（油气井工程专业论文）固井水泥浆防气窜性能评价方法研究.pdf

r e s e a r c ho nt h eg a s c h a n n e l i n gp r e v e n t i o np e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n m e t h o do fc e m e n ts l u r r y f a n gg u o w e i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f b uy u h u a n a b s t r a c t s i n c et h ec e m e n ti n j e c t i o nj o bh a v i n gb e e nb r o u g h ti n t oo p e r a t i o n ，t h eg a sc h a n n e l i n g h a sb e e no n eo ft h eq u e s t i o n sp u z z l e dt h ec e m e n tj o b 。o n c et h eg a sc h a n n e l i n gt a k e s p l a c e ，e v e nc o s tag r e a td e a lo fm a n p o w e r a n dm a t e r i a lr e s o u r c e sc a nh a r d l yr e p a i ro r i g i n a l i s o l a t i o ns t a t eo fi n d i v i d u a lz o n e s b ye s t i m a t e ，a b o u t2 5p e r c e n to fa l lw e l l sh a v eg a s c h a n n e l i n gp r o b l e md u r i n gw e l lc o m p l e t i o n 。h o wt oe v a l u a t et h eg a s c h a n n e l i n gp r e v e n t i o n p e r f o r m a n c eo f c e m e n ts l u r r yo b j e c t i v e l ya n da c c u r a t e l y ，i ti ss t i l laq u e s t i o nc a n n o tr e s o l v e d p e r f e c t l yf o rt h ec e m e n ti n d u s t r ya th o m ea n d a b r o a d t h i st h e s i st r i e st os e to u tf r o mt h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o rf o rt h eg a sc h a n n e l i n g - - s l u r r yw e i g h tl o s s ( s w l ) t oc a r r yo nt h e r e s e a r c ho fg a s c h a n n e l i n gp r e v e n t i o np e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm e t h o d t h i st h e s i ss e to u tf r o mt h ea n g l eo fs y s t e me n g i n e e r i n g i nv i e wo fi n f l u e n c ef a c t o r s ( s l u r r yp r o p e r t i e s ，w e l lc o n d i t i o n e r e ) t os w lc a r r yo ne x p e r i m e n tm e t h o dr e s e a r c h s t u d y s h o w st h a t ：t h es l u r r yi n i t i a ls e t t i n gt i m e 、f l e ew a t e ra n dv o l u m e t r i cs h r i n k a g ee x i s tg o o d l i n eb e h a v i o r 、i mt h ea v e r a g ew e i g h tl o s so fs l u r r y ；d i f f e r e n th o l ec o n d i t i o na l s oi n f l u e n c e t h ea v e r a g ew e i g h tl o s so fs l u r r yw i t hd i f f e r e n td e g r e e u s i n gt h em a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s