【正文】 ............. 21 結(jié)論 ............................................................. 21 建議 ............................................................. 22 致謝 ............................................................ 23 參考文獻(xiàn) ........................................................ 24 復(fù)合纖維改性水泥漿及性能探討 1 1 緒論 課題研究背景 目前 國(guó)內(nèi)外油田鉆井越來(lái)越深，所鉆地層越來(lái)越復(fù)雜，鉆井過(guò)程中漏失越來(lái)越多，由于固井所封固井段越來(lái)越長(zhǎng)，再加上地層漏點(diǎn)不確定、漏失機(jī)理不清楚，固井前雖經(jīng)封堵提高地層承壓能力但在固井注水泥過(guò)程中也經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重漏失現(xiàn)象，致使水泥漿低返，輕者返高達(dá)到不要求封不嚴(yán)地層，重者因環(huán)空大量漏失，漿柱壓力下降壓不住地層流體，造成井口帶壓甚至誘發(fā)井噴。此外， 在油氣井長(zhǎng)期生產(chǎn) 過(guò)程中，當(dāng)套管受到高溫高壓作用時(shí) (如酸化、壓裂以及注蒸等 )將沿徑向和軸向膨脹，軸向力將在水泥和套管的膠結(jié)面上產(chǎn)生剪切應(yīng)力，引起膠結(jié)面破壞或使水泥環(huán)產(chǎn)生徑向破裂。水泥環(huán)的破裂將造成油氣井產(chǎn)量大幅度降低，地下流體對(duì)套管和水泥環(huán)的腐蝕加劇，套管損失率上升。隨著小眼井、分支井、側(cè)鉆井和薄油層井?dāng)?shù)量的增多，對(duì)固井質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。對(duì)于小間 隙環(huán)空和薄油層固井而言，由于水泥環(huán)很薄，水泥石的完整性必須得到保證，否則油井壽命將受到嚴(yán)重影響。 針對(duì)上述問(wèn)題，固井工程必須解決水泥漿漏失和水泥石增韌的問(wèn)題。 近年來(lái)，為解決固井工 程中水泥漿的漏失和提高水泥石的力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，其中采用韌性纖維復(fù)合水泥基材既能起到防漏堵漏的作用，又能達(dá)到增韌水泥石的目的，且收到了良好的效果。研究表明，纖維的加入可以有效提高水泥石韌性和抗沖擊能力 [1]；纖維與水泥及水泥添加劑之間具有良好的配伍性 [2]；纖維的加入可以有效減小水泥石的體積收縮，提高水泥石的界面膠結(jié)強(qiáng)度 [3]。 為此，應(yīng)加強(qiáng)此方面的研究，盡快研制出一種復(fù)合纖維改性水泥漿體系，從而保證固井施工經(jīng)濟(jì)、高效、安全的進(jìn)行，給固井水泥作業(yè)及油氣田開(kāi)發(fā)帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 2 固井 、 堵漏 及油氣井水泥 固井 向井內(nèi)下入套管柱，并向井眼和套管柱之間的環(huán)形空間注入水泥的施工作業(yè)稱為固井。固井是油氣井建井過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。固井質(zhì)量的好壞不僅關(guān)系到鉆井的速度和成本，還將影響到油氣井以后是否能順利生產(chǎn)、油氣井的壽命甚至油氣藏的采收率。在正確固井設(shè)計(jì)的前提下，固井水泥漿質(zhì)量的好壞就是固井成功的關(guān)鍵所在 [4]。 固井作業(yè)被認(rèn)為是一口井在整個(gè)施工過(guò)程中最重要的組成部分，而固井質(zhì)量是影響油井產(chǎn)能的最重要因素。固井的目的是加固井壁，固定套管，保證繼續(xù)安全鉆井、封隔油氣和水層，保證勘探 期間分層試油及整個(gè)開(kāi)采工程中合理的油氣生產(chǎn)。固井質(zhì)量的高低是保證鉆井、采油等井下作業(yè)順利進(jìn)行的前提。因此，常有“油井百年大計(jì)，固井質(zhì)量第一”的說(shuō)法。 堵漏 漏失是指鉆井液體在鉆井、完井或修井中，完井液或水泥泥漿進(jìn)入高度滲透結(jié)構(gòu)（如：砂巖） ， 海綿狀結(jié)構(gòu)（例如：灰?guī)r） ， 以及天然或誘發(fā)性斷折層（例如， 白云巖）時(shí)的全部或部分損失行為。