橡胶粉对油井水泥石力学性能的影响

针对油井水泥环抗冲击能力差、层间封隔易失效等问题,系统研究了橡胶粉对油井水泥石力学性能的影响。采用表面活性剂对橡胶粉粒子表面进行亲水处理,解决了橡胶粉粒子在油井水泥浆中的憎水及团聚现象。力学性能测试表明,橡胶粉在油井水泥浆中应用的适宜粒径为0.15~0.18 mm,适宜的加量为2%,加量过大不利于水泥石抗压强度和抗折强度的发展。微观研究表明,橡胶粉粒子部分充填于空隙结构之中,部分充填于水泥晶体颗粒之间,有效增大了油井水泥石受压前期塑性变形能力和受压后期弹性变形能力,当水泥石受冲击力作用时,橡胶粉粒子发生弹性变形将产生力的缓冲并吸收冲击能,从而提高油井水泥石抗冲击破坏的能力。     

外加剂对水泥石力学性能的影响

传统水泥石的硬脆性是致使油井整体性在复杂多变的井下工况及油气井后续施工中受到破坏、导致层间封隔失效的主要原因。为进一步提高水泥石性能,解决石油固井等实际问题,在普通固井水泥(G级纯水泥)中掺加定量的丁苯胶乳、硅粉、石棉等外加剂,形成胶乳水泥(G级水泥添加丁苯胶乳)、二元复配水泥(G级水泥添加丁苯胶乳和硅粉)和三元复配水泥(G级水泥添加丁苯胶乳、硅粉和石棉),研究了外加剂对水泥石抗压强度、杨氏模量、泊松比和体积弹性模量等9项力学性能的影响。结果表明,普通固井水泥、胶乳水泥、二元复配水泥和三元复配水泥四种水泥石的泊松比均接近0.20。与普通水泥石相比,胶乳水泥石、二元复配水泥石和三元复配水泥石抗压强度分别提高24.6%、12.3%和降低11.2%。二元复配水泥石的杨氏模量和体积弹性模量均提高,分别为11.8%和12.9%;而胶乳水泥石分别降低2.9%和8.2%;三元复配水泥石分别降低14.7%和18.6%。二元复配水泥石有较强的刚度,胶乳水泥石和三元复配水泥石表现出较好的弯曲性能,具有柔性好的特点,此外胶乳水泥石表现出较好的抗冲击韧性。胶乳水泥为石油固井的最佳选择。     

镁质晶须对油井水泥石力学性能的影响

为提高油井水泥石强度,选用镁质晶须MBW为增强剂,研究了MBW在不同掺量下对水泥浆体的基本性能及水泥石力学性能的影响,并通过XRD、MIP及SEM等表征方法进行了探讨。结果表明,油井水泥中掺入1%~5%的镁质晶须后,其浆体密度及凝结时间基本不变;流动度随晶须掺量的增加而降低,通过加入减阻剂USZ来改善;水泥石的抗压强度、抗折强度随晶须掺量的增加得到明显提高,当晶须掺量为4%时,80℃下水泥石1、3、7和28 d抗压强度比净浆水泥石分别提高8.3%、15.4%、21.5%和18.8%,抗折强度分别提高9.4%、19.4%、13.1%和0.3%。镁质晶须属于惰性微填料,可填充水泥石内部的有害孔隙,增加水泥石密实度,同时作为微纤维,在水泥石内部通过桥连、拔出、剥离、折断等作用机制起到对水泥石增强增韧的双重功效。     

耐碱玻璃纤维对掺矿渣油井水泥石力学性能的影响

为了改善普通油井水泥物理力学性能的均衡性，提高普通油井水泥浆抗拉伸破坏的能力，实验研究了耐碱玻璃纤维对水泥石抗折强度、抗冲击韧性和抗压强度的影响，并通过孔隙结构和扫描电镜分析研究了耐碱玻璃纤维对水泥石微观结构的影响。结果表明，耐碱玻璃纤维在掺矿渣油井水泥浆中粘接性良好，分布均匀，对水泥石抗折强度、抗冲击韧性有显著提高；在矿渣油井水泥浆中加入0．5％的耐碱玻璃纤维，可以使水泥石的抗折强度提高20％左右，使抗冲击功增加10％左右；从孔隙结构得知，在50℃条件下增加耐碱玻璃纤维的加量可以改善水泥石的微观结构，增加凝胶孔和毛细孔比例降低，大孔比例减少，抗压强度相应增加，水泥浆性能良好，能满足现场施工的需要。     

