【文章內(nèi)容簡介】 。這種振動(dòng)固井裝置是利用聲波在介質(zhì)中傳播過程對(duì)介質(zhì)造成一定的結(jié)構(gòu)改變和性能調(diào)整的原理,把聲頻作用于套管上部,聲頻順著套管傳致套管底部,對(duì)固井質(zhì)量造成影響。1986年法國Bodine等人發(fā)明了聲頻振蕩固井裝置,用于提高固井質(zhì)量。原理是:水泥流動(dòng)時(shí),一聲音振蕩器產(chǎn)生的聲能作用于套管柱上,聲音順著管柱傳播,作用于套管底部,使水泥均勻地充滿套管外環(huán)空,同時(shí)對(duì)氣泡、鐵銹和套管表面上的其他臟物起著良好的釋放作用,從而使水泥和套管良好地膠結(jié)。(6)地面環(huán)空水力或空氣脈沖振動(dòng)固井裝置。這種振動(dòng)固井裝置,在地面把壓縮空氣或壓縮液體通過振蕩發(fā)生器后,直接作用于環(huán)空,使環(huán)空內(nèi)液柱也發(fā)生振蕩,產(chǎn)生彈簧效應(yīng),作用于底部的水泥漿,提高固井質(zhì)量。1996年美國天然氣研究院和德士古公司的勘探與開發(fā)工藝部聯(lián)合提出了一種可供選用的方法,即:利用壓力脈沖沿環(huán)空向下直接使水泥振動(dòng)。套管周圍的水泥硬化時(shí)首先變成凝膠,水泥漿柱的靜液降低,使氣體容易進(jìn)入。同時(shí)體積的縮小限制水泥石與地層的靜密封,結(jié)果造成氣體運(yùn)移和水泥與地層之間膠結(jié)不良。在硬化過程中,通過水泥漿產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)可以減輕這些后果。這種簡單而便宜的設(shè)備引導(dǎo)水脈沖或壓縮空氣脈沖從地面直接進(jìn)入環(huán)空,環(huán)空作為導(dǎo)波管傳播壓力脈沖波深入到水泥漿里。這種裝置攪拌水泥的顆粒,防止水泥顆粒在從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛不嗍亩虝r(shí)間內(nèi)的相互作用。這種方法已在二疊盆地淺井進(jìn)行過試驗(yàn),并取得較好的水泥膠結(jié)質(zhì)量的測(cè)井結(jié)果。此方法很有應(yīng)用價(jià)值,地面設(shè)備可重復(fù)利用,降低了成本。 主要研究內(nèi)容(1) 固井質(zhì)量影響因素分析(2) 二界面質(zhì)量現(xiàn)狀和原因(3) 提高二界面膠結(jié)質(zhì)量的方法(4) 評(píng)價(jià)二界面質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)方法2 二界面質(zhì)量現(xiàn)狀和原因 固井質(zhì)量影響因素固井作業(yè)是一次性工程，如果出現(xiàn)失誤一般難以補(bǔ)救，即使補(bǔ)救也無法達(dá)到封固合格，易造成一定經(jīng)濟(jì)損失。所以，哪些因素會(huì)對(duì)固井質(zhì)量產(chǎn)生不良影響是值得探討和總結(jié)的。經(jīng)過大量查閱資料，總結(jié)了以下幾點(diǎn)。 地層特性對(duì)固井質(zhì)量的影響地層特性包括地層巖性、地層壓力、地層溫度、地質(zhì)構(gòu)造、地層流體特性等[9]。(1) 地層巖性和地層的聲速有關(guān)系。