m e t h o dt h i st h e s i so b t a i nc e m e n tw e i g h t l o s sm o d e l ，a n da c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l eo f c o n t r o la n de s t i m a t et h eg a sc h a n n e l i n gi sm a i n t e n a n c ep r e s s u r eb a l a n c e ，u s i n gt h ep r e s s u r e b a l a n c er e l a t i o nd e d u c e si t sd i f f e r e n t i a le x p r e s s i o n ，t h e np u tf o r w a r dt ot h en e w g a s c h a n n e l i n gp r e v e n t i o np e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm e t h o d a n dp r o v ei tw i t he x p e r i m e n t i t p r o v i d e san e wr e f e r e n c em e t h o df o r t h ec e m e n td e s i g n k e yw o r d s ：s l u r r yw e i g h tl o s s ；ga sc h a n n e l i n g ；s t a t i cg e ls t r e n g t h ；ev a l u a t i o nm e t h d 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盔! 亟堇 日期：砂。7 年r 月2 歹日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其 印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关 部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位 论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：窒鲤主 指导教师签名： 日期：枷c j 年sj l - 晒 e t 日期：沙歹年1 月订日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究的目的、意义 第一章绪论弟一早三百t 匕 固井是油气井建井过程中加固井眼、保持井眼稳定的一个重要环节。固井的技术 水平和质量直接影响着油气井的建井质量和油气的生产能力及效益。固井工程又是一 次性作业工程，它涉及化学、流体力学、热力学、固体力学等多学科的内容。因而在 工程实际中，它受到许多因素的综合影响，这增加了固井过程中的不确定性因素，从 而增加了固井工程的难度。 油气井注水泥后，由于环形空间液柱压力与地层压力不平衡关系的变化，使地层 中的流体进入环形空间，产生纵向流动，这种纵向流动的现象称为流体窜流，简称环 空窜流。地层中最活跃的是气体，气体的粘度比地层水的粘度低8 0 - 1 0 0 倍，发生窜 流的可能性最大，因此，一般又称为气体窜流或环空气窜【l 】。 固井后环空气窜是所有气井固井过程中都要面临的一个潜在固井技术难题，也是 相当一段时间以来固井界面临的一个最为棘手的技术难题之一。对于气井( 特别是高压 气井) 注水泥后地层气体层间互窜或井口冒气尤其突出。环空气窜不仅导致地层与套管 之间无法实现永久封隔，造成层间窜流或井口冒油冒气，严重影响油气井正常生产和 采收率，甚至可导致全井报废。因此，要实现固并作业的目的，就必须有效地防止环 空气窜，而防气窜性能评价方法的研究则为有效地防止环空气窜指明了前进的方向。 近年来人们对油气井固井中的环空气窜问题更加关注，国内外对固井后环空气窜 机理、预测方法及防气窜技术方法进行了大量的研究工作，取得了许多切实可行的研 究成果，但还不能从根本上解决固井后环空气窜技术问题。 维持压力平衡是控制和预测环空气窜的基本原理。如何预测和控制气体最易侵入 水泥浆中的时间( 简称气侵危险时间) 以及其压力的平衡关系，则是解决固井后环空 气窜的关键技术。在气侵危险时间之后，由于水泥浆的凝固特性及孔隙阻力的急剧增 大，气窜不会出硎也 水泥浆凝固过程中，井筒内液柱压力逐渐降低的现象统称为水泥浆失重。由于环 空气窜大多数发生在水泥浆从液态变化到固态的凝固过程中，因此，水泥浆的失重与 环空气窜有着密切的联系。为了评价环空气窜发生的可能性，尽可能减少气窜事故的 发生以及有针对性地采取相应的防气窜措施来指导后期的生产实践，研究与水泥浆失 第一章绪论 重有关的因素对失重的影响并建立相应的函数关系，进一步改进水泥浆防气窜性能评 价方法具有实际意义。 1 2 气窜理论基础 要防止气窜的发生，就有必要了解气窜的一些理论知识，尤其是固井后环空气窜 途径、机理更为重要。 