應(yīng)對(duì)堵漏是一項(xiàng)昂貴和耗時(shí)的過(guò)程并有幾個(gè)可能的后果，如：管的報(bào)廢，井噴，額外套管柱的需求，地層損害，水泥漿薄弱地區(qū)的貧油層的覆蓋問(wèn)題。 鉆井行業(yè)中有許多處理漏失的手段。這些方 法系統(tǒng)可以歸納成兩大類。傳統(tǒng)方法包括下列顆粒、纖維和片狀材料與鉆探階段的鉆井液或鉆井、固井時(shí)的水泥漿混合。專業(yè)的方法包括如專用水泥、膨脹水泥漿、增強(qiáng)增韌劑、高強(qiáng)度柱塞、交聯(lián)聚合物和硅酸鹽系統(tǒng)等體系同樣應(yīng)用于鉆井或固井階段。 固化堵漏的成功水平在很大程度上依賴與諸如生產(chǎn)中工程的耐久性和溫度限制等關(guān)鍵因素。常見(jiàn)的方法是在固井之前矯正漏失率，但是，在許多案件中，漏失只涉及到固井作業(yè)中前期。一些傳統(tǒng)的方案是在低密度水泥體系下開(kāi)口井鉆井或固井階段期間實(shí)施水泥堵漏，包括在固井期間使用堵漏材料（ LCM）。這些堵漏方案的成 功水平各不相同而且都需要建立一種新型的方案 [14]。 復(fù)合纖維改性水泥漿及性能探討 3 油氣井水泥 目前國(guó)內(nèi)外使用的油井水泥主要是硅酸鹽水泥，是以水硬性硅酸鈣為主要成分，加入適量石膏和助磨劑，磨細(xì)制成的產(chǎn)品。為了適應(yīng)不同井深的需要和防止地層流體中硫酸鹽對(duì)水泥石的腐蝕，有多種級(jí)別、類型的油井水泥可供選用。美國(guó)石油學(xué)會(huì)（ API）規(guī)定了 8 種級(jí)別的油井水泥，我國(guó)也參照 API 標(biāo)準(zhǔn)制定了油井水泥的標(biāo)準(zhǔn)。分別為 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H 級(jí)油井水泥，其中 G級(jí)和 H級(jí)為基本水泥，與促凝劑或緩凝劑一起使用，能適應(yīng)于較大的井深和溫度范圍。 G級(jí)和 H級(jí)水 泥也是目前使用最普遍的水泥，其次是 A、 B、 C 級(jí)水泥， D、 E、 F 級(jí)水泥現(xiàn)在很少使用。水泥與水混合后，迅速與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成各種水化產(chǎn)物，水泥漿逐漸由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，這一過(guò)程也就是水泥漿的凝結(jié)和硬化過(guò)程。在油井水泥中，對(duì)水泥的凝結(jié)與硬化起主導(dǎo)作用的是以下四種礦物成分：硅酸三鈣（ C3S）、硅酸二鈣（ C2S）、鋁酸三鈣（ C3A）和鐵鋁酸四鈣（ C4AF）。水泥水化反應(yīng)后生成了如下水化產(chǎn)物：氫氧化鈣、水化硅酸凝膠、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣、水化硫鋁酸鈣。在這些水化產(chǎn)物中，氫氧化鈣析出為大晶體，水化硫鋁酸鈣為較小晶體， 水化鋁酸鈣為更小晶體狀態(tài)，含水硅酸鈣和含水鐵酸鈣為無(wú)定形體呈膠體狀態(tài)。水化硅酸鈣凝膠為纖維狀薄片，從礦物顆粒上向外伸展出去，逐漸形成一連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與水化硫鋁酸鈣，氫氧化鈣等晶體互相穿插，填充于水泥顆粒的空間，增加它們之間的粘結(jié)，使水泥強(qiáng)度不斷提高。水泥的水化反應(yīng)是一個(gè)不斷進(jìn)行的過(guò)程。隨著水化的不斷進(jìn)行，水泥漿從凝膠態(tài)逐漸向結(jié)晶態(tài)發(fā)展，最后形成硬化的水泥石。在油氣井固井中，水泥的水化反應(yīng)是在井下一定的溫度和壓力條件下進(jìn)行的。溫度壓力對(duì)水泥的水化速度有很大的影響，一般隨溫度壓力的增加，水泥水化速度加快，其中 溫度的影響更顯著。因此，水泥漿的有關(guān)性能一般均是在模擬井下溫度壓力的情況下測(cè)定的 。 纖維改性水泥漿研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀 1980年 英國(guó) BRE公布了抗堿玻纖增強(qiáng)普通硅酸鹽水泥砂漿十年齡期的材料測(cè)試結(jié)果．顯示出抗堿玻纖在普通硅酸鹽水泥中耐久性仍不理想。建材院采用抗堿玻纖增強(qiáng)低堿度硫鋁酸鹽水泥．在耐久性方面取得了良好效果 [5]。 2020年 SPE學(xué)術(shù)論壇研 究得到， AFCS水泥漿體系利用特定尺寸硅基纖維，結(jié)合西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 HPLW泥漿有效控制和防止高漏失、天然或人為裂縫、溶蝕孔隙地層的漏失。