油层套管内压力变化与水泥石压力变化的相关性

在油气井中,油层套管内压力变化是最普遍、最常见的一种现象.油层套管内的压力变化不仅会引起油层套管发生变形和受力变化,还会引起水泥石和技术套管发生变形和受力变化.掌握了油层套管内压力变化和水泥石内外侧压力变化的相关规律,就能掌握油层套管、水泥石的载荷变化情况,从而有效地对油层套管、水泥石进行安全分析,并提出更为有效的油层套管保护措施.文章着重研究油层套管 水泥石 地层体系中油层套管内压力变化与水泥石压力变化相关规律,同时给出一些算例供读者参考,然后介绍油层套管 水泥石 技术套管 地层体系的一些求解处理方法,最后介绍水泥石内外侧压力变化值的应用.     

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地层外挤载荷是通过水泥石传递到套管上的,水泥石性能对外挤载荷传递的影响规律,揭示了套管外挤载荷与水泥石性能之间的关系。根据弹性体厚壁筒变形方程,引入了外挤载荷传递系数k,结合水泥石力学性能实验结果,就水泥石性能对套管外挤载荷传递的影响规律进行了探讨。研究表明,使用外加剂提高水泥石弹性模量、适当增加水泥石厚度（控制在2．54cm左右）,有利于降低套管外挤载荷,增加套管的安全程度。     

充气水泥浆防止失重的室内研究

分析了水泥浆失重的主要原因及充气水泥浆防止失重的机理,并在室内进行了模拟实验,探讨了充气水泥浆的各种性能。分析表明,当失重产生时。充气水泥浆上部的浆柱自重和结构力形成了“塞子”,充气水泥浆发气,使之憋上一个附加压力,补偿因胶凝失重或桥堵失重而降低的压力,而且充气水泥浆的发气量必须满足:浆柱有效压力和气体产生的附加压力大于地层压力.实验结果还表明,充气水泥浆不但能防止油、气、水窜,还能满足固井施工和固井质量的要求。     

可再分散乳胶粉改性水泥石孔隙结构与氯离子渗透性研究

在地层水中氯离子(Cl-)具有很强的穿透性,氯离子穿透固井水泥石会引起套管发生严重锈蚀,因此,改善水泥石孔隙结构,提高水泥石的抗氯离子渗透性具有重要意义.分别使用ASTM C 1202(电通量法)、氮吸附法、压汞法、扫描电子显微镜,对可再分散乳胶粉改性后水泥石的氯离子渗透性、孔隙结构与微观形貌进行了实验分析.结果显示:可再分散乳胶粉在较低加量范围内能改善水泥浆常温流动度、流变性,并降低API失水量,提高水泥石抗压强度;改性后水泥石孔隙率降低,有害孔数量减少,孔隙分布更加合理;在90℃养护时可再分散乳胶粉仍能改善水泥石孔隙结构,降低氯离子通过的电量;较低加量范围内,可再分散乳胶粉颗粒以嵌入的方式均匀分布在水泥石中,使得水泥石内结构更加致密并能填补大量缺陷.     

“分段逐级憋压”固井工艺技术研究与应用

固井水泥浆凝结成水泥石过程中的体积收缩会导致水泥石与套管和井壁之间耦合力降低，甚至产生微间隙从而影响固井质量，严重时会导致环空带压。憋压候凝不仅能提高固井质量，而且解决了水泥浆失重引起的压稳问题。在地层承压能力不能满足一次性憋压的情况下，可根据水泥浆在凝结过程中具有塑性体的特征，分时段逐渐提高憋压值以实现环空憋压。分段逐级憋压通过井口把压力分时段传递到正处于凝结区域的水泥浆，正处于凝结区域上部的浆体的凝结时间、高度、密度对传压能力影响较大。上部浆柱凝结时间越长，压力传递能力越低；上部浆柱高度越大，压力传递能力减小；相同的凝结时间和浆柱高度，压力传递能力随上部浆柱密度增加而降低。PX2井?177.8 mm+?193.68 mm尾管固井作业中采用了分段逐级憋压技术，固井质量合格率达到98.1%,环空无气窜现象，该技术不增加成本，具有较大的推广价值。     

