（油气井工程专业论文）钻井液对固井质量的影响及技术对策.pdf

t h ei m p a c to fd r i l l i n gf l u i d st oc e m e n t i n g q u a l i t i e sa n dt e c h n i q u es o l u t i o n s d o n gx i a o - q i a n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db yp r o f e s s o rq i u z h e n g - s o n g a b s t r a c t i ti sn od o u b t e dt h a tt h ed o u b l ei n t e r f a c e so fc e m e n t i n ga n dt h ec e m e n t i n g s t r e n g t hh a v ed i r e c t l yi m p a c t e do nt h ep r o d u c t i o nb e n e f i t sa n dt h ew e l l 1 i f ei n o i l f i e l d n l ea s s e s s m e n to fc e m e n t i n gq u a l i t i e so fo i lw e l lc a nb eq u a n t i f i e db y t h ef i r s t i n t e r f a c ea n dt h es e c o n d - i n t e r f a c e e s p e c i a l l yt ot h el a t t e r , w h i c hi sm o r e i m p o r t a n t a f t e rt h es t u d yo ff i e l dd r i l l i n gm a t e r i a l s i ti sf o u n dt h a tt h e r ea r e m a n y f a c t s m a yi m p a c t t h ec e m e n t i n gq u a l i t i e s ，a n ds o m eo ft h e m ，t h e c o m p o n e n t sa n dc h a r a c t e r so fd r i l l i n gf l u i d sa n dp r e f l u s ha r ec r i t i c a le l e m e n t st o c e m e n t i n gq u a l i t i e s b a s e do nt h es t u d yo fc e m e n t i n gp r o b l e m so fd o u b l ei n t e r f a c e sa n dt h ef i e l d d r i l l i n gm a t e r i a l s t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st od e v e l o p et h em e t h o do f a s s e s s i n gt h es e c o n di n t e r f a c ec e m e n t i n gs t r e n g t ha n dt e c h n i q u es o l u t i o n st o e n h a n c ec e m e n t i n gq u a l i t i e s a f t e rl o t so fe x p e r i m e r i t s ，ak i n do fs i l i c a t e & a l c o h o ld r i l l i n gf l u i da n dan e wt y p eo fp r e f l u s hh a v ed e v e l o p e dw h i c ha