油气井固井二界面封固系统及其破坏模型

油气井固井二界面封隔能力问题是一个亟待解决的复杂性工程难题，它会直接影响勘探开发的效果和效益。文章从油气田开采的角度，提出了固井二界面封固系统的概念，分析了系统组分对固井二界面封固系统的作用和影响，完善了系统的状态变化模型和动态破坏模型。研究认为，固井二界面封固系统是由5个间歇界面，即纯水泥浆与受污染水泥浆之间的界面、受污染水泥浆与死泥浆之间的界面、死泥浆与水泥饼之间的界面、水泥饼与滤饼之间的界面和滤饼与地层壁面之间的界面和4种不同物质组成的复合体，其中死泥浆是指注替过程中无法或难以参与循环的那部分老化物质，滤饼是滤饼和水泥饼的组合。因此，固井二界面问题的研究和解决必须要从系统的角度出发，才能从根本上解决固井二界面的胶结问题。     

高温条件下的固井第一界面水力胶结强度实验研究

针对深水固井水泥环所处的高温高压环境及复杂温度变化,研制了一套全尺寸高温高压水泥环密封完整性评价装置。基于此装置,利用气窜法测试了高温高压养护条件下的固井第一界面水力胶结强度,开展了水泥浆养护温度、养护时间以及温度变化等因素对固井第一界面水力胶结强度的影响实验。实验结果表明,水泥浆养护时间72 h时,随着养护温度的升高,水力胶结强度逐渐增加;水泥浆养护温度200℃时,随着养护时间的增加,固井第一界面水力胶结强度呈增加趋势,且养护时间达到5 d时,水力胶结强度达到最大值,随后逐渐稳定;温度变化对固井第一界面水力胶结强度影响较大,随着温度的升高,水力胶结强度增大,反之,水力胶结强度减小。     

硫铝酸盐固井水泥石-套管界面胶结强度增强机理

硫铝酸盐水泥是一种潜在固井材料，其固井界面胶结强度及微观结构尚不明确，为此进行硫铝酸盐水泥浆胶结界面胶结强度增强机理实验研究。采用X射线衍射仪研究硫铝酸盐水泥浆的水化机理，利用胶结强度测试装置测定硫铝酸盐水泥浆固井界面胶结强度，利用扫描电子显微镜和X射线能谱分析表征固井界面的微观结构及化学组分。研究结果表明:龄期为1 d、3 d、7 d时，硫铝酸盐水泥与套管的胶结强度比同龄期G级水泥分别提高了24.3%、20.1%和25.3%；微观分析结果表明，套管表面聚集着大量Al元素(AH₃凝胶)，其高聚合度可以降低界面处的孔隙率，从而提高硫铝酸盐水泥石的界面封固性能。     

一种页岩气井表层套管和技术套管固井用泥饼固化剂

为进一步解决页岩气井表层套管和技术套管环空带压难题,介绍了一种适用于水基钻井液条件下的泥饼固化剂GJE.性能评价结果表明,采用GJE的固井二界面胶结强度较未采用GJE的固井二界面胶结强度提高了24.65～29.67倍,且GJE与页岩气井表层套管和技术套管用钻井液、前置液和弹韧性防气窜水泥浆体系具有良好的相容性,满足固井...     

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%。     

固井振动器套管内振动对水泥石强度影响试验

为改善调整井固井质量,开展了固井振动器套管内振动技术研究,阐述了Φ139.7 mm套管固井振动器系统,同时开展了振动器套管内振动对水泥石强度影响的试验研究。固井振动器系统主要由地面控制单元、传输电缆、电缆接头和固井振动器等组成,固井振动器振动波穿过钻井液和套管作用于水泥浆,从而改善水泥浆的水化性能。通过室内模拟试验,测得了振动器振动对水泥石抗压强度、第一界面和第二界面胶结强度的影响,试验数据表明水泥石抗压强度提高11.50%~23.32%,第一界面胶结强度提高19.37%~32.55%,第二界面胶结强度提高7.62%~16.90%。试验结果为固井振动器的现场应用提供了理论依据。     

