1、大慶調(diào)整井固井技術(shù)研究與應(yīng)用楊智光 程艷 和傳鍵 陳曉樓 莫繼春 徐明（大慶石油管理局鉆井工程技術(shù)研究院）摘 要：通過鉆井地質(zhì)、室內(nèi)基礎(chǔ)理論模擬實驗、應(yīng)用技術(shù)三個方面的研究，建立了地層壓力預(yù)測的數(shù)學(xué)模型，解決了薄差層地層連通性判斷問題；解決了水滲流模擬試驗中臨界條件和評價參數(shù)的確定、水泥石動態(tài)力學(xué)性能和水氣竄規(guī)律研究的評價手段和方法，建立了壓穩(wěn)程度的計算公式，解決了壓穩(wěn)程度的定量評價指標(biāo)，為現(xiàn)場的施工設(shè)計提供了理論依據(jù)。并研制出DRK抗沖擊韌性及高封竄水泥體系，提出了高密度沖洗隔離液配套技術(shù)，從而提高了調(diào)整井的固井質(zhì)量。主題詞：調(diào)整井 地層壓力 泄壓 預(yù)測 水滲流 評價裝置 壓穩(wěn)系數(shù) 力學(xué)性能

2、 水泥石 抗沖擊韌性 隔離液 懸浮穩(wěn)定前言大慶油田屬非均質(zhì)的多層砂巖油藏，其調(diào)整井特點是：油層多，油層厚度差異大，油層滲透率差異大，隔層薄，且縱向上砂泥巖、高滲低滲層交錯分布，再加之長期注水開發(fā)中的注采不平衡，形成了多壓力層系。大慶油田為了實現(xiàn)長期穩(wěn)產(chǎn)，提高采收率，提出了開發(fā)表外儲層、薄差油層的開發(fā)方案。在實際開發(fā)中開發(fā)的層位越來越薄，再由于復(fù)雜地下動態(tài)環(huán)境的影響，增加了油井的封固難度。而調(diào)整井薄層固井質(zhì)量是直接關(guān)系到薄層開發(fā)方案能否順利實施的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。為此，大慶油田在地質(zhì)、室內(nèi)基礎(chǔ)理論模擬實驗研究、應(yīng)用技術(shù)研究等方面開展了調(diào)整井薄層固井技術(shù)研究。 經(jīng)過多年的科研攻關(guān)和技術(shù)應(yīng)用，較有效地解

3、決和改善了大慶油田調(diào)整井高壓水氣竄問題。1 地層壓力預(yù)測及降壓泄壓技術(shù)研究應(yīng)用不同的開發(fā)時期，由于開發(fā)的層位不同，影響地層壓力的因素也不盡相同。因此，分別進(jìn)行了二次、三次加密調(diào)整井地層壓力預(yù)測和降壓泄壓技術(shù)研究，形成了一套適合大慶油田調(diào)整井的開采層孔隙壓力和套損層位壓力預(yù)測技術(shù)，以及以待鉆井周圍注水井降壓為主，所鉆井原井眼泄壓為輔的降壓泄壓技術(shù)。1.1 二次加密調(diào)整井的地層壓力預(yù)測及降壓泄壓技術(shù)1.1.1 二次加密調(diào)整井的地層壓力預(yù)測1）開采層孔隙壓力預(yù)測正常注采層位地層孔隙壓力與降壓注水井的井口恢復(fù)壓力有關(guān)，可以直接反映開采層最高壓力大小，其預(yù)測方法為：P=（102P+H）/102+a式中：

4、P預(yù)測壓力系數(shù)；P井口恢復(fù)壓力，MPa；HS2頂深度，m； A綜合壓力與單層最高壓力差，MPa，由完井壓力檢測結(jié)果確定，一般為12.0 MPa。2） 套損層位壓力預(yù)測利用無限大等厚油藏的條件對彈性不穩(wěn)定滲流微分方程進(jìn)行求解，得到無限大等厚地層壓力分布公式：其中: h = FmCi/rEi(-X)稱為冪積分函數(shù).定義為: 式中x為積分變量.1.1.2二次加密調(diào)整井的地層壓力降壓泄壓技術(shù)在壓力預(yù)測的基礎(chǔ)上，為保證鉆井安全和油井的封固質(zhì)量，針對一些地層壓力較高的地層和地區(qū)，與開發(fā)部門協(xié)作，實施了鉆關(guān)、停注泄壓技術(shù)措施，降低高壓層地層壓力，減少層間壓差。主要采取以下措施：1）鉆關(guān)降壓同鉆機運行相結(jié)合，