1 2 1 气窜途径及危害 目前普遍认为环空气窜有以下3 个途径17 】： ( 1 ) 第一种途径是因为顶替效率不高而造成水泥浆窜槽。随着泥浆胶凝、脱水和 收缩，进而形成气窜通道。 ( 2 ) 第二种途径水泥石与套管及水泥石与地层之间的微环隙。微环隙的形成原因 是由于水泥凝固时化学收缩或由于水泥浆自由水析出以及由于温度压力变化形成的， 室内实验表明水泥石的体积收缩率可达到6 。 ( 3 ) 第三种途径是水泥浆失重引起环空气窜。自2 0 世纪7 0 年代末期以来，随着 国内外对水泥浆进入环空后失重现象认识和深入研究，普遍认为水泥浆失重是引起环 空气窜的主要原因。 发生环空气窜的主要危害是t 直接影响水泥石胶结强度，导致层间窜流；直接影 响油气层的测试评价，污染油气层，降低油气采收率；对油田开发后续作业如注水、 酸化压裂和分层开采等造成不利影响；严重时在井口发生冒油、冒气，甚至固井后出 现井喷事故，即使采用挤水泥等补救工艺也很难奏效p 4 1 。 1 2 2 气窜机理 对有关环空气窜机理主要有以下几种理论：【2 2 1 ( 1 ) “桥堵”理论 水泥浆进入环空后，由于其不断地向地层失水，造成其水灰比急剧下降，改变了 水泥浆的原有性能，同时在井壁上形成泥饼，使井径缩小、直至井径完全堵塞，导致 水泥浆静压传递受阻，使作用在地层有效的液柱压力小于地层孔隙压力而发生气窜。 ( 2 ) “水泥浆胶凝失重”理论 水泥浆进入环空静止后，水泥浆内部开始形成静胶凝强度，随着胶凝结构逐渐形 成，环空静液柱压力逐渐降低，水泥颗粒逐渐形成网架结构，水泥浆稠度增加，气窜 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 阻力( 包括水泥浆结构自身阻力及聚合物提供的附加阻力) 相应增大，如果此时环空 静液柱压力与气窜阻力叠加之和大于地层压力则不会发生气窜，否则必将发生气窜。 环空水泥浆进入过渡状态后期至终凝，由于环空水泥浆柱继续失重，直至环空静液柱 压力为零甚至为负值。同时高分子量聚合物由于自由水的减少逐渐析出，也就逐渐失 去提供附加气窜阻力的能力，环空水泥浆只有依赖自身的胶凝结构阻止气窜。此时是 环空气窜易发生时期。 ( 3 ) “界面胶结”理论 这是由于界面胶接不好而发生的气窜，主要原因是由于泥饼的存在和顶替效率低， 导致水泥石界面与地层胶结不好而引起的。 ( 4 ) “微裂缝一微环隙”理论 微裂缝是在水泥环与地层之间或水泥环内产生的微小通道，而微环隙是由于水泥 环不能很好地与套管胶结造成的。该理论认为环空存在微裂缝一微环隙是引起气窜的 根本原因，而微裂缝一微环隙形成的主要原因是水泥柱的体积收缩、泥饼的存在、毛 细管作用、水泥浆初凝阶段水的凝聚、井内热应力及静液柱压力等。 1 2 3 水泥浆失重机理分析 1 2 3 1 水泥的水化反应2 3 1 水泥与水混合成水泥浆后，与水发生化学反应，生成各种水化产物，逐渐由液态 变为固态，使水泥硬化和凝结，形成水泥石。 ( 1 ) 水泥的水化反应 水泥的主要成分与水发生的水化反应为： 3 c a o s i 0 2 + 2 h 2 0 一2 c a o s i 0 2 h 2 0 + c a ( o h ) 2 2 c a o s i 0 2 + h 2 0 一2 c a o s i 0 2 h 2 0 3 c a o a 1 2 0 3 + 6 h 2 0 专3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 4 c a o a 1 2 0 3 + f e 2 0 3 + 6 h 2 0 专3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 + c a o f e 2 0 3 - h 2 0 除此之外还发生其他二次反应，生成物中有大量的硅酸盐水化产物及氢氧化钙等。 在反应的过程中，各种水化产物均逐渐凝聚，使水泥硬化。 ( 2 ) 水泥凝结与硬化 第一章绪论 溶胶期：水泥与水混合成胶体液，开始发生水化反应，水化产物的浓度开始增加， 达到饱和状态时部分水化物以胶态或微晶体析出，形成胶溶体系。此时水泥浆仍有流 动性。 凝结期：水化反应由水泥颗粒表面向内部深入，溶胶粒子及微晶体大量增加，晶 体开始互相连接，逐渐絮凝成凝胶体系。水泥浆变绸，直到失去流动性。 硬化期：水化物形成晶体状态，互相紧密连接成一个整体，强度增加，硬化成为 水泥石。 1 2 3 2 水泥浆失重的概念 研究和实践证明，在注水泥井段环形空间完全充满水泥浆的前提下，水泥浆在凝 结过程中的失重是高压油气井油、气、水窜的主要原因。 所谓水泥浆失重即水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力逐渐 减小的现象。 依据水泥的胶凝特性，水泥浆的失重可划分为以下3 个阶段。 ( 1 ) 水泥浆液柱初始压力逐渐下降至等高度水柱压力。在这一阶段中，水泥浆胶凝 强度增长存在一个加速点。这一点之前，水泥浆胶凝强度增长较慢，之后，增长迅速。 而与此同时，水化体积收缩率却很小。当水泥浆静置后，由于形成凝聚网架结构，胶 凝强度随之增长。