水泥环完整性失效原因分析及应对技术郭小阳PPT学习教案

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1、会计学1水泥环完整性失效原因分析及应对技术水泥环完整性失效原因分析及应对技术郭小阳郭小阳汇报提纲汇报提纲第1页/共59页 参考参考API.RP.90API.RP.90和挪威和挪威NORSOKNORSOK标准标准D010D010钻井和作业的油气井完整性将水泥环完钻井和作业的油气井完整性将水泥环完整性定义为：整性定义为：通过科学设计水泥浆体系并通过科学设计水泥浆体系并采取有效的技术措施，防止水泥环力学完采取有效的技术措施，防止水泥环力学完整性和水力密封性失效，减少地层流体在整性和水力密封性失效，减少地层流体在井眼整个寿命期间无控制流动的风险，保井眼整个寿命期间无控制流动的风险，保证油气井安全钻进与

2、开采。证油气井安全钻进与开采。 组成：组成：水泥环本体完整性、固井一二界面胶结质量水泥环本体完整性、固井一二界面胶结质量第2页/共59页 墨西哥湾墨西哥湾OCSOCS地区不同套管层次带压地区不同套管层次带压塔木里部分气田生产套管带压塔木里部分气田生产套管带压国内川渝地区、西气东输源头塔里木油田山前构造环空带压问题严重，美国国内川渝地区、西气东输源头塔里木油田山前构造环空带压问题严重，美国墨西哥湾，加拿大油田环空带压问题同样严重，每年花费大量修井费用墨西哥湾，加拿大油田环空带压问题同样严重，每年花费大量修井费用水泥环失效，导致气体泄漏，水泥环失效，导致气体泄漏， 增加井口放压成本、危害环境、影响

3、安全生增加井口放压成本、危害环境、影响安全生产作业、油气资源浪费、补救费用高、可能造成整口井报废产作业、油气资源浪费、补救费用高、可能造成整口井报废第3页/共59页第4页/共59页汇报提纲汇报提纲第5页/共59页1 1、高渗透水泥浆基体成为窜流通道、高渗透水泥浆基体成为窜流通道水泥水泥密度密度g/cm3失水失水mLSgs=96Sgs=96渗渗透率透率mdmdSgs240Sgs240渗渗透率透率mdmd凝固凝固12h12h低密度低密度1.381.3817001700200100020010003003001010纯水泥纯水泥1.941.943000300020020095951 10.2%气气锁

4、剂锁剂1.871.87177177140140200200测不到测不到0.6%气锁剂气锁剂1.871.8727.927.91001006 6测不到测不到乳胶水泥浆乳胶水泥浆1.931.9327.327.375755 50 0水泥浆候凝过程中气体可能通过高渗透水泥浆基体窜流，并形成难以修复的气窜通道水泥浆候凝过程中气体可能通过高渗透水泥浆基体窜流，并形成难以修复的气窜通道第6页/共59页1 1、高渗透水泥浆基体成为窜流通道、高渗透水泥浆基体成为窜流通道u气窜是一个破坏性渗流的物理过程气窜是一个破坏性渗流的物理过程u气体侵入后留下难以修复气窜通道气体侵入后留下难以修复气窜通道常规密度水泥浆气窜试验

5、水泥浆渗透率173mD高密度水泥浆气窜试验气侵危险时间气窜流量5.3mL/min,水泥浆渗透率498mD气孔气孔第7页/共59页2 2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏、井内压力变化造成水泥环完整性破坏p井内钻井液密度变化、试压、酸压井内钻井液密度变化、试压、酸压、采气引起井内压力变化，水泥环、采气引起井内压力变化，水泥环在高应力作用下可能发生塑性变形在高应力作用下可能发生塑性变形p当井内压力降低时，水泥石与套管当井内压力降低时，水泥石与套管壁、变形不协调，壁、变形不协调，形成微环隙形成微环隙p当井内持续高压时，水泥石塑性变当井内持续高压时，水泥石塑性变形超过极限变形，形超过极限变形，水泥石力

6、学完整水泥石力学完整性破坏性破坏第8页/共59页2 2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏、井内压力变化造成水泥环完整性破坏p 储层岩石为灰岩，弹性模量，泊松比，屈服强度储层岩石为灰岩，弹性模量，泊松比，屈服强度p 产层固井用产层固井用90SS90SS套管弹性模量，泊松比，屈服强度套管弹性模量，泊松比，屈服强度p 水平地应力水平地应力80MPa80MPap 水泥石弹性模量，屈服强度，泊松比水泥石弹性模量，屈服强度，泊松比水泥石三轴应力应变测试水泥石三轴应力应变测试第9页/共59页2 2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏、井内压力变化造成水泥环完整性破坏对一口对一口4000m井，井内全部置换为清水

7、时，内压为井，井内全部置换为清水时，内压为40MPa 一界面处水泥环一界面处水泥环Von MisesVon Mises应应力达到了最大值力达到了最大值49.6MPa49.6MPa，发，发生塑性变形生塑性变形一界面处水泥环发生塑性变一界面处水泥环发生塑性变形，最大应变形，最大应变0.0278%0.0278%，对水，对水泥环密封性能有一定影响泥环密封性能有一定影响第10页/共59页2 2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏、井内压力变化造成水泥环完整性破坏对一口对一口4000m井，试压时，内压为井，试压时，内压为70MPa 大部分水泥环大部分水泥环Von MisesVon Mises应力应力都达到了

