基于组合体力学模型的固井水泥石封隔能力分析

为探究水力压裂过程中水泥石封隔失效的内在机理，建立了一套基于套管-水泥石-地层组合体弹塑性力学模型的水泥石封隔能力失效分析方法，并通过数值模拟和实验分别验证了力学模型和分析方法的可靠性.然后借助等效应力与屈服强度、应变与材料极限伸长率的对比，绘制了水泥石封隔能力图版.研究表明:水泥石弹性模量对水泥石封隔能力影响存在最优区间，在本文研究条件下，水泥石弹性模量在6~9.7GPa之间有利于保持水泥石封隔能力.研究结果可为不同地区页岩气水平井固井水泥参数选择提供参考.     

页岩气水平井油井水泥的原位增韧技术研究

针对页岩气水平井开发过程中油井水泥作为一种非均质多孔脆性复合材料，难以承受大型水力压裂带来的非均质载荷，导致水泥环的力学完整性失效破坏问题，开展了油井水泥原位增韧技术研究。研究中采用了固相烧结法和球形重淬技术，获得了微晶铁铝酸钙（MB）作为原位增韧材料。研究结果表明，制备的原位增韧材料在提升力学性能的基础上降低了水泥石的弹性模量，养护7 d后的抗压强度可达24 MPa，抗拉强度提升50%，弹性模量降至5.55 GPa。微晶铁铝酸钙的增韧机制为：“裂纹偏转”、“裂纹终止”、“消耗断裂能”。该研究的开展对满足以页岩气开采条件下的油井水泥服役要求，延长页岩气井寿命，增加页岩气产能具有重要意义。     

碳纤维水泥配伍性试验研究

水平井、小眼井钻井技术的应用以及薄油层的开发易使水泥石射孔开裂，从而造成上下油水层串通，因此对水泥石韧性有了更高的要求。为了满足固井施工过程中对水泥浆性能以及对水泥石性能的要求，根据国家固井水泥性能测定操作标准，对碳纤维水泥进行了针对性的配伍性试验研究，包括水泥浆流变性、稠化时间、失水量以及水泥石抗压强度、抗折强度等方面的配伍性试验。研究结果表明，碳纤维与水泥以及水泥添加剂具有良好的配伍性：一定尺寸的短碳纤维可以有效地提高水泥浆的流变性和水泥石的抗折、抗压强度。     

体积压裂过程中固井界面微环隙扩展的数值模拟

射孔完井作业中射孔会对水泥环完整性造成破坏,尤其是固井界面微环隙的产生,导致后续压裂过程中出现环空带压与环空窜流的问题。针对此问题,建立压裂过程中水泥环界面微环隙扩展三维模型,通过Cohesive单元损伤模型模拟固井界面在体积压裂过程中微环隙的扩展,对界面微环隙的扩展长度进行分析计算,研究不同参数对压裂过程中固井界面失封长度的影响。结果表明:适当降低水泥环弹性模量,提高水泥石与套管、地层的胶结强度有利于减小水泥环界面微环隙扩展长度,保证水泥环有效封固;研究结果能够对体积压裂条件下的水泥环封固性能进行评价和预测。     

碳纤维水泥配伍性试验研究

水平井、小眼井钻井技术的应用以及薄油层的开发易使水泥石射孔开裂,从而造成上下油水层串通,因此对水泥石韧性有了更高的要求。为了满足固井施工过程中对水泥浆性能以及对水泥石性能的要求,根据国家固井水泥性能测定操作标准,对碳纤维水泥进行了针对性的配伍性试验研究,包括水泥浆流变性、稠化时间、失水量以及水泥石抗压强度、抗折强度等方面的配伍性试验。研究结果表明,碳纤维与水泥以及水泥添加剂具有良好的配伍性;一定尺寸的短碳纤维可以有效地提高水泥浆的流变性和水泥石的抗折、抗压强度。     