在胶凝强度增长加速点之前，水泥浆柱的部分重量逐渐地被悬挂在 井壁和套管外壁上，并随着水泥浆胶凝强度的增长，水化体积收缩也同时增大，导致 原有压力的下降，直至水泥柱对地层的压力转换成孔隙压力的形式存在。但此时孔隙 压力不会因水泥柱重量全部被悬挂而变为零。这是由于水泥的胶凝发生急剧的变化， 而把加速变化点前的水泥浆柱的剩余液相压力圈闭保持在结构孔隙中。这之后，水泥 柱的孔隙压力将随微小的水化体积收缩而逐渐降低。 ( 2 ) 水泥浆液柱压力略低于等高度水柱压力而缓慢降低阶段，该压力降阶段接近水 泥浆初凝前的一段时间。这段时间水泥的胶凝强度继续迅速增长，但水化体积收缩变 化率仍不大，水泥水化作用释放出大量热能，水泥浆柱的孔隙压力主要受水化体积收 缩与水化放热微膨胀的共同作用影响。由于水化体积收缩略大于热微膨胀，因此，此 阶段的孑l 隙压降较慢而平缓。 ( 3 ) 从水泥浆柱孔隙压力略低于等高度水柱压力加速下降至负压的这段时间。此时 水泥的结构强度迅速增强，同时水化体积收缩也迅速增大。因此，这一期间水泥柱的 4 中国石油大学( 华末) 硕学位论文 孔隙压力直接随水化体积减小而迅速下降。在密封容器中水泥柱自身的孔隙压力就会 出现负值。 1 23 - 3 水泥浆失重机理 水泥浆是一种凝胶物质，与水混合后会逐渐转变为固态。在水泥浆为液态时，它 具有静液柱压力。水泥浆属于高密度、颗粒处于悬浮状态、能够完全传递静液压力的 液相。在固井条件下，环空的液柱压力是大于地层压力的。在水泥浆转变成固态之后， 它与套管、与岩石之间有相当高的胶结强度，该强度可以防止地层压力突破其胶结面 而上窜。但在水泥浆由液态向固态转变的过程中，其静液柱压力会逐渐降低，重力由 沾附在两个交界面上的颗粒承担。随着水泥的固化，水泥浆的重力逐渐传递到套管和 岩石上，水泥浆的静液柱压力也逐渐降低，对地层的压力也逐渐变小。当水泥的重力 完全挂在两个界面上，就丧失了静液柱压力对地层的平衡作用 2 3 1 。 ( 1 ) 水泥浆失重的机理分析 水泥浆被顶替到预定环空位置后，从停止流动到凝固成固体可分为四个阶段( 见图 1 - 1 ) 口“，即水泥浆相、水泥浆胶凝( 固相基质和空隙内流体形成两相物) 、水泥凝固( 水 泥颗粒凝固终止，形成固体1 、水泥硬化。 m ，l 4 m _ h m m 圈1 - 1 水泥浆凝固的各个阶段 f i 9 1 1 d i f f e r e n t p h a s e s i n t h e s e t 血g o f ac e m e n ts l u r r y i-p 第一章绪论 气侵主要发生在水泥浆胶凝期( 见图1 2 ) 。开始水泥浆属于高密度、颗粒处于悬浮 状态、能够完全传递静液压力的液相，即o a 段。随后水泥浆胶凝、失水和体积收缩 产生新的水泥浆特性，使水泥颗粒及残留在基质中的液体形成孔隙结构，能支撑传到 水泥柱上的大部分载荷，但水泥浆柱压力已不能控制水泥结构内的孔隙压力。如果进 一步脱水，孔隙压力降低从而引起环空总的液柱压力下降由a 到b 点。当其静态凝胶 强度持续增加时，孔隙下降使液柱压力由b 到c 点降至气层压力以下，发生气侵。水 泥浆从水化作用到胶凝、凝固直至硬化的特性，决定了在b 点附近的压降是客观事实， 水泥浆失重不可能避鲥。2 4 j 。 水掘莱木港浆腔疆 j i 【泥疆露永泥爱化 a 芷压力 气体医力 c w 阿。o 图l - 2 水泥浆水化时压力产生递减造成气侵 f i g1 - 2t h ep r e s s u r ed e c r e a s eo fs l u r r yh y d r a t i n gr e s u l ti nt h eg a sm i g r a t i o n 对于水泥浆失重的研究国内外学者已经作了大量的工作，现对国内外研究的成果 进行总结。到目前为止，关于水泥浆失重的机理，主要形成了四种观点： 1 ) 水泥浆在高渗透层大量失水桥堵失重； 2 ) 水泥浆失水、水化体积收缩失重； 3 ) 水泥浆沉降失重； 4 ) 水泥浆胶凝悬挂失重。 ( 2 ) 水泥浆桥堵失重机理 过去人们曾一直认为失水桥堵是造成失重的一个主要原因。注水泥时，水泥浆可 能携带的从井壁上冲刷下的岩屑、泥饼及某些水泥颗粒物质在静止时会下沉，在井径 缩小处会沉降下来形成桥堵点。或在高渗透层由于水泥浆的大量失水，在井壁上附着 一层厚的水泥饼，也会形成桥堵点( 图1 3 所示) 。桥堵可能和水泥浆的失水有关，在高 渗透层水泥浆大量失水，形成水泥饼附着在地层上，会形成桥堵。桥堵阻止了水泥浆 6 h忑田墨疆 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 压力体系的下传，使作用于桥堵点以下的地层的静液柱压力下降，地层流体会侵入桥 堵点以下的环形空间中【2 5 1 。 桥堵的形成导致以下问题： 1 ) 如在注水泥过程形成桥堵，将会造成顶替过程泵压急剧增高或出现打实心套管 的危险。 2 ) 如在注水泥浆候凝期间形成桥堵，将造成其上部液柱压力不能传递到桥堵点下 面的地层，从而引起下部地层失重和油、气、水窜问题。 6 -o 、盂 p 圳 嗣， 耐 l一 ，。i i i 、 万 一掌 薹 薯 一。! 