8、最大值都达到了最大值49.6MPa49.6MPa，发，发生塑性变形生塑性变形 一界面处塑性应变达到了一界面处塑性应变达到了 0.131%0.131%，影响界面胶结质量，影响界面胶结质量第11页/共59页2 2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏、井内压力变化造成水泥环完整性破坏对一口对一口4000m井，生产时，内压为井，生产时，内压为100MPa 整个水泥环发生塑性变形，整个水泥环发生塑性变形，最大塑性应变最大塑性应变0.254%0.254%，破坏，破坏水泥环力学完整性和水力密水泥环力学完整性和水力密封性封性第12页/共59页3 3、射孔造成水泥环完整性破坏、射孔造成水泥环完整性破坏射孔所产生的

9、冲击作用导致水泥环震裂破坏，形成扩散微裂纹射孔所产生的冲击作用导致水泥环震裂破坏，形成扩散微裂纹非增韧水泥射孔段裂缝非增韧水泥射孔段裂缝1 1 非增韧水泥射孔段裂缝非增韧水泥射孔段裂缝2 2第13页/共59页4 4、高温下水泥石强度衰退、高温下水泥石强度衰退u常规加砂水泥浆体系在一个轮次蒸汽吞吐后，强度下降常规加砂水泥浆体系在一个轮次蒸汽吞吐后，强度下降80%以上，渗透以上，渗透率也急剧上升，率也急剧上升，1个轮次后强度和渗透率基本趋于恒定个轮次后强度和渗透率基本趋于恒定u从养护后水泥石微观形貌可以看出，高温作用后水泥石基质的完整性、从养护后水泥石微观形貌可以看出，高温作用后水泥石基质的完整性

10、、均质性遭到破坏均质性遭到破坏常规加砂水泥浆体系模拟多轮次蒸常规加砂水泥浆体系模拟多轮次蒸汽吞吐后性能图汽吞吐后性能图加砂水泥石经模拟高温蒸汽吞吐后加砂水泥石经模拟高温蒸汽吞吐后SEMSEM形貌图形貌图第14页/共59页5 5、酸性流体腐蚀水泥环、酸性流体腐蚀水泥环水泥石水泥石COCO2 2、 H H2 2S S混合气腐蚀后混合气腐蚀后/ /前前COCO2 2和和H H2 2S S在湿环境下与碱性水泥环发生酸碱反应在湿环境下与碱性水泥环发生酸碱反应腐蚀后的水泥石强度严重下降，渗透率急剧升高腐蚀后的水泥石强度严重下降，渗透率急剧升高水泥环腐蚀破坏后，井内管柱失去保护屏障水泥环腐蚀破坏后，井内管柱

11、失去保护屏障腐蚀形成窜流通道，造成气体泄漏腐蚀形成窜流通道，造成气体泄漏水泥石腐蚀水泥石腐蚀第15页/共59页5 5、酸性流体腐蚀水泥环、酸性流体腐蚀水泥环试验编号试验编号P P腐蚀前腐蚀前/MPa/MPaP P腐蚀后腐蚀后/MPa/MPa强度衰减率强度衰减率/%/%1MPaCO1MPaCO2 2 15.215.214.214.27 73MPaCO3MPaCO2 2 16.316.311.611.629293MPaH3MPaH2 2S S 15.515.510.210.234346MPaH6MPaH2 2S S 16.116.18.78.745453MpaH3MpaH2 2S/1MPaCOS/

12、1MPaCO2 2 17.117.18.38.351513MpaH3MpaH2 2S/3MPaCOS/3MPaCO2 215.815.86.826.825757腐蚀后水泥石的抗压强度衰减率随着腐蚀气体分压增加而增加腐蚀后水泥石的抗压强度衰减率随着腐蚀气体分压增加而增加 混合气体的腐蚀强度损失大于单一气体，在单一气体中，硫化氢气体混合气体的腐蚀强度损失大于单一气体，在单一气体中，硫化氢气体腐蚀强度损失大于二氧化碳气体强度损失腐蚀强度损失大于二氧化碳气体强度损失混合气体具有腐蚀协同作用，强度衰退率均达到混合气体具有腐蚀协同作用，强度衰退率均达到50%50%以上以上水泥石腐蚀后抗压强度变化水泥石腐蚀

13、后抗压强度变化第16页/共59页5 5、酸性流体腐蚀水泥环、酸性流体腐蚀水泥环腐蚀后孔隙度和渗透率明显减低，原因在于水泥石表面的腐蚀产物形成了腐蚀后孔隙度和渗透率明显减低，原因在于水泥石表面的腐蚀产物形成了致密层，使得在测试渗透率的时候试样两端的压差没有真实的表现出来，致密层，使得在测试渗透率的时候试样两端的压差没有真实的表现出来，造成了腐蚀后的渗透率和孔隙度减小。造成了腐蚀后的渗透率和孔隙度减小。试验编号试验编号腐蚀前腐蚀前腐蚀后腐蚀后孔隙度（孔隙度（% %）渗透率（渗透率（mDmD）孔隙度（孔隙度（% %）渗透率（渗透率（mDmD）1MPaCO1MPaCO2 2 14.414.40.069

