（石油与天然气工程专业论文）提高固井二界面系统封固质量的研究.pdf

摘要 翥士业 t ：- 萎碧喜雩篓：于三燃 硕士吴旭辉( 签名)坠：望! 幻 指导教师：李琪( 签名)旌丝二 李友臣( 签名) 要 固井二界面系统封固技术是目前固井行业最具有代表性和先进性的关键技术之一。 该技术关系到实现严密的层间封隔和对套管的保护，保证钻井与试油等后续作业安全顺 利、储层产能测试的准确、分层开采效果长期可靠、储层增产与改造措施的有效。目前 固井质量的问题主要体现在：投产后的层间窜问题，这直接反映出二界面胶结质量差和 水泥环本体有缺陷等问题。因此，二界面系统固井质量不但是油田合理开发和长期稳产 的关键工程工艺环节，而且是保护储层、提高采收率最为重要的保证手段。 本文首先对二界面系统各部分的状态进行分析，建立了二界面系统的模型。然后， 运用声波变密度测井技术( c b l d l ) 和扇区胶结测井技术( s b t ) 的解释成果，对影 响二界面封固质量的众多因素的分析，并结合固井现场施工的实际情况，分析各工序中 系统的状态，确定影响二界面系统胶结质量的主要影响因素，明确提高二界面系统胶结 质量的两大核，1 1 , 技术：顶替技术和压稳技术。最后，在对构成两大核心技术的三个主要 因素，套管居中度、前置液和水泥浆体系进行系统的研究，形成了一套由新型扶正器、 改进的前置液配方、晶格膨胀水泥浆体系及配套固井施工方案构成的提高二界面系统胶 结质量的固井技术。 关键词：固井二界面封固系统套管扶正器现场应用 论文类型：应用研究 n s u b j e c t ： q u a l i t y s p e c i a l t y ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： s t u d yo nc a s i n g - c e m e n t f o r m a t i o ni n t e r f a c e ss y s t e mt oi m p r o v i n gc e m e n t p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a se n g i n e e r i n g p e t r o l e u m w ux u h u i ( g i n s t 朋c t o r ：l iq i ( s i g n a t u r e ) 丝垄i l iy o u c h e n ( s i g n a t u r e ) 厶z 殖丛丝 a b s t r a c t t h ec e m e n t i n gt e c h n i q u ef o rc a s i n g c e m e n t - f o r m a t i o ni n t e r f a c es y s t e mi st h ea d v a n c e d ， e m b l e m a t i ca n di m p o r t a n tt e c h n i q u ef o rc e m e n t i n gi n d u s t r y t h i st e c h n i q u ei sv e r yi m p o r t a n t f o rs t r i c t l yz o n a li s o l a t i o n ，c a s i n gp r o t e c t i o n ，s a f e t yf o rd r i l l i n ga n dt e s t i n g ，v e r a c i t yf o rt h e r e s e r v o i rc a p a c i t yt e s t i n g ，r e l i a b i l i t yf o rl a y e r e de x p l o i t a t i o n , a n de f f e c t i v e f o rr e s e r v o i r s t i m u l a t i o na n dc o n v e r s i o nt e c h n i q u e a tp r e s e n t ，t h em a i np r o b l e mo fc e m e n tj o bq u a