r eg o o d a ti n t e r f a c e c e m e n t i n gs t r e n g t h , b yt h en e wf a c i h t i e sa n dn e wd e v e l o p e d e x p e r i m e n tm e t h o d so f w a s h i n ge m c i e n ta n dc e m e n t i n gs t r e n g t hb e t w e e ns l u r r y a n df o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t , i ti sf o u n dt h a tt h eo p t i m u m s i l i c a t e & a l c o h o ld r i l l i n gf l u i di sg o o da tt h ec h a r a c t e ro fr h e o l o g i c a lp r o p e r t y , a n t i - c o n t a m i n a t i o n , l o wf i l t r a t i o ne t c t h en o n i o ns u r f a c t a n tp r e f l u s hc o u l d w a s ht h em u dc a k ee f f i c i e n t l y , w h i c hi sa d h e r e dt of o r m a t i o n m e a n w h i l ei ta l s o m a k et h ed e c r e a s eo ft h es e c o n d i n t e r f a c ec e m e n t i n gs t r e n g t hi nl o w e rl e v e l c o m p a r e dw i t ht h ep r e f l u s hs w qw h i c hi su s e di nt h es h e n g l io i l f i e l d ，t h e n o n i o ns u r f a c t a n tp r e f l u s hh a sm o r es o p h i s t i c a t e dc h a r a c t e r s k e yw o r d s ：s e c o n d - i n t e r f a c e ，c e m e n t i n gq u a l i t y , s i l i c a t e & a l c o h o ld r i l l i n g f l u i d ，p r e f l u s h ，c e m e n t i n gs t r e n g t h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油大学或 其它教育机构的学位或证书雨使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 删年 只z 7 e l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 御年f - 月z 7 日 0 ，缉厂月，7 日 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 对石油工程中的固井作业来说，界面环境复杂，影响因素多，界面胶 结强度对工程质量的影响很大。固井的双界面胶结质量及强度直接影响油 井的使用寿命和开发效益已是一个不争的事实。特别是在开发后期的调整 区块，层系细分，产层薄、隔层薄，通常还要采取增产措施后才能进行生 产，对固井界面的胶结质量要求更高。因此，随着油田开采强度的加大， 对封固界面抗冲蚀破坏性能要求越来越高，迫切需要解决影响界面胶结质 量的各种问题，特别是流体渗流条件下的界面胶结强度的建立和保持问题。 