LQ乳液亲油水泥浆研究与性能评价

采用油基钻井液钻井时井壁和套管上附有油膜,造成固井时环空界面的胶结强度低。为解决该问题,从改善水泥浆自身的亲油性出发,选择羧酸类不饱和油溶性软单体和芳香族不饱和烯烃类刚性单体作为亲油单体,采用乳液聚合法将亲油单体与亲水单体聚合,合成了具有两亲结构的、稳定性较好的LQ乳液,并优选稳定剂,形成了LQ乳液亲油水泥浆。水泥浆性能评价试验结果表明:该水泥浆的API滤失量小于50 mL,稠化时间在150~300 min范围内可调、48 h抗压强度达到18 MPa以上,符合现场固井要求;LQ乳液在水泥石内部及表面形成疏水亲油膜,其与油膜接触时会吸油膨胀,从而提高附有油膜环空界面的胶结强度。研究表明,LQ乳液亲油水泥浆的性能达到现场固井要求,能提高附有油膜的环空界面的胶结强度。      

井下复杂温度条件对固井界面胶结强度的影响

针对复杂多变的井下温度影响固井界面胶结强度的问题,利用自主研制的界面胶结强度测试仪,在恒温或交替变温的条件下,对3类水泥浆体系和5种不同岩性岩心所形成的封固系统进行了第一与第二界面胶结强度的实验研究。结果表明,水泥浆凝固过程中,一界面胶结强度在室温到75℃范围内基本不受温度变化的影响;水泥浆凝固后,温度变化会使界面胶结强度显著降低,且降低幅度随温差和温度变化次数的增大而增大;水泥石弹性模量越小,一界面胶结强度随温度变化的降低幅度就越小;二界面胶结强度随温度变化的降低程度取决于水泥石的热膨胀和机械性能,与岩心性能越相近,胶结强度降低幅度越小。     

考虑多因素的固井二界面胶结抗拉强度室内评价方法

受井壁表面粗糙度、钻井液残留和温压扰动等因素的影响，固井二界面是整个环空封隔的最薄弱环节，且极易发生张拉破坏导致环空密封失效，但已有的评价方法只能获得固井二界面的胶结剪切强度，不能很好地评价固井二界面抗拉破裂性能。为此，考虑岩性、界面粗糙度、钻井液残留、冲洗液清洗和水泥浆等主要因素，建立了一种固井二界面胶结抗拉强度室内评价方法，从冲洗效率、胶结细观结构、抗拉强度、破裂形貌等多个维度对固井二界面胶结抗拉性能进行了系统评价。研究结果表明，该评价方法科学合理、步骤清晰、简单适用、试验结果离散性小，不同因素下测试结果区分度好，进一步完善了固井二界面胶结强度评价方法，具有较高的推广应用价值。     

滤饼固化剂在元页HF←1井的应用

为了提高页岩气井的固井质量,在元页HF1井244.5mm套管固井时试验应用了滤饼固化剂。采用元页HF-1井实际使用的钻井液和水泥浆,根据自主建立的固井第二界面胶结强度评价方法,评价了GJ-Ⅰ型滤饼固化剂和GJ-Ⅱ型滤饼固化剂对固井第二界面胶结强度的作用效果。评价结果表明,在分别养护3,7,15和30d的条件下,采用滤饼固化剂的固井第二界面胶结强度比常规固井第二界面胶结强度分别提高了629.03%,222.37%,241.43%和273.33%。现场固井试验后的声幅-变密度测井结果表明,封固段相对声幅值≤15%的井段占全井段的93.49%,固井质量为优质。研究表明,滤饼固化剂可大幅度提高页岩气井固井第二界面胶结强度,可提高页岩气井的固井质量。     

提高二界面胶结质量的矿渣钻井液滤饼可固化技术

难以固化的滤饼直接导致固井第二界面胶结质量差。为提高第二界面胶结质量,基于矿渣受碱激发特性,提出矿渣钻井液滤饼可固化技术,并进行了研究,考察了矿渣钻井液滤饼对第二界面胶结性能的影响;对该技术配套冲洗液进行研究;通过XRD测试分析滤饼物相组成及作用机理。结果表明,矿渣钻井液滤饼可固化技术有助于提高第二界面胶结强度,改善第二界面胶结形貌;配套冲洗液显著提高上述技术效果;矿渣钻井液滤饼具有潜在固化活性,经冲洗液渗透、预激活,并与水泥浆成分交换,共同水化,生成C-S-H凝胶,包覆、连接固相颗粒,填充结构孔隙,实现滤饼、水泥环整体固化,第二界面胶结强度提高。研究表明,矿渣钻井液滤饼可固化技术与配套冲洗液技术有助于提高第二界面胶结质量,该研究对无机矿物凝胶材料在钻井液中的应用,特别是工业废料的环境保护再利用,具有科学的理论指导意义。      