l i t yi s t h ei n t e r - l a y e r e dc h a n n e l i n ga f t e rp r o d u c t i o n t h i si n d i c a t e st h a ti t saf a i l u r ec e m e n t i n gf o r c a s i n g - c e m e n t - f o r m a t i o n i n t e r f a c es y s t e ma n dt h ec e m e n t - s h e a t hh a sd e f e c t s ot h a t ， c e m e n t i n gq u a l i t yo ft h ec a s i n g c e m e n t - f o r m a t i o ni n t e r f a c e ss y s t e m ，n o to n l yt h ek e yl i n e e n g i n e e r i n gf o rr e a s o n a b l ed e v e l o p m e n ta n dl o n g - t e r ms t a b l ep r o d u c t i o ni no i lf i e l d ，b u ta l s o t h em o s ti m p o r t a n tg u a r a n t e e m e a n sf o rr e s e r v o i rp r e s e r v a t i o na n de n h a n c e d o i lr e c o v e r y i nt h ed i s s e r t a t i o n ，f i r s t ，i no r d e rt ob u i l dt h ec a s i n g - c e m e n t - f o r m a t i o ni n t e r f a c es y s t e m m o d e l w es h o u l da n a l y s i st h es t a t eo fe a c hp a r to ft h es y s t e m t h e nu s i n gt h ew e l ll o g g i n g i n t e r p r e t a t i o n s u c ha ss o n i c v a r i a b l ed e n s i t yl o g g i n ga n ds e g m e n t e d b o n dt o o l ，t oa n a l y s i s t h ef a c t o r st h a t sa f f e c t i n gt h es y s t e m c o n s i d e rt h ea c t u a ls i t u a t i o ni nc e m e n t i n go p e r a t i o n ，a n d a n a j y s i so ft h es y s t e m ss t a t ei n t h ed i f f e r e n tp r o c e s s ，t od e t e r m i n et h em a i nf a c t o r so ft h e s y s t e ma n dt h et w oc o r et e c h n o l o g y f o ri m p r o v et h ec e m e n t i n gq u a l i t yo ft h es y s t e m ， d i s p l a c e m e n tt e c h n o l o g ya n dp r e s s u r es t a b i l i t yt e c h n o l o g y f i n a l l y , m a k ea s y s t e m a t i cr e s e a r c h f o rt h e 恤em a i nf a c t o r s ，t h ec e n t r a ld e g r e eo f t h ec a s i n gs t r i n g ，a h e