水泥石力学性能对井筒密封完整性的影响

长庆油田延长组致密油层物性差,孔隙度和渗透率低,开采难度较大,需采用大型压裂技术才能获得产能。在水力压裂的过程中,存在井筒完整性失效的风险。针对这一问题,探讨了井筒完整性的失效模式,建立了考虑套管、水泥环和地层相互作用的弹塑性有限元力学模型,分析了水泥石弹性模量、屈服强度对组合体密封完整性的影响。结果表明,水泥石的弹性模量较小时,变形能力强,载荷作用下不易于产生硬性压碎破坏,卸载后界面也不易撕开;水泥石屈服强度越高,卸载后界面抗撕裂能力越好,同时水泥环承受的荷载也越高。指出,除水泥环本身的性能外,地层的力学性质、套管尺寸等参数对井筒完整性也有重要影响,尚需进一步深入研究。对于长庆油田延长组致密油水平井,水泥石抗压强度为26 MPa、弹性模量为7.2 GPa、屈服强度为13 MPa的组合可满足施工及生产要求。采用长庆油田合平4井的现场工程数据,通过建立的有限元模型对该井进行井口试压及水力压裂过程中的密封完整性校核,结果表明,采用韧性改造的水泥浆性能满足施工及生产要求。     

矿物纤维低密度水泥石力学性能研究

目前低密度水泥石多存在韧性不足、抗拉强度、抗折强度低等问题,给低密度水泥浆在深井、超深井井筒完整性带来忧患,因此改善低密度水泥石力学性能具有重要的意义。通过考察抗压强度、抗拉强度、抗折强度、弹性模量,对新型材料玄武岩纤维和目前现场常用的聚丙烯纤维改善水泥石力学性能的效果进行了对比。结果显示:在较低加量范围内玄武岩纤维对水泥浆流动性影响不大,可以和聚丙烯纤维一样显著降低水泥浆API失水和自由水含量,提高水泥石的抗压和抗折强度,显著提高水泥石的抗拉强度,在掺量为0.5%时可使水泥石抗拉强度提高50%;同时可以降低水泥石弹性模量,提高水泥石的韧性。玄武岩具有较好的经济适用性,在油气井固井中有较大的开发应用潜力。     

水乳树脂改善油井水泥石力学性能研究

油井水泥石存在收缩大、脆性高的固有缺陷,易形成微间隙而导致地层流体互窜,造成油气采收率降低与油井寿命缩短。通过向G级油井水泥中掺入水乳树脂对其进行改性,同时掺入硅灰及矿渣微细粉,制得了固井防窜用弹性密封水泥石。对该水泥石力学性能测试结果表明,水泥石韧性显著增强,脆性降低,力学形变能力大幅提高。     

防窜增强剂对深水低温水泥石三轴力学性能的影响

深水表层固井面临着温度低、地层疏松、浅层流等技术难题,国内外研究人员在这些方面做了大量的研究,但针对深水低温水泥石的三轴力学性能的研究鲜有报道.因此,利用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统对密度为1.5 g/cm3的水泥石在低温条件下,不同养护期的三轴力学性能进行了分析研究.结果表明,加入防窜增强剂PC-GS 12L后,深水固井水泥石在围压作用下弹性区内的力学形变能力增加,而且水泥石在围压作用下的力学形变规律表现为伪塑性.     