界面胶结强度往往是固井整体结构强度的关键l l j ，固井质量的好坏由第 一和第二界面的胶结质量来评价，尤其是第二界面的胶结质量更重要。影 响第二界面的胶结质量的因素很多，其中钻井液、完井液的性能和组成是 重要的影响因素之一，但人们一直以来对这方面的研究重视程度不够。 越来越多的工程实践表明，对于石油工程中的固井和挤堵作业涉及的 界面胶结质量和强度问题，仅仅局限于圃井液体系的改进完善是很不够的， 要想真正实现技术上的突破，就必须开展胶结界面微观结构的基础研究工 作【2 1 。国内外已越来越重视固井界面的研究工作，认为界面胶结质量是影响 油气井使用寿命的关键因素。固井界面封固失效，会降低开发效益引起 环保( 污染地下水源) 和安全( 天然气窜到地面) 的危害例。深入开展固 井界面的研究工作，能够透过新的视点研究固井胶结质量问题，创新性地 提出强化界面胶结强度的途径，在相关领域发展新型的工艺技术，这对全 面提高固井工程和油水井堵漏的界面胶结质量，适应油田开发的各种特殊 要求，提高油气井使用寿命、保护油气层和提高开发效益有重要意义。 在钻井过程中，由于封固段井壁不稳定造成井眼扩大，高渗透地层存 在厚泥饼，特别是调整井钻井过程中的堵漏施工使得井壁上糊满了堵剂与 钻井液的疏松混合物，造成固井液固化体与井壁不能牢固胶结，固井后常 常出现油气水窜等严重问题，造成固井失败。 本文针对大港油田固井质量问题，对常用钻井液对固井质量的影响进 行分析，重点对硅醇钻井液进行了配方优选和性能评价，同时利用新研制 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 的动态高温高压滤失仪、水泥浆养护器等实验仪器，以及基于仪器所建立 的评价二界面胶结强度和冲洗效率的实验方法，对二界面的冲洗效率和胶 结强度进行了实验研究，优选出了非离子冲洗液配方。与现场冲洗液配方 对比，该非离子型冲洗液配方具有冲洗效率较高，二界面胶结强度损失小 等特点。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻井液对固井质置的影响分析 第2 章钻井液对固井质量的影响分析 固井液与钻井液泥饼实现整体固化胶结一直是石油工程界期待解决的 重大技术难题。固井液与泥饼固化胶结是解决固井质量的关键问题，也是 实施高难度复杂井固井的技术要求，对提高固井质量、延长油井寿命非常 重要，其中钻井液组成及性能是影响固井质量的重要因素之一。 2 1 固井质量的影响因素 2 1 1 井眼形状 众所周知，不规则的井眼形状是由多种因素的影响造成的，其横剖面 呈不规则的椭圆形或葫芦形，纵剖面呈锯齿形。这种不规则的井眼形状， 主要影响后续施工过程中冲洗液冲洗残存泥浆的顶替效率，在井眼的扩大 部分，残留着钻井液和滞留的钻屑，因而使水泥浆不能与井壁直接胶结而 影响固井质量。 描述井眼的真实形状在目前的检测技术条件下还存在着困难。现场井 径的测量值是平均值，平均井径扩大率仅作为计算水泥浆量的依据，最大 井径扩大率也仅反映某井段的最大井径值，都不能反映井眼的真实状况。 因此，改善井眼形状，使井眼的横截面近似圆形，纵剖面减小锯齿形使井 壁光滑平整，为固好第二界面创造一个良好的井筒条件。 改善井眼形状的研究是提高第二界面封固质量的重要研究内容，影响 井眼形状的因素主要在于地质因素和钻井过程中的工艺技术因素两方面。 地质因素 地层特一i 生t 4 1 包括储层渗透率、地层水、孔隙压力、隔层渗透率、隔层厚 度、破裂压力等。地质因素中地层构造应力影响最大，研究地层的构造应 力对井壁稳定的影响规律，研究相应的措施，减少和消除这种影响，使井 壁保持稳定，防止井壁坍塌，使井眼有一个好的形状，有利于提高第二界 面的封固质量。 地层岩性也严重影响着井眼的形状。在胶结致密的砂岩中钻成的井眼 形状比在泥岩层中钻成的井眼规则得多，在岩盐层中钻进形成的井眼还会 缩径。研究地层岩性影响井眼形状变化规律并研究相应的工艺技术措施， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻井液对固井质量的影响分析 减少其影响，以保持良好的井眼状态。 工艺技术因素 钻井过程中的工艺技术措施在小范围内或局部井段也对井眼形状产生 较大的影响。