14、0.0694.34.30.00460.00463MPaCO3MPaCO2 2 15.615.60.1100.1102.72.70.00980.00983MPaH3MPaH2 2S S 14.514.50.0860.0869.79.70.00580.00586MPaH6MPaH2 2S S 15.015.00.1830.1834.54.50.00450.00453MpaH3MpaH2 2S/1MPaCOS/1MPaCO2 2 13.513.50.0750.0753.43.40.00340.00343MpaH3MpaH2 2S/3MPaCOS/3MPaCO2 216.116.10.0970.097

15、6.56.50.00690.0069水泥石腐蚀后渗透率和孔隙度变化水泥石腐蚀后渗透率和孔隙度变化第17页/共59页5 5、酸性流体腐蚀水泥环、酸性流体腐蚀水泥环从宏观照片角度得出从宏观照片角度得出COCO2 2环境下水泥石腐蚀程度较低环境下水泥石腐蚀程度较低 只要含有只要含有H H2 2S S腐蚀气体，水泥石均遭到腐蚀击穿腐蚀气体，水泥石均遭到腐蚀击穿试验编号试验编号腐蚀前腐蚀前/mm/mm腐蚀后腐蚀后/mm/mm备注备注1MPaCO1MPaCO2 2 0 01.51.5水泥石水泥石25mm 25mm 3MPaCO3MPaCO2 2 0 03.53.53MPaH3MPaH2 2S S 0 01

16、2.512.5（击穿）（击穿） 6MPaH6MPaH2 2S S 0 012.512.5（击穿）（击穿）3MpaH3MpaH2 2S/1MPaCOS/1MPaCO2 2 0 012.512.5（击穿）（击穿）3MpaH3MpaH2 2S/3MPaCOS/3MPaCO2 20 012.512.5（击穿）（击穿）水泥石腐蚀深度水泥石腐蚀深度第18页/共59页5 5、酸性流体腐蚀水泥环、酸性流体腐蚀水泥环1MPaCO1MPaCO2 23MPaCO3MPaCO2 2第19页/共59页5 5、酸性流体腐蚀水泥环、酸性流体腐蚀水泥环3MPaH3MPaH2 2S S6MPaH6MPaH2 2S S第20页/

17、共59页5 5、酸性流体腐蚀水泥环、酸性流体腐蚀水泥环1MPaCO23MpaH2S3MPaCO23MpaH2S第21页/共59页5 5、酸性流体腐蚀水泥环、酸性流体腐蚀水泥环水泥石内部形貌水泥石内部形貌水泥石经水泥石经COCO2 2、 H H2 2S S混合混合气腐蚀后气腐蚀后水泥石内部形貌水泥石内部形貌水泥石腐蚀前水泥石腐蚀前因腐蚀介质消耗了水泥石因腐蚀介质消耗了水泥石中的胶结相，生成了无胶中的胶结相，生成了无胶结相、体积增大的腐蚀产结相、体积增大的腐蚀产物，使水泥石内部出现裂物，使水泥石内部出现裂纹，并因淋滤、溶蚀等作纹，并因淋滤、溶蚀等作用使水泥石中局部出现了用使水泥石中局部出现了较大的

18、孔隙，导致水泥石较大的孔隙，导致水泥石抗压强度下降，渗透率升抗压强度下降，渗透率升高，破坏了水泥环完整性高，破坏了水泥环完整性水泥石腐蚀前后微观形貌水泥石腐蚀前后微观形貌第22页/共59页5 5、酸性流体腐蚀水泥环、酸性流体腐蚀水泥环腐蚀后水泥石物相组成变化腐蚀后水泥石物相组成变化u腐蚀前物相组成：氢氧化钙、（铁）铝酸盐、水化硅酸钙、二氧化硅腐蚀前物相组成：氢氧化钙、（铁）铝酸盐、水化硅酸钙、二氧化硅等等u腐蚀后物相组成：钙矾石、碳酸钙、硅钙石、碳硫硅酸钙、氯铝酸钙、腐蚀后物相组成：钙矾石、碳酸钙、硅钙石、碳硫硅酸钙、氯铝酸钙、水镁石等水镁石等02505007501000I(Counts)85

19、-0798 Quartz - SiO283-0577 Calcite - Ca(CO3)33-0311 Gypsum - CaSO4!2H2O41-1451 Ettringite - Ca6Al2(SO4)3(OH)12!26H2O44-1481 Portlandite - Ca(OH)2102030405060702-Theta(1) C-2-1-H2S(中心).mdi DX-1000 CSC 40kV/25mA Slit:1deg&1deg&0.2mm Monochromator: ON 1-2Theta, SCAN: 3.0/79.92/0.06/1(sec), Cu(8224kV,11

20、827mA), I(max)=999, 12-07-09 14:水泥石腐蚀前物相分析水泥石腐蚀前物相分析水泥石水泥石COCO2 2腐蚀后物腐蚀后物相分析相分析水泥石混合气体腐蚀后水泥石混合气体腐蚀后物相分析物相分析第23页/共59页6 6、固井一二界面封固失效、固井一二界面封固失效套管套管/水泥环水泥环界面一界面界面一界面水泥环水泥环/地层地层界面二界面界面二界面u钻井液滤饼无法固化，影响界面胶结钻井液滤饼无法固化，影响界面胶结u顶替效率低，残留顶替效率低，残留“死泥浆死泥浆”u钻井液与水泥浆接触污染，形成难以钻井液与水泥浆接触污染，形成难以置换、无法固化的絮凝物质置换、无法固化的絮凝物质u水