乌石17-2油田压裂井水泥环完整性评价

为了准确评价压裂井固井水泥环完整性,针对乌石17-2油田压裂井开展了交变载荷条件下的水泥环完整性失效评价实验,并基于交变压力疲劳累积损伤原理及失效准则分析了压裂井水泥环完整性失效原因,并得到了围压30MPa及交变载荷条件下水泥环完整性的失效规律。结果表明：①交变压力使水泥石内部组织受到损伤,其力学性能指标（如抗压强度等）随着交变压力循环次数的增加而降低;②套管-水泥石界面粘结强度较小,压裂加压过程中水泥环塑性累积导致卸压时套管与水泥环界面应变不一致,当界面拉应力超过界面粘结强度时,界面分离形成微环隙;③围压30MPa及交变载荷条件下水泥环完整性失效首先以微环隙为主,增大水泥石弹性及变形能力有助于保障其完整性。该结论可为乌石17-2油田压裂井水泥浆体系完善及压裂施工作业提供技术参考,有助于保证压裂井水泥环完整性。     

基于压电陶瓷的固井水泥石损伤检测

固井水泥的裂缝损伤检测对于油气钻井井壁稳定性具有重要实际意义。基于压电陶瓷传感器的主动感应法,对固井水泥石进行裂缝损伤检测,获得裂缝深度及数量变化对传感器所接受信号值的影响,通过小波包能量分析得到时域信号图及小波包能量图,计算并分析其损伤指标。结合单轴试验对裂缝性固井水泥石进行轴压并分析其强度,且对裂缝深度与强度及损伤指标进行函数拟合。结果表明,传感器所接收的信号值及轴压强度随固井水泥石损伤程度的增大而减小,损伤指标能较好地反映其损伤程度。基于压电陶瓷传感器的主动感应法能够有效地检测并评价固井水泥石的损伤状况。     

H_2S对固井材料的腐蚀过程研究

针对油气田开采中固井水泥石易受损害、不够牢固的问题,开展了H2S对固井材料腐蚀过程的研究。研究分为两个方面:通过对H2S气体与碳酸钙和弱碱性含水碳酸盐的腐蚀过程的研究,获得了水泥石中所有化合物的稳定性顺序,对腐蚀产物体积变化研究后认为,水泥石的破坏是因为在水泥石孔隙空间积累了腐蚀产物;通过对溶解在液体中的H2S对水泥石的腐蚀研究,得到了H2S对水泥石腐蚀的影响因素,认为,降低与固井水泥石接触的岩层的孔隙率和渗透性,可以降低水泥石的被腐蚀速度。研究成果对高含硫储层的开采具有一定意义。     

分段压裂过程中射孔段水泥环密封完整性的数值模拟

水平井射孔段井筒由于孔眼的存在,在分段压裂过程中应力集中现象极易加剧固井水泥环的破坏。此外,由于高压压裂液直接作用在水泥环孔眼壁面上,使其完整性在压裂过程中遭受的挑战更大。本文建立了热流固耦合数值模型旨在分析分段压裂过程中射孔段水泥环内部的温度与应力变化,研究了套管内压、压裂液排量、水泥弹性模量、孔径与孔密对于水泥环密封完整性的影响规律。计算结果表明,压裂过程中水泥环一界面、二界面以及孔眼处均会产生剪切破坏。考虑瞬态力热耦合作用时,水泥环孔眼处失封风险提高。压裂液排量、孔径与孔密对水泥环切向应力影响较小;套管内压与水泥环弹性模量的降低虽然可在一定程度降低剪切破坏系数,但难以避免射孔段水泥环压裂初期的剪切破坏。     