a df l u i da n dc e m e n ts l u r r y s y s t e m t h a t ，sm a k e su po ft h et w o c o r et e c h n o l o g i e s g a i n e das e to fc e m e n t i n gt e c h n i q u e st o i m p r o v et h es y s t e mq u a l i t y , c o m p o s e do fa n e w t y p eo fc e n t r a l i z e r , n e wt y p eo fa h e a df l u i d ，t h e l a t t i c et h e r m a le x p a n s i o nc e m e n ts l u r r ys y s t e ma n dc o m b i n a t i o nm e t h o d sf o rt h ec e m e n t i n g o p e r a t i o n k e yw o r d s ：c a s i n g c e m e n t f o r m a t i o ni n t e r f a c e ，c e m e n ts y s t e m ，c a s i n gc e n t r a l i z e r , l o c a l ea p p l i c a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：j 娣 日期： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：量2 丝堑够 导师签名：之叁釜艮 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究的目的与意义 1 1 1 研究目的 随着世界能源需求的增加和钻探技术的发展，向深地层和海洋要油、要气已成为必 然；另一方面，在老油区找剩余油，开发稠油，成为油田稳产、增产的重要措施。在我 国，这种现象尤为明显，其中西部地区石油资源量的7 3 、天然气资源量的5 2 都埋藏 在深地层；东部地区的各老油区都经过4 0 年以上的开发，含水量高达9 7 以上，在这 种情况下，深井、超深井、定向井、水平井、大位移井的钻探就必将成为我国石油工业 增加油气产量的一个重要手段。 目前油田固井质量的问题主要体现在：投产后的层间窜问题、固井后管外冒油、气、 水。近十年来各油田的固井合格率基本保持在9 9 左右，但是有些合格井甚至是优质井， 经过射孔作业后，发牛的环空窜流现象，直接反映出二界面胶结质量差和水泥环本体存 在缺陷的问题。综合分析上述问题，固井质量问题主要集中在固井二界面系统的封固质 量上。因此，解决了固井二界面系统的封固质量问题，就解决了目前固井质量的很大一 部分问题。 1 1 2 研究意义 定向井、水平井、大位移井及深井复杂井的出现，加大了固井作业的难度，对固井 技术提出了更高的要求。为提高固井质量，更加需要相关施工队伍的有力配合。于此相 反的是，钻井公司为了保证钻井施工安全，实现经济效益最大化，减少执行力度甚至是 不执行固井配套技术措施，如：为节省钻井成本，固井施工前不进行钻井液性能的调整 以及钻井液的预处理；为提高套管下入速度，减少扶正器安放数量；在地层承压能力极 低的区域，只保证安全钻进，将井漏、井涌风险转嫁固井；在深井、超深井区域钻探时， 使用的高粘度、高切力钻井液体系，给固井施工造成困难。 固井最重要的目的是实现严密的层间分割和对套管的保护，以保证钻井与试油等后 续作业安全顺利、储层产能测试的准确、分层开采效果长期可靠、储层增产与改造措施 有效。固井质量的好坏直接关系到后续钻井、完井、开发、提高采收率强化开采措施的 顺利进行，涉及到油田勘探开发的进程，涉及到油气资源的合理开发，涉及到油田勘探 开发的经济效益，而固井本身也是一项隐蔽性强、不确定因素多、涉及多学科、投资大、 风险大、且具有一次性作业特点的系统工程，任何一个环节或因素考虑不周，都可能引 发固井质量问题。而一旦出了问题，又不能推倒重来，且即使补救作业成功，也造成了 人力、物力、财力的浪费，并影响了后续作业的顺利进行和实施效果，因此，不仅要尽 可能提高固井质量，还应该尽可能提高固井作业的一次成功率。 