水泥漿膠凝性質(zhì)及對薄弱地層固井施工影響

研究了廢水泥漿澄清液、漿體以及干燥后的粉體三種狀態(tài)的廢水泥漿對水泥膠砂流動(dòng)度以及抗壓強(qiáng)度的影響。采用澄清液取代自來水會增大水泥膠砂的流動(dòng)性,且不會導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度明顯降低;采用水泥漿體,流動(dòng)度均大于基準(zhǔn)組,但抗壓強(qiáng)度波動(dòng)較大;采用廢漿粉末取代水泥會導(dǎo)致流動(dòng)度明顯下降,且抗壓強(qiáng)度大幅下降。

過去對水泥漿失重機(jī)理的研究和解釋都不很不夠，看法也不一致，有礙氣竄問題的徹底解決。近期的研究指出，候凝過程中水泥漿要經(jīng)在從沉降下穩(wěn)定體系到穩(wěn)定體系的轉(zhuǎn)化期，并提出了無濾失情況下轉(zhuǎn)化期水泥漿中的固相沉積到井壁導(dǎo)致沉降失重的觀點(diǎn)和固相結(jié)構(gòu)在沉降中隨著靜和的增懸掛于井筒壁導(dǎo)致沉降－膠凝失重的觀點(diǎn)，從上述兩種失重觀點(diǎn)出發(fā)，并以典型失重模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析了水泥漿在不同井斜的失重機(jī)沉降失重對水泥漿轉(zhuǎn)化期失重

在固井過程中，為了防止環(huán)空二界面微問隙的產(chǎn)生，尤其是為了開發(fā)不收縮水泥漿體系以保證層閫封隔質(zhì)量，在室內(nèi)進(jìn)行了環(huán)空水泥封隔實(shí)驗(yàn)，并且對所開發(fā)的膨脹水泥漿體系的性能進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)地層實(shí)際情況而設(shè)計(jì)的膨脹水泥漿體系能夠有效地封隔地層，現(xiàn)場應(yīng)用表明，該膨脹水泥漿體系能夠有效地封隔儲氣層。本文介紹了該膨脹水泥漿體系在2個(gè)地區(qū)現(xiàn)場固井中的應(yīng)用情況。

在固井過程中,為了防止環(huán)空二界面微間隙的產(chǎn)生,尤其是為了開發(fā)不收縮水泥漿體系以保證層間封隔質(zhì)量,在室內(nèi)進(jìn)行了環(huán)空水泥封隔實(shí)驗(yàn),并且對所開發(fā)的膨脹水泥漿體系的性能進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,根據(jù)地層實(shí)際情況而設(shè)計(jì)的膨脹水泥漿體系能夠有效地封隔地層,現(xiàn)場應(yīng)用表明,該膨脹水泥漿體系能夠有效地封隔儲氣層。本文介紹了該膨脹水泥漿體系在2個(gè)地區(qū)現(xiàn)場固井中的應(yīng)用情況。

枯竭油氣藏儲氣庫注采氣井要求運(yùn)行周期長,運(yùn)行工況條件苛刻、儲層和蓋層封固質(zhì)量要求高,儲氣庫注采氣井要求全井封固,要求水泥漿返至地面。分析了地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地層壓力系數(shù)低、水泥漿設(shè)計(jì)困難等固井技術(shù)難點(diǎn),提出了采用雙密雙凝固井水泥漿體系的固井技術(shù),經(jīng)現(xiàn)場施工應(yīng)用,固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì),滿足封固質(zhì)量要求。

研究了廢水泥漿澄清液、漿體以及干燥后的粉體對水泥膠砂流動(dòng)度以及抗壓強(qiáng)度的影響，為廢水泥漿在預(yù)拌混凝土生產(chǎn)中的的回收利用提供技術(shù)基礎(chǔ)，解決廢水泥漿的環(huán)境污染和資源化利用問題。

小井眼井由于井徑小,環(huán)空間隙小,在進(jìn)行固井時(shí)存在許多難點(diǎn).在所有難點(diǎn)中,最為突出的就是對水泥漿標(biāo)準(zhǔn)的要求.本文重點(diǎn)研究了小井眼固井的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù),以及對水泥漿性能體系的要求,并構(gòu)建小井眼固井水泥漿體系,從而使其各項(xiàng)性能均滿足小井眼固井對水泥漿性能的要求.

