新型井口脉冲振动固井装置的研制与应用

所谓井口脉冲振动固井,是在注水泥作业完成后,在井口对候凝的水泥浆施加压力脉冲,使环空水泥浆保持运动状态,消除水泥浆在凝固过程中胶凝失重,达到防止固井后环空气窜和改善水泥浆一、二界面的胶结质量之目的。为实施井口脉冲振动,研制开发出井口脉冲振动固井装置,以压缩空气作为脉冲振动的动力,由脉冲发生装置通过控制进气和排气时间,调节脉冲振动频率,由调压阀控制余压调节装置,实现压力振幅调节,振动频率0～5Hz;压力脉冲振幅0～1.2MPa。10多口井的现场试验表明,脉冲振动固井装置设计合理,操作方便,改善了水泥浆胶结质量,是有效提高复杂油气井固井质量的一种新设备。     

振动固井技术在辽河油田的试验应用

振动固井技术,是借鉴建筑行业中混凝土浇注过程中的振动原理而研究的一种新型固井技术,它可从多方面改善固井质量。文中主要介绍了井下脉冲振动发生器的研制、原理及振动固井技术现场应用情况。实践证明,振动固井技术不仅能改善水泥浆的流动性,缩短初终凝和稠化时间,而且能提高水泥石强度,延长油井使用寿命。     

动态振动固井技术研究及现场试验

动态振动固井技术可以通过振动使水泥充分水化,加快水与固相颗粒间的相对运动,减小或消除水泥浆的静切力,提高顶替效率,补偿环空水泥浆在凝固过程的静液柱压力损失,阻止地层流体窜入,从而达到提高固井质量的目的。由于吐哈油田的雁木西区块经过多年注水开发,地层压力系统变的越来越复杂,形成了多套压力体系,且层间压差大、隔层薄,候凝过程中地层流体的扰动严重影响水泥浆正常凝固,降低了目的层段水泥胶结质量,导致固井合格率较低,优质率则更低。为此,在该区块的雁6-66井进行了动态振动固井技术试验,结果表明,与未应用动态固井技术的邻井相比,固井质量有显著提高,目的层段固井质量综合评价为优质。      

提高柴东气田天然气井固井质量技术

对柴达木盆地第四系不成岩地层天然气气田进行了提高固井质量的研究,分析并得出了影响柴东气田天然气井固井质量和施工安全的因素为天然气气窜和井漏。为解决该问题,要求水泥浆使用防气窜降失水剂、晶格膨胀材料和纤维防漏材料,并缩短稠化过渡时间和静胶凝强度过渡时间。在柴东气田天然气井的表层套管固井使用低温低密度促凝早强水泥浆,并配合使用插入法固井技术,防止管内、管外的窜流发生;在技术套管固井中采用双凝防窜水泥浆和套管居中技术及近平衡压力固井技术,并应用螺旋紊流定位器提高顶替效率,通过应用该技术固井合格率为100%,优质率为85%,施工安全率为100%,全年无一口井发生管外窜事故;在气层套管固井中应用增韧双膨胀防漏水泥浆,其具有很好的防漏、防窜性能。     

大港油田研究成功振动波固井技术

为解决评价井固井质量问题，大港油田研究成功了振动波固井技术。大量室内试验、钻机模拟试验和5口井的现场试验证明，振动波对水泥浆胶结质量、抗压强度、改善水泥浆流变性能和封固质量都有较好的影响，有效提高了固井质量。该技术已获国家专利。     

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。     

井口脉冲加压防窜固井技术机理分析

注完水泥后因水泥浆体积收缩和胶凝产生失重导致地层流体窜流仍然是影响固井质量重要原因之一。分析了目前固井防窜存在的问题,阐述了井口脉冲加压防窜固井技术的基本原理和关键问题。建立了井口脉冲压力在环空中的传播规律及环空流体在脉冲压力作用下运动幅度的数学模型,并通过实例分析了初始脉冲压力大小、水泥浆初切力和环空流体综合压缩系数等对环空中脉冲压力衰减和流体运动幅度的影响规律。研究表明,脉冲加压防窜固井技术是可行的,通过施加较小的压力脉冲可使环空水泥浆往复运动,减少甚至消除因水泥浆体积收缩和失重所导致地层流体的窜槽,对提高固井质量有重要作用,研究可为脉冲加压装置的设计与工艺参数优化提供理论依据。     