纤维水泥石抗拉强度模型研究

为了将纤维水泥浆体系更好地应用于固井工程中,有必要对纤维改善水泥石强度机理进行研究并建立强度模型。利用岩石力学三轴实验机对纤维水泥石试块进行弹性模量测试,得到了纤维水泥石单轴应力-应变实验图。根据细观力学理论和能量守恒原理,在建立顺向分布纤维水泥抗拉强度模型的基础上得到了乱向分布纤维水泥的抗拉强度模型。模型分析结果表明,随着纤维掺量的增加,水泥石的抗拉强度有先增大后降低的趋势,这与实验室试验所得规律相同。     

滑套固井压裂起裂压力及影响因素

起裂压力高是滑套固井压裂面临的主要问题。根据滑套固井压裂的特征,建立地应力条件下滑套固井压裂计算模型,运用有限元法及岩石抗拉强度准则计算起裂压力,通过长庆油田桃X井的实例进行验证。结果表明:水平地应力差及端口方位角是滑套固井压裂起裂压力的主要影响因素,随着水平地应力差的增大,起裂压力降低,端口方位角增大时,起裂压力增大;地层岩石的弹性模量对起裂压力有较大影响,随着地层岩石弹性模量的增大,起裂压力增大;水泥环厚度对起裂压力的影响规律与水泥环和地层的弹性模量有关,当地层弹性模量大于水泥环弹性模量时,起裂压力随水泥环厚度的增大而减小,当地层弹性模量小于水泥环弹性模量时,起裂压力随水泥环厚度的增大而增大。     

模拟压裂作用对水泥环密封性破坏及改善研究

利用全尺寸水泥环密封性评价装置,研究了多段压裂作用下水泥环的密封完整性。分析了密封性破坏的机理;并提出了相应改善措施和评价标准。试验结果显示基浆水泥环在压裂交变应力作用下,加卸载次数较少时,水泥环密封完整性即遭到破坏;密封性失效发生在卸压阶段水泥环与套管之间的界面处。表明在套管内压高应力作用下,弹性模量较高的基浆水泥环中产生较大的应力,除了发生弹性变形还产生了塑性变形;卸载时套管弹性回缩,水泥环中塑性变形不可完全恢复而存在残余应变,导致二者在界面处的变形不协调一致而引起拉应力。随着压裂应力交变次数的增加,水泥环塑性变形不断累积,卸载后的残余变形和拉应力也随之增大。当拉应力超过界面处的胶结强度时出现微环隙,水泥环密封性破坏。采用掺入胶乳、弹性粒子等形成弹塑性水泥石,弹性模量降低并保持较高的抗压强度,压裂作用时水泥环中产生的应力相对其抗压强度较低,产生的塑性变形较小,因此提高了水泥环保持密封完整性时压裂应力交变的次数,改善了水泥环的密封性。     

基于拉伸胶结强度的水泥环一界面完整性评价

油气井工作液密度降低或油气开采必将导致井筒内压降低,使水泥环一界面受到拉伸作用,造成水泥环与套管发生剥离,从而产生微环隙。过去由于没有拉伸胶结强度测量装置和方法,在进行水泥环封隔完整性研究和设计时,均采用水泥环一界面的剪切胶结强度或者水力胶结强度,导致在水泥浆体系优选和封隔完整性设计时存在不足。为此,根据水泥环工作时的受力过程,研制了水泥环一界面拉伸胶结强度测试装置并提出了相应的测量方法,基于该装置进行了水泥浆体系优选及一界面封隔完整性评价。通过对比水泥环一界面拉伸胶结强度和剪切胶结强度,发现前者约是后者的0.37～0.45,采用剪切胶结强度进行水泥浆体系优选或封隔完整性评价可能导致水泥环一界面封隔失效。实验发现,在高压养护条件下胶乳水泥浆体系一界面拉伸胶结强度大于膨胀增韧水泥浆体系和自愈合水泥浆体系一界面拉伸胶结强度。将水泥环一界面拉伸胶结强度作为油气井固井水泥浆实验设计、评价水泥环封隔完整性的重要依据之一,更能保证油气井安全生产运行。     