21、泥石体积收缩形成微环隙水泥石体积收缩形成微环隙u固井一二界面封固失效导致气窜固井一二界面封固失效导致气窜第24页/共59页6 6、固井一二界面封固失效、固井一二界面封固失效水泥浆钻井液常规水泥浆与钻井液泥饼之间无有常规水泥浆与钻井液泥饼之间无有效胶结，界面清晰效胶结，界面清晰渗透性井壁处聚合物虚泥饼状态渗透性井壁处聚合物虚泥饼状态钻井液滤饼无法固化，影响界面胶结钻井液滤饼无法固化，影响界面胶结第25页/共59页6 6、固井一二界面封固失效、固井一二界面封固失效顶替效率低，残留顶替效率低，残留“死泥浆死泥浆”1#钻井液顶替效率和界面清洗模拟2#钻井液顶替效率和界面清洗模拟3#钻井液顶替效率和界面

22、清洗模拟4#钻井液顶替效率和界面清洗模拟采用清水作为前置液分别顶替采用清水作为前置液分别顶替4 4种钻井液，顶替效率均只有种钻井液，顶替效率均只有80%80%左右，左右，顶部形成顶部形成钻井液滞留区钻井液滞留区，底部钻井液，底部钻井液“下沉下沉”形成形成混浆区，界面胶结质量差混浆区，界面胶结质量差第26页/共59页6 6、固井一二界面封固失效、固井一二界面封固失效钻井液与水泥浆接触污染钻井液与水泥浆接触污染 加入加入JY-1稠化曲线和拆浆杯照片稠化曲线和拆浆杯照片 加入加入RLC-101后稠化曲线和拆浆杯照片后稠化曲线和拆浆杯照片 加入加入DR-2后稠化曲线和拆浆杯照片后稠化曲线和拆浆杯照片水

23、泥浆和钻井液化学不兼容的主要原水泥浆和钻井液化学不兼容的主要原因是钻井液中某些处理剂引起水泥浆因是钻井液中某些处理剂引起水泥浆处理剂反向，处理剂反向，凝胶效应导致浆体稠度凝胶效应导致浆体稠度迅速增大，稠化时间大幅度缩短迅速增大，稠化时间大幅度缩短，并，并非水泥浆真正凝结硬化非水泥浆真正凝结硬化第27页/共59页6 6、固井一二界面封固失效、固井一二界面封固失效水泥石体积收缩形成微环隙水泥石体积收缩形成微环隙p水泥浆初凝前体积收缩主要表现为外观体积收缩，可能形成微环隙水泥浆初凝前体积收缩主要表现为外观体积收缩，可能形成微环隙p初凝后水泥石具备一定强度，外观体积收缩受限，表现为微观体积收缩初凝后水

24、泥石具备一定强度，外观体积收缩受限，表现为微观体积收缩p初凝前体积收缩大小决定了形成微环隙的可能性初凝前体积收缩大小决定了形成微环隙的可能性水泥石高温高压体积收缩水泥石高温高压体积收缩温度上升，达到初凝温度上升，达到初凝第28页/共59页6 6、固井一二界面封固失效、固井一二界面封固失效水泥石体积收缩形成微环隙水泥石体积收缩形成微环隙zrErur套管与井壁协调变形弥补水泥石体积收缩套管与井壁协调变形弥补水泥石体积收缩微环隙大小微环隙大小 D=D=（1200-SGSW1200-SGSW）/1200/1200HVR-HVR-urur(rw-rco)(rw-rco)第29页/共59页汇报提纲汇报提纲

25、第30页/共59页1 1、水泥石防腐设计、水泥石防腐设计u油井水泥组成：水泥材料的矿物与化学组分不同，必然使其水化产油井水泥组成：水泥材料的矿物与化学组分不同，必然使其水化产物的结构、性能以及水泥石的结晶组织结构发生变化，这些将直接影物的结构、性能以及水泥石的结晶组织结构发生变化，这些将直接影响高浓度响高浓度H H2 2S/COS/CO2 2对其的腐蚀速度，对其的腐蚀速度，硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、磷酸盐硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、磷酸盐水泥在耐酸性气体腐蚀能力方面存在较大差异水泥在耐酸性气体腐蚀能力方面存在较大差异u水泥石渗透率：通过制备高致密性的水泥石，减少水泥浆水化过程水泥石渗透率：通过制备高

26、致密性的水泥石，减少水泥浆水化过程中的水化孔隙，进而降低水泥石的渗透率，能在一定程度上抑制高浓中的水化孔隙，进而降低水泥石的渗透率，能在一定程度上抑制高浓度度H H2 2S/COS/CO2 2的腐蚀速率。的腐蚀速率。如使用如使用SBRSBR胶乳水泥浆体系胶乳水泥浆体系，该水泥浆体系由于，该水泥浆体系由于胶乳在水泥石中成膜封堵水泥石中的孔隙，进而减低水泥石的渗透率胶乳在水泥石中成膜封堵水泥石中的孔隙，进而减低水泥石的渗透率，同时也阻隔了腐蚀介质与水泥石中易腐蚀物质的接触。，同时也阻隔了腐蚀介质与水泥石中易腐蚀物质的接触。第31页/共59页1 1、水泥石防腐设计、水泥石防腐设计u游离游离Ca(OH