两安石油人学硕l 学位论文 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国内发展状况 1 9 8 4 年，西南石油学院在国内建立了环空顶替动态模拟实验装置，之后大庆石油管 理局钻井研究所也建立了注水泥顶替实验装置。大量实验研究表明，套管的居中度、水 泥浆流态、紊流接触时间、钻井液的触变性和水泥浆与钻井液的密度差，是影响水泥浆 顶替效率的重要因素。西南石油学院根据该方法的原理建立了类似的实验装置，并对更 多的因素进行了实验研究。研究表明，固井界面水泥石强度发展规律除与水泥本身强度 有关外，还与水泥凝结硬化过程中其表观体积的胀缩特性有关。 1 9 9 8 年，弓玉杰、吴广兴等从固井二界面胶结机理出发，通过对二界面封固系统的 基本分析，阐述了二界面封固系统的井下状态，确定了影响二界面的四大类基本因素。 对滤饼在二界面的作用提出了新的认识，对隔层的胶结和密封及高压层和低压层的固井 质量问题也提出了相应的观点。 2 0 0 2 年，谢凤臣，王春艳通过对二界面封固系统的封固机理研究，认为如果在钻井 液中加入某些处理剂，钻井过程中能以液态或微颗粒态吸附在滤饼中，通过离了置换参与 胶结，并可与井壁围岩发牛吸附、胶结，增强滤饼与水泥环、围岩的亲合力，改进水泥环 滤饼一围岩的胶结状况，就可达到提高二界面固井质量目的。在此基础上，研制出利于 提高二界面胶结强度的l p s 处理剂。 2 0 0 3 年，王志刚、李玉海等人，对生物驱油剂配置的冲洗液和隔离液的降低表面张 力、腐蚀性、p h 值、密度、悬浮性等物化性能进行研究，得到了一种对钻井液冲洗及顶 替性能优良的新型生物固井前置液。 2 0 0 6 年，杨香艳、郭小阳等人以流变学原理为基础，提出了控制接触污染的前置液 紊流顶替理念。研究出了一种具备强抗钙能力和优良化学兼容性、流变参数可灵活调整、 密度调节范围宽、能选择性固化的新型广谱水基前置液体系。 2 0 0 6 年，黄河福、步玉环等人就m t c 固井液二界面胶结强度进行研究。结果表明， m t c 固化体的体积收缩率远小于水泥石的体积收缩率。与低密度水泥浆体系相比，m t c 固化体系与泥饼之间能够实现整体固化胶结，m t c 固化体二界面胶结强度受井壁界面 性质影响较小，尤其在有一定泥饼存在的情况下更是如此。但由于m t c 固化体的抗压 强度较低，在地层压力或注入压力较高的井中应谨慎使用。 2 0 0 6 年，顾军、高兴原等就油气井固井二界面封固系统及其破坏模型进行研究。【i j 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。总结了固井界面水泥石强度发展规律： ( 1 ) 固井一界面胶结强度随着养护时间的延长而增大，这与水泥石抗压强度的发展是相 近的，但其增长速度比抗压强度缓慢。( 2 ) 固井二界面胶结强度开始随着养护时间的延 长而增大，但约l 天以后，有逐渐减少的趋势。这与水泥石抗压强度的发展是不同的。 第一章绪论 ( 3 ) 固井二界面胶结强度发展曲线与水泥石表观体积的胀缩曲线很相近，说明水泥环第 二界面胶结强度发展除与水泥石本身强度有关外，还与水泥石表观体积的胀缩有关。( 4 ) 2 天之前，固井二界面胶结强度高于一界面胶结强度，但2 天之后，固井二界面胶结强 度则低于一界面胶结强度，且随着养护时间的延长，二者的差值有逐渐增大的趋势，因 此从发展角度看，固井二界面将是日趋薄弱的环节。 2 0 0 6 年，杨振杰、李家芬、陈道年等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钻井液对固井界面 胶结质量的影响进行研究。 2 0 0 6 年，崔茂荣、马勇等设计了一套h t h p 岩心滤失装置，用以模拟高温高压条件 下形成滤饼的井壁岩石与水泥浆固结的实际情况，并建立了一种评价固井第二界面胶结 质量的方法。 2 0 0 7 年，张鹏伟、肖武锋等人就“死泥浆”对界面胶结力学性能的影响展开研究， 以窝存的“死泥浆”为基础，系统评价了四种界面组成条件下的胶结力学性能。探讨了 早强型水泥浆和增强型水泥浆的胶结强度强化机理，提出了从根源上解决层间窜问题的 有效途径。 2 0 0 7 年，李家芬、杨振杰等人进行了提高固井界面强度的钻井液研究。