耐高温高压超高密度水泥石力学性能

准噶尔南缘区块是新疆油田增储上产的重点区块,井深6000～8000 m,预测井底温度为160 ℃,井底压力为170 MPa,属于典型的“三超”井。在该井区耐高温高压超高密度水泥浆基本性能的基础上,针对高温高压下超高密度水泥石的力学性能进行了研究。重点结合井下实际强度发育情况和实验室内强度发育结果吻合度相差较大的情况,按照该井区耐高温高压超高密度水泥浆体系配方,在120和160 ℃下,分别模拟井下实际压力和GB/T 19139—2012中要求的20.7 MPa压力下进行水泥试块的制备,开展常温抗压强度、抗折强度、单轴压缩实验以及井下温度下的三轴压缩实验,探究压力对超高密度水泥石抗压强度、抗折强度的影响以及试块的变形、破坏模式等力学特征。实验结果表明,压力是超高密度水泥石早期强度发展的关键因素之一;随着养护压力的增加,超高密度水泥试块的顶部抗压强度增加61.53%、底部抗压强度增加了120%;顶部抗折强度增加了65.2%,底部抗折强度增加了62.8%;常温下单轴压缩实验水泥石表现出明显的弹脆特性,在20.7 MPa下养护后试块端部出现明显破损,随着养护压力的增加,试块的峰值应力和弹性模量增加,抵抗变形破坏的能力增强;高温下的三轴压缩实验表明,超高密度水泥石的各项力学参数比单轴情况下均有较大提高,试块的变形均以轴向压缩变形为主,未形成明显的宏观裂纹,体现出良好的抵抗破坏变形的能力,更加接近线弹性-理想塑性材料。建议室内实验检测和模拟方法应充分考虑实际井况条件对水泥石力学性能的影响。      

候凝过程中脉冲振动水泥浆防止环空气窜机理

水泥浆静胶凝强度发展会造成水泥浆失重,当环空静压力和气体在环空中的流动阻力之和小于气层压力时,就会形成环空气窜的缺陷,这是发生环空气窜的主要原因.对环空中候凝水泥浆实施低压低频脉冲振动可以从3个方面防止环空气窜:①在水泥浆由液态向固态转化的过程中,脉冲振动使水泥浆保持低速运动状态,可以大幅度减小由于水泥浆静胶凝强度发展引起的水泥浆失重,有效防止环空气窜的发生;②脉冲振动可以促进水泥的早期水化,提高水泥浆早期抗窜能力;③脉冲振动可以提高水泥浆与2个界面的胶结质量,改善水泥石微观结构,使水泥石更加密实,防止气层气体通过水泥环界面和水泥石基体内部气窜.从环空气窜机理入手,分析了水泥浆水化过程中静胶凝强度发展特征,并阐述了候凝过程中脉冲振动水泥浆防止环空气窜的机理.     

出砂套管受力有限元分析

油气井开采过程中.生产层段由于出砂将在套管外部附近形成空洞,破坏了套管的受力环境,套管外部失去支撑.由于上覆地层压力的作用,使套管在轴向压力作用下产生屈曲变形.本文用弹塑性有限元法建立了出砂段套管屈曲变形的有限元力学模型.根据此模型,分析了某出砂引起套损后,套管的形态;特定上覆层栽荷下,发生屈曲的自由套管段长度.这些结...     

苏69X井低密度增强水泥浆近平衡固井技术

苏69X井是羁县凹陷文安斜坡苏桥南鼻状构造高点的双靶预探井，设计井深为3924m。该井目的层漏失严重，在沙一段至沙三段多次发生钻井液只进不出现象；馆陶组至沙三段地层有多套储盖系统，封固段长，不同储盖糸统地层压力差异大；工程上要求少下扶正器，使得在斜井段套管偏心难以避免；为减轻压漏地层的风险，水泥浆上返速度受到限制；对水泥浆的触变性要求较高。该井选用低密度多凝水泥浆体系，使水泥浆液柱压力略大干地层漏失压力，以做到“压而不漏、活而不喷”，实施近平衡固井；并在低密度水泥浆中加入增强材料（PZW），用PZW自身的几何尺寸特点调整水泥浆固相的颗粒级配，减少固相颗粒之问空隙，以提高水泥浆的稳定性，进而达到提高水泥石强度的目的；根据施工时间的需要，使用缓凝剂H88L、BXR-200L调整各段浆体凝结时间，使封固段内水泥浆柱在凝结时间上形成梯度，避免失重，确保压稳地层。该井通过选用优质处理剂调整低密度增强水泥浆性能和配合相应的施工措施，成功地完成了漏失量大、地层复杂的苏69X井的固井作业。     

LN油气田深井单级全封固井技术

LN油气田二次开发井简化为二开结构,油层套管采用低密度水泥浆单级全封固井方式,完成了9口井深为5 000 m左右的深井下入Φ200.03 mm套管的固井施工.固井作业依据多级颗粒级配的紧密堆积原理,合理级配水泥浆的固相成分,应用高强度超低密度与常规密度相结合的防漏、防窜水泥浆体系;根据地层漏失压力,通过模拟计算施工不同阶段产生的动液柱压力,控制不同的施工排量,实现施工全过程的压力平衡,避免了固井过程中的地层漏失,解决了老油田后期开发低压油气层长封固段防漏、防窜问题,固井质量满足了开发和油气层保护要求.对长封固段上下大温差、顶部水泥浆低温缓凝、水泥石强度发展慢现象有了新的认识和了解.     