玉門青西油田屬于裂隙性油藏,由于井深、封固段長、多套壓力體系共存、井眼條件較差、溫度高及封固層段上下溫差大等問題,固井難度較大。前期采用常規(guī)加砂水泥漿體系,雖基本解決了完井固井質(zhì)量問題,但對油層污染較大,后引進(jìn)低密度水泥漿體系,固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達(dá)85%以上,油藏采收率得以大幅提高,應(yīng)用效果良好。

從分析幾個(gè)典型的固井作業(yè)事故事例出發(fā),指出了影響固井作業(yè)安全的各種水泥漿因素,具體包括實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場配方材料的一致性問題、混配均勻性問題、油井水泥及外加劑材質(zhì)問題及水泥漿配方設(shè)計(jì)問題。從完善標(biāo)準(zhǔn)化工作的角度提出了通過加強(qiáng)水泥漿技術(shù)管理工作以防范固井作業(yè)事故的一系列可行措施。

華北地區(qū)經(jīng)過多年的注采,地下壓力體系變得十分復(fù)雜,鉆完井期間易發(fā)生油氣水竄,對固井質(zhì)量影響很大;水泥漿凝固時(shí)的體積收縮和水泥漿由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)的過渡時(shí)間長短也會增加發(fā)生油氣水竄的風(fēng)險(xiǎn)。為此,優(yōu)選了一種新型膨脹材料,研制出一種新型膨脹水泥漿體系,并對其膨脹效果,對稠化實(shí)驗(yàn)的影響以及與常用外加劑的配伍性等展開了研究。

從分析幾個(gè)典型的固井作業(yè)事故事例出發(fā),羅列了影響固井作業(yè)安全的各種水泥漿因素,具體包括實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場配方材料的一致性問題、混配均勻性問題、油井水泥及外加劑材質(zhì)問題及水泥漿配方設(shè)計(jì)問題。從完善標(biāo)準(zhǔn)化工作的角度提出了加強(qiáng)水泥漿技術(shù)管理工作以防范固井作業(yè)事故一系列具體措施。

氣竄嚴(yán)重是吉林油田淺層氣井固井存在的一大技術(shù)難題,為此開發(fā)了淺層氣井固井防竄水泥漿,該水泥漿具有流動(dòng)性好、失水量低、稠化時(shí)間合適、過渡時(shí)間短和早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。開發(fā)的固井水泥漿,領(lǐng)漿中加入1.4%降失水劑jls和3%晶體膨脹劑kw-2,水泥漿失水量為16ml,稠化時(shí)間為130min,漿體spn值為1.07,24h水泥石的抗壓強(qiáng)度和線膨脹率分別為20.5mpa和0.011%;尾漿中加入1.4%jls、3%kw-2和2%速凝早強(qiáng)劑zqj,水泥漿失水量為14ml,稠化時(shí)間為108min,漿體spn值為0.90,24h水泥石的抗壓強(qiáng)度和線膨脹率分別為23.7mpa和0.003%?，F(xiàn)場34口氣井的應(yīng)用實(shí)踐證明,該防氣竄水泥漿適合淺層氣井的固井開發(fā),固井合格率為100%,優(yōu)質(zhì)率為88.2%。

套管柱注水泥結(jié)束后,由于水化熱的作用使水泥漿在膠凝過程中產(chǎn)生升溫現(xiàn)象,并隨之失重。溫度、壓力的共同作用會使套管柱發(fā)生很大的形變。隨著水泥的固化,這種形變也會被固結(jié)在水泥封固段內(nèi),影響其使用性能。在調(diào)研大量資料的基礎(chǔ)上,利用數(shù)值計(jì)算方法得到了水泥膠凝過程中溫度變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。對某油田實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,得出了水泥漿失重時(shí)的壓力計(jì)算公式。根據(jù)有限元理論,推導(dǎo)出套管段長度與溫度、壓力、水泥及套管表面剪切應(yīng)力之間的關(guān)系式。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算得到了水泥漿膠凝過程中套管的動(dòng)態(tài)變化。

套管柱注水泥結(jié)束后，由于水化熱的作用使水泥漿在膠凝過程中產(chǎn)生升溫現(xiàn)象，并隨之失重。溫度、壓力的共同作用會使套管柱發(fā)生很大的形變。隨著水泥的固化，這種表變也會被固結(jié)在水泥封固段內(nèi)，影響其傅工大量資料的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值計(jì)算方法得到了水沁膠凝過程中溫度變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，對某油田實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出了水泥漿失重時(shí)的壓力計(jì)算公式。根據(jù)有限元理論，推導(dǎo)出套管段長度與溫度、壓力、水泥及套管表面剪切應(yīng)力之間

油井水泥漿的流變性是注水泥施工的一個(gè)重要工藝參數(shù),是水泥漿配方設(shè)計(jì)的核心以及安全施工的前提。分別從油井水泥漿組成成分(石膏加量、比表面積、分散劑)、工作環(huán)境(溫度、壓力)、施工參數(shù)(攪拌速度、攪拌時(shí)間)和水泥漿的水灰比等方面通過試驗(yàn)來研究影響水泥漿流變性的因素。研究結(jié)果表明:隨石膏摻量的增多,水泥顆粒的比表面積增加,水泥漿的流動(dòng)性能隨之變差,而比表面積為320~350m2/kg時(shí),水泥漿流變性能變化不大;提高攪拌速度和增長攪拌時(shí)間能提高水泥漿流變性能;隨溫度的升高水泥漿的流變性表現(xiàn)為先提高后變差的變化趨勢,該試驗(yàn)條件下當(dāng)溫度高于70℃時(shí)水泥漿的流變性能明顯變差,但壓力對于水泥漿流變性影響不大。