增容剂对玻璃纤维增强聚甲醛力学性能的影响

采用熔融共混法,以二苯基甲烷二异氰酸酯(增容剂A)或硅烷偶联剂(增容剂B)为增容剂,在其用量为10份(质量),挤出机筒体各段温度为185～200℃的条件下,制备了聚甲醛-玻璃纤维-增容剂复合材料。结果表明:聚甲醛-玻璃纤维共混物的力学性能较聚甲醛有所下降,玻璃纤维增强效果不佳。添加增容剂可以改善玻璃纤维增强聚甲醛复合材料的性能,增容剂A使复合材料的刚性和强度显著提高;增容剂B则提高了复合材料的刚性,而韧性有所降低。     

碳酸钙晶须与碳纤维混杂增强油井水泥石力学性能

针对油井水泥石易脆裂而造成油气井层间封隔失效的问题,通过实验研究了碳纤维、碳酸钙晶须及二者混杂对油井水泥石力学性能的影响,利用扫描电镜观察了水泥石微观形貌,并探讨混杂纤维增强水泥石的作用机理。实验结果表明:碳纤维、碳酸钙晶须及两者混杂纤维均能有效提高水泥石的抗压、抗折和劈裂抗拉强度;相对于单掺1种纤维,混杂纤维对水泥石的增强效果更好;混杂纤维水泥石具有明显的韧性,且混杂纤维显著提高了水泥石的力学形变能力。观察水泥石微观形貌和分析混杂纤维增韧机理后发现:碳酸钙晶须和碳纤维具有不同的尺寸、形貌和性能,能够在不同结构层次和荷载阶段发挥作用,控制微裂纹或裂缝的产生和发展,改善水泥石的强度和韧性。图20表5参27     

纤维与胶乳改善油井水泥石动态力学性能实验

油井水泥石属于脆性材料,其在动态下的力学性能与静态下的情况相比有显著的差异.确定了水泥石的动态力学性能评价参数为水泥石的弹性模量和水泥石的破碎吸收能.利用霍布金森装置对纤维与胶乳改善水泥石在动载条件下的力学性能进行了试验研究,结果表明,纤维和胶乳的加入可使水泥石的弹性模量大幅度降低,使水泥石的破碎吸收能得到提高,动态力学性能得到明显的改善.     

致密油藏超长水平井固井水泥石力学性能评价

准格尔盆地吉木萨尔致密油储层具有特低渗、层厚、砂泥岩薄互层发育等特点,采用超长水平井开发,必须对超长水平井段射孔及多级压裂才能实现商业化开采。超长水平井射孔及多级压裂对水泥石完整性会造成不可逆破坏、存在层间窜流风险。因此,研制了韧性膨胀防窜水泥浆体系,并结合力学软件和室内实验,优化水泥浆的防窜性能和水泥石抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数。结果表明:优化后的水泥浆体系具有较强的防窜性能,静胶凝值从0 Pa上升至200 Pa,时间为3.5 min;水泥石膨胀率达1.4%,可较好解决微环空问题;水泥石抗压强度38.6 MPa,抗拉强度4.25 MPa,弹性模量3 616.0MPa,泊松比0.37。与常规水泥石相比,优化后的水泥浆体系和水泥石性能既能够确保超长水平井的固井质量,同时又能满足压裂施工后水泥石完整性和封隔性要求。     

固井水泥石三轴力学试验的试样制备方法

固井水泥石力学性能直接关系到水泥环的长期密封效果。获取固井水泥石的力学性能参数主要通过三轴力学试验进行,有效制备试样对固井水泥石三轴力学试验研究乃至水泥环完整性分析至关重要。基于固井水泥石三轴力学试验试样的特殊性,设计探索了正方体水泥石养护成形后取心的正方体取心制样以及借助于模具一次养护成形制样等2种试样制备方法;研制了用于模具养护制样方法的?25.4 mm×50.8 mm小试样和?50.8 mm×101.6 mm大试样2套圆柱形水泥石养护模具;通过散点分布、均方根误差分析、标准差分析等对比研究了56组不同制样方法获取试样的力学试验数据,结果表明,小试样模具制样养护方法在数据可靠性、制样效率及成本等方面均优于其他方法,推荐作为固井水泥石三轴力学试验试样制备方法。     