5、注水井同時整體降壓，實現(xiàn)區(qū)塊的整體降壓，保證地下壓力場的穩(wěn)定。2）高壓層位注水井提前10-15天關(guān)井（或放溢）降壓，開鉆前井口剩余壓力小于2.0MPa 。3）欠壓層位注水井提前2-3天關(guān)井降壓，開鉆前井口剩余壓力控制在4.0-4.5 MPa 。4）同井場主力采油井在開鉆前至測完聲變后停采，增加欠壓層的地層孔隙壓力。1.2 三次加密調(diào)整井地層壓力預(yù)測技術(shù)1.2.1鉆遇層地層孔隙壓力預(yù)測技術(shù)隨著油田內(nèi)加密井網(wǎng)的完善，地下壓力系統(tǒng)雖然變化較大，但是地下流體仍然遵循滲流力學(xué)原理，因此，采用滲流力學(xué)的穩(wěn)定滲流原理建立基礎(chǔ)模型是完全可以反映地下流體流動狀態(tài)的，即：式中：距井點r處任一點A的壓力；邊緣地層壓

6、力，MPa；Pw井筒處地層壓力,MPa；Re供給邊緣半徑,m；Rw井筒半徑,m。1.2.2 長垣北部套損區(qū)套損層位地層壓力預(yù)測技術(shù)1)嫩二段底套損后地層壓力計算方法2)套損層位為油層非開采層位或薩零組地層壓力的計算方法1.3 三次加密調(diào)整井降壓泄壓技術(shù)通過影響固井質(zhì)量臨界地層孔隙壓力系數(shù)研究，確定注水井關(guān)井井口剩余壓力不能超過3.5MPa；根據(jù)降壓隨時間變化規(guī)律確定，基礎(chǔ)井網(wǎng)注水井應(yīng)在待鉆井開鉆前7-10天關(guān)井降壓，一次加密井網(wǎng)注水井在待鉆井開鉆前12-14天關(guān)井降壓，二次加密注水井在待鉆井開鉆前15-17天關(guān)井降壓；根據(jù)注水井關(guān)井距離與壓降關(guān)系確定:（1）基礎(chǔ)井網(wǎng)注水井關(guān)井范圍約為300米；

7、（2）一次加密井網(wǎng)注水井關(guān)井范圍約為400米；（3）二次加密井網(wǎng)注水井關(guān)井范圍約為400米。對于無法在有限時間內(nèi)將井口壓力降至5.5MPa以內(nèi)的井，采用以下措施：針對高壓層的物性不同，采用不同的泄壓方法。非目的層及高滲高壓異常蹩壓層采用油井補孔泄壓；低滲高壓層采用原井眼泄壓技術(shù)。1.4地層壓力預(yù)測及泄壓效果1）鉆前預(yù)測套損層位地層壓力系數(shù)誤差0.07的符合率為96.6%。2）由于地層壓力預(yù)測技術(shù)，鉆關(guān)泄壓效果好，平均地層壓力降低了0.97MPa，降低了鉆井液密度，固井質(zhì)量大幅提高，長垣內(nèi)平均固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)到88.5，合格率達(dá)到100。3）經(jīng)過準(zhǔn)確地預(yù)測待鉆區(qū)塊的地層壓力，與2000年套損區(qū)塊相比

8、，油層鉆井液密度由原來平均的1.58g/cm3 降到了2001年的1.47g/cm3和2002年的平均1.48g/cm3。2000年，套損區(qū)的最高洗井液密度為1.85g/cm3 ,2001年和2002年，套損區(qū)的最高完鉆泥漿密度為1.70g/cm3和1.65g/cm3,由于降低了井筒內(nèi)的靜液柱壓力，降低了巖屑的壓實效應(yīng)，提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期，平均單井提高機械鉆速0.56m/h，縮短鉆井周期0.5天。2 基礎(chǔ)理論模擬實驗研究2.1 高含水后期調(diào)整井水滲流對固井質(zhì)量影響的模擬實驗研究圖2-1 水滲流模擬裝置 通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，確定滲透性地層的井下環(huán)境，以及地層流體壓力狀態(tài)和滲流速度范圍，

9、建立模擬試驗裝置，研究壓差對固井質(zhì)量的影響和研究水滲流對固井質(zhì)量的影響；在精細(xì)地質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，利用滲流力學(xué)原理，在室內(nèi)模擬試驗的指導(dǎo)下，完善了調(diào)整井小層孔隙流體壓力預(yù)測及控制技術(shù)，建立了小層孔隙流體流速的預(yù)測及控制技術(shù)，并在大慶油田調(diào)整井鉆井固井中推廣應(yīng)用。211水滲流模擬裝置: （圖2-1）1) 模擬裝置主體;2) 模擬裝置加壓系統(tǒng)； 3) 測量采集系統(tǒng)；4) 輔助設(shè)備。2.1.2壓差對固井質(zhì)量影響的試驗研究圖2-2 壓差與聲幅質(zhì)量的關(guān)系曲線試驗數(shù)據(jù)做出了壓差與聲幅關(guān)系曲線,見圖2-2。可以把壓差對固井質(zhì)量的影響分成三個區(qū)間加以討論說明:-1MPa1MPa,1MPa8MPa,8MPa10M