27、)Ca(OH)2 2含量：含量：腐蚀程度和腐蚀程度和 Ca(OH)Ca(OH)2 2的含量直接相关的含量直接相关u可通过在水泥浆浆中加入活性物质如可通过在水泥浆浆中加入活性物质如SiOSiO2 2，AlAl2 2O O3 3，发生火山灰反应生成，发生火山灰反应生成C-S-HC-S-H，结果使固井水泥石渗透率降低的同时，还能削弱和消除了溶蚀离子的交换源，增大结果使固井水泥石渗透率降低的同时，还能削弱和消除了溶蚀离子的交换源，增大了固井水泥石中胶结性组分的含量，故也能够能大大改善固井水泥石的抗腐蚀能力了固井水泥石中胶结性组分的含量，故也能够能大大改善固井水泥石的抗腐蚀能力。常用的活性物质为火山灰、

28、高炉矿渣、粉煤灰、硅粉、膨润土。常用的活性物质为火山灰、高炉矿渣、粉煤灰、硅粉、膨润土。火山灰反应的水火山灰反应的水泥石石AA结晶很差的结晶很差的C-S-HC-S-H颗粒聚集颗粒聚集体体HCHHCH六方结晶体六方结晶体CC开始是由水分占据的空间没开始是由水分占据的空间没有完全被水泥水化产物填充有完全被水泥水化产物填充C-S-HC-S-H火山灰反应生成的火山灰反应生成的C-S-C-S-H H第32页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计水泥浆防窜性能设计思路水泥浆防窜性能设计思路p低渗透率低渗透率降低水泥浆气侵危险降低水泥浆气侵危险时间内渗透率，延缓气侵速率时间内渗透率，延缓气

29、侵速率p短静胶凝强度发展过渡时间短静胶凝强度发展过渡时间减小气窜发生概率，缩短气体在水泥减小气窜发生概率，缩短气体在水泥浆基体运移时间浆基体运移时间p低体积收缩率低体积收缩率防止微环隙形成防止微环隙形成p高韧性高韧性降低弹性模量，提高塑降低弹性模量，提高塑性极限应变率，增强水泥石抗冲击能性极限应变率，增强水泥石抗冲击能力，防止微裂纹形成力，防止微裂纹形成第33页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计渗透率渗透率 渗透率指水泥浆处于气侵危险时间时（渗透率指水泥浆处于气侵危险时间时（液塑状态液塑状态）允许气体通过的能力）允许气体通过的能力，反映了水泥浆的，反映了水泥浆的抗窜能力抗

30、窜能力，揭示气窜是，揭示气窜是破坏性渗流破坏性渗流的物理过程。的物理过程。 气侵危险时间内渗透率越低，气体置换孔隙水越困难，气窜速率就越气侵危险时间内渗透率越低，气体置换孔隙水越困难，气窜速率就越 低低，气窜破坏性就越小，气窜破坏性就越小 OWC0480OWC0480型气窜仪型气窜仪水泥浆气窜测试试验曲线水泥浆气窜测试试验曲线最高工作温度最高工作温度175175C C最高工作压力最高工作压力7MPa7MPa测量失重、气窜流量测量失重、气窜流量第34页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计1#1#水泥浆体系渗透率水泥浆体系渗透率173mD173mD2 2# #水泥浆体系（提高稳

31、定性，采用胶联聚水泥浆体系（提高稳定性，采用胶联聚合物，严格控制滤失速率）渗透率合物，严格控制滤失速率）渗透率34mD34mD3 3# #水泥浆体系渗透率水泥浆体系渗透率498mD498mD4 4# #水泥浆体系（提高稳定性，采用胶联聚水泥浆体系（提高稳定性，采用胶联聚合物，严格控制滤失速率）渗透率合物，严格控制滤失速率）渗透率123mD123mD气侵危险时间内渗透率气侵危险时间内渗透率第35页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计静胶凝强度发展过渡时间分析静胶凝强度发展过渡时间分析 静胶凝强度过渡时间是指静胶凝强度过渡时间是指SGSSGS从从48Pa48Pa发展到发展到24

32、0Pa240Pa的时间，过渡时间越的时间，过渡时间越短，气窜可能性越小，气体在水泥浆基体内运移时间越短，危害性越短，气窜可能性越小，气体在水泥浆基体内运移时间越短，危害性越小小 SabinsSabins认为防止气窜应将认为防止气窜应将SGSSGS过渡时间控制在过渡时间控制在40min40min内，国外学者认为内，国外学者认为防止浅层气窜临界防止浅层气窜临界SGSSGS过渡时间应不超过过渡时间应不超过45min45min5265U5265U型静胶凝强度分析仪型静胶凝强度分析仪最高工作温度最高工作温度204204C C最高工作压力最高工作压力137MPa137MPa静胶凝强度发展静胶凝强度发展静胶

33、凝强度测试曲线静胶凝强度测试曲线第36页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计静胶凝强度发展过渡时间分析静胶凝强度发展过渡时间分析 长期以来，固井界的专业人士普遍认为水泥浆高温高压稠化过渡时间，即长期以来，固井界的专业人士普遍认为水泥浆高温高压稠化过渡时间，即水泥浆稠度从水泥浆稠度从30Bc30Bc过渡到过渡到100Bc100Bc的时间越短越有利于防气窜。的时间越短越有利于防气窜。 高温高压稠化实验高温高压稠化实验 静胶凝强度实验静胶凝强度实验 动态条件动态条件 静态条件静态条件 稠化试验：稠化试验：水泥浆水泥浆受到较高的剪切应力作用受到较高的剪切应力作用，粒子间形成的固体键