如钻头的类型选择，牙轮钻头和p d c 钻头在相同条件下所钻 成的井眼较刮刀钻头的井眼形状规则，在钻井中使用喷射钻头时停留在某 井段循环钻井液。长时间冲刷也会使井壁坍塌，井身质量欠佳，形成严重“狗 腿”的井段或形成键槽的井眼形状等。 钻井液性能及类型影响井眼形状的主要是钻井液的滤失量及其性质、 低滤失量的防塌钻井液，能防止泥岩井壁坍塌，保证形成规则的井眼。 2 1 2 井壁的状态 在钻进中，钻井液滤失量及泥饼质量也是影响固井质量的主要因素之 一。提高井壁泥饼质量可提高水泥环与井壁的胶结强度。但从调研资料来 看，由于钻井液滤失量均为5 m l 左右，泥饼厚度均为o 5 m m 左右，故调研 资料无法体现两者对固并质量的影响。因此，开展提高泥饼质量的研究是 提高固井“第二界面”胶结强度的重要手段。 影响泥饼形成质量的主要因素有两个： 地层岩性 地层岩石的孔隙度与渗透性是形成泥饼的基本条件，在压差作用下， 渗透性好的砂岩在井壁上所形成的泥饼好于泥岩，在泥岩层的井壁上很难 形成坚实致密的泥饼。非渗透泥浆技术的运用，可望取得理想效果。 钻井液的类型 不同钻井液类型所形成的泥饼质量有很大的差异，在研究提高“第二 界面”封固质量时，必须研究能有效提高泥饼质量的钻井液体系。 2 1 3 水泥石的影响1 5 在水泥水化过程中，水泥熟料在与水发生化学反应后的产物的体积比水 化前的总体积减小，而且纯水泥水化的体积收缩率可高达5 。水泥石体积 收缩不可避免地导致水泥石与套管、水泥石与井壁两个界面的胶结强度降 低。图2 1 为大港油田实测水泥浆用时与固井质量的关系。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻井液对固井质量的影响分析 6 0 5 0 1 三4 0 篚3 0 媒 赠2 0 * 1 0 0 5 0 - - 7 0 9 0l ： !l 3 04 05 07 08 09 0 1 0 0 圈井质量分级 图2 1水泥浆用时对固井质量的影响 由图2 - 1 可以看出，在注水泥浆的施工用时( 如图2 1 纵坐标所示) 低 于3 5 m i n 时，水泥浆用时与固井质量之间没有明显的对应关系。但若水泥 浆用时大于3 5 r a i n ，反而不利于固井质量的提高。 2 1 4 地层内流体的影响 地层内流体侵入井筒水泥环对固井质量的严重影响，地层内的流体首 先通过滤液侵入泥饼、水泥环而到达第一界面。第一界面质量不好，第二 界面质量肯定不会好。如果能保证第二界面的胶结质量，那么第一界面的 胶结质量也就有了保障。阻止地层内流体侵入井筒环空和水泥环是提高第 二界面胶结质量的根本保证。 肖志兴等【6 】人利用水渗流模拟装置，进行了室内实验研究。实验装置主 要由外套、模拟岩心、环空( 水泥环) 、套管、声幅仪、数据采集系统等部 分组成。 高压层固不好井由两种情况决定订1 ，一是水泥浆静压本身没有压稳， 滤饼被破坏，发生水窜，二是失重过程中没有压稳，前者与地层有很大关 系，后者与固井水泥浆、二界面的密封( 阻抗) 有关；低压层固不好井同 样是由于滤饼被破坏，使水泥浆失水量过大影响水泥浆正常凝固。 2 2 钻井液对固井质量的影响分析 2 2 1 钻井液密度对固井质量的影响 图2 2 为现场调研( 大港油田统计资料详见附录二) 钻井液密度和油层 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻井液对固井质量的影响分析 压力系数差与固井质量的关系。 5 0 一7 0 9 0 =意 j 耋 i：三 王 i i 3 0 4 0 5 06 07 08 09 01 0 0 固井质量分级 图2 2 钻井液密度和油层压力系数差与同井质量的关系 由图2 2 可以看出，在固井过程中保证井简内液柱压力大于地层流体压 力的前提下，在钻井液密度与油层压力系数差小于o 5 以内，钻井液密度与 油层压力系数差值的大小与固井质量之间没有明显的对应关系；但差值太 大，反而不利于提高固井质量，原因可能是差值太大导致泥饼变厚所致。 2 2 2 钻井液粘度对固井质量的影响 漏斗粘度的高低可影响钻井液在环空中的流态及滤失量高低。