认为：在钻 井液中加入超细活性矿物和温度井壁的材料能使固化体水化产物结构致密，固化体本体 强度和界面胶结强度得到强化。 1 2 2 国外发展状况 国外提高固井质量的研究始于1 9 4 0 年，有关文献资料数以百篇，但专门以固井二界 面胶结质量作为研究方向的的文献只有寥寥几篇。 1 9 4 0 年，p h j o n e s 和d b e r d i n 。对注水泥顶替机理进行了开创性研究。他们指出， 钻井液、水泥浆都是非牛顿流体，它们需要一定的压力降才能达到一定的流速。如果套 管偏心，就极易在宽间隙出流动而窄间隙出形成窜槽。因此扶正套管是减少窜槽的有力 措施。 1 9 4 8 年，g c h o w a r d 和j b c l a r k 进行了注水泥顶替模拟实验，首先认识到钻井液 性能的重要性，并指出降低钻井液粘度有利于提高注水泥顶替效率。 1 9 6 7 年，r h m c l e a 。等人提出了临界动切力的概念，他们认为当水泥浆的动切力 为临界动切力的0 8 1 5 倍时，注水泥顶替效率显著改善。 1 9 7 9 年，r c h a u t 和r j c r o o k 提出了钻井液不流动系数的概念，他们认为泥饼 性能和最大静切力是影响顶替效率的两个最主要因素；同时还指出高的上返速度，且 j 使未 达到紊流也总比低返速下的顶替效率高。 8 0 年代后，随着水平井钻井技术的发展，国内外开始加强了大斜度及水平井注水泥 顶替效率的研究。 两安石油人学硕： = 学何论文 1 9 8 3 年，k e l l e y 等人通过实验指出，井眼下侧的岩屑床和井眼上侧的水泥浆游离液 槽对大斜度井固井质量有很大影响。 z u r d on o r e l 等人进行了长达3 0 0 m 的全尺寸水平井注水泥模拟实验，研究了流态、 套管偏心、井眼形状对顶替效率的影响。 1 9 9 1 年，j a k o b s e n 等人建立了荧光示踪法动态注水泥模拟实验装置，并进行了井斜 角为6 0 0 的注水泥模拟实验。研究的因素包括：套管偏心度、液体枯度、紊流程度及浮力 效应。 c e m c r e t e 固井技术道威尔公司于1 9 9 8 年底研发了c e m c r e t e 固井技术，该技术 通过优化水泥及外掺颗粒直径分布，使单位体积内固相颗粒增加，尽量降低水泥浆水灰 比，提高了水泥石的抗压强度和降低水泥石的孔隙度和渗透率，解决了深井膏岩层的高 压固井问题。 防窜固井技术美国t a l a b a n i s 等人提出，通过合理设计含有塑性材料的水泥，有助于 防止气窜发生。l 、通过设计合理的水泥可防止三类气窜发生，通过磁铁矿可消除发生在 套管和水泥之间的气窜；2 、通过添加一种特殊材料能一定程度上消除井壁上滤饼对水泥 胶结的不利影响，改善胶结质量，防止水泥和井壁之间的气窜；3 、添加合适的弹性材料。 2 0 0 5 年，h k j l a d v a 等人通过一系列试验，运用胶结强度测试、分光镜扫描等试 验方法，研究了泥浆性能、水泥浆性能、地层水侵等因素对水泥和地层界面胶结的影响 【2 】 o 自1 9 0 3 年开始固井以来，经过近1 0 0 年的努力，国内外固井技术有了一定的进步， 主要有：油井水泥的扩充与完善，油井基本水泥由一两种发展到1 3 种；国外油井水泥外 加剂己发展到1 4 大类2 0 0 多个品种；普遍采用计算机控制技术对配浆过程进行连续监控， 注水泥设备向操作自动化、密度控制精确化等方向发展；相应的，目前国内外在提高第 一、二界面的胶结强度方面也展开了一些新技术的研究，有胶凝浆特性、泥饼固化、界 面胶结、水泥外加剂、泡沫固井技术、钻井液转化水泥浆( m t c ) 固井技术以及固井液与 多功能钻井液泥饼整体固化胶结技术等。 如何提高固井质量，一直都是国内外固井界专家不断探索的课题。到目前为止，对 于固井质量影响因素的探讨也趋于完善。影响固井质量的因素很多，根据固井作业和水 泥环长期密封性能所涉及的对象，可将其分为八大类：( 1 ) 井眼条件，包括井眼尺寸、 井眼质量、井内温度和压力、环空间隙；( 2 ) 地层条件，包括地层岩性、地层压力、地 层流体特性；( 3 ) 钻井液，包括钻井液类型、密度、流变性、泥饼质量；( 4 ) 水泥浆， 包括水泥浆体系、稳定性、流变性、稠化时间、水泥石抗压强度、水泥石的长期稳定性； ( 5 ) 冲洗液和隔离液，包括其密度、类型、流变性、用量、与钻井液和水泥浆的相容性、 表面活性；( 6 ) 套管，包括套管表面性能、承压和抗腐蚀能力、螺纹连接；( 7 ) 固井工 艺，包括室内设计结果的现场复核、井眼准备、安全下套管、配浆、平衡注水泥、顶替 效率、候凝过程中压稳；( 8 ) 后期井下工况变化。 