新型固井井下低频水力振动装置研究

针对现有井下振动装置在应用上存在局限性的问题,结合现场工程实际,在系统调研的基础上,提出了新型强制复位井下低频水力振动装置的设计方案。装置工作时,在液压力作用下柱塞压缩弹簧下行,卸压孔、泄油孔依次打开,环空压力升高;泄流后弹簧推动柱塞上行复位,依次关闭泄流孔、卸压孔,环空压力降低;柱塞往复运动产生环空流体压力波动。新型振动装置具有良好的固井工况适应性,适应于常规固井工艺和特殊井况;可针对施工水泥浆密度、排量进行输出参数调控。PL003-03井的应用表明,全井段固井质量优良率达到84%。     

注采井长封固段固井技术的研究与应用

油田区域的长期开采造成了地层下部压力明显低于上部,给注采井固井,特别是长封固段注采井固井带来许多困难.试验研究表明,适应于长封固段的梯度多凝水泥浆是由不同比例的水泥、降失水剂、分散剂、缓凝剂、膨胀剂和消泡剂组成.该水泥浆性能、水泥石强度、封固质量、油层保护方面均远远优于常规固井水泥浆,采用该水泥浆固井技术,提高了固井质量,减少了施工压力.现场应用表明,双级梯度多凝水泥浆固井技术能减少施工压力,防止压漏地层;在长封固段,双级梯度多凝水泥浆可以有效地防止水泥浆在凝结过程中因失重造成的油气窜槽,有效地压稳地层,保证固结质量;可以减少对地层的污染,快速封固好易漏、易塌等复杂地层,实现水泥浆在长封固段的紊流顶替,提高了封固质量.     

脉冲振动处理对水泥石早期性能的影响

利用研制开发的水泥浆脉冲振动实验评价装置，对油田固井用的水泥浆进行脉冲振动处理，后采用电镜扫描（SEM），X衍射（XRD）和压汞（MIP）等方法研究了脉冲振动处理后对水泥石早期抗压强度、微观结构、水化产物及孔喉结构的影响。结果表明，脉冲振动处理水泥浆后，在不同的养护龄期、温度和水泥浆配方都能够提高水泥石的抗压强度值，具有普遍性；脉冲振动可以促进水泥早期水化，消除了水泥在水化过程中产生的裂纹及部分孔隙，凝固后水泥石内部结构更加致密，有利于水泥在水化早期形成高质量的水泥环，防止早期油气水窜的发生，对于提高水泥胶结质量具有重要意义。     

胶凝态水泥浆渗透率测试装置研制及应用

为解决胶凝态水泥浆渗透率性能测试需求,满足水泥凝结过程中的早期窜流风险预测和水泥浆防窜工程性能评价,基于胶凝态水泥浆渗透率预测模型,研究了胶凝态水泥浆渗透率试验测试方法。提出了气侵危险时间内平均渗透率的概念,并研制了对应的胶凝态水泥浆渗透率测试仪。该装置具有结构简单、易于操作,试验测试集成化、简单化和自动化,能有效测试胶凝态水泥浆渗透率在凝固过程中的时变关系曲线等技术参数。可对水泥浆本体防气窜能力的研究提供参考,有助于提高固井质量。     

基于土壤学的胶凝态水泥浆孔隙度测试方法

胶凝态水泥浆孔隙度是水泥浆凝结过程中评价胶凝态性能的重要参数之一。通过定性分析、实验验证的方法,对胶凝态水泥浆和土壤进行了宏观及微观等对比分析,两者具有相类似的"骨架-孔隙结构",均表现出一定的孔隙性和渗透性。因此,引入土壤学中土壤孔隙度测试方法,同时结合胶凝态水泥浆的水化特性,将土壤孔隙度测试原理中烘干方式改进为液氮冷冻干燥、真空负压干燥或用无水乙醇浸泡终止水化后再升温干燥等可抑制水化反应的烘干方式。应用该方法对特定水化时间下的浆体开展了孔隙度探索实验,为检测水泥浆体的孔隙度提供了可借鉴的方法。     