這些易分散的纖維 組成纖維網(wǎng)作為橋接固體粒子的平臺(tái)，防止進(jìn)一步出現(xiàn)漏失?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果證實(shí)了 AFCS和 HPLW固井水泥漿系統(tǒng)的有效性。研究結(jié)果還表明混合這種類型的水泥漿體系不受鉆管的限制甚至可用于連續(xù)油管 [14]。 2020年 CemNet防漏水泥漿含有惰性纖維質(zhì)，纖維與水泥漿混合可使常規(guī)水泥漿體系就轉(zhuǎn)變成堵漏水泥漿體系。在漏失地層中，纖維能形成一種惰性纖維網(wǎng)狀物，有效防止固井過(guò)程中的漏失，不但能降低補(bǔ)救擠水泥作業(yè)幾率，而且纖維水泥漿對(duì)地層無(wú)傷害。因?yàn)槔w維屬于惰性材料，所以對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等性能沒(méi)有不良影響，而且 配伍性和分散性好，使用纖維水泥漿，可防止固井過(guò)程中水泥漿的漏失，保證水泥漿返到設(shè)計(jì)位置。在混漿槽中將纖維材料添加到水泥漿中，不會(huì)堵塞混漿槽和注水泥管線 [5]。纖維水泥漿主要推薦用于固井時(shí)的堵漏，如固井過(guò)程中的循環(huán)漏失及打水泥塞等。在常規(guī)固井過(guò)程中，該水泥漿體系也具有很好的堵漏作用。 Duri油田(位于印尼蘇門(mén)答臘中部盆地 )在鉆井過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生鉆井液部分漏失或全部漏失的情況，漏速?gòu)?0． 16m3／ h至全部漏失，采用其他堵漏方法成功率低，成本高，后采用CemNet防漏水泥漿固井成功。 Duri油田采用 CemNet堵漏 水泥漿已完成了 100多井次打水泥漿塞和固井作業(yè)，成功率達(dá) 9O%以上 [6]。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 1986年 中國(guó)建材院采用抗堿玻纖增強(qiáng)低堿度硫鋁酸鹽水泥．在耐久性方面取得了良好效果 [5]。 1995年 陶瓷纖維作為一種高彈模無(wú)機(jī)纖維改進(jìn)．主要用作高溫窯爐的耐高溫絕熱材料。那幾年年，同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院已作過(guò)碳一尼龍和碳一聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)水泥漿復(fù)合材料的研究，達(dá)到了預(yù)期效果 [7]。 2020年 為了提高固井水泥石的韌性及抗沖擊的能力，防止水泥環(huán)由于鉆塞、射孔、注采等作業(yè)的破壞出現(xiàn)。二次竄流。維持水 泥環(huán)密封性能，延長(zhǎng)油氣井生產(chǎn)壽命，大港鉆采院當(dāng)年開(kāi)始進(jìn)行。纖維水泥漿體系研究及應(yīng)用。項(xiàng)目研究。經(jīng)過(guò)兩年刻苦攻關(guān)，最近成功開(kāi)發(fā)了一套固井纖維水泥漿體系。由于采用了獨(dú)特的纖維表面處理，使長(zhǎng)達(dá) 36毫米的化學(xué)纖維具有了較強(qiáng)的親水性能，克服了石棉、玻纖等普通纖維不易分散、污染大的缺點(diǎn)。研究開(kāi)發(fā)的纖維水泥石的抗折強(qiáng)度提高 15％以上，抗沖擊功提高20％以上，靜態(tài)彈性模量降低 28％一 68％，增韌效果顯著。多次模擬射孔試驗(yàn)表明，該纖維水泥石能夠明顯提高水泥石的抗沖擊性能。纖維水泥漿屬于特種水泥漿體系，復(fù)合纖維改性水泥漿及性能探討 5 具有增韌、防漏兩大特點(diǎn)。 目前，該體系在大港油田內(nèi)外已成功應(yīng)用了 10口井，油層套管固井質(zhì)量良好，低壓易漏油氣藏的固井成功率達(dá)到 100％。隨著側(cè)鉆井、分支井技術(shù)的發(fā)展，以及低壓易漏油氣藏固 井需求日益增多，固井纖維水泥漿也將得到廣泛應(yīng)用 [8]。 2020年 有關(guān)研究得出： 1．碳一尼龍纖維混雜，可以綜合高彈纖維和低彈纖維改性作用，使水泥基復(fù)合材料獲得良好的綜合力學(xué)性能 (高強(qiáng)、高韌性 )2．碳一尼龍纖維混雜后，抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性呈負(fù)的混雜效應(yīng)，通過(guò)兩種纖維參數(shù)相匹配及水泥基體改性等，可以