聲速越快,地層越致密,水泥膠結(jié)質(zhì)量一般比較好。聲速越慢,地層疏松,水泥膠結(jié)質(zhì)量一般較差。在巖性上大段泥巖的水泥膠結(jié)質(zhì)量不如砂巖的水泥膠結(jié)質(zhì)量,粉沙巖的水泥膠結(jié)質(zhì)量不如粗砂巖的水泥膠結(jié)質(zhì)量。另外，對(duì)于高滲透率油氣水層，水泥漿在稠化過程中容易失去自由水，造成水泥漿粉化，體積減小并形成微間隙，從而影響固井質(zhì)量。 (2)地層壓力的大小直接影響水泥漿體系的性能、環(huán)空漿柱的結(jié)構(gòu)、平衡壓力注水泥施工的設(shè)計(jì),同時(shí)影響候凝過程中壓穩(wěn)地層流體、防止竄槽等一系列措施的采取。 高壓影響。深井和超深井壓力比較高,水泥驅(qū)替泥漿時(shí)需要的井口壓力非常高,驅(qū)替困難,而且容易造成水泥在井底突破某一點(diǎn)壓力,形成水泥單線串流,造成水泥在套管外的分布不均勻,影響固井質(zhì)量。 層間壓差影響。產(chǎn)層經(jīng)過多年的開發(fā)，原始地層壓力系統(tǒng)被打破,層間矛盾加劇,層間壓差增大,影響了新鉆井固井質(zhì)量。概括為：層間壓差相近時(shí),固井質(zhì)量隨隔層厚度增加而增大。隔層厚度相近時(shí),固井質(zhì)量隨層間壓差增加而減小。對(duì)某一具體的固井層段,其固井質(zhì)量是層間壓差和隔層厚度共同影響的結(jié)果。(3)水泥漿凝結(jié)以后,地層流體腐蝕或高溫強(qiáng)度衰退,可使水泥石的完整性、均質(zhì)性遭到破壞,從而影響固井質(zhì)量[10]。例如36X295井,井深只有2355m,℃,溫度高造成全井固井質(zhì)量差。(4) 斷層影響[11]。在油田開發(fā)過程中,無水期和低注采比開采時(shí),由于地層能量低,斷層影響水泥環(huán)的問題尚未充分暴露出來,但隨著累計(jì)注采比的不斷增加,井間和層間不穩(wěn)定狀態(tài)加劇,斷層進(jìn)水使相對(duì)穩(wěn)定的斷層復(fù)活,隨著斷層進(jìn)水量的不斷加大,斷層活動(dòng)更加頻繁,斷層活動(dòng)力度不斷加大,從而使斷層附近的水泥環(huán)遭到破壞。(5) 在比較活躍的水層、油層井段，水泥漿凝固過程中地層流體對(duì)其進(jìn)行侵污，從而影響了水泥石與地層的膠結(jié)強(qiáng)度。 鉆采方面對(duì)固井質(zhì)量的影響鉆井、采油過程以及相關(guān)工藝對(duì)固井質(zhì)量的影響十分關(guān)鍵，主要包括：井眼狀況及井眼結(jié)構(gòu)的影響、鉆井液性能的影響、射孔工藝影響、強(qiáng)采強(qiáng)注的影響、增產(chǎn)措施影響等。(1)井眼狀況及井眼結(jié)構(gòu)的影響。由于鉆井過程中多種因素的影響,井眼的橫剖面呈不規(guī)則的橢圓形或糖葫蘆形,根據(jù)流體力學(xué)原理知道,在直徑改變的地方都會(huì)形成只在原地流動(dòng)而不能向前推進(jìn)的旋流,因此在固井過程中不管采用多大的頂替排量,都很難將其中的鉆井液驅(qū)替干凈。同時(shí),井眼結(jié)構(gòu)的不同對(duì)水泥漿頂替效率具有較大的影響,在定向井、分支井、水平井等彎曲井眼中套管不易居中,極大地改變了頂替過程中環(huán)形空間的流速分布,增加了驅(qū)替窄邊鉆井液的難度。