口带压状况的方法.研究表明,利用测井资料评价气层之间的水泥环封隔能力与常规固井质量评价方法相似;利用固井质量测井资料显示的良好水泥胶结长度和混浆带长度,可以评价井口带压.该方法在中国海上和陆地一些气田应用,取得初步成功.     

四川长宁页岩气速凝水泥浆体系研究与应用

针对四川页岩气钻进过程中表层易发生失返性漏失,钻井液堵漏效果不佳的情况,研发了液体促凝早强剂ZQ-3、无色无毒液体分散剂ZF-A,形成速凝水泥浆体系。评价了2种外加剂混合液不同加量下速凝水泥浆的性能。实验结果表明,混合液使水泥浆具有良好的流变性能;能显著缩短水泥浆的稠化时间,30℃下混合物加量为3%时,速凝水泥浆与原浆稠化时间之比为0.43;同时显著提高了水泥石早期抗压强度,4 h抗压强度大于3.5 MPa,8 h抗压强度大于8MPa,表现出优异的低温早强效果。该速凝水泥浆在四川长宁区块页岩气现场应用效果显著,候凝时间由原来的14 h缩短至4～8 h。现场应用7口井,施工24次,全部顺利施工,累计缩短候凝等待时间200 h以上。