油井水泥漿的流變性是水泥漿配方設(shè)計(jì)的核心及安全施工的前提。本文分析了影響油井水泥漿流變性的主要因素：水泥的礦物組成（主要討論中間相）即ｃ４ａｆ和ｃ３ａ對水泥漿的流變性影響很大，而易與硫酸鹽反應(yīng)生成鈣礬石（ａｆｔ），不利于水泥石的長期穩(wěn)定性；堿含量即ｎａ２ｏ、ｋ２ｏ總含量，熟料中堿對水泥漿的影響超過ｃ３ａ；當(dāng)水泥的粒度（比表面）顆粒粒徑大于７５ｕｍ時(shí)，分散劑幾乎不起作用；溫度主要是通過加速或延緩水泥的水化速度而影響水泥漿的流變性；壓力的增加會加速水泥的水化；化學(xué)外加劑也能改善水泥漿的流變性。并提出了水泥漿配方流變學(xué)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)流程。

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油井水泥漿稠化曲線是油井水泥漿稠化時(shí)間、初始稠度、過渡時(shí)間(40～100bc的時(shí)間)、稠化線形等參數(shù)的綜合體現(xiàn),對水泥漿性能設(shè)計(jì)和固井施工有著重要的指導(dǎo)作用。通過對稠化試驗(yàn)現(xiàn)象的總結(jié),解釋和分析了稠化曲線的涵義及影響因素。

水泥漿失重是導(dǎo)致環(huán)空竄流的主要原因之一。利用自行研制的水泥漿失重模擬裝置研究了井斜角、套管偏心度、環(huán)空間隙和水泥漿失水量等因素對水泥漿失重的影響。結(jié)果表明,水泥漿失重速度隨井斜角的增大、偏心度的增大和環(huán)空間隙的減小而加快,隨著失水量的減小而減慢。因此,在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要保證足夠的環(huán)空間隙,減小水泥漿與環(huán)空壁面的接觸面積,降低水泥漿的失重速度;在鉆井過程中,特別是在鉆小井眼及斜井時(shí),一定要做好套管居中工作,盡量減小套管偏心度,以防止環(huán)空竄流現(xiàn)象的發(fā)生;在固井中,應(yīng)盡量提高水泥漿的穩(wěn)定性,降低其失水,以提高水泥漿自身的壓穩(wěn)防竄能力。

探討了甲基纖維素對新拌水泥漿體若干性能的影響,并將其與水灰比和水泥品種的影響進(jìn)行了比較.結(jié)果表明:甲基纖維素有顯著的增稠和提高水泥漿體保水性的作用,有較小的增塑、緩凝效果;甲基纖維素引氣效果明顯,因此應(yīng)用中需特別考慮其對材料強(qiáng)度的影響.

通過對水泥漿體干縮、電阻率和強(qiáng)度性能的分析,研究了減縮劑對化學(xué)外加劑作用下水泥漿體結(jié)構(gòu)形成與發(fā)展的影響。結(jié)果表明:從減縮的角度來看,減縮劑與減水劑的相容性較好,且基本上不受調(diào)凝組分的影響;從漿體強(qiáng)度的角度來看,減縮劑與減水劑的相容性較差,減縮劑與調(diào)凝組分的相容性與緩凝劑類型、金屬陽離子有關(guān);減縮劑抑制了漿體水化初期離子的溶出,具有一定的緩凝作用,對結(jié)構(gòu)形成期具有一定的促進(jìn)作用,但結(jié)構(gòu)的形成并沒有伴隨著力學(xué)性能的增強(qiáng)。

石粉對水泥硬化的影響,可歸結(jié)為化學(xué)效應(yīng)和物理效應(yīng)。以研究石粉的物理效應(yīng)機(jī)理為出發(fā)點(diǎn),在測試石粉對水泥濕堆積密度影響的基礎(chǔ)上,通過公式計(jì)算可得在不同石粉與水泥比例時(shí),粉體混合物密實(shí)度的變化,并采用marsh筒法進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明,在獲得最大密實(shí)度時(shí),不同巖性石粉與水泥的比例分別為:石灰?guī)r石粉為10%,石英巖石粉和花崗巖石粉為5%。這對揭示石粉的物理填充效應(yīng)和指導(dǎo)石粉做摻和料時(shí)的摻入比例具有重要的意義。