而這些殘留的鉆井液往往和水泥漿不相容,從而嚴(yán)重地影響了水泥漿的膠結(jié),造成竄槽。(2) 鉆井液性能影響。性能優(yōu)良的鉆井液不僅可提供一個(gè)較為規(guī)則的井眼,而且還會(huì)在井壁上形成薄而韌的濾餅,從而保證了固井質(zhì)量。但厚而疏松的濾餅會(huì)使水泥漿不能直接接觸井壁,并在水泥水化過程中脫水粉化,形成微環(huán)隙,引起油氣水竄,降低了油氣井的固井質(zhì)量。同時(shí),鉆井液的流變性影響水泥漿注替過程中水泥對(duì)鉆井液的推動(dòng),從而影響頂替效率。(3) 射孔影響。在射孔過程中爆炸產(chǎn)生的沖擊波容易使射孔段上下一定范圍的水泥環(huán)產(chǎn)生破裂或裂縫，從而影響水泥石強(qiáng)度。(4) 強(qiáng)采強(qiáng)注影響。強(qiáng)采強(qiáng)注造成地層出砂,地層變得疏松,由于上覆地層壓實(shí)作用,造成應(yīng)力不均,壓壞水泥環(huán)。超強(qiáng)度開采,長期的破壞性注水,肯定會(huì)造成固井質(zhì)量變差。(5) 增產(chǎn)措施影響。已經(jīng)固結(jié)的水泥環(huán)。油層埋藏深,膠結(jié)致密,滲透率低,自然產(chǎn)能小,往往需要進(jìn)行壓裂、酸化等增產(chǎn)增注措施。壓裂作業(yè)會(huì)把水泥環(huán)一起壓壞,而酸化作業(yè)往往把膠結(jié)中等但有封堵能力的水泥環(huán)酸化成上下串槽。(漿)方面對(duì)固井質(zhì)量影響水泥漿、水泥石對(duì)固井質(zhì)量的影響是最直接的，也是最明顯的，主要包括：套管的表面特性影響、水泥漿的性能影響、水泥漿的頂替流態(tài)影響、水泥石的體積收縮影響和水泥石的力學(xué)性質(zhì)影響。(1) 套管的表面特性影響。套管因素影響固井質(zhì)量主要有2個(gè)方面,即套管的表面粗糙度和套管的絲扣連接[12]。套管表面粗糙度影響水泥與套管之間的膠結(jié)強(qiáng)度,表面越光滑膠結(jié)強(qiáng)度越小,從而使水泥石的密封能力下降、層間密封效果變差。套管絲扣連接緊密、強(qiáng)度大,可以提高套管本身的密封能力,加強(qiáng)層間封隔效果。(2) 水泥漿性能影響。水泥漿性能對(duì)固井質(zhì)量起著關(guān)鍵性的作用，包括水泥漿失水量、水泥漿密度和水泥漿流變性。水泥漿的失水量過大，會(huì)造成水泥凝固時(shí)自由水滲入地層，使水泥漿體積減小，從而影響固井質(zhì)量。特別在中、高滲地層這種影響會(huì)更加明顯。另外，水泥漿失水量大，在施工過程中不但會(huì)造成嚴(yán)重的施工蹩泵事故，而且在水泥漿經(jīng)過油氣層時(shí)，水泥漿濾液與水泥顆粒大量進(jìn)入油氣層，堵塞油氣通道而污染油層。水泥漿密度直接反映了水灰比的大小，水泥石在固化過程中，只需要25%的水即可，而水灰比25%，固井無法泵入。為了滿足固井要求，只能增大水灰比，但如果水泥漿密度過小，勢(shì)必增大水分流失，從而影響固井質(zhì)量。水泥漿的流變性直接影響著頂替效率。實(shí)踐證明，動(dòng)切力大的流體對(duì)動(dòng)切力小的流體具有較好的頂替效率；流動(dòng)性差會(huì)增大泵入難度，增加施工危險(xiǎn)性，而水泥漿流動(dòng)性太好，容易使水泥分層沉淀，影響封固質(zhì)量。