10、Pa。 壓差在-1MPa1MPa之間,即欠壓穩(wěn)和剛剛壓穩(wěn)。由于地層孔隙壓力接近環(huán)空靜液柱壓力,并且由于水泥漿的失重,環(huán)空液柱壓力很快達(dá)到地層孔隙壓力,這時,水泥環(huán)內(nèi)部的膠凝強度還未發(fā)展足夠大,不能阻止地層中水侵入水泥環(huán)。在現(xiàn)場固井中,由于注重壓穩(wěn)措施的落實,剛剛壓穩(wěn)和欠壓穩(wěn)層段較少,因此,對于這種情況只做了0.2MPa的壓差試驗。壓差在1MPa8MPa之間,壓差對固井質(zhì)量影響不大,24:00聲幅值2%4.5%。現(xiàn)場調(diào)整井固井中大部分井段都是處于這一壓差段。由于水泥漿柱完全壓穩(wěn)地層，當(dāng)環(huán)空靜液柱壓力低于地層孔隙壓力時，膠凝的水泥漿已具備阻止水侵入水泥環(huán)的能力，又由于在此壓差范圍內(nèi)不會造成水泥漿的

11、過量失水,因此聲幅值較低。 壓差大于8MPa時,聲幅值開始升高,壓差達(dá)到9MPa時,24:00聲幅值達(dá)到8%。壓差達(dá)10MPa時,24:00聲幅值為18%。隨著壓差增大，聲幅值提高，這主要是由于壓差增大，水泥漿失水加大所造成的。為了進(jìn)一步說明失水對固井質(zhì)量的影響,利用API387-71型小失水儀,做了A級原漿在不同壓差條件下,失水后的水泥試件。在空氣中養(yǎng)護(hù)24小時,測量試件強度。試驗數(shù)據(jù)見表2-1。從表2-1數(shù)據(jù)可以看出,隨著壓差增大,失水后在空氣中養(yǎng)護(hù)的水泥石強度減小。失水壓差達(dá)到8MPa后,水泥石的強度比1MPa條件下的水泥石強度低一半多。在現(xiàn)場固井中。大壓差層段聲幅起幅度,影響因素很多,

12、但我們認(rèn)為失水是一個重要因素。為確保固井質(zhì)量,我們?nèi)?MPa作為臨界壓差,壓差應(yīng)控制在1MPa9MPa。表2-1 同壓差條件下失水后的水泥石強度表序號135678924h抗壓強度(MPa)1211.210.89.58.66.14.62.1.3.水滲流對固井質(zhì)量影響的試驗研究(1)不同滲流流量試驗試驗數(shù)據(jù)見表2-2。做出了流量與聲幅關(guān)系曲線見圖2-3。表2-2 地層滲透率為350450×10-3mm2帶泥餅滲流試驗數(shù)據(jù)表 項目 序號流量(ml/h)聲幅值(%)19803421200831600151742000365320042試驗1滲流流量為980ml/h，聲幅值34%。在現(xiàn)場取聲幅

13、10%作為優(yōu)質(zhì)井。因此在模擬試驗中,我們也以10%作為確定臨界流量的標(biāo)準(zhǔn)。從圖2-3可知,在人造模擬巖心滲透率為350450×10-3mm2、帶泥餅的模擬條件下,水滲流影響固井質(zhì)量的臨界流量為1300ml/h。(2)水滲流臨界流速計算在水滲流試驗中，水滲流的大小是以滲流流量來衡量的，為了同現(xiàn)場的滲流速度相比較，在模擬試驗中，我們利用示蹤劑的辦法確定模擬試驗中的過水?dāng)嗝妫瑥亩鴮⒘髁哭D(zhuǎn)換成流速。 式中:A過流面積,cm2 ； h模擬巖心長度,cm ； 孔隙度； D模擬巖心外徑，cm。圖2-3 流量與聲幅關(guān)系曲線在礦場區(qū)塊試驗中,利用示蹤劑的辦法做過注水井注入的水在地層中推進(jìn)速度試驗。注水

