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1、评价油井水泥长期封评价油井水泥长期封固效果方法的研究固效果方法的研究全国石油钻井固井全国石油钻井固井技 术 研 讨 会 论 文技 术 研 讨 会 论 文主要内容主要内容u引言引言u水泥环应力测量系统介绍水泥环应力测量系统介绍 u实验方法实验方法 u数据处理（应力计算）数据处理（应力计算）u评价实验评价实验u讨论讨论 大庆油田已处于注水开发阶段大庆油田已处于注水开发阶段，前几年发现不同时间测井固井，前几年发现不同时间测井固井质量有很大变化，基于存在的问题，目前，大庆油田正在对调整质量有很大变化，基于存在的问题，目前，大庆油田正在对调整井进行不同时间测井的现场试验，以确定油田的开发及钻井固井井进行
2、不同时间测井的现场试验，以确定油田的开发及钻井固井方案。为此，我们在实验室对其进行可能的模拟实验，以解释现方案。为此，我们在实验室对其进行可能的模拟实验，以解释现场的试验结果，并为现场提供尽可能好的固井方案。场的试验结果，并为现场提供尽可能好的固井方案。另外，目前国外对水泥环的胀缩有了进一步的研究手段，他们另外，目前国外对水泥环的胀缩有了进一步的研究手段，他们建立了水泥环模拟装置，利用金属环的薄厚来代替地层的软硬，建立了水泥环模拟装置，利用金属环的薄厚来代替地层的软硬，并用水泥胀缩引起金属环的变形来研究水泥环对套管和地层的作并用水泥胀缩引起金属环的变形来研究水泥环对套管和地层的作用力。为此，我
3、们借助于国外的经验，根据大庆油田调整井的实用力。为此，我们借助于国外的经验，根据大庆油田调整井的实际情况，利用水泥环应力测量系统来评价油井水泥的长期封固效际情况，利用水泥环应力测量系统来评价油井水泥的长期封固效果。果。u为了研究水泥环胀缩对固井质为了研究水泥环胀缩对固井质量的影响，建立了如图所示水量的影响，建立了如图所示水泥环应变测量系统。在此，借泥环应变测量系统。在此，借助该系统来评价油井水泥长期助该系统来评价油井水泥长期封固地层和套管的情况。封固地层和套管的情况。u该系统由模型、应变仪和计算机等构成。模型是用来模拟油井水泥在井下该系统由模型、应变仪和计算机等构成。模型是用来模拟油井水泥在井
4、下的情况，它是由内筒、外筒、底盘和水泥环组成。内筒（内径：的情况，它是由内筒、外筒、底盘和水泥环组成。内筒（内径：124.3mm124.3mm，厚度：厚度：2mm2mm）代表套管，外筒（内径：）代表套管，外筒（内径：224.4mm224.4mm，厚度：，厚度：2mm2mm）代表地层）代表地层（其剪切弹性模量为（其剪切弹性模量为1928MPa1928MPa，相当于大庆油田调整井软地层的硬度），相当于大庆油田调整井软地层的硬度），高高750mm750mm，在内筒的内表面和外筒的外表面贴上应变计。由于水泥水化会，在内筒的内表面和外筒的外表面贴上应变计。由于水泥水化会引起水泥环的膨胀或收缩，并对一、二
5、界面产生作用力，从而引起内外筒引起水泥环的膨胀或收缩，并对一、二界面产生作用力，从而引起内外筒的形变，进而引起贴在内筒内表面和外筒表面上的应变计发生变化，应变的形变，进而引起贴在内筒内表面和外筒表面上的应变计发生变化，应变计的变化由应变仪测得，并传入计算机进行显示、保存和数据处理。根据计的变化由应变仪测得，并传入计算机进行显示、保存和数据处理。根据应变的大小可以计算出水泥环作用于一、二界面的应力。在不破坏套管和应变的大小可以计算出水泥环作用于一、二界面的应力。在不破坏套管和地层及满足抗压强度要求的情况下，一、二界面应力越大，水泥环的封固地层及满足抗压强度要求的情况下，一、二界面应力越大，水泥环