(3) 水泥漿的頂替流態(tài)影響。在注水泥過程中,不同的流態(tài)對(duì)水泥漿的頂替效率有較大的影響,采用塞流或紊流尤其是紊流注水泥,在各斷面上有相同的推進(jìn)速度來均勻推進(jìn),有助于提高頂替效率,防止竄槽的發(fā)生。(5) 水泥石的體積收縮影響。在水泥水化過程中，水泥熟料在與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物其體積比水化前的總體積減小，純水泥水化的體積收縮率可高達(dá)5%。如果不有效控制固井水泥漿的體積收縮，將不可避免地導(dǎo)致水泥石與套管、水泥石與井壁兩個(gè)界面的膠結(jié)強(qiáng)度降低，影響固井質(zhì)量。(6) 水泥石的力學(xué)性質(zhì)影響。一般而言,水泥石的強(qiáng)度足以支撐和保護(hù)套管。但在射孔過程中爆炸產(chǎn)生的沖擊波容易使射孔段上下一定范圍的水泥環(huán)產(chǎn)生破裂或裂縫。同時(shí),注水、酸化壓裂、熱采措施的采用,井內(nèi)的高壓也使水泥容易產(chǎn)生脆性斷裂,造成油氣竄槽。因此,要求水泥石除了具有足夠的抗壓強(qiáng)度以外,必須具有一定的韌性,同時(shí)滿足水泥石力學(xué)性能的長期穩(wěn)定性。 其它影響因素除了上面三個(gè)主要方面的影響因素，還有諸多的因素，下面列舉的時(shí)間因素影響和相鄰油水井的影響外，工程事故的影響不容忽略的。(1) 時(shí)間因素影響。原始固井結(jié)論好,隨著時(shí)間的延長,固井質(zhì)量有變差的趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)10口井共2 450 m測(cè)量井段,%%。注入水進(jìn)入泥巖層形成水浸后,泥巖地層吸水軟化和膨脹,也會(huì)影響該處的固井質(zhì)量[13]。(2) 相鄰油水井的影響。鉆井時(shí)未關(guān)閉相鄰的油水井,使新井內(nèi)的壓力不均衡,造成水泥在套管外的分布不均衡。另外,相鄰水井的注入水竄流到新井內(nèi),破壞還沒有凝固的水泥環(huán),從而影響新井的固井質(zhì)量。 二界面質(zhì)量現(xiàn)狀和原因固井質(zhì)量問題最主要根源就是二界面封固失效。，進(jìn)而影響整個(gè)固井質(zhì)量。具體見表21.表21 二界面封固質(zhì)量的影響因素地層鉆井 液水泥漿(環(huán))其 它空隙壓力濾餅滲透率水泥漿失水膠凝特性壓碎程度隔層滲透率濾餅形成程度水泥漿失水界面親和性隔層厚度濾餅破裂強(qiáng)度水泥石收縮與界面強(qiáng)度頂替效率破裂壓力濾餅附著強(qiáng)度井下水泥漿實(shí)際密度工程事故 二界面質(zhì)量現(xiàn)狀從微觀上講，固井二界面質(zhì)量存在的主要問題可以概括為界面存在(微)環(huán)隙和(微)裂縫，這是導(dǎo)致環(huán)空氣竄、層間竄等一系列宏觀固井質(zhì)量問題的根源。(微)環(huán)隙就是由水泥環(huán)和地層壁面之間由于泥餅的存在膠結(jié)不良而形成的環(huán)狀的縫隙。(微)裂縫主要存在于水泥石和泥餅上，是水泥石或泥餅失水、體積收縮、開裂以及外力作用形成的裂縫。 原因分析下面列出(微)環(huán)隙和(微)裂縫形成的主要原因。