14、井和采油井相距300米,從注水井注入的示蹤劑2個月后從采油井見到示蹤劑。注入水在地層中的推進(jìn)速度為5m/d。各聚合物驅(qū)中心井示蹤劑推進(jìn)速度最小為0.97m/d，最大的為9.8 m/d。水滲流試驗中得出的臨界滲流速度為49.76mm/h即1.19m/d，與現(xiàn)場實際是比較吻合的，這為現(xiàn)場控制小層流體流速提供依據(jù)。2.2 壓穩(wěn)程度預(yù)測技術(shù)研究在大慶油田調(diào)整井固井中，高壓層的固井質(zhì)量很難保證，主要是在固井或候凝期不易壓穩(wěn)高壓層，造成水、氣竄。因此，壓穩(wěn)是關(guān)系到高壓層固井質(zhì)量的關(guān)鍵因素。 2.2.1水氣竄模擬實驗裝置的結(jié)構(gòu)圖2-4 水（氣）竄模擬裝置水（氣）竄模擬裝置主要是由四部分組成：釜體部分主要包括

15、釜體、井壁、加熱器、上覆活塞、下端蓋等。動力部分主要包括液壓泵、油缸、氣瓶等。測控部分主要包括有關(guān)壓力、溫度、位移、流量傳感器以及恒溫控制儀表。數(shù)據(jù)采集及處理部分主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機、打印機等。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-4所示。2.2.2水泥漿失重及膠凝強度發(fā)展規(guī)律的研究為了研究水泥漿失重及膠凝強度發(fā)展規(guī)律,在10米高的模擬井筒內(nèi)灌注水泥漿,進(jìn)行了壓力測量實驗,并同時進(jìn)行了水泥漿膠凝強度實驗。數(shù)據(jù)見表2-3,曲線見圖2-5。表2-3 水泥漿壓力降與膠凝強度數(shù)據(jù)表時間 min020406080100120140160180200220240實測壓力Pc KPa175175175168152128

16、103908175655845實測壓降 KPa22292549748796102112119132膠凝強度 t Pa57104590160250350550930135019502400膠凝計算壓力降KPa1.52.13.013.5274875105165280405585720圖中曲線(1)反映了水泥漿下降規(guī)律。初期下降很慢,中期加快,后期減慢。中后期有一個較明顯的分界點K。圖中曲線(2)反映了水泥漿膠凝強度發(fā)展規(guī)律 ,初期發(fā)展很慢,中期加快, 后期更快。由水泥漿膠凝強度計算的壓力降曲線(3),對比曲線(1)和(3)可見,在K點以前,兩條曲線很接近,反映在這一階段,水泥漿的壓力下降主要由膠凝

17、引起。分析認(rèn)為,水泥漿的膠凝強度還不夠高,水泥水化體積減縮引起的壓力降可由水泥漿自由回落而得以部分補充。在K點以后,兩條曲線發(fā)生偏離。分析認(rèn)為,此時水泥漿已達(dá)到了一定的膠凝強度,水泥漿已停止回落。水泥漿的壓力下降由水化體積減縮造成。在膠凝強度發(fā)展曲線(2)上,有一個K點與K點相對應(yīng)。在K點以后,膠凝強度迅速發(fā)展,近似呈直線規(guī)律變化,由于膠凝強度迅速增長,水泥漿抗竄阻力Pf也將迅速增長,而此時,水泥漿壓力Pc的降落速度已變慢。因此,可以認(rèn)為,在K點以后,水泥漿抗竄阻力Pf的增長速度將高于水泥漿壓力Pc的降落速度。也就是說,如果在K點不發(fā)生水竄,在K點以后將不會發(fā)生水竄。我們把K點叫防竄臨界點,K

18、點所對應(yīng)的時間叫臨界時間tk,所對的膠凝強度叫臨界膠凝強度tk。2.2.3壓穩(wěn)系數(shù)研究和壓穩(wěn)程度公式的建立由以上研究知道，在K點不發(fā)生水竄的條件是:PckPfk>Pw 。為更趨于安全,令此時Pfk=0,那么不發(fā)生水竄的條件是：Pck>Pw或Pck/Pw>1。我們把Pck與Pw的比值叫做壓穩(wěn)系數(shù)PSF,PSF大于1將不發(fā)生水竄,PSF值越大,壓穩(wěn)程度越高。為了求得PSF，首先求水泥漿膠凝強度發(fā)展的臨界點K,在K點之前,水泥漿膠凝強度發(fā)展曲線可用以e為底的指數(shù)函數(shù)來表示。在K點以后,可用直線方程來表示。K點可用兩個方程的交點來求得。圖2-5 不同溫度膠凝強度發(fā)展曲線值得注意的是，

19、水泥漿膠凝強度的發(fā)展,臨界點發(fā)生的時間tk,臨界膠凝強度tk都與溫度有關(guān),A級凈漿不同溫度下膠凝強度發(fā)展曲線見圖2-6中的1線。膠凝強度數(shù)據(jù)見表2-4。臨界值見表2-5。 由圖表可見,溫度越高,水泥漿膠凝強度發(fā)展越迅速,tk值越短,tk值越低。表2-4 不同溫度條件下水泥漿膠凝強度實驗數(shù)據(jù)表時間溫度0102030405060708090100110120130140150A級水泥3569219026044051093045314364416025063010105541927551604601090抗竄水泥漿3515162237115337634950452025307021080010505