馥z ：铽 衙堵矢直 图l - 3 水泥浆候凝过程中的桥堵失重 f i g l - 3b r i d g i n gw e i g h t - l o s si nt h es e t t i n go fac e m e n ts l u r r y 桥堵引起的水泥浆失重，在井下并不普遍存在，只有在易渗透地层和环空间隙较 小的井眼内才会出现。如果地层渗透性极小或因泥饼的隔离作用，自由水渗入地层受 到了限制，桥堵是难以形成的。在渗透性好的地层，只要有内泥饼和外泥饼的空隙较 小的井眼，合理地控制水泥浆失水量，对防止桥堵的产生是有好处的【2 6 1 。 桥堵引起水泥浆的失重，不会导致油、气、水窜过桥塞，冒至井口，而是在桥塞 下面的层间互相窜流。所以，桥堵本身能阻止气体窜至井口，但桥堵段下部地层液柱 压力的降低，却使其下部压力体系不相同的油、气、水层相互窜流。加封隔器注水泥 是人为的桥堵，它会带来同样的危害。 不同条件，影响水泥浆桥堵失重的因素是不相同的。在无泥饼的情况下，失水量、 压差是主要因素，温度是次要因素；在有泥饼的情况下，温度却是主要因素，失水量、 压差为次要因素。水泥浆在无泥饼情况下的防气侵能力比有泥饼情况下的防气侵能力 强。前者是桥塞对气体的阻挡；后者，因为水泥浆在环空中不易形成桥塞，浆体呈液 塑状态，所以浆体和泥饼之间的阻力比与桥塞间小。 ( 3 ) 水泥浆失水、水化体积收缩失重【2 7 1 7 第一章绪论 该机理认为，在水泥浆凝结过程中，水泥浆柱、井壁、套管外表面构成封闭的液 压体系，并根据封闭液压体系液相体积收缩导致体系压力降低的原理，得出水泥浆失 水、水化体积收缩导致水泥浆有效浆柱压力下降的结论，并用以解释水泥浆在凝结过 程中的失重。 该机理的物理模型为封闭液压体系，由于体系内液相体积发生变化而导致体系压 力变化，其数学模型的内核为： a p ：a v( 1 1 ) v c 式中p 压力变化； v 一体积变化； v 容积； c 压缩系数。 最初，该机理未认识到地层、套管在环空浆柱压力下的变形和变形恢复作用，将 体系当作容积不变的刚性封闭液压体系进行处理，同时，由于当时的研究结果已经表 明，水泥浆在初凝前的水化体积收缩不足0 5 ，与水泥浆的失水相比，可忽略不计， 因此，仅考虑了水泥浆本身失水体积收缩对体系压力变化的影响，于是得到如下的水 泥浆失重计算模型： p ：型生( 1 2 ) ，比乙 后经过发展，认识到地层、套管在环空浆柱压力下的变形和变形恢复作用，于是 又将体系当作容积可变的弹性封闭液压体系进行处理，并充分考虑了地温对水泥浆加 热、水泥浆热膨胀对封闭体系液相体积的影响，从而将上式改进为： 艘：竺丝坐堕二竺三二坐丝二坐丝( 1 3 ) v c c 。m 1 ，妇、v 曲、v pa v 们、a v c a 。分别为失水、水化体积收缩、地温加热水泥浆 热膨胀、井壁岩石和套管变形恢复所引起的体积变化。 ( 4 ) 水泥浆沉降失重 将水泥浆不稳定引起的失重称为沉降失重。不稳定引起的固相沉降是导致失重的 独立因素。候凝过程中的水泥浆可能存在一个沉降期。在沉降期，水泥浆的静切力既 没有增长到使网架结构的悬挂成为失重的主要因素，更不足以阻碍浆体在自重作用下 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 流动和变形，以补偿在此期间极其微小的水化体积收缩，因此，沉降期的失重不能用 胶凝和胶凝与水化体积收缩综合作用的观点来解释。 不稳定是导致沉降期水泥浆失重的主要原因。水泥浆的稳定性愈差，静切力增长 愈慢，沉降期愈长，沉降失重愈快，特别是早期沉降失重愈快，压降也愈大，但沉降 失重最多使浆柱压力降到等高水柱压力【2 8 1 。水泥浆体系的稳定性主要是指水泥浆体系 的沉降稳定能力和滤失控制能力，即析水和失水。前者反映了体系在自由状态下控制 体系配浆水、维持体系组分均匀、性能一致的能力；后者反映了体系在压差挤压作用 下束缚、控制体系配浆水、维持体系性能稳定的能力。提高水泥浆稳定性可以避免或 减小沉降失重，有效地控制早期失重速率，这对防气侵是有利的。 目前对水泥浆体系稳定性的控制，主要是为了防止由于水泥浆在注水泥和候凝过 程中向地层大量失水、性能发生显著变化、达不到设计要求而引发的固井施工安全问 题和固井质量问题，以及由于水泥浆在候凝过程中沉降失稳、水泥颗粒下沉、自由水 聚集、上升、形成自由水通道而引发的固井质量问题。 按水灰比o 5 计算，水的体积将占水泥浆总体积的6 i 5 ，水泥颗粒体积仅占3 8 5 。 可见，水泥颗粒和网架结构在候凝初期是悬浮于水中的。从固液两相的密度来看，干 水泥密度在2 8 - 3 6 9 c m 3 之间，水灰两相的密度差达1 8 - - , 3 6 6 9 c m 3 。从固相颗粒的尺 寸考察，水泥粒径一般在0 8 - - 7 5 微米之间。一般认为粒径大于0 1 微米就属于粗粒分散 系，可见水泥浆是典型的粗粒散系，扩散弱、易沉降是其固有的特点。所以，作为多 相粗分散悬浮体的水泥浆，本质上是一种沉降不稳定的体系。 沉降失重机理如下：刚注完水泥时，固液两相比较均匀地分布在水泥浆中，固相 颗粒及其结构的重量均匀地作用于液相，使水泥浆显示均匀密度的静液压力。之后由 于沉降不稳定，密度大的固相颗粒及其结构由于自重向下沉降，自由液受固相排挤向 上运移，固液两相发生相对运动。在沉降中，固相颗粒及其结构相互搭接，并在一些 部位受阻和沉积( 固相颗粒及其结构易受阻的部位包括井底、倾斜的井壁和套管壁、井 径缩小段、井眼与偏心套管的窄间隙处以及套管接头的台阶处等) ，不断把自重直接转 移给井壁和套管壁。