34、很容易被破坏，粒子间形成的固体键很容易被破坏，无法继续连接。水泥浆稠度的上升是固体键的生成速度大于剪切破坏的结果，无法继续连接。水泥浆稠度的上升是固体键的生成速度大于剪切破坏的结果，是水泥浆水化速度加剧的表现。是水泥浆水化速度加剧的表现。静胶凝强度试验：静胶凝强度试验：水泥浆处于水泥浆处于宏观静止条件下宏观静止条件下，在不受剪切应力作用下，水化物，在不受剪切应力作用下，水化物质微粒不断搭接聚集，逐步形成凝胶结构。质微粒不断搭接聚集，逐步形成凝胶结构。第37页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计静胶凝强度发展过渡时间分析静胶凝强度发展过渡时间分析三种过渡时间（稠化过渡时间、三

35、种过渡时间（稠化过渡时间、SGSSGS过渡时间、初终凝过渡时间）过渡时间、初终凝过渡时间）没有直接关系没有直接关系第38页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计初凝前体积收缩率初凝前体积收缩率p水泥浆初凝前体积收缩主要表现为外观体积收缩，可能形成微环隙水泥浆初凝前体积收缩主要表现为外观体积收缩，可能形成微环隙p初凝后水泥石具备一定强度，外观体积收缩受限，表现为微观体积收缩初凝后水泥石具备一定强度，外观体积收缩受限，表现为微观体积收缩p初凝前体积收缩大小决定了形成微环隙的可能性初凝前体积收缩大小决定了形成微环隙的可能性u最高工作温度最高工作温度150150C Cu最高工作压力最

36、高工作压力90MPa90MPau检测水泥石温度、孔隙压力、检测水泥石温度、孔隙压力、u总体积变化总体积变化第39页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计初凝前体积收缩率初凝前体积收缩率 1#1#水泥石初凝前体积收缩水泥石初凝前体积收缩0.69%0.69%，水泥，水泥石微观形貌疏松多孔石微观形貌疏松多孔2#2#水泥浆加入微硅、晶格膨胀剂，初凝前水泥浆加入微硅、晶格膨胀剂，初凝前体积收缩体积收缩0.53%0.53%，晶格膨胀结构致密，晶格膨胀结构致密3#3#高密度水泥石初凝前体积收缩高密度水泥石初凝前体积收缩0.24%0.24%，水泥石微观形貌疏松多孔，水泥石微观形貌疏松多孔4#

37、4#水泥浆加入微硅、晶格膨胀剂，初凝前水泥浆加入微硅、晶格膨胀剂，初凝前体积收缩体积收缩0.21%0.21%，晶格膨胀结构致密，晶格膨胀结构致密第40页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计水泥石韧性对其力学形变能力的影响水泥石韧性对其力学形变能力的影响 胶乳、纤维及弹性颗粒材料橡胶粉的改性，均会降低水泥石抗压强度胶乳、纤维及弹性颗粒材料橡胶粉的改性，均会降低水泥石抗压强度，但有助于提高其低应力水平下的形变能力，其中，三元复合改性水泥，但有助于提高其低应力水平下的形变能力，其中，三元复合改性水泥石的强度最低，但力学形变能力最好。石的强度最低，但力学形变能力最好。原浆水泥石原浆

38、水泥石(15-1)(15-1)、20%20%胶乳水泥石（胶乳水泥石（16-116-1）、）、20%20%胶乳及胶乳及0.5%0.5%纤维二元复合纤维二元复合水泥石（水泥石（17-117-1）、）、20%20%胶乳及胶乳及0.5%0.5%纤维纤维和和2%2%弹性颗粒橡胶粉三元复合水泥石弹性颗粒橡胶粉三元复合水泥石（18-118-1）、围压）、围压20MPa.20MPa.水泥石三轴应力水泥石三轴应力- -应变曲线应变曲线第41页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计水泥石韧性对其力学形变能力的影响水泥石韧性对其力学形变能力的影响 编编 号号轴向应力轴向应力MPaMPa差应力差应力

39、MPaMPa最大应变量最大应变量% %弹性模量弹性模量GPaGPa降低百分数降低百分数% %1515（原浆水泥石）（原浆水泥石）88.8188.8168.8168.813.023.029.699.690 01616（20%20%胶乳水泥石）胶乳水泥石）74.1774.1754.1754.173.333.336.306.3035351717（20%20%胶乳胶乳+0.5%+0.5%纤维水泥石）纤维水泥石）77.6677.6657.6657.664.034.037.757.7520201818（20%20%胶乳胶乳+0.5%+0.5%纤维纤维+2%+2%橡胶粉水泥石）橡胶粉水泥石）66.2566.