20、52030451303551020實驗溫度 大慶油田調(diào)整井目的層溫度一般在3555之間,在此范圍內(nèi),tk,tk與溫度近于直線關(guān)系,見圖2-6。因此,對任一溫度下的tk,tk值可用內(nèi)插法計得。圖2-6 臨界時間、臨界膠凝強度和溫度之間的關(guān)系表2-5 水泥漿臨界數(shù)據(jù)表 類別溫度354555A級原漿臨界方程3.68e0.0343t=24.5t-28302.57e0.051t=38t-31703.105e0.065t=46.5t-2685臨界時間 tk min1279061臨界膠凝強度 tk Pa282250183抗竄水泥臨界方程8.46e0.068t=28.02t-103212.06e0.073t=

21、35.3t-105615.6e0.072t=31.5t-715臨界時間 tk min423426臨界膠凝強度 tk Pa148144102還要注意,目的層水泥漿達(dá)到臨界點時,在目的層以上至水泥面,因溫度較低,水泥漿膠凝強度值將低于目的層的臨界膠凝強度tk。如果水泥面距目的層較遠(yuǎn),應(yīng)進(jìn)行修正。比較簡便的方法是用tk值與水泥面膠凝強度tA值的平均值計算。壓穩(wěn)系數(shù)推導(dǎo)如下:式中：c、m、s、Lc、Lm、Ls 分別為水泥漿、泥漿、 隔離液密度和長度；g 重力加速度；D 井徑；d 套管外徑；k 目的層水泥漿臨界膠凝強度；A 水泥面水泥漿膠凝強度；臨界點時目的層上部水泥漿的失重。固井后目的層處環(huán)空靜水壓力

22、（P靜）； Pw 目的層地層壓力； 壓穩(wěn)公式可簡化為：P靜-P失Pw由上可見，壓穩(wěn)的實質(zhì)是：固井后的靜水壓力減去水泥漿的失重后，仍然要大于或等于地層壓力。2.3提高水泥石的抗沖擊韌性研究 隨著開發(fā)技術(shù)和產(chǎn)能需求的發(fā)展，大慶油田已經(jīng)對薄差油層進(jìn)行開發(fā)，要求的隔層厚度日趨減小。而薄油層中的剩余油潛力，大部分分布在油層性質(zhì)較差的難采儲層中，一般都需要進(jìn)行壓裂改造和采用深度穿透的聚能射孔技術(shù)挖潛。通過現(xiàn)場調(diào)研和室內(nèi)探索實驗發(fā)現(xiàn)：固井水泥環(huán)受射孔彈聚能射流作用，局部會產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。水泥環(huán)的破裂必然減弱或失去封隔地下油、氣、水層的作用，層間竄通影響開發(fā)，嚴(yán)重的會使油水井報廢。 2.3.1 射孔對水泥環(huán)損傷

23、的原因分析1) 應(yīng)力波的侵徹、反射和相互作用2) 內(nèi)壓的動力響應(yīng)3 )封固缺陷的影響2.3.2 水泥石抗沖擊韌性評價參數(shù)指標(biāo)的確定目前所說的材料的力學(xué)性能一般是指材料在準(zhǔn)靜態(tài)下測得的結(jié)果。而眾多的研究和工程實踐表明，材料在動載下的力學(xué)性能與靜態(tài)下的情況相比有顯著的差異，對于屬于脆性材料的水泥石來說更是如此。經(jīng)過大量的調(diào)研工作和實驗分析，初步確定了評價水泥石抗沖擊韌性的三個代表參數(shù)：動態(tài)彈性模量、破碎吸收能和動態(tài)斷裂韌性。2.3.3 實驗裝置的研制及原理2.3.3.1 HOPKINSON水泥石動態(tài)力學(xué)性能實驗裝置霍布金森實驗技術(shù)是在二十世紀(jì)初期發(fā)展起來的，現(xiàn)已成為確定材料動態(tài)力學(xué)性能廣泛應(yīng)用的一

24、種試驗方法。圖2-7 霍布金森實驗裝示意圖 如一長桿呈彈性狀態(tài)，則在桿端處的擾動將以彈性波速c=(E/r)1/2向桿的遠(yuǎn)處傳播，式中為材料的彈性模量， 為材料的密度。因此，通過研究距離桿端一定距離處的效應(yīng)，就可以了解桿端處所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變。霍布金森實驗裝置示意圖如圖2-7所示。高壓氣 室使子彈獲得所需速度且與輸入桿做對心碰撞，使此桿得到壓縮波，即入射波。當(dāng)入射波行進(jìn)到右端面時，由于桿與試件的聲阻抗不同，形成反射波和透射波。透射波由吸收桿撲獲，最后由阻尼器吸收。由壓桿上的應(yīng)變片記錄下應(yīng)變波形，經(jīng)超動態(tài)應(yīng)變儀放大后存于存儲器，經(jīng)過離散、數(shù)字化，最后通過計算機處理，輸出應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)及曲線。2.3