4 第一章绪论 归纳起来，前期国内外研究的内容主要集中在三个方面：( 1 ) 归纳出影响固井二界面 胶结质量的因素：( 2 ) 探讨了固井二界面胶结强度发展的规律；( 3 ) 总结介绍了提高固井二 界面胶结质量的一些工艺技术措施。 1 3 论文的创新点 2 0 0 5 年胜利油田进行新的固井质量评价方法的宣灌工作，推行新的固井质量评价 方法，在新的固井质量评价方法中，明确提出对第二界面固井质量进行定性评价的 要求。 早在1 9 9 0 年，阿特拉斯公司推出了一种具有周向评价固井质量的测井技术，简称 s b t 测井技术。该技术除了利用六极板衰减曲线外，还可以利用平均声幅曲线和密度图 对第一、二界面的胶结状况进行检测。克服了声幅测井由于受微环隙、快速地层、水泥 环厚度等方面因素的影响；也克服了声幅测井和声波、变密度测井没有周向分辨能力， 不能评价水泥胶结的周向差异的缺陷，从而揭示了固井质量存在的问题，为固井技术的 发展和固井质量的提高指明了方向。 因此，第二界面固井质量的研究工作要以c b l v d l 以及s b t 电测图等能真实反映 第二界面胶结状况的测井技术作为研究依据，结合已有的固井质量研究成果和固井施工 的实际状况，才能正确的得出结论，解决第二界面固井质量难题。 通过分析，在影响第二界面固井质量的众多因素中，可以被固井公司合理、有效运 用的因素有：( 1 ) 水泥浆体系：( 2 ) 前置液体系；( 3 ) 套管工具附件；( 4 ) 固井工艺等 四大因素。其他因素或多或少的受到油田运行机制的制约，无法有效的运用。 以c b l d l 、s b t 电测图作为研究依据，结合现有的固井二界面系统的胶结机理 研究，进一步完善固井二界面系统胶结机理，对影响固井二界面系统胶结质量的丰要因 素进行分析，找出目前固井二界面胶结质量无法改善的具体原因，提出解决方法。并根 据油田现场实际应用情况，完善固井二界面系统的研究。 1 4 本文研究内容 通过对相关文献的分析，结合固井技术的发展趋势，在充分借鉴前人的研究思路和 工作方法，主要建立了二界面系统模型，明确了提高二界面系统胶结质量的两大核心技 术：顶替技术和压稳技术及三个主要影响因素：套管居中度、前置液和水泥浆体系。 本文的研究内容如下： ( 1 ) 在实际固井施工条件下，根据c b l v d l 解释成果，研究紊流接触时间对第二 界面胶结质量的影响，研究油气层对第二界面胶结质量的影响； ( 2 ) 根据s b t 扇区测井解释成果，研究第二界面封固系统破坏的原因，找出解决 方法； ( 3 ) 根据上述研究成果，研究新型前置液和水泥浆体系对第二界面胶结强度的影响 规律； 两安石油大学硕一l ：学位论文 ( 4 ) 根据上述研究成果，结合已建立的界面强度结构模型，研发可以克服水泥石体 积收缩的晶格膨胀剂水泥浆体系，提高水泥环的抗压强度，提高界面的胶结强度： ( 5 ) 根据上述研究成果，研发新型套管扶正器，提高套管居中度水平。 6 第章同井界面封固系统研究 第二章固井二界面封固系统研究 国内外已越来越重视固井第二界面的研究工作，认为第二界面胶结质量是影响油气 井使用寿命的关键因素。固井第二界面封固失效，会降低开发效益，引起严重环保问题( 污 染地下水源) 和安全( 天然气窜到地面) 的风险。 从理论上说，固井第二界面实际上是水泥浆形成的固化体( 水化产物) 与井壁表面形 成的泥饼的胶结界面和泥饼与井壁形成的胶结界面两个胶结界面形成的复合胶结界面。 对石油固井作业来说，双界面的胶结质量及强度直接影响着油井的使用寿命和开发效益 3 1 。固井的第二界面是一个变化极大的界面，影响因素包括井下温度、压力、井下压力 的动态变化、封固段岩性、水泥浆体系与性能、钻井液体系与性能、钻井时间等等。 在固井工程中，界面胶结历来被认为是整体结构的薄弱环节，阻碍着水泥石性能的 进一步发展和提高，常常会影响甚至破坏强度、渗透性等重要性能。