水泥浆异位吞吐对调整井油层固井质量的影响及预防

调整井固井质量往往不高,这是由于长期大量的注水采油,使地层压力、温度和水泥浆的吸热环境发生了变化。再由于固井工艺的特点,决定了返至环空水泥浆的温度最高点不在井底油层段,而在距井底一定距离的地方。返至环空后,温度高的水泥浆优先进入初凝期,并开始失重,使下部未凝固的水泥浆吸纳较高压力地层的流体,同时加速向低压层失水,这就是水泥浆的"异位吞吐",结果使水泥浆固井质量不高。文中分析了水泥浆"异位吞吐"的原因,并提出了预防措施。经数十口井试验,只要采取优选水泥浆降失水剂的类型和剂量的措施,对提高固井质量十分有效。     

华北油田复杂井固井技术

针对华北油田二连阿南，哈南高压注水采油区块和冀中潜山深井区块固井难度大和固井质量差等问题。华北石油管理局钻井工艺研究院在二连地区采用早强，膨胀和低失水水泥浆，并配合使用套管外封隔器，两凝固井工艺技术。解决了低温高压注水调整井固井作业中存在的问题，提高了固井质量；在冀中地区采用低密度，高强度，零析水，成膜型降失水水泥浆，配合采用双压双凝固井工艺技术，有效防止了井漏，油水互窜等井水复杂事故，提高了固井质量。早强，膨胀和低失水水泥浆低温早强，失水量小于200mL，在凝结过程中能产生有效膨胀，初凝和终凝时间较短，能有效防止气窜及油水互窜，成膜型降失水水泥浆失水量小于100mL，密度和稠化时间易调；有机塑性高分子胶粒在水泥凝结过程中由于被压缩而微膨胀，能有效补偿水泥石孔隙压力，达到防窜，改善水泥石韧性和变形能力的目的。     

新型DF冲洗液的研究与应用

在固井注水泥作业时，水泥浆与钻井液接触后，常常在水泥浆与钻井液交界面处形成非常粘稠的水泥或钻井液混合物，这些混合物粘附在井壁或套管上，影响水泥环与套管和井壁胶结质量，甚至造成地层间封隔不好形成窜槽。介绍了目前国内冲洗液现状，并针对水泥浆与钻井液相溶性差，对注水泥作业危害大等问题，研制开发了DF冲洗液。研究了DF冲洗液的组成、性能特点，重点从加量、温度、滤失性能、流变性、相容性等方面对DF冲洗液性能进行了全面的室内检测与评价。并进行了TK811等10多口井的现场应用。结果表明，DF冲洗液加量在3%～6%间，具有良好的冲洗、隔离作用，能明显降低钻井液的粘度和切力，降低失水量，与钻井液、水泥浆具有良好的相容性，易形成紊流顶替，有利于提高水泥环与地层间的胶结质量。     

苯丙胶乳水泥浆防气窜效果与失重规律分析

水泥浆候凝期间,因其失重引发的环空气窜,是导致气井环空带压的重要因素之一,掌握水泥浆失重模式与规律,是预防环空气侵的重要基础。以苯丙胶乳防气窜水泥浆为研究对象,采用压力传导精确测量装置进行了水泥浆失重试验,测量了不同胶乳加量、温度、气压、模拟井筒深度等条件下水泥浆浆柱压力的变化,进行了防气窜效果评价与失重规律分析。试验发现:在气层压力（18 kPa）高于底部浆柱压力（12～16 kPa）的情况下,苯丙胶乳水泥浆依然可有效防止气窜;水泥浆形成触变或胶凝结构后压力快速降低,随着水化反应进行压力缓慢降低,稠化前压力再次加速下降,而气窜应出现在第一拐点附近。基于该研究成果,可对水泥浆的防气窜性能进行评价,以优选出适合高压气井的防气窜水泥浆,并为建立水泥浆失重预测模型提供试验基础。      

百色油田调整井固井技术研究与应用

百色油田由于注采不平衡,纵向上形成多压力层系,给调整井固井带来很大的困难,通过分析百色油田调整井固井封固后环空油气水窜槽的原因,认为提高调整井固井质量必须改善水泥浆在井下的胶结环境和提高水泥浆的防窜性能。百色油田调整井采取的主要固井技术措施施为,使用双纠套管扶正器,使套管居中不偏心,采用快体冲洗液,并加以大量的低密度水泥浆前置液,尽量消除泥饼对水泥胶结的影响,提高界面胶结强度和质量,采用具有直角稠化,短侯凝,超短过滤,低失水,高早强,微膨胀性能的防窜双凝水泥浆体系和环空憋压候凝措施,达到压稳,防窜的目的,在水泥浆中引入膨胀剂和套管内敞压候凝技术,消除因内部压力和水泥浆固有的膨胀－收缩特性而造成的微缝－微孔隙,实现环空密封。经6口井现场应用表明,该固井工艺技术措施解决了百色油田薄油层,薄隔层的封固难题,提高了百色油田的固井质量。     