25、.3.2模擬射孔及驗竄實驗裝置的研制根據(jù)射孔對水泥環(huán)損傷的機理分析，與現(xiàn)場完井射孔工藝相結(jié)合，利用相似理論和加載條件設(shè)計出了射孔綜合模擬實驗裝置，同時，為了驗證射孔對水泥環(huán)的損傷給井下水泥環(huán)密封性能帶來的影響，研制出固井水泥環(huán)驗竄裝置（如圖2-8、2-9）。借助這兩個裝置進(jìn)行了射孔試驗和驗竄試驗，對水泥石的韌性和水泥環(huán)抗射孔沖擊能力進(jìn)行定性評價。 圖2-8 射孔裝置示意圖 圖2-9 驗竄裝置示意圖2.3.4 射孔對水泥環(huán)損傷的綜合試驗研究實驗見表2-6、圖2-10圖2-10 水泥石動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線 表2-6 水泥石動態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)表序號水泥石配方彈性模量GPa破碎吸收能 動態(tài)斷裂韌性Gpa動

26、態(tài)靜態(tài)1原漿+Sxy0.2%19.7215.0213.70.0872石棉4%Sxy2%18.6714.7020.10.3783石棉5%Sxy2.5%17.2614.2820.24碳纖維0.3%+Sxy0.5%21.2617.20.3425碳纖維0.5%+Sxy0.5%20.8716.90.3576碳纖維0.7%+Sxy0.5%19.0215.40.3717碳纖維1.0%+Sxy0.5%22.4216.10.3858碳纖維1.2%+Sxy0.5%23.3919.7416.00.3649碳纖維0.3%+膠乳20%+Sxy0.5%13.9621.40.47410碳纖維0.5%+膠乳20%+Sxy0.

27、5%11.8620.80.48111碳纖維0.7%+膠乳5%+Sxy0.5%14.7421.30.41412碳纖維0.7%+膠乳10%+Sxy0.5%13.0021.40.44013碳纖維0.7%+膠乳15%+Sxy0.5%10.7622.70.48214碳纖維0.7%+膠乳20%+Sxy0.5%8.175.2322.80.52915碳纖維1.0%+膠乳20%+Sxy0.5%10.388.7623.00.57416碳纖維1.2%+膠乳20%+Sxy0.5%10.1022.10.554注：采用A級油井水泥 W/C=0.44 1） 纖維增韌是提高水泥石抗沖擊性能的有效途徑，纖維增強的水泥石在彈性模

28、量、破碎吸收能、斷裂韌性等力學(xué)性能上得到明顯改善。 2) 結(jié)合水泥石力學(xué)性能實驗和模擬射孔實驗可以看出，具有較好抗沖擊性能的水泥石應(yīng)以下列指標(biāo)為應(yīng)達(dá)到的最低標(biāo)準(zhǔn)：動態(tài)彈性模量 （Gpa）：19.00破碎吸收能（J´10-1/cm3）：15.40斷裂韌性 MPa.m1/2：0.371第一界面強度（MPa）：3.182.3.5水泥環(huán)抗沖擊性能實驗為了檢驗不同配方水泥石的抗射孔沖擊能力，利用模擬射孔檢測評價裝置進(jìn)行了模擬射孔試驗。 在射孔完成后，為了對水泥環(huán)進(jìn)行驗竄檢查，以此來作為水泥環(huán)密封性能的最終檢查標(biāo)準(zhǔn)，利用驗竄裝置進(jìn)行了驗竄實驗，結(jié)果見表2-7。 表2-7 射孔及驗竄試驗結(jié)果序號配

29、方套管類型一界面強度 MPa水泥環(huán)裂紋描述驗竄壓力MPa1原漿光壁1.27彈孔對面有幾處長約300mm的裂紋2.02原漿粘砂3.09彈孔對面有幾處長約200mm的裂紋4.53原漿光壁1.27彈孔對面有幾處長約210mm的裂紋5.04石棉5%光壁2.12無裂紋6.05石棉5%光壁2.12無裂紋8.26石棉5%粘砂3.76無裂紋9.07碳纖1.0%+膠乳20%粘砂4.18無裂紋12.48碳纖0.7%+SXY0.5%粘砂3.18無裂紋13.69原漿光壁未射孔14.0注：采用A級油井水泥 W/C=0.44根據(jù)以上實驗，我們可以看出：(1) 由示蹤劑的顯示，絕大多數(shù)的水是從彈孔周圍的第一界面滲入的。因此