与此同时，自由液向上运移卸压，使浆柱的孔隙压力不断降低， 一旦固相重量全部转移给井壁和套管壁，自由液全部卸压，水泥浆将从最初均匀密度 的浆柱压力下降到等高配浆水柱压力。 固相的沉降分为颗粒沉降和结构沉降2 9 】。对前者来说，由于密度和粒度愈大的颗 粒沉降愈快，也愈早沉降下来，故颗粒的沉降速率是随时间减小的。对后者来说，由 9 第一章绪论 于候凝过程中水泥浆静切力的增长，网架结构沉降的阻力增大，故结构的沉降速率也 是随时间减小的。稳定性好的水泥浆表现为结构沉降，稳定性差的水泥浆表现为颗粒 沉降。但对通常使用的水泥浆来说，稳定性常常是介于上述两种典型的水泥浆之间， 故两种沉降方式常常兼有，只是比例不同而已，而且这种比例还会随时间改变。在候 凝初期，由于含有一定量密度大、粒度大、水化弱的惰性颗粒，而且水泥浆静切力小、 结构弱，对颗粒沉降的阻碍小，故颗粒沉降所占比例会相对高一些。随着候凝过程中 更多的水泥颗粒水化分散，水泥浆静切力不断增长，结构增强，加上一部分密度和粒 度大的颗粒已沉降下去，一部分沉降在网架结构上，水泥浆将更多地表现为结构沉降。 沉降失重的本质反映的是水泥浆中固相沉降量的多少，因此沉降失重的速率和大 小与固相沉降速率和沉降量是相互对应和一致的。如上所述，由于水泥浆固相颗粒和 结构的沉降速率都是随时间减小的，故沉降失重的速率也是随时间减小的，沉降失重 曲线是凹的【3 0 1 。而且愈不稳定的水泥浆，颗粒沉降所占比例愈大，固相沉降愈快，特 别是候凝初期的固相沉降愈快。因此候凝初期的沉降失重也就愈快，失重速率随候凝 时间的变化愈大，即失重曲线愈凹。反之，结构沉降所占比例愈大，固相沉降愈慢， 故沉降失重愈慢，失重速率随候凝时间的变化愈小，即失重曲线愈平缓。如果水泥浆 的稳定性足够好，并且静切力增长缓慢，对结构沉降速率影响很小，失重曲线就成为 近似的斜直线。绝对稳定的水泥浆没有固相沉降，也就没有沉降失重，失重曲线为水 平线。沉降失重与水泥浆稳定性的关系如图1 4 所示。 压强 日寥阐 图l - 4 沉降失重与水泥浆稳定性的关系曲线 f i g1 - 4t h e r e l a t i o n a lc u r v eo fs e t t l e m e n tw e i g h t - l o s sa n ds l u r r ys t a b i l i t y 所以，提高水泥浆的沉降稳定性可以减小或完全避免沉降失重，因而提高水泥浆 的沉降稳定性是有效控制水泥浆早期失重速率和防气侵的根本措施。 ( 5 ) 水泥浆胶凝悬挂失重 1 、) 水泥浆浆体胶凝悬挂失重 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 水泥浆顶替就位后，会在其内部迅速形成一种具有一定强度的、与地层和套管表 面搭接的空间网架结构。同时，由于水泥浆失水和水化体积收缩，水泥浆柱在自身重 量和上部浆柱压力的作用下有向下回落的趋势，二者的联合作用，形成水泥浆整体胶 凝悬挂失重效应，使部分水泥浆柱重量被悬挂在地层和套管表面上，致使水泥浆有效 浆柱压力降低、水泥浆发生失重。水泥浆胶凝强度越大，网架结构的悬挂能力越强， 被悬挂的水泥浆柱重量越多，水泥浆有效浆柱压力越低。因此，随水泥浆凝结过程的 进行，水泥浆胶凝强度的增加，水泥浆有效浆柱压力不断降低。目前，该机理已为国 内外固井界普遍接受。 目前国内外都用胶凝失重的观点来解释在无滤失条件下水泥浆在初凝前的失重， 其实质是把候凝过程中的水泥浆视为稳定的单相体，并且认为失重仅由静切力的悬挂 作用造成。按照这种观点，水泥浆失重大小和速率应与静切力大小和增长速率一致。 因为静切力愈大、增长愈快，水泥浆胶凝结构就会愈多愈快地悬挂于井壁和套管壁【3 。 根据国内和国外的大量研究，水泥浆的静切力及其增长速率一般是随候凝时间单 调增加的。静切力增长速率一般是随时间增大的，所以胶凝失重速率也应该随时间增 大，水泥浆失重曲线应是凸的。胶凝悬挂被认为是产生失重的最基本因素，没有胶凝 产生的支撑力使结构悬挂。桥堵引起的水泥浆失重，其特点是桥堵段下面的失重不受 桥堵上部水泥浆柱失重的影响；而胶凝失重却产生在整个注水泥井段，并随井深的增 加( 即温度、压力的增加) 而变得愈快，即同一时刻，不同井深的胶凝失重是不一致的。 2 ) 水泥浆网架结构胶凝悬挂失重 在水泥浆注入后，浆体内尚未形成布满整个水泥浆空间的网架结构，水泥浆柱仍 然只是体系新粒子的紧密堆积、密实充填。因此，其初始浆柱压力仍符合常规流体的 静液压力计算公式，即公式( 1 4 ) ： p2 户酌 ( 1 - 4 ) 水泥浆注入之后，迅速在其内部形成充满整个水泥浆空间的、与地层和套管表面 搭接的空间网架结构。同时，水泥浆体系在压差作用下向地层失水，水泥颗粒水化反 应消耗配浆水，导致体系体积收缩，使体系产生内聚、下塌趋势。于是，二者的联合 作用形成胶凝悬挂失重效应。但是，由于体系新粒子外层水膜的重量可通过其自身良 好的滑动、变形作用有效传至井底，因此，被胶凝悬挂的仅是由体系新粒子内核、即 第一章绪论 固相颗粒构成的空间网架结构，而不是整个水泥浆。图1 5 给出了水泥浆网架结构胶凝 悬挂失重力学示意图。 