6、的封固效果就越好。效果就越好。准备工作准备工作1 1 用用120#120#金刚砂打磨内外筒欲贴应变金刚砂打磨内外筒欲贴应变计处（内筒内表面和外筒外表面中计处（内筒内表面和外筒外表面中间处，按间处，按120120度均布应变计），打度均布应变计），打磨光后用细砂纸按应变计的磨光后用细砂纸按应变计的4545度方度方向再细磨，之后用丙酮清除表面杂向再细磨，之后用丙酮清除表面杂物。物。2 2 选择应变计，并在要求部位（内筒选择应变计，并在要求部位（内筒内表面和外筒外表面打磨部位）贴内表面和外筒外表面打磨部位）贴上应变计，并使其与应变仪相连。上应变计，并使其与应变仪相连。3 3 给内外筒的一端涂上黄油，并
7、把内给内外筒的一端涂上黄油，并把内外筒放在底盘上，要求内外筒同心。外筒放在底盘上，要求内外筒同心。等待实验用。等待实验用。实验检测实验检测1 1 打开应变仪及计算机，预热打开应变仪及计算机，预热半小时以上。半小时以上。2 2 把按标准混好的水泥浆倒入把按标准混好的水泥浆倒入准备好的内外筒之间，开始采准备好的内外筒之间，开始采样并存盘，即进入实验状态。样并存盘，即进入实验状态。3 3 当所采数据不再发生大的变当所采数据不再发生大的变化时，或人为要求任何时候实化时，或人为要求任何时候实验结束。存盘等待数据处理。验结束。存盘等待数据处理。对实验所采数据进行处理，首先给出对实验所采数据进行处理，首先给
8、出时间与应变的关系曲线。再根据弹性空心时间与应变的关系曲线。再根据弹性空心筒解法，应用应力圆知识，求出水泥环在筒解法，应用应力圆知识，求出水泥环在一、二界面的应力状态。一、二界面的应力状态。r1 r1和和r2r2分别是空心筒的内径和外径，分别是空心筒的内径和外径，P1P1和和P2P2分别为分别为r1r1、r2r2上的径向应力值。这上的径向应力值。这种解法对内外筒都适用。内筒在内表面上种解法对内外筒都适用。内筒在内表面上径向应力为零，外筒在外表面上径向应力径向应力为零，外筒在外表面上径向应力为零。两筒和水泥之间的径向应力和径向为零。两筒和水泥之间的径向应力和径向位移为连续的（除非有微环隙产生）。
9、位移为连续的（除非有微环隙产生）。应用二维平面应变解法来估算每个环内应力和应变的状态。在应用二维平面应变解法来估算每个环内应力和应变的状态。在空心筒中，径向应力作为半径的函数是：空心筒中，径向应力作为半径的函数是：切向应力是：切向应力是：径向位移是：径向位移是：2212221221221222112221)()()()(rrrrrpprrrprp2212221221221222112221)()()()(rrrrrpprrrprprrrrrppGrrrrprpGu1)()(21)()(2)21(21222122122122211222 根据上面等式，我们可以从外筒外径和内筒内径上获得的应变测量
10、值来根据上面等式，我们可以从外筒外径和内筒内径上获得的应变测量值来估算水泥与钢界面（即一、二界面）上的径向应力。从外筒外表面的应变可估算水泥与钢界面（即一、二界面）上的径向应力。从外筒外表面的应变可得出水泥环二界面的应力为：得出水泥环二界面的应力为：从内筒内表面的应变可得出水泥环一界面的应力为：从内筒内表面的应变可得出水泥环一界面的应力为：根据水泥环作用于一、二界面的应力变化，可用来解释其长期封固油水根据水泥环作用于一、二界面的应力变化，可用来解释其长期封固油水井的效果。在模拟条件下，如果水泥环作用于一、二界面的应力大，且随着井的效果。在模拟条件下，如果水泥环作用于一、二界面的应力大，且随着时