40、2546.2546.253.903.904.514.515353水泥石三轴抗压试验测试结果水泥石三轴抗压试验测试结果改性后水泥石的改性后水泥石的弹性模量弹性模量较原浆水泥石较原浆水泥石下降下降20%20%50%50%，较大程度上增加较大程度上增加了水泥石在弹性区内的了水泥石在弹性区内的力学形变能力力学形变能力，从表中也可以看出经聚合物胶乳，从表中也可以看出经聚合物胶乳、聚合物纤维及橡胶粉改性后的柔性水泥石力学形变能力最好。、聚合物纤维及橡胶粉改性后的柔性水泥石力学形变能力最好。第42页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计16号15号17号18号破坏形式：破坏形式： 原浆水泥

41、石原浆水泥石碎碎裂裂；胶乳、纤；胶乳、纤维及弹性颗粒维及弹性颗粒改性后的水泥改性后的水泥石石塑性破坏塑性破坏，具有较大的力具有较大的力学形变能力学形变能力水泥石韧性对其力学形变能力的影响水泥石韧性对其力学形变能力的影响第43页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计水泥石韧性对其力学形变能力的影响水泥石韧性对其力学形变能力的影响水泥石经加入胶乳、纤维及橡胶粉改性水泥石经加入胶乳、纤维及橡胶粉改性后，在各个循环中的后，在各个循环中的总应变量和塑性应变总应变量和塑性应变量均大于原浆水泥石，量均大于原浆水泥石，其中三元复合改性其中三元复合改性水泥石在各个循环中的总应变均最大。水泥石在

42、各个循环中的总应变均最大。分析认为分析认为胶乳及橡胶粉胶乳及橡胶粉的加入均的加入均不利于不利于水泥石的弹性应变量，而水泥石的弹性应变量，而纤维纤维的加入却的加入却有有利于利于增强水泥石的弹性应变量。增强水泥石的弹性应变量。 第44页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计水泥石韧性对其抗冲击载荷的影响水泥石韧性对其抗冲击载荷的影响序序号号BS-latex%XW%XJF%密度密度g/cm348hrs抗冲击韧性抗冲击韧性J/cm2增幅增幅%模拟模拟射孔射孔10001.901.540图图a220001.901.667.80图图b3200.501.901.7211.69图图c4200.

43、521.901.8016.88图图d5201.011.901.8822.08图图e、f聚合物胶乳、聚合物纤维聚合物胶乳、聚合物纤维XWXW及弹性颗粒及弹性颗粒XJFXJF的加入均有利于提高水泥石抗的加入均有利于提高水泥石抗冲击破坏的能力。冲击破坏的能力。水泥石抗冲击试验水泥石抗冲击试验第45页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计水泥石韧性对其抗冲击载荷的影响水泥石韧性对其抗冲击载荷的影响 图 a图 b图 c图 d图 e图 f水泥石抗冲击载荷试验水泥石抗冲击载荷试验第46页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计 水泥石力学完整性影响数值分析水泥石力学完整性影

44、响数值分析水泥石力学水泥石力学参数测量参数测量水泥环应力、应变分水泥环应力、应变分析析套管应力分析套管应力分析地层岩石应力分析地层岩石应力分析水泥环力学水泥环力学完整性完整性将基质塑性化设计的水泥浆体系在将基质塑性化设计的水泥浆体系在100100度度20MPa20MPa下养护下养护4 4周，在周，在20MPa20MPa围压围压下开展三轴应力试验下开展三轴应力试验抗压强度,MPa屈服强度,MPa极限应变,%塑性极限应变,%弹性模量,GPa泊松比60.5659.752.731.836.6020.26第47页/共59页2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计 水泥石力学完整性影响数值分析水泥石

45、力学完整性影响数值分析p 储层岩石为灰岩，弹性模量，泊松比，屈服强度储层岩石为灰岩，弹性模量，泊松比，屈服强度p 产层固井用产层固井用90SS90SS套管弹性模量，泊松比，屈服强度套管弹性模量，泊松比，屈服强度p 水平地应力水平地应力80MPa80MPa生产期间内压生产期间内压40MPa40MPa时，最大时，最大von_Misesvon_Mises应力应力39MPa39MPa，水泥环，水泥环处于弹性状态处于弹性状态生产期间内压生产期间内压80MPa80MPa时，最大时，最大von_Misesvon_Mises应力应力59MPa59MPa，水泥环，水泥环处于弹性状态处于弹性状态第48页/共59页

46、2 2、水泥浆防窜性能设计、水泥浆防窜性能设计 水泥石力学完整性影响数值分析水泥石力学完整性影响数值分析生产期间内压生产期间内压100MPa100MPa，最大，最大von_Misesvon_Mises应应力，水泥环处力，水泥环处于塑性状态于塑性状态生产期间内压生产期间内压100MPa100MPa，最大，最大塑性应变仅为塑性应变仅为0.09%0.09%，小于，小于极限塑性应变极限塑性应变u生产作业期间，内压在生产作业期间，内压在40-100MPa40-100MPa变化时，水泥环塑性应变均小于极变化时，水泥环塑性应变均小于极限塑性应变，不发生破坏限塑性应变，不发生破坏u中等抗压强度、高韧性（低弹性

47、模量、高极限塑性变形）水泥石有中等抗压强度、高韧性（低弹性模量、高极限塑性变形）水泥石有利于在高应力作用下保证水泥石力学完整性利于在高应力作用下保证水泥石力学完整性第49页/共59页3 3、二界面整体固化胶结技术、二界面整体固化胶结技术采用非采用非MTCMTC法泥饼固化技术，法泥饼固化技术， 通过激活泥饼中潜在活性成分，实通过激活泥饼中潜在活性成分，实现二界面整体固化现二界面整体固化，提高界面胶结质量，消除窜流通道，为油气，提高界面胶结质量，消除窜流通道，为油气开采提供一个封隔良好的井筒。开采提供一个封隔良好的井筒。油气水油气水套管套管水泥环水泥环高压层高压层固井二界面胶结不良形成气窜通道固井