油井水泥与钢管胶结界面处微观结构研究(Ⅱ)

在动态养护条件下对油井水泥与钢管的胶结界面处微观结构进行了研究。结果表明,动态养护条件下油井水泥与钢管的界面处胶结强度即抗窜能力大幅度降低,与静态养护时完全不一样。在其胶结界面上,Ca(OH)2晶体和高碱性的C-S-H凝胶大量被溶蚀,耐冲蚀的钙矾石等水化产物较发育,存在一个结构疏松、强度薄弱的过渡层,该层是抵抗油气水窜的薄弱环节。     

有效提高页岩气井固井质量的泥饼固化防窜固井技术

X2井是湖北某盆地的一口重点页岩气评价井。为解决该区域存在的φ139.7 mm生产套管固井前钻井井漏严重、井径极其不规则、固井质量难以保证后续储层体积压裂作业等问题,在室内评价实验的基础上,决定使用泥饼固化(MCS,Mud Cake Solidification)防窜固井技术。该项技术的机理是把泥饼固化剂放在先导水泥浆之前注入,通过其与井壁泥饼接触并进行一系列化学反应,形成的胶凝物质对泥饼中的各物质进行填充和黏接,相互胶结形成致密的固结体,进而实现固井二界面泥饼固化。X2井的现场应用效果表明:声波一变密度测井(CBL/VDL)解释结果第一界面固井质量胶结好的占91.4%,胶结中等的占8.3%,胶结差的占0.3%;第二界面固井质量胶结好的占29.4%,胶结中等的占70.6%,胶结差的占比为0,综合评价为优质,较邻井(X1井)固井质量大幅度提高;X2井经初步压裂,测试获得页岩气产量900 m~3/d。充分说明了MCS技术不但可显著提高复杂井界面胶结质量和层间封隔效果,满足页岩气体积压裂的需要,而且还能避免因顶替效率低、界面胶结质量差而导致的测井质量差和潜伏的环空气窜问题。     

三轴地应力作用下固井二界面的稳定性

目前地层—水泥环—套管组合体稳定性研究主要基于平面，没有考虑组合体三维状态下受三轴地应力作用时组合体固井二界面的稳定；同时测试胶结强度普遍采用压剪切方法，测试数据重复性差。通过建立三维地层—水泥环—套管线弹性组合体模型，研究固井第一界面（水泥环—套管）、第二界面（地层—水泥环）的分离（没有胶结）和不分离（胶结良好）情况下的间距和接触压力，以及分离情况下摩擦力（即压剪切强度）变化及垂直主应力对称、非对称变化对组合体稳定的影响。研究结果可以看出，在接触面光滑、不存在窜流通道的情况下，组合体固井二界面分离后界面存在间距，当窜流压力大于接触压力，固井二界面就发生窜流，且固井第二界面比第一界面更容易窜流。固井二界面的摩擦力对组合体稳定性没有影响；垂直主应力较小时固井二界面的间距较小，但对固井二界面的接触压力没有影响，采用压剪切方法测试胶结强度评价固井二界面稳定性没有意义。因此，固井二界面的防窜主要通过三轴应力施加的接触压力实现；固井二界面的胶结强度相对三轴地应力较低，不起主要防窜作用。     

矿渣MTC固化泥饼能力及其行为原因分析

矿渣MTC能不能实现泥饼的固化胶结,是否能提高第二界面胶结强度,对矿渣MTC的推广应用极其关键,为此系统比较了矿渣MTC水泥浆与油井水泥浆在没有泥饼、普通钻井液泥饼、多功能钻井液泥饼3种情况下的界面胶结性能,并对泥饼固化的原因进行了分析研究.实验结果表明,没有泥饼存在时,油井水泥浆的胶结性能明显优于矿渣MTC;普通泥饼存在时,水泥浆和MTC均不能得到令人满意的胶结性能;油井水泥浆不能使多功能钻井液泥饼固化胶结,而矿渣MTC能够实现多功能钻井液泥饼的固化胶结.结果还表明,泥饼固化的首要条件是泥饼中必须含有胶凝材料,由于普通泥饼中没有胶凝材料,所以不论是什么固井液都不能使其固化.而矿渣的活性是潜在的,只有被激活才能发挥胶凝性能,因此油井水泥浆无法与多功能钻井液泥饼发生同步的水化固化反应,只有矿渣MTC浆体与多功能钻井液泥饼相遇,才能既保证有胶凝组分的存在又具有足以激活矿渣水化的可溶性激活组分,从而有效实现泥饼的固化,提高固井质量.     