11、间的推移应力是增大的，则说明该水泥体系在该条件下长期封固效果较好；时间的推移应力是增大的，则说明该水泥体系在该条件下长期封固效果较好；反之，如果水泥环作用于一、二界面的应力小或随着时间的推移应力有减小反之，如果水泥环作用于一、二界面的应力小或随着时间的推移应力有减小的趋势，则说明该水泥体系在该条件下长期封固油水井的效果要差。的趋势，则说明该水泥体系在该条件下长期封固油水井的效果要差。222122)()()1(1)2rrrGrrrrr222122)()()1(1)2rrrGrrrrr222122)()()1(1)2rrrGrrrrr212122)()()()1(21rrrGrrrrrr 我们对大
12、庆油田调整井常用的我们对大庆油田调整井常用的哈尔滨哈尔滨A A级水泥和膨胀水泥进行了级水泥和膨胀水泥进行了水泥环应力测量实验，以评价这两水泥环应力测量实验，以评价这两种水泥体系长期封固地层和套管的种水泥体系长期封固地层和套管的情况。所用水泥水灰比为情况。所用水泥水灰比为0.440.44，膨，膨胀剂加量为胀剂加量为4%4%；实验温度为；实验温度为2222。实验结果见图实验结果见图3 3。根据图。根据图3 3和一、二和一、二界面应力公式，可计算出水泥环在界面应力公式，可计算出水泥环在不同时期对一、二界面的应力（内不同时期对一、二界面的应力（内外筒的剪切弹性模量外筒的剪切弹性模量G=77000MPa
13、G=77000MPa，波松比波松比=0.3=0.3），具体数据见下表。），具体数据见下表。表2 水泥环对一、二界面的应力 注：负号说明受压。从上表可以看出：从上表可以看出：哈尔滨哈尔滨A A级水泥原浆和膨胀水泥对一、级水泥原浆和膨胀水泥对一、二界面的应力基本上是随着水化时间的推移而增大，这说明，二界面的应力基本上是随着水化时间的推移而增大，这说明，在模拟条件下，哈尔滨在模拟条件下，哈尔滨A A级水泥原浆和膨胀水泥的长期封固效级水泥原浆和膨胀水泥的长期封固效果较好。果较好。膨胀水泥要比哈尔滨膨胀水泥要比哈尔滨A A级水泥原浆对一、二界面产级水泥原浆对一、二界面产生的应力要大，这说明，在模拟条件下
14、，膨胀水泥要比哈尔滨生的应力要大，这说明，在模拟条件下，膨胀水泥要比哈尔滨A A级水泥原浆的封固效果好。级水泥原浆的封固效果好。水泥一界面应力（MPa）二界面应力（MPa）1d2d7d1d2d7d哈尔滨A级原浆-0.42-0.50-0.60-0.27-0.33-0.37膨胀水泥-0.54-0.65-0.75-0.45-0.57-0.63 目前现场延时测井部分实验资料表明，在稳定区块，目前现场延时测井部分实验资料表明，在稳定区块，A A级级水泥原浆封固效果较稳定。室内实验相当于稳定区块的模拟，水泥原浆封固效果较稳定。室内实验相当于稳定区块的模拟，结果也表明结果也表明A A 级水泥原浆长期封固效果
15、较好。从现场和室内实级水泥原浆长期封固效果较好。从现场和室内实验结果来看，其结论具有一致性，故认为在室内用水泥环对一、验结果来看，其结论具有一致性，故认为在室内用水泥环对一、二界面产生的应力来评价水泥环长期封固的有效性是可行的。二界面产生的应力来评价水泥环长期封固的有效性是可行的。建议在今后的研究中充分利用水泥环应力测量系统，并在实践建议在今后的研究中充分利用水泥环应力测量系统，并在实践中不断发展该系统。中不断发展该系统。同时室内实验还表明，膨胀水泥对一、二界面产生的应力同时室内实验还表明，膨胀水泥对一、二界面产生的应力较大，认为在现场应用更能有效地长期封固地层和套管，建议较大，认为在现场应用更能有效地长期封固地层和套管，建议使用膨胀水泥使用膨胀水泥。请各位专家请各位专家多提宝贵意见！多提宝贵意见！
16评价油井水泥长期封固效果方法的研究