30、，可以肯定出水只有一小部分是由于水泥石的滲透率造成的，而進(jìn)入第一界面的水壓力致使水泥環(huán)破裂。從1、2試驗可以看出，如果使用粘砂套管，第一界面強度提高，則水泥環(huán)的抗竄能力會相應(yīng)提高。(2) 第9試驗為未射孔的原漿水泥環(huán)的驗竄結(jié)果，在使用粘砂套管的前提下，7和8試驗的水泥環(huán)的抗竄能力已接近射孔前原漿水泥環(huán)的抗竄能力。這說明這兩種配方的水泥石因力學(xué)性能的改變而承受住了射孔瞬間產(chǎn)生的大變形，水泥石的韌性得到了明顯的改善。3 應(yīng)用技術(shù)研究3.1 高抗竄水泥漿體系的研究應(yīng)用3.1.1鎖水抗竄劑的研制和作用機理鎖水抗竄劑具有速凝、早強、抗?jié)B、膠凝強度發(fā)展迅速、過度期短、補償“水泥漿失重”等抗竄特性。常規(guī)性能

31、試驗見表3-1。表3-1 凈漿和鎖水抗竄水泥漿常規(guī)性能試驗數(shù)據(jù)類型密度g/cm3流動度cm凝結(jié)時間h:min初始稠度Bc稠化時間min8小時抗壓強度MPaA級凈漿1.90232:20/0:2715-20>907.2抗竄水泥1.9024-251:00/0:1015-3050-6016.5注：凝結(jié)時間、抗壓強度試驗條件為：45，常壓；稠化時間試驗條件為38，18.9MPa。3.1.2高抗竄水泥漿的研究(1) 高抗竄水泥外加劑的組成高抗竄水泥外加劑在鎖水抗竄劑的基礎(chǔ)上，添加了加重劑，優(yōu)化了膨脹劑。(2) 高抗竄水泥漿的防竄原理固好高壓層的基本條件是：固井后，固井液（水泥漿、泥漿、隔離液）對高壓

32、層的壓穩(wěn)系數(shù)PSF1。由上可見，壓穩(wěn)的實質(zhì)是：固井后的靜水壓力減去水泥漿的失重后，仍然要大于或等于地層壓力。假定地層壓力是客觀不變的，那么在固井時提高壓穩(wěn)程度應(yīng)從兩個方面入手。一是要提高靜水壓力P靜，二是要減少水泥漿的“失重”P。原有的DSK鎖水抗竄劑主要從減少水泥漿的失重入手，而新研制的高抗竄水泥漿（GMK）正是從這兩個方面來提高水泥漿的抗竄能力。高抗竄水泥漿與鎖水抗竄劑一樣具有速凝、早強、抗?jié)B、微膨脹等特性。尤其是膠凝強度發(fā)展迅速，達(dá)到防竄臨界點時間短，臨界膠凝強度低。見圖3-1和表3-2。表3-2高密度抗竄水泥漿臨界數(shù)據(jù)表類別臨界時間min臨界膠凝強度Pa 百米失重MPaA級原漿9025

33、01.25DSK水泥漿341440.72GMK水泥漿331250.63圖3-1 高密度抗竄水泥漿臨界膠凝強度發(fā)展曲線從圖3-1和表3-2可見：高抗竄水泥漿（GMK）其膠凝強度發(fā)展不僅比A級原漿快得多，而且其臨界膠凝強度比DSK鎖水抗竄劑還低一些，這更有利于減少水泥漿“失重”，在45條件下，相當(dāng)于調(diào)整井井下900米左右的溫度，高密度抗竄水泥漿每百米水泥漿柱比DSK鎖水抗竄劑少失重約0.1MPa，比A級原漿少失重約0.6MPa。除此之外，高水泥漿又提高了水泥漿的密度，密度由原來的1.90g/cm3，可提高至2.20 g/cm3，每百米水泥漿柱將提高0.3MPa的靜水壓力，比A級原漿又少失重0.6M

34、Pa，這樣，使用高抗竄水泥漿每百米將增加壓力0.9MPa左右，對壓穩(wěn)高壓層非常有利。表3-3 高密度抗竄水泥漿綜合性能水泥漿類型GMKDSK原漿水灰比0.460.460.46水泥漿密度g/cm32.101.901.88流動度cm25.526.826.0初凝/終凝h:min1:27/0:151:30/0:202:55/0:21初始稠度Bc221518稠化時間min64659524小時抗壓強度MPa22.7822.616.048小時抗壓強度MPa16.516.23.5線性膨脹率%0.200.0460.045抗竄能力MPa4.13.50.5 注：1）凝結(jié)時間、抗壓強度、膨脹性實驗條件：45×