原因有两个：一是 界面与内部相比，界面的结构和性状都是不正常的；二是界面实际上有一个过渡区，它 具有多孔、疏松、晶体粗大且径向排列的特点。因此，界面的反应及其物理状态对水泥 石的力学性能和耐久性有重要的影响，即界面胶结强度往往是整体结构强度的关键。固 井第一界面的胶结问题已经得到了很好的解决，但固井第二界面的胶结问题则是一个复 杂性课题：l 、水泥浆无法与地层壁面直接接触；2 、水泥浆胶结过程中，井下的状态是 不断发生变化的：3 、检验水泥浆胶结状态的手段单一，油田采用的声波变密度测井方法 ( v d l ) 无法提供有效的分析依据。 2 1 固井二界面封固系统的组成 人们通常把套管与水泥环之间的胶结面称为固井第一界面，把水泥环与地层( 或外层 套管) 之间的胶结面称为固井第二界面。以往对二界面的研究往往集中在水泥浆与地层 胶结面上，进行了一系列的分析和假设，没有从固井二界面封固系统整体上进行研究， 有很大的局限性。 狭义的固井二界面封固系统是指由水泥浆、泥饼和地层，三部分构成的一个固化胶 结整体【4 】；广义的固井二界面封固系统是指由套管、水泥浆、水泥浆滤饼、死泥浆、泥 浆滤饼、近井污染地层和正常地层，六部分组合构成的一个固化胶结整体，它是对固井 二界面这一概念更深层次的概括和阐释，如图2 1 所示。 就二界面封固模型而言，固井二界面封固系统是至少由5 个界面组成的间歇复合界 面构成，即套管于纯水泥浆之间的第一界面，纯水泥浆与水泥浆滤饼之间的界面、水泥 浆滤饼与泥浆滤饼之间的界面和泥浆滤饼与近井地层污染壁面之间的界面构成的复合第 二界面。 7 两安开油人孕顾l ：学位论文 j 管 水泥 泥浆憾饼 近井污染带 泥浆游饼 图2 - 1 二界面封固系统模型示意圃 固井二界面封固系统是由不同材料组成的复合体，即：1 、水泥浆。水泥浆在这坐是 一个广义的概念，它既指由油井水泥与水泥外加剂和或外掺料配制的各种水泥浆( 如掺 加轻质材料配制的密度小于17 5 c m 3 的水泥浆称为低密度水泥浆：掺加各种性能调 节剂配制的密度在17 5 2i o g c m 3 范围内的水泥浆，称为常规密度水泥浆；掺加加霞材 料配制的密度大于2i 0 c m 3 的水泥浆，称为高密度水泥浆：此外，还有特种水泥浆如泡 沫水泥浆、防钾水泥浆、膨胀水泥浆、抗盐水泥浆、触变水泥浆、纤维水泥浆、超细水 泥浆防冻水泥浆等) 。水泥浆是实现固井二界面封固系统有效密封的重要基础。因此，其 性能的优劣关系到固井作业的成败，还直接决定着整个环空封固系统的有效性。2 、死泥 浆。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，它主要包含3 个部 分：是捌井、下套管等作业期间已胶凝、脱水或干枯的钻井液；二是缝孔内或井径不 规则处局部窝存的钻井液；三是糊在井壁上由钻井液、前置液和水泥浆等形成的疏松混 合物。死泥浆的存在不但会严重影响顶替效率，而且还会污染近二界面处的水泥浆，造 成此处水泥石强度很低甚至形不成强度，导致固井二界面封圄系统密封失效，因此是不 利因素。但遗憾的是，岗为对死泥浆性质的描述和评价非常网难，目前国内外对它的了 解和研究并不多，甚至被忽略了。3 、滤饼。滤饼是滤饼和水泥饼的组合：一方面，钻井 时在一定的温度和压差下钻井液茸先滤失进入近井地层，固相颗粒必然会由大而小地沉 积到港滤面，使得孔缝越堵越小，最终形成一层固体颗粒腔结物滤饼；另一方面， 固井时尽管已有滤饼的阻挡会使水泥浆渗入地层的量减少，但因此时的工作压差和滤失 量更大，仍会在滤饼上再形成一层水泥饼。滤饼是钻井所必不可少的，因为它可稳定井 壁和保护储层；但滤饼对固井二界面封固系统来说则是有害无益的，因为不管滤饼有多 薄，都会在井壁上形成一个不可固化层，使水泥环与地层岩石之间存在不同程度的剥离 而产牛微裂缝，促使固井二界面胶结力变小，导致固井二界面封固系统密封失效，因此 是有害因素。4 ，地层壁面。井简内的地层壁面是一个不规则无定形的柱状曲面。从建筑 学角度讲，地层壁面的凹凸不平说明其表面粗糙度很大，无疑应该有利于界面胶结，世 对于油气井而言，因它会窝存钻井液，使此有利因素变成了不利因素。目前油气田普遍 存在一界面胶结好而二界面胶结差的现象也从某一侧面说明了这一点。地层壁面对固井 第二章同井二界面封同系统研究 二界面封固系统的影响取决于井壁的规则程度，即井径扩大率。