图1 5 水泥浆网架结构胶凝悬挂失重力学示意图 f i 9 1 - 5t h em e c h a n i c a lc h a r to fs l u r r yn e ts t r u c t u r eg e ls u s p e n s i o nw e i g h t - l o s s 在水泥浆网架结构胶凝悬挂失重期间，由于网架结构的强度太低，网架结构还无 法在悬挂力的作用下在等效液体中自我支撑。因此，对选定的网架结构单元，除了受 悬挂力、重力以及等效液体对它的等效液体浮力外，还受到下部网架结构对它向上的 支撑作用力【3 2 1 。在水泥浆网架结构胶凝悬挂失重期间，由于网架结构力学平衡被打破 和重新恢复的速度都非常快，各力学平衡关系之间的时间间隔非常小，即使网架结构 塌落，其塌落的幅度及速度也非常低，不会对网架结构强度的发展形成大的影响，且 网架结构胶凝悬挂失重效应也持续发生作用。因此，可以认为，在水泥浆网架结构胶 凝悬挂失重期间，网架结构强度始终通过胶凝悬挂效应向网架结构提供它能提供的最 大悬挂力。当网架结构强度能使网架结构在悬挂力的作用下、在等效液体中自我支撑 后，网架结构不再与体积收缩联合形成胶凝悬挂失重效应。因此，尽管在此之后不断 增强的水泥浆网架结构能提供越来越大的悬挂力，但由于受其本身重量的限制，网架 结构并不提供它能提供的全部悬挂力，而只提供了等效液体浮力不足以平衡网架结构 自身重量的部分。 ( 6 ) 水泥浆体积局部收缩失重模型【3 3 j 此模型假设地层中存在高渗地层，认为水泥浆主要是在高渗地层发生体积收缩。a 单元处水泥浆首先发生体积收缩，水泥浆与井壁和套管外壁之间的剪切应力会逐渐增 加，当达到此处此时的静胶凝强度时，a 处水泥浆柱就会下移引起b 处水泥浆压力下降， 从而使得b 处水泥浆与井壁和套管外壁之间的剪切应力逐渐增加，当达到此时b 处水泥 浆的静胶凝强度时，b 处水泥浆就会下移。这种效应将会依次往上传递。在水泥浆的这 种效应传到顶部之前应应用体积收缩原理来计算水泥浆柱的压力下降，在水泥浆的这 种效应传到顶部，使得水泥浆柱整体下移时应应用古典剪切应力方程来计算水泥浆的 压力下降。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 t 。一 艇 秘 a 水泥浆项翟 ，、 t ! 援凝强度 弋| 、j 压力降低 图1 - 6 水泥浆体积局部收缩模型示意图 f i g l 一6t h em o d e lc h a r to fp a r ts l u r r yv o l u m e t r i cs h r i n k a g e 1 3 国内外研究现状 1 3 1 气窜研究历程 环空窜流问题，一直是石油工业长期以来未能彻底解决的一个难题。它的产生可 以说是和固井注水泥作业同时产生的，因为早期的注水泥作业基本上就没有进行任何 形式的防窜设计，也没有进行任何形式的防窜工艺措施，只是可能由于当时井浅，环 空窜流的程度较轻，没有引起人们的注意罢了。2 0 世纪6 0 年代初期，随着石油工业的 发展，井深越来越深，井底温度、压力越来越高，美国、苏联以及中国都在注水泥后 出现了严重的环空冒气现象，苏联人首先进行了井下实测，随后美国人也进行了实测 予以证实，至此人们才开始认识到环空窜流问题的重要性。之后，也才开始在这方面 投入大量的资金和科研力量，就如何防窜开展深入的研究工作。下面就石油工业在防 窜研究方面最具有代表性的文献及作者进行简要的回顾： 1 9 7 0 年，c a r t e r 和s l a g l e 提出窜流是由于泥浆清除效果差、顶替效率不高、水泥 与套管、地层胶结不良所引起的【2 】，并提出在注水泥和水泥凝结过程中，控制窜流发生 的问题类似于钻井过程中的井控问题，如果井内有效静液柱压力不足以压稳地层流体， 就会发生窜流，通过控制浆体的密度，防止井内有效静液柱压力低于地层流体压力。 而且c a r t e r 和s l a g l e 还提出水泥浆滤失是导致井内发生窜流的重要因素【2 】，认为由 水泥浆滤失引起的桥堵和胶凝限制了上部静液压力的有效传递，并指出控制失水量对 气窜问题很重要。 第一章绪论 由于c a r t e r 和s l a g l e 的观点的影响，为了在注水泥及水泥凝结过程中防止在高渗 透地层出现桥堵，计算防止桥堵发生的合理滤失量失是很有必要的。1 9 7 5 年，c r i s t i a n 等提出了合理计算滤失量的方法【3 1 ，并指出当a p i 滤失量低于5 0 毫升3 0 分钟时，窜 流的可能性将会减小，水泥石的渗透率也会降低。 1 9 7 6 年，g a r c i a 和c l a r k 指t 4 j ，通过噪声测井，可以对注水泥后的水泥浆进行追 踪，进而估计水泥浆泄漏及窜曹等问题。如果水泥浆出现大量滤失，并在活跃地层流 体上部形成桥堵，那么，桥堵以上的水泥浆静液压力将不能传递到下部，导致井内有 效浆柱压力降低，从而发生窜流。 1 9 7 6 年，s w p i 以刘崇建为代表的固井试验小组，组装了水泥浆失重及气侵装置， 开始水泥浆失重机理和窜流发生机理进行系统的研究【5 1 ，在总结理论推导和实验结果的 基础上指出：水泥浆失重的主要原因有井壁悬挂、颗粒沉落、体积收缩，而且不同的 原因在不同的阶段起主要作用。