水泥环厚度及力学参数对其应力的影响

固井水泥环厚度是否合理关系到注水泥施工效率和固井质量,同时后期水泥环的力学性能也将会影响到层间的长期有效封隔,因此有必要研究水泥环厚度及力学参数对其应力的影响规律,分析水泥环的厚度敏感性,优化水泥环力学参数。借助弹性力学理论,对水泥环的应力状态进行了分析研究。研究结果表明,内壁处周向应力最大,是其危险应力;最大周向应力随水泥环厚度增大将减小,但其梯度在水泥环厚度小于25.4mm时较大,之后随水泥环厚度增大,最大周向应力梯度逐渐减小直至几乎不变。对于厚度一定的水泥环,其弹性模量越大,周向应力越大;泊松比越大,周向应力越小。该研究结果对水泥环厚度及水泥浆配方的优选有一定的指导意义。     

高温干烧和水湿环境对水泥石结构性能的影响

为了更真实评价稠油热采井中交变超高温对水泥石力学性能及微观结构的影响,基于其在井下所处的实际环境,设计了一套超高温水湿模拟养护装置及方法,并据此研究了水泥石在干烧和水湿环境下抗压强度的变化规律.同时,利用XRD、TG、氮吸附及SEM技术探明了不同养护环境对水泥石物相组成、化学结构、孔隙结构及微观形貌的影响.实验结果表明...     

功能材料对固井水泥石力学性能的影响

固井工程中,水泥石力学性能是影响固井质量的重要因素。通过加入一定量的功能材料,可以增强水泥石的抗冲击能力和应变恢复能力,有效改善固井质量。为研究不同功能材料对固井水泥石力学性能的影响,选用韧性剂和弹性剂2种功能材料,配制韧性和弹性水泥浆并养护成水泥石,利用三轴应力应变实验,通过弹性模量、残余应变等考察不同类型水泥石力学性能。同时,通过功能材料特性,分析功能材料提高固井质量的作用机理。研究表明,两种功能材料都能有效降低水泥石弹性模量和残余应变,减小水泥石脆性,增强水泥石应变恢复能力。韧性剂提高了水泥石的韧性,有效防止了水泥石破裂形成裂缝,保证了水泥石的长期完整性;弹性剂则大幅度增强了水泥石弹性,减少了微环隙的形成,提高了水泥石的封隔能力。     

压痕法评价煤层气井固井水泥石断裂力学性质

深部煤层气井高压注入压裂、水平井分段压裂、CO₂地质封存等复杂工况对井筒环空封隔能力提出了更高的要求。为了探究煤层气井固井水泥石本体破坏原貌特征、水泥石断裂力学性质对环空封隔失效的影响,通过实地解剖沁水盆地晋城矿区煤层气井的固井情况,基本查明了煤层气井井筒环空水泥环的破坏情况,并利用压痕法(IM)对该矿区煤层气井固井水泥石原样进行维氏硬度、断裂韧度的实验测试,研究其在不同载荷下的变化规律。研究结果表明:①该区煤层气井井筒封隔失效的主要形式包括固井水泥环的第一、第二界面的开裂形成流体通道,以及水泥环本体脆性断裂形成高角度垂向裂缝和断块体;②水泥石的高脆性导致硬度随载荷增加先降低再升高,现用固井水泥浆体系的高脆性是其在射孔、压裂环节封隔失效的关键内在因素;③断裂韧度随着载荷的增大逐渐升高,后期维持在0.71 MPa·m^1/2,抗裂性能较差;④射孔冲击在水泥石中形成辐射裂纹,压裂期间高压流体的挤注导致射孔辐射裂纹失稳扩展并形成垂向裂缝窜槽和断块。结论认为,采用抗冲击型高韧性复合水泥可以控制射孔阶段固井水泥石的辐射裂纹尺寸,有利于防止煤层气井井筒环空...     

固井纤维水泥的研究

为解决完井增产措施后,因环空胶结不良而引起层间窜流的问题,经过分析和试验筛选,选择了有机合成纤维G805并用于固井施工,并对纤维水泥浆的常规固井施工性能及力学性能进行了室内评价和机理分析。结果表明,水泥浆中的G805在掺量小于0.5％范围内易于均匀分散;纤维能提高水泥环的抗冲击性,降低射孔对水泥环的破坏;有机合成纤维对水泥的力学性能确有一定的改善。