48、二界面胶结不良形成气窜通道固井二界面问题的危害固井二界面问题的危害固井一界面固井一界面低压层低压层油气水油气水第50页/共59页3 3、二界面整体固化胶结技术、二界面整体固化胶结技术二界面整体固化胶结原理二界面整体固化胶结原理对钻井液改性，加入潜在活性成分，使泥饼能在激活剂作用下实现固化胶结对钻井液改性，加入潜在活性成分，使泥饼能在激活剂作用下实现固化胶结 对固化工作液体系改性，加入激活剂及潜在活性成分，使水化反应过程中产生的水溶性离子的种类和数量满足泥饼固化作用对固化工作液体系改性，加入激活剂及潜在活性成分，使水化反应过程中产生的水溶性离子的种类和数量满足泥饼固化作用在压差作用下可激发水化反

49、应的可溶性离子扩散渗透进入泥饼，激活其中活性成分，使泥饼固化在压差作用下可激发水化反应的可溶性离子扩散渗透进入泥饼，激活其中活性成分，使泥饼固化 第51页/共59页3 3、二界面整体固化胶结技术、二界面整体固化胶结技术研发二界面整体固化胶结研发二界面整体固化胶结技术，固化工作液与泥饼技术，固化工作液与泥饼之间形成有效胶结，无明之间形成有效胶结，无明显界面，胶结区域形成大显界面，胶结区域形成大量的凝胶，泥饼基本被固量的凝胶，泥饼基本被固化，胶结区域致密性好化，胶结区域致密性好。胶结区域第52页/共59页4 4、新型水泥材料解决高温强度衰退、新型水泥材料解决高温强度衰退实验条件实验条件抗压强度抗压

50、强度/MPa/MPa1D1D3D3D7D7D28D28D303022.122.122.9522.9521.8421.8420.7420.74505023.223.223.8423.8423.2223.2222.5822.58707020.4820.4821.5121.51202020.4120.41909020.1620.1619.8719.8719.1819.1818.7318.73新型固井水泥胶凝材料在不同温度和养护时间下强度发展情况新型固井水泥胶凝材料在不同温度和养护时间下强度发展情况新型水泥材料具备早强、耐高新型水泥材料具备早强、耐高温、消除温度敏感区间等优点温、消除温度敏感区间等优点

51、低温条件：低温条件：50500.1MPa0.1MPa7D7D高温条件：高温条件：31531520.7MPa20.7MPa7D7D第53页/共59页4 4、新型水泥材料解决高温强度衰退、新型水泥材料解决高温强度衰退第54页/共59页汇报提纲汇报提纲第55页/共59页1 1、结论、结论p高渗透性水泥浆基体是潜在的气窜通道高渗透性水泥浆基体是潜在的气窜通道p井内压力变化可能导致水泥环完整性破坏井内压力变化可能导致水泥环完整性破坏p射孔所产生的冲击作用导致水泥环震裂破坏，形成扩散微裂纹射孔所产生的冲击作用导致水泥环震裂破坏，形成扩散微裂纹p常规加砂水泥浆体系在一个轮次蒸汽吞吐后，强度下降常规加砂水泥浆

52、体系在一个轮次蒸汽吞吐后，强度下降80%80%以上，渗透以上，渗透率也急剧上升，丧失封固环空能力率也急剧上升，丧失封固环空能力p酸性流体腐蚀后的水泥石强度严重下降，渗透率急剧升高，腐蚀形成窜酸性流体腐蚀后的水泥石强度严重下降，渗透率急剧升高，腐蚀形成窜流通道，造成气体泄漏流通道，造成气体泄漏p泥饼无法固化、残留井内钻井液、钻井液与水泥浆接触污染形成的絮凝泥饼无法固化、残留井内钻井液、钻井液与水泥浆接触污染形成的絮凝物质，都将影响界面胶结质量，造成气体泄漏物质，都将影响界面胶结质量，造成气体泄漏第56页/共59页2 2、建议、建议p加强新材料研究和对材料科学与工程科学的跨域研究重视程度，加强新材

53、料研究和对材料科学与工程科学的跨域研究重视程度， 以材以材料技术进步促进工程技术水平提高；料技术进步促进工程技术水平提高； p合理配置水泥组分（熟料、外掺料、外加剂），合理配置水泥组分（熟料、外掺料、外加剂），尽可能提高固相比例；尽可能提高固相比例；p以固体力学性能为和服役全寿命为标的，科学设计水泥配方，以固体力学性能为和服役全寿命为标的，科学设计水泥配方，降低水泥降低水泥石渗透率，降低组分腐蚀反应，石渗透率，降低组分腐蚀反应，提高水泥石抗腐蚀能力提高水泥石抗腐蚀能力p科学规范水泥浆防窜性能指标，降低气侵危险时间内水泥浆科学规范水泥浆防窜性能指标，降低气侵危险时间内水泥浆渗透率渗透率，减，减小初凝前小初凝前体积收缩率体积收缩率，缩短，缩短静胶凝强度过渡时间静胶凝强度过渡时间，提高水泥石，提高水泥石韧性韧性（中（中等强度、低弹性模量、高极限塑性应变）等强度、低弹性模量、高极限塑性应变）p研发研发二界面整体固化胶结技术二界面整体固化胶结技术，提高界面胶结质量，提高界面胶结质量p采用采用新型水泥材料新型水泥材料，解决高温强度衰退问题，解决高温强度衰退问题第57页/共59页第58页/共59页