在水泥浆凝结初期，井壁悬挂及质点沉落作用强，失 重速度快；在中期，则主要是浆体内部结构力的增加，阻止了浆柱压力的有效传递以 及水化体积收缩造成压力下降；在后期，水泥浆逐渐接近固态，发生压力圈闭，则主 要是由于浆体继续水化发生的体积收缩引起压力下降。压力下降的程度，在终凝以后， 在封闭情况下，可以降低到零或负值，在油田实际情况下，水泥体内剩余压力将随地 层情况而变。由水泥浆失重引起的压力下降是气侵发生的主要原因；气侵发生的时间 一般在初凝前的一定时间；气侵发生的条件是，气体侵入除了要克服当时的静液压力， 还要克服水泥浆内部的结构阻力，并提出了窜流发生逻辑关系式方程( 1 5 ) p n 下： ip m - t - p 。+ p ， p p不气窜 式中水泥浆以上流体液柱压力； 阢水泥浆有效浆柱压力； p ，地层流体侵入阻力； p 。地层流体压力。 同时还探讨了水泥浆自由水对气侵形成的影响，指出自由水的运移和聚集可以形 成自由水通道，有利于气体的侵入。提出了使用内部结构快速增长的水泥( 直角稠化 水泥) 、膨胀水泥、低自由水水泥以及双凝水泥、环空加压等一系列防窜工艺技术。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 9 7 7 年，c o o k e 和c u n n i n g h a m 提出了与c r i s t i a n 类似的计算合理滤失量的方法， 用于分析气体侵入量【6 】o 1 9 7 9 年，w e h s t e r 和e i k e r t s 指出【7 】，c o o k e 和c u n n i n g h a m 计算合理滤失量的方法 基于流体方程，忽略了钻井过程中泥饼、内泥饼以及其它固相颗粒进入地层对滤失量 的影响，过分强调了水泥浆滤失量的重要性。通过模拟实验，又指出浆体自由水的测 定，应该在4 5 度倾斜角的情况下进行。 1 9 8 0 年，c o m p l a k 和w b e e c r o f i 研究了a l b e r t a 地区东南部油田及s l a v e 湖地区的生 产井初次注水泥气窜问题【9 1 。 1 9 8 2 年，s a b i n s 、t i n s l e y 和s u t t o n 进行了气窜潜能分析，其中包括用静胶凝强度计 算潜压力损失极限【8 1 。 同年，s a b i n s 等提出了估计气窜可能性参数“过渡时间 的概念【1 0 1 ，在这个时期内， 水泥浆既不是完全的的液态也不是完全的固态，浆体失去了部分传递压力的能力。当 水泥浆的静胶凝强度足以传递全部静液压力时，过渡时间开始，此时水泥浆的静胶凝 强度为4 8 帕，当水泥浆的静胶凝强度足以阻止气体沿水泥柱窜入时，过渡时间结束， 此时水泥浆的静胶凝强度为2 4 0 帕。讨论了利用过渡时间及静胶凝强度来预测环空气窜 和评价防气窜剂的方法。并指出，对防止气窜而言，2 4 0 巾f l 的胶凝强度就够了。 1 9 8 4 年，s u t t o n 、s a b i n s 并1 p a u l 发表论文讨论了窜流潜能因子【l l 】，对v e r m i l l i o n5 0 区海湾沿岸的t e n n e c o 中心海湾区域的1 5 口井的现场实验数据与研究结果进行了对比。 1 9 8 7 年，p a r c e v a u x 等人提出水泥颗粒在凝结初期和具有一定胶结性的土壤颗粒比 较相似，于是利用其间的相似性，从理论上推导出了水泥浆柱压力降与胶凝强度之间 的关系【1 2 1 。关系式方程( 1 6 ) 立1 1 下： 尸：一4 s g s x l ( 1 6 ) ( q 一砬) 式中 p 一水泥浆静胶凝强度发展引起的压力损失，单位m p a ； s g s 水泥浆静胶凝强度，单位m p a ： l 环空水泥浆长度，单位m ； d 。井眼直径，单位m m ： d 套管直径，单位m m 。 第一章绪论 1 9 8 9 年，b e i r u t e 和c h e u n g 提出一种方法，按比例缩小油井参数，在试验室内模拟 实际情况来做气窜问题试验【1 3 】。这种方法建立在一套模拟静胶凝导致压降的设备基础 上。 1 9 9 6 年，江汉石油学院孙展利提出【h 】，水泥浆体系是沉降不稳定的多相粗分散体 系，沉降失重是水泥浆失重的主要原因，并用不带胶凝的石英砂浆进行了论证。 1 9 9 9 年，m o o n 和w a n g 展示了一种声波测定水泥浆静胶凝强度的仪器 1 5 】。随着水 泥浆静胶凝强度的发展，高频声波信号穿过水泥浆后的衰减率降低，其幅度的变化也 与水泥浆的静胶凝强度有关。 2 0 0 2 年，n i s h i k a w a 和w o j t a n o w i c z 尝试模拟和分析水泥浆体积收缩的首要原因 井下液漏失造成的瞬时压力下降【l6 。 同年，丁士东、张卫东分析了固井后环空气窜的原因、途径及其危害，阐述了国内 外固井环空气窜预测、水泥浆防气窜性能评价和室内模拟实验方法【1 7 】，综述了近几年 来国内外防气窜水泥浆体系和工艺技术，提出了今后防气窜固井技术研究的建议。 2 0 0 4 年，t i r a p u t r a 等人通过实例介绍一种溶解导向法解决气窜问题【1 8 1 。 2 0