页岩储层水平井固井水泥浆体系应用研究进展

我国的页岩储层具有埋藏深,地温梯度高,封固段顶底温差大等特点,能够在深层水平井高温及大温差条件下固井,并在后期大规模体积压裂期间保持井筒完整性的固井水泥浆体系的选择成为近年来的焦点。为明确页岩储层深层水平井固井水泥浆技术的发展方向,本文基于页岩储层水平井固井对前期水泥浆流变性能要求与后期水泥环力学性能要求,分别从外加剂适用条件,外加剂反应机理以及微观结构的形成三方面探讨了页岩储层水平井的固井水泥浆技术难点及研究现状,汇总了国内外各大油气田页岩储层水平井固井硅酸盐水泥浆体系的应用实效,提出了相应的技术措施及未来固井水泥浆体系的研究重点。     

水力压裂过程中水泥环裂缝扩展的数值模拟

射孔后水泥环内产生初始裂缝,压裂过程中裂缝的扩展将为环空窜流的发生提供通道。针对此问题,根据水力压裂流固耦合理论模拟水泥环径向裂缝在体积压裂过程中的扩展过程,分析了套管内压、水泥弹性模量、地层孔隙压力等参数对压裂过程中水泥环裂缝扩展长度的影响规律。结果表明：压裂过程中射孔段水泥环径向裂缝扩展过程主要发生在压裂初期,且缝口与缝尖处的压力差随着压裂的进行逐渐缩小。较高的地层孔隙压力、较低的套管内压与高强度低模量水泥有利于减小水泥环径向裂缝扩展长度,保证水泥环有效封固。本文研究结果可为水平井体积压裂的射孔簇间距与压裂段间距的选取提供参考。     

油井水泥纤维增韧材料的研究与应用

为了解决国内油田薄油层井、小间隙井和侧钻井固井后射孔及后续增产措施造成的水泥环脆裂(即二次窜流)问题,研制开发了油井水泥纤维增韧材料(增韧剂F17F).对增韧水泥石的各种力学性能(抗折强度、抗冲击功、弹性模量和应力/应变关系等)及纤维增韧水泥浆体系的工程性能进行了测试.结果表明,增韧水泥石的弹性模量降低了16.9%~48.0%,抗冲击功提高了27.0%~68.0%,抗折强度提高了15.9%~33.0%;增韧水泥的流动性得到改善,其失水量和析水率显著降低.此外,还进行了聚能射孔试验、地面打灰试验、1口井的现场打水泥塞试验和2 口井的现场固井试验.室内实验和现场试验结果表明:增韧水泥的强度、抗冲击能力及其综合工程性能均能满足固井施工的要求.     

页岩气水平井井壁裂缝起裂力学行为研究

为了弄清层状页岩各向异性对井壁裂缝起裂力学行为的影响,以四川盆地下志留系龙马溪页岩为研究对象,开展了不同角度下页岩单轴压缩和巴西劈裂实验,明确了页岩弹性和抗张强度各向异性特征,建立了考虑页岩各向异性的水平井井壁裂缝起裂力学模型,并分析了不同因素影响下井壁裂缝起裂规律。结果表明：弹性模量各向异性、地应力比值、抗张强度各向异性和孔隙压力对裂缝起裂压力影响显著,而泊松比各向异性影响较小;弹性模量各向异性、地应力比值对裂缝起裂位置和起裂倾角影响显著,而泊松比各向异性、抗张强度各向异性和孔隙压力的影响较小;井壁裂缝起裂力学行为与井眼方位密切相关,当井眼方位靠近最大或最小水平主应力方向时,井壁裂缝起裂力学行为差异随井眼方位的变化较小;当井眼方位同时远离最大和最小水平主应力方向时,井壁裂缝起裂力学行为差异随井眼方位的变化较大。研究结果可为页岩气水平井钻井井漏预防和水力压裂设计提供理论依据和参考。