一种高效清除井壁滤饼的新型固井冲洗液

为有效清除水基钻井液滤饼,提高固井界面胶结强度和固井质量,基于水溶性纤维的强冲刷原理和滤饼氧化分解原理,研究出一种新型的固井冲洗液（WD-C） ：0.5%WF-H纤维+2.2%WF-O氧化剂+0.35%FeSO₄ +1.8%KCl+3.0%膨胀珍珠岩粉+水,密度为1.03 g/cm³。为此,系统地测试评价了该冲洗液对水基钻井液滤饼的清洗效率和改善固井界面胶结强度的性能,并通过红外光谱（IR）、扫描电镜（SEM）和元素分析（EDS）等方法分析了其对界面胶结物的理化特征和微观结构的影响。结果表明,该冲洗液对水基钻井液滤饼具有良好的冲洗作用（冲洗干净时间在10 min内）,且界面胶结处的水泥颗粒能够正常水化,生成水化硅酸钙凝胶、Ca（OH）₂和棒状钙矾石（AFt）晶体,并相互交织并形成致密网络结构,能显著提高固井二界面胶结强度,进而提高固井质量。该研究成果为解决高效快速清除水基钻井液滤饼、提高固井二界面胶结强度技术难题提供了又一种新的技术方法。     

提高水泥环第二界面胶结质量的固井技术

文章深入分析了水泥环第二界面胶结质量的影响因数,指出改善固井质量是一个系统工程。介绍了旋流固井工艺技术以及该技术在苏北洲城油田中的运用情况。实际应用表明,该工艺技术基本解决了现有固井工艺技术不能很好清除粘覆在井壁上的泥饼问题以及不规则椭圆或葫芦状井眼水泥浆顶替效率低下问题,能明显提高水泥环第二界面的胶结质量。     

胶结物对深水扇含气砂岩地震响应特征的影响

成岩作用的变化会影响砂岩的岩石物理性质,进而使其地震响应特征发生变化,对于含气砂岩储层,则会干扰对孔隙度和含气性的地震解释。胶结程度是影响砂岩岩石物理性质的重要成岩因素,以珠江口盆地深水扇含气砂岩为例,通过对薄片、测井数据的分析,认为不同钻井处的含气砂岩,其胶结物含量有所不同。根据研究区砂岩特征,选用可以描述胶结物含量变化的接触胶结模型,建立了岩石物理模型,分析了地震响应与胶结物含量变化的关系,证明了胶结物含量的差异正是造成研究区含气砂岩地震响应变化的主要原因。基于以上认识,将研究区划分为强溶蚀—弱胶结、弱溶蚀—强胶结2个成岩相,提出以成岩相的不同,分区域开展含气性地震解释,在强溶蚀—弱胶结成岩相内,含气砂岩顶面为强振幅“亮点”型三类AVO异常,在弱溶蚀—强胶结成岩相内,含气砂岩顶面呈较弱振幅的三类AVO异常,没有明显的“亮点”特征。     

隔离液流性指数对水平段顶替界面影响规律研究

水平段的固井顶替效率是水平井固井质量的关键,隔离液流变性是影响水平段固井顶替效率的重要参数。为此,基于国家超级计算中心天河一号计算平台,采用FLUENT软件进行1 000 s的长水平段偏心环空固井顶替数值模拟,研究隔离液流变性对固井顶替界面的影响规律。研究结果表明:低居中度时,减小隔离液流性指数,可以大幅减少环空宽边与窄边隔离液滞留,减小顶替界面长度,提高顶替效率;中等居中度时,减小隔离液流性指数,可以大幅减少环空宽边隔离液滞留,有效减小顶替界面长度,提高顶替效率;高居中度时,减小隔离液流性指数,有利于减少环空宽边隔离液滞留,减小顶替界面长度,提高顶替效果;理想居中度条件下,隔离液流性指数一定不能大,否则出现严重的水泥浆窜流。研究表明,固井设计施工时需考虑隔离液流变性与套管居中度,以降低环空高边窜流的概率,提高固井质量。