35、;常壓； 2）稠化時間實驗條件38×17.9MPa； 3）抗竄能力實驗條件：45×（7-6）MPa高密度抗竄水泥漿能夠配制較高的密度，且具有速凝、早強、抗?jié)B、膠凝強度發(fā)展迅速，體積微膨脹、抗竄能力強等特性。如配制密度達(dá)到2.10g/cm3時，其綜合性能見下表3-3。3.2加重沖洗隔離液的研究3.2.1 作用機理1) 懸浮作用2) 沖洗作用 3）壓穩(wěn)作用3.2.2 室內(nèi)評價試驗1）穩(wěn)定性試驗進(jìn)行了密度在1.001.85g/cm3范圍內(nèi)的高密度沖洗隔離液的沉降穩(wěn)定性（指配置的沖洗隔離液24小時上下密度差）評價試驗，結(jié)果表明（見表3-4），沖洗隔離液體系在常溫及加熱條件下沖洗隔離

36、液上下密度差均在0.02g/cm3以內(nèi)。體系具有粘度低，沉降穩(wěn)定性好的特點。表 3-4 沖洗隔離液流變性及穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)表（常溫）序號隔離液密度60030020010063nk,Pa.sn沉降穩(wěn)定性11.05 g/cm3372923.5168.57.50.5400.5100.02g/cm321.10 g/cm3443124.5178.57.50.5460.5270.02g/cm331.15 g/cm3483226188.57.50.5230.6280.02g/cm341.20 g/cm350.53428198.57.50.5290.6430.02g/cm351.25 g/cm352352620

37、980.5080.7510.02g/cm361.30 g/cm3553627.520980.5340.6580.02g/cm371.35 g/cm3633829219.88.50.5390.6740.02g/cm381.40 g/cm3673830.522108.80.4970.8780.02g/cm391.45 g/cm37740332310.590.5030.8890.02g/cm3101.50 g/cm38245352510.590.5340.8230.02g/cm3111.55 g/cm383474026.51210.50.5210.9340.02g/cm3121.60 g/cm385

38、4940.527.512.510.50.5250.9490.02g/cm3131.65 g/cm3845040.52813110.5270.9560.02g/cm3141.70 g/cm38354413014120.5340.9870.02g/cm3151.75 g/cm38459413215.5130.5560.9410.02g/cm3161.80 g/cm3896351341613.50.5600.9770.02g/cm3171.85 g/cm395.567543517140.5900.8640.02g/cm32）沖洗率試驗進(jìn)行了密度在1.00-1.85g/cm3范圍內(nèi)的高密度沖洗隔離液的

39、沖洗率試驗，相應(yīng)密度的沖洗隔離液的沖洗率見表3-5。表3-5 沖洗率評價試驗數(shù)據(jù)表常溫×1400rpm密度，g/cm31.101.201.301.401.501.601.701.85沖洗時間，min3333.53.5444.5沖洗率，%100100100100100100100100結(jié)果表明，在2-5分鐘內(nèi)沖洗率即可達(dá)到100%，只是隨著密度的升高，沖洗效率略有下降（即沖洗時間略有延長）。3.2.3 現(xiàn)場應(yīng)用情況及效果一般隔離液密度的設(shè)計原則是，隔離液密度接近于或高于鉆井液，并且應(yīng)低于水泥漿，這樣才有利于頂替，不易產(chǎn)生混竄等現(xiàn)象。該高密度沖洗隔離液室內(nèi)試驗基礎(chǔ)上，在定向井、疑難井共應(yīng)

40、用30余口井，其中合格率97.3%，優(yōu)質(zhì)率37.8%。這些井普遍存在著高壓層或低壓高滲層，井況特別復(fù)雜。但從延時測井圖對比上可以看出，采用高密度沖洗隔離液的井（杏1-320-28），特別是井下水泥環(huán)上部，界面膠結(jié)較好，水泥面清晰，曲線幅值小，混竄率大大降低。由鄰井統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比來看，采用高密度沖洗隔離液后，水泥環(huán)上部的混竄率由原來的1.67%降至為0。通過在大慶定向井、疑難井上的應(yīng)用，說明采用高密度沖洗隔離液達(dá)到了防塌、壓穩(wěn)的目的。3.3 DRK抗沖擊韌性水泥漿體系的研究與應(yīng)用該外加劑體系主要由增韌劑、降失水劑、速凝早強劑和分散劑組成。3.3.1 DRK對水泥漿各項性能 表3-6 DRK水泥漿各項性能試驗數(shù)據(jù)配方水灰比密度g/cm3流動度cm凝結(jié)時間45×常壓h:minAPI失水45×7Mpaml初始稠度 BC稠化時間38×16.9Mpamin/BC一界面強度MPa抗壓強度(Mpa)8h24h48h72h凈漿0.441.9024.02:30/0:30113010-15175/701.73.220.224.229DRK0.441.9125.51:12/0:114510-586/1001.926.