(1)鑲嵌于水泥漿與地層壁面之間的（特別是厚而疏松的）泥餅會(huì)使水泥漿不能直接接觸井壁并在水泥水化過程中脫水粉化,形成微環(huán)隙。此外，地層油水沿薄弱的界面( 即兩相的接觸面) 浸入而溶蝕泥餅，致使水泥石與地層之間失去聯(lián)結(jié)，也可形成一個(gè)較大的環(huán)隙。(2)固井后泥餅夾在水泥漿與井壁巖石之間,由于水泥漿快速水化成固體,其形狀和體積已經(jīng)定型,而泥餅內(nèi)的水分在井下高溫高壓作用下,向地層緩慢滲濾,滲濾結(jié)束后泥餅固化,體積發(fā)生收縮,在水泥石與井壁之間形成微環(huán)隙。(3)硬化的水泥石從泥餅中爭奪水分連續(xù)水化,使泥餅形成裂紋,阻礙了水泥對(duì)套管和地層第二界面的有效膠結(jié),形成微環(huán)隙、微裂縫。(4)界面處水泥石本身因C—S—H 中的吸附水和毛細(xì)孔水蒸發(fā)，其自由面向下凹和表面張力增大；又因水中接近彎月面的張力要由周圍的壓應(yīng)力來平衡，加大了水泥石所受的壓應(yīng)力，導(dǎo)致其體積減少而干縮，造成不同程度的局部開裂和更多的微裂縫。此外，界面處水泥石自身也會(huì)在發(fā)生內(nèi)部收縮、膨脹或受到外部作用而變形時(shí)易被拉裂、脫落， 使其失去支撐和依靠，并在重力作用下發(fā)生開裂[14]。3 提高二界面膠結(jié)質(zhì)量的方法為解決二界面膠結(jié)不良問題,鉆井界采用了許多方法,如提高頂替效率(紊流頂替、活動(dòng)套管、套管居中等)多功能鉆井液應(yīng)用、前置液的應(yīng)用(隔離液和專用沖洗液)、多功能水泥(膨脹水泥和纖維水泥)。將泥漿轉(zhuǎn)化為水泥漿進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體固化的MTC技術(shù)，它主要應(yīng)用在鉆井液、前置液和固井液中，因此本章就其原理作簡要介紹，而不冗述應(yīng)用范例。 提高頂替效率成功的固井要求水泥漿全部替凈鉆井液,水泥漿充滿環(huán)空,這樣才能基本保證水泥與套管及地層的膠結(jié)良好,但往往很難達(dá)到要求。原因是現(xiàn)場(chǎng)井眼很不規(guī)則,泥餅粘附牢固,未替凈的鉆井液和水泥漿不相容,或者相容性有限,污染水泥漿,影響水泥漿的各項(xiàng)性能指標(biāo),使施工復(fù)雜化。 紊流頂替和接觸時(shí)間[15]在接觸時(shí)間相同的情況下,紊流頂替的紊流程度越高,頂替效率越高,因此,在條件許可的情況下,應(yīng)盡可能采取高返速的紊流頂替,以提高頂替效率。在紊流程度一定的情況下,頂替效率隨接觸時(shí)間的延長而增加,但當(dāng)接觸時(shí)間增加一定的值以后,頂替效率趨于穩(wěn)定,不再隨接觸時(shí)間的延長而增加,因此,在注水泥過程中,應(yīng)合理控制沖洗液、隔離液以及水泥漿的量,使其在滿足提高頂替效率要求的同時(shí),能盡可能地降低固井成本。 濕潤反轉(zhuǎn)水基聚合醇正電膠鉆井液體系的聚合醇具有濁點(diǎn)效應(yīng),在高溫下易粘附在井壁上,形成一層憎水保護(hù)膜。為了潤滑鉆具,提高機(jī)械鉆速,防止鉆具磨損和腐蝕,常常在鉆井液中混入一定量的原油或白油,在濾失的情況下它們易于粘附在井壁上,也形成一層憎水保護(hù)膜。礦渣漿屬于水基固井液,如果井壁上的憎水保護(hù)膜不被破壞,會(huì)影響頂替效率,以及對(duì)井