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触变性水泥是一种适用于破裂压力梯度较低的松散地层、漏失层及挤水泥等注水泥作业的水泥浆体系，它对防止水泥浆凝固过程的气窜问题同样具有一定效果。文章重点对触变性水泥浆的测量和评价方法进行了全面分析和深入的讨论，提出的水泥浆触变性有关模型同样适用于其它非胶凝性宾厄姆流体、幂律流体的触变性评定。文章还对触变性水泥浆的特点、用途、常规配方及国内外应用情况进行了较深入的介绍。     

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。     

脉冲推挤膨润土水泥浆封堵流动水恶性漏失层

油气井在钻井过程中容易出现地层漏失,尤其是含有流动地层水地层的漏失问题,存在漏速高、漏失量大,常用堵漏方法效果差、成功率低的问题。针对含流动水地层恶性漏失的封堵难题,研制了膨润土水泥浆体系,通过增加堵漏水泥浆中膨润土的含量,来提高堵漏水泥浆的黏度,提升其抗冲稀性。对膨润土水泥浆流变性、抗压强度和流动性能进行考察。结果表明,在保证抗压强度满足现场要求的前提下,建议膨润土加量为2.0%～2.5%,膨润土堵漏水泥浆体系在初凝前静止10 min后流动度明显降低,处于高稠状态。针对膨润土堵漏水泥浆的性能,设计了脉冲间隔推挤水泥浆堵漏工艺,通过调控推挤排量和间隔时间,使高稠态膨润土水泥浆被推挤入漏层,接近初凝时间时推挤水泥浆到位,该工艺能够使膨润土水泥浆滞留于漏失通道并凝固,提高堵漏成功率。华北某井现场应用结果表明,使用膨润土水泥浆配合脉冲间隔推挤工艺,可一次性解决含流动水恶性漏层的封堵难题,该技术现场施工简单,成功率高,成本低。      

薄油层薄隔层活跃水层调整井固井技术

百色油田的井较浅,且油、水层具有多、薄、活跃等特点,部分区块有浅气层,储层段易垮,存在大肚子现象,调整井固井后的互窜问题十分突出。固井声幅测井结果表明:在水层、油层、油水同层及隔层位置都有峰值出现,难以满足注采需要。经分析研究和室内试验,选用了具有直角稠化,初终凝时间与稠化时间短而且相配,静胶凝强度发展迅速的防窜水泥浆。经现场 3口井试验,该防窜水泥浆能有效地防止固井后发生互窜,提高固井质量,其中 2口井全优,1口井合格。     

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.     

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。      

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水泥浆失重所造成的油、气、水窜问题,是提高固井质量、保护油气层急待解决的重要课题。现有的预测和防止水泥浆气窜的方法虽然很多,但应用于现场却有一定困难。主要表现在高温、高压下,水泥浆的胶凝特性及滤失规律难以测定,牵涉的因素也较多,从而限制了水泥浆性能系数法及综合因子法的实际使用。在分析国内外预测和防止气窜方法的基础上,重点剖析和简化了综合因子法。根据现场资料统计和水泥浆稠化与凝结过程阻力变化的同步概念,提出了水泥浆稠度阻力系数 Ａ 值预测和防止环空气窜的方法。     

关于顶部水泥脉冲振动设备参数的讨论

顶部水泥脉冲振动是在复杂地质条件下固井预防气窜的一项新技术 ,它能延缓水泥浆的静水压头损失 ,有效预防固井中的气窜 ,改善水泥胶结测井条件 ,并提高固井质量。应用这项技术的关键在于顶部水泥脉冲振动设备 (空气压缩机和空气脉冲发生器 )参数的控制。为此 ,讨论了顶部脉冲振动波动方程、边界条件及初始条件与顶部设备输出参数的相互调节关系 ,为在油田的推广应用该项技术提供了理论依据。解决顶部水泥脉冲振动设备输出参数控制问题的难点是必须保证水泥浆静水压力与脉冲压力之和大于地层孔隙压力 ,才能实现防止复杂地层油气水窜的目标。