显然，固井二界面封固 系统的4 个组成部分都与封固段地层的性质密切相关：一是水泥浆性能与地层性质有关， 尤其是水泥浆密度更取决于地层孔隙压力、地层坍塌压力和地层破裂压力；二是窝存的 死泥浆量和地层壁面的性状也取决于封固段地层的稳定性；三是滤饼形成和滤饼性质不 仅与钻井液性能有关，还与地层渗透性有关。 2 2 固井二界面系统状态分析 固井二界面封固系统在钻进施工完成时，就因已经确立井眼状况，而成为固井施工 的客观条件。固井二界面封固系统的状态分析也要建立在该基础上。 人们通常将固体与液体或气体之间的接触面常称为固体的表面，固体与固体之间的 接触面称为界面。显然，无论是固井第一界面或是固井第二界面，研究其性质都应分为 两个部分或两个阶段来进行，即水泥浆凝固之前属于表面问题，这个阶段重点考虑固体 表面的吸附、润湿和粘附效应，水泥浆凝固之后属于界面问题，这个阶段重点考虑固体界 面的粘接、增强和固化程度。 就水泥浆的凝固过程而言，水泥浆在固井二界面封固系统中可以划分为：液态、液 塑态、塑态和固态【5 】。水泥浆由低、中、高密度水泥浆体系组成，每个体系有着不同的 配方组分，并且随着时间和温度变化都有不同的凝固形态，每个水泥浆体系的每一状态 对应其他部分的状态，形成了多项组合状态，每一种状态对地层的密封能力都有可能不 同。 固井工艺使用的双凝或多凝水泥浆体系，在水泥浆柱固化过程中，就可能是单纯的 液态，或是液态、液塑态、塑态和固态的组合态，以及完全凝固后的固态。 2 2 1 泥饼状态分析 从钻头破碎井底岩石形成井眼的瞬间开始，泥浆、泥浆水便向地层孔隙渗透。在一 段很短的期间内泥饼尚未形成，接着在泥浆循环的情况下泥饼建立、增厚、直至平衡( 厚 度保持不变) 。当钻进若干时间以后，开始起钻、停止循环泥浆，这时由于泥浆液流冲刷 泥饼的力量不存在了，随着失水过程的进行泥饼逐渐增厚。起下钻结束后，又继续钻进、 循环泥浆，于是泥浆从静失水又进到动失水，而这次的动失水与上次有区别，它是经过 一段静失水、产生了静失水所形成的泥饼之后的动失水，其数值要比上一次小。就 这样周而复始，单位时间里的失水量在逐渐减小，泥饼大体保持一定的厚度( 增长很慢 了) ，累积失水量也达到一定的数值，这就是井内泥浆失水形成泥饼的全过程【6 】。 还需要指出的是，井内泥浆失水是在井下的温度和压差下向地层里进行的。不同的 地层岩石具有不同的孔隙度、渗透率，因此，同一种性能的泥浆对应不同的地层其失水 量是不同的，井壁上附着的泥饼厚度当然也是不一样的。在渗透性大的砂岩、砾岩、缝 缝洞洞发育的灰岩处的井壁会附着较厚的泥饼；在渗透性小的页岩、泥岩、石灰岩和其 9 两安石油人学硕i ：学位论文 他致密岩石处的井壁附着较薄的泥饼。 开钻时，通常采用清水开钻，此时的钻井液性能很差。在钻进至油层前，都要调整 钻井液性能，以保护油气层。由泥浆工艺原理可知，此时形成的泥饼质量要好，即薄且 坚韧，有利于保护井壁。 完钻后，在进行下一步施工作业前，通常都要进行通井作业，以清除虚泥饼，确保 井眼畅通。在钻头和钻具组合的刮削作用下，多数虚泥饼及部分泥饼脱落，井口表现为 大量团状粘稠物从振动筛返出。其总结性规律为：通井次数越多，从振动筛返出的团状 粘稠物越少。 下套时，在套管扶正器和套管节箍的作用下，已经形成泥饼会发生脱落，钻井液中 的固相颗粒必然会再次由大而小地沉积到渗滤面，形成一层新泥饼；新泥饼由于形成时 间短( 一般为3 4 小时) ，缺乏足够的韧性也不坚固，注水泥施工时，在高速流动的水 泥浆作用下，极容易再次脱落。 2 2 2 前置液状态分析 前置液的注入量一般占环空容积的2 0 0 一- - 3 0 0 m 左右高度【7 1 ，通常为6 - - - 8 m 3 ，施工返 出时间应 0 5 5 。k 0 3 室内试验表4 3 可以看出，如果不需要用前置液加重来平衡井眼压力的话，对于一 般井，在注水泥浆前，先注入l 2 m 3 混入分散剂和稀释剂的混合水作为冲洗液，然后再 注入3 - 4 m 3 s g f 基液作为隔离液，共同构成前置液。这样冲洗液首先对钻井液进行分散、 稀释，并高速冲刷套管壁和井壁，隔离液再进一步对套管壁和井壁进行高径向速度的冲 蚀，并有效避免水泥浆与钻井液直接接触污染，使水泥浆与钻井液界面清楚，减少了水 泥浆窜槽，从而极大地提高了水泥浆顶替效率，改善了水泥胶结质量。 表4 - 3s g f 基液的室内