图2 3 为钻井液漏斗粘度与固井质量的关系。 s o l： ； - 7 0 i 8 一： ； l ； i 耋 3 0 4 05 06 0 7 08 01 0 0 固井质量分级 图2 - 3 漏斗粘度对固井质量的影响 由图2 3 可以看出，若漏斗粘度在5 0 s 之内，则与固井质量之间也没有明 显的对应关系。若漏斗粘度高于5 0 s ，不利于提高固井质量，原因可能是漏 6 8 7 6 5 4 3 2 l o o o o 0 o o o o ：； 帖 如 弘 *越棼开薯 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻井液对固井质量的影响分析 斗粘度太大导致钻井液对泥饼的冲刷不充分，造成泥饼变厚。 2 2 3 钻井液类型对固井质量的影响 不同钻井液类型所形成的泥饼质量有很大的差异，泥饼性能关系到井 壁稳定而且也严重影响固井二界面的胶结质量，钻井液泥饼质量差是致命 弱点皤1 ，因此在研究提高“第二界面”封固质量时，必须研究能提高泥饼 质量的钻井液体系。 泥饼压缩性评价方法f 9 】： 测定泥饼压缩性，常用的有泥饼渗透率法、泥饼针入度法和二次失水 法。 泥饼渗透率法、泥饼针入度法、两次失水法三种方法各有利弊，泥饼 渗透率法根据达西定律建立的，泥饼渗透率法从本质上阐明了泥饼的可压 缩性，但是要不损坏泥饼而又精确的测量泥饼的厚度存在一定的难度和较 大的误差，实验操作也较麻烦；泥饼针入度法利用针入度仪能够定性判断 泥饼的可压缩性，其针入深度一强度关系曲线比较直观，不足之处是尚未 量化，不易于表达；两次失水法是国外最早采用的，该方法操作简便，直 观性较好。 泥饼渗透率法：在常温和高温用钻井液配方在低压下静滤失3 0 分钟形 成泥饼，倒出钻井液( 不取出泥饼) ，冲洗干净后，加入蒸馏水至刻度线， 顺次测定在低压和高压下3 0 分钟静滤失量，再将压力降至低压，测定3 0 分钟静滤失量以及相应的泥饼厚度，根据达西定律计算出泥饼渗透率k 作 为评价泥饼压缩性的指标。 泥饼针入度法：在常温和高温，不同条件压力下，钻井液滤失3 0 分钟 后，卸压取出泥饼测出泥饼厚度，然后用泥饼针入度仪测定泥饼针入深度， 同时通过记录仪绘制出泥饼厚度一泥饼强度关系曲线。 两次失水法：该方法即是对同一种钻井液分别作两次失水实验，在压 力一失水量坐标图上连接成线，根据斜率来判断泥饼的可压缩性。分为不 换钻井液两次失水法与换钻井液两次失水法。 泥饼结构物理模型l ”j ： 泥饼的结构可以根据其强度及密实程度的不同，自上而下分成虚泥饼、 可压缩层泥饼、密实层泥饼及致密层泥饼，建立泥饼的层状结构物理模型， 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻井液对固井质量的影响分析 如图2 4 所示： 图2 4 泥饼的层状结构物理模型 泥饼厚度理论模型： 根据泥饼层状结构理论模型，可把泥饼分成性能相异的四层，即虚泥 饼层、可压缩层、密实层和致密层，后三层又统称为实泥饼层，如图2 5 所示。周风山等人【1 1 】认为对泥饼的真实厚度和最大强度的影响最主要的因 素是泥浆中的固相颗粒及其粒度分布。第一层泥饼的厚度称为虚泥饼厚 ( h f ) ，后三层的厚度之和统称为泥饼实厚( h t ) ，泥饼的总厚度( h 。) 即 为虚厚与实厚之和：h a = h # h t 。在冲洗液对井壁泥饼冲洗后，虚泥饼被冲 洗掉，只有实泥饼存在于井壁上，所以从研究提高固井质量的角度出发， 对固井质量有意义的是对实泥饼的研究。但对诸如缩径、压差卡钻等问题， 因多发生在泥浆不循环的时候，此时应当测量静态失水泥饼的总厚度( 包 括虚厚) 。 图2 - 5 泥饼层状结构理论模型 泥饼的渗透率、孔隙度、厚度等性质是控制滤液进入地层的关键物理 量。高渗透泥饼，不仅导致泥饼增厚，减少井径，增大钻杆扭矩，引起卡 钻等事故，而且将导致大量滤液进入地层，引起严重的地层伤害，减少产 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻井液对固井质量的影响分析 能。