阿塞拜疆Bz-1R井超高压固井技术

Bz-1R井是阿塞拜疆Karabagil油田的一口重点探井，其地层压力系数异常，钻井过程中钻井液密度最高达2．28kg／L，且钻井液安全密度窗口窄，易发生溢流或钻井液漏失，固井施工时压稳与防漏的矛盾突出，水泥浆密度的确定、水泥浆浆柱结构设计、平衡注水泥困难。该井井下地层流体活跃，容易在水泥浆候凝过程中侵入环空，影响第二界面的胶结质量而引发环空窜流，压稳防窜候凝困难，加上环空间隙小、水泥浆密度高等的影响，导致该地区固井施工难度极大。为此，研制应用了密度2．3～2．6kg／L性能稳定的超高密度水泥浆体系，采用旁通式自动灌浆浮箍解决了大尺寸套管在高压易漏井的下入问题，配合使用剪销式注水泥前隔离塞及水泥塞定位器，并采取了一系列有针对性的固井技术措施，保证了固井施工的顺利进行，使该井成为该油田第一口固井成功的超高压复杂井。     

高石梯-磨溪区块高压气井尾管固井技术

针对西南油气田高石梯-磨溪区块高压气井φ177.8 mm尾管固井遇到的气层活跃、安全密度窗口窄、流体相容性差及高温大温差等问题,制定了相应的固井技术措施。开发了适合高温大温差固井的自愈合防窜高密度水泥浆体系,并进行了室内研究。结果表明:该体系密度为2.0~2.8 g/cm3,现场一次混配可达2.6 g/cm3以上;适应温度为常温~180℃;浆体的上下密度差不大于0.05 g/cm3;失水量不大于50 mL;稠化时间与缓凝剂掺量具有良好的线性关系,稠化过渡时间不大于10 min;静胶凝强度过渡时间不大于20 min;24 h抗压强度大于10 MPa,水泥石顶部48 h抗压强度大于3.5 MPa,低温下强度发展快,形成的水泥石体积稳定不收缩,具有类似韧性水泥的力学性能;遇油气产生体积膨胀,保证了界面胶结质量和密封完整性,降低了固井后发生气窜的风险。该固井技术在高石X井和高石Y井中进行了应用,固井优质率和合格率得到较大幅度提高,水泥环后期不带压,获得良好应用效果。      

长庆苏25断块低压易漏失气井固井技术

针对长庆地区苏25断块地层易塌、易漏、大量出水、目的层低压异常、漏失严重等复杂情况，采用正注反挤的固井方法与适宜的水泥浆技术（分段封固、梯度凝结），防漏失、防失重，压稳气层；在有效减少井底液柱压力防漏的基础上，使用不同堵漏材料，复合堵漏，防漏与堵漏结合，彻底控制住漏失；在调整水泥浆密度、抑制地层出水的基础上，改善水泥石内部结构，增加地层出水阻力，防洛河水腐蚀。经过数口气井的固井实践，该技术得到不断完善提高，积累了一些有益经验。     

水泥浆失水制约下套管与井眼间隙的研究

通过对水泥浆失水规律的室内试验分析以厦对注水泥顶替过程中水泥浆失水桥堵套管与井眼间隙问题的研究，建立了顶替过程中滤失层不发生水泥浆失水而桥堵环形空间的临界失水量计算模型，提出了调配水泥浆失水性能和确定合理套管井眼间隙的具体方法，对注水泥现场施工和井身结构设计具有一定的指导意义。     

井口脉冲压力在环空中传播规律分析

井口脉冲加压是注完水泥后给密闭的环空施加水力脉冲压力，利用流体的微可压缩性使环空水泥浆处于上下往复活动状态来改善水泥浆凝固特性，达到提高水泥胶结质量的目的。以流体力学为基础，建立了井口脉冲压力在环空中的衰减规律及环空流体在脉冲压力作用下运动幅度的理论模型，研究了脉冲压力幅度、水泥浆初切力和环空流体压缩系数与环空中脉冲压力衰减程度和流体运动幅度的关系。分析表明，Φ216 mm的井眼内下入Φ139.7 mm的套管，采用常规水泥浆体系，2 MPa的脉冲压力可传播距离达4100 m，通过施加较小的压力脉冲可使环空水泥浆往复运动，破坏水泥浆的胶凝结构，消除水泥浆因体积和化学收缩形成的微孔隙和胶结面中微环隙,对提高固井质量具有重要作用，该项研究可为脉冲加压装置的设计与参数优化提供理论依据。