马喜平等人n 2 3 应用等效渗流阻力原理通过达西公式对动泥饼渗透特性 进行了研究，提出了动泥饼渗透率测定方法，公式如下所示， k 。：l ，( 生兰丑k ) ( 2 。1 ) 。 k 。 k 。 式中l 。一岩心长度，e m ； k 。一污染后介质( 人造岩心) 水测渗透率，岬1 2 k 。一带泥饼介质水测渗透率，岫2 ； 磁一动泥饼渗透率，岬2 。 2 2 4 钻井液作用时间对固井质量的影响 钻井液对油层的浸泡时间越长，滤失量越大，对地层岩石的影响越大。 若钻井液静止浸泡的时间越长，附着在井壁上的泥饼越厚，对二界面的胶 结强度影响就越大。从图2 - 6 可以看出，当钻井液对油层浸泡时间小于l o o h 时，固井质量良优，钻井液对油层的浸泡时间越长，固井质量变差，当钻 井液对油层的浸泡时间达到3 0 0 h 以上时，固井质量差。 4 0 0 厘 智3 0 0 翅 莲z 0 0 震 茛l o o o ： ： 1 0 5 0 i i a 制；| ! ； 3 0 4 0 5 0 6 0 7 08 0 9 01 0 0 固井质量分级 图2 - 6 油层浸泡时间对固井质量的影响 2 3 提高固井质量的技术对策 通过控制钻井措施、钻井液和前置液以及固井液性能，保证井身质量、 井眼轨迹平滑、顶替效率高、固化井壁泥饼等，可以达到提高二界面胶结 质量的目的。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻井液对固井质量的影响分析 2 3 1 钻井方面 2 3 1 1 轨迹控制 直井段要防斜打直，造斜段要增斜平稳，避免井斜度大于5 0 c 3 0 m ，增 斜段要根据地层特征与钻具组合的特点来控制方位和井斜，使井眼轨迹平 滑，避免因狗腿度大于3 0 c 1 0 m 而被动扭方位和大幅度调整井斜工作。 2 3 1 r 2 井身质量控制 控制好钻井液密度，使用近平衡技术钻井，并控制滤失量小于5 m l ， 保证井壁稳定。起下钻遇阻并开泵循环时要上下活动钻具，避免钻具在同 一地方将井壁冲成“糖葫芦”等。 2 3 2 钻井液方面 ( 1 ) 使用强抑制性钻井液体系，使体系很好的抑制防塌性和较强的降 滤失性，能很好的防止缩径、井壁垮塌掉块，而形成“糖葫芦”并眼。 ( 2 ) 使用特殊的钻井液体系 应用m t c 固井技术，国内外对m t c 固井技术进行了大量的研究n 4 ”】。尽管由于种种技术限制m t c 固井技术没有在国内外油田广泛应用，但 m t c 固井技术解决固井双界面的技术思路对我们进行界面微观结构的研究 和提出切实可行的提高界面胶结强度的措施是有极其重要的启示的。 2 0 世纪9 0 年代中期，美国壳牌石油公司研究开发出钻井液转化水泥浆 技术之后，随即又开发出了多功能钻井液和高密度矿渣固井液技术，即在 水基钻井液中加入具有活性的高炉水淬矿渣，固井时在激活剂渗透和扩散 作用下，使附着于井壁岩石上的泥饼和未顶替干净、残留在环空的钻井液 参与水泥水化反应和凝结固化。 无渗透钻井液( n i f ) 是近几年来发展起来的一项钻井液新技术，其核 心是一种由改性聚合物组成的混合物，它由在水和油中具有不同溶解度的 成分组成( 即混合物包含不同h l b 值的聚合物) 。当把它加入水基钻井液 中时，混合物中的一些聚合物溶解，与许多传统添加剂类似，用来控制滤 失。由于亲油特性，其他一些聚合物部分溶解；这些聚合物形成可变形的 聚集体或胶束( 胶柬是溶液中分子的集合，它们聚集在一起形成微小的球、 捧或板) 。这些胶束能在孔喉和微裂缝处快速形成渗透率很低的封堵层，只 有非常有限量的流体侵入。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻井液对固井质量的影响分析 对于传统的钻井液，滤失量是时间平方根的函数，但无渗透钻井液的 滤失量是有限的，并不是连续侵入，这是它与所有传统钻井液的不同点。 n i f 是一种新型钻井液，具有超低固相含量( 小于1 0 p p b ) ，它的封堵过程 是利用独特的表面化学原理，在地层表面产生一层不渗透的薄膜。与传统 的桥堵地层的方法相反，n i f 封堵地层是靠钻井液中颗粒间的吸引力。这些 颗粒是在过平衡压力下当流体被迫侵入岩石时聚集在岩石表面上的。这种 特性使它可以用相同的组成封堵不同孔隙大小分布的地层。 由于其无渗透特性的特征，具有很好的稳定并壁、维持井眼规则的作 用，有利于提高固井过程中的项替效率；同时，无渗透封隔层的形成可以 阻止固井过程中的水泥浆失水，防止水泥浆因失水而出现的失重现象，防 止固井过程中的气窜现象。 2 3 3 固井方面 2 3 3 1 提高顶替效率 ( 1 ) 井眼准备 一个清洁、稳定、合格的井眼是提高固井水泥环第二界面胶结质量的 首要条件，为了改善并眼状况、提高顶替效率，必须进行充分的井眼准备。 下套管前进行通井，必须每隔3 0 6 0 m 短程起下钻一次，并开泵循环 泥浆( 环空返速l m s 。以上) ； 下套管后，调整泥浆性能，适当降低泥浆的静切力、屈服值和塑性 粘度，大排量循环2 3 周，以确保井眼内岩屑消除干净及泥浆性能均匀稳 定： 对于渗漏井段，在最后一周循环时，打入单向压力封闭剂，以保证 注水泥作业顺利实施。 ( 2 ) 套管居中度 提高套管居中度的方法是加双弓弹簧扶正器，并由套管重量、井斜大 小和扶正器启动力确定扶正器的最佳安放位置，增加环空窄边间隙，使套 管与井壁的居中度大于6 7 。此外，在井眼很不规则、出现“大肚子”的 井段安放管外旋流式扶正器，在紊流作用下，从纵向和横向上对钻井液有 效冲刷，最大限度的减少井壁附近窝存的钻井液。另外，还可以利用套管 浮漂原理，提高套管居中度，其要点是顶替水泥浆时采用部分密度较低的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻井液对固井质量的影响分析 钻井液，碰压后，管内较轻的流体使管柱在压差的作用下产生向上的浮力， 减轻套管对扶正器的负荷，使套管更加居中。 ( 3 ) 活动套管 对于水平井，由于井斜较大，循环过程中，钻井液在狗腿度比较大的 地方，上返速度低，厚泥饼不易清除。尤其是下入套管后，由于套管的重 力性能，狗腿度比较大的井壁位于窄边间隙，厚泥饼更不易清除，影响第 二界面的胶结。所以下完套管后，在大排量循环钻井液的同时，通过上下 活动套管，可以增加狗腿度较大的井壁与套管之间的间隙，同时可以不断 改变钻井液上返的方向，提高钻井液对井壁的有效冲刷。同时固井时也可 通过上下活动套管，增加狗腿度比较大的井壁与套管之间的间隙，提高顶 替效率，最终提高第二界面的胶结质量。 ( 4 ) 使用泥饼刷 泥饼刷作为套管附件可根据井跟条件安装在套管串下部的任何位置， 与套管扶正器配合使用安全可靠。它可以清除井壁虚厚泥饼，极大地改善 井壁上的胶结环境，从而提高水泥环第二界面的胶结质量。 姚晓等人1 1 6 】用对比法进行冲洗效率r l 的评价，计算公式如式2 1 所示， n = 【( w i w ：) ( w l w o 2 ) 】+ 1 0 0 ( 2 - 1 ) 式中w o 一滤纸称重，g ； w i 一滤饼干重的一半，g ； w 2 - - 6 r m i n 的速度冲洗l o m i n 并晾干后的重量，g 。 2 3 3 2 提高前置液的性能 ( 1 ) 前置液的紊流作用。由于钻井液与固井液之间存在严重的胶凝作 用，因此固井前置液作为缓冲液，必须与钻井液有良好的兼容性。 隔离液紊动扩散顶替泥浆的机理f 研：隔离液的横向扩散，使隔离液与 壁面泥浆( 甚至窄间隙处的滞留泥浆) 发生强烈的掺混，进行高频率的质 量交换。质量交换的方式( 途径) 是：隔离液粒子由于强烈的紊动扰动而 进入泥浆滞留区，由此必然将相同体积的泥浆粒子排挤出泥浆滞留区，而 被排挤出的泥浆粒子部分又会像隔离液一样，再次进入泥浆滞留区，另 一部分会被向前流动的隔离液带走，如此反复下去，滞留泥浆会很快被隔 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻井液对固井质罨的影响分析 离液顶替干净。 ( 2 ) 增加前置液的接触时间。紊流顶替还不能保证良好的顶替质量， 除其它原因外，应考虑前置液和地层的接触时问。临界接触时间的定义是 地层在前置液紊流状态下良好的篪工时间。阿莫柯建议最短接触时间不少 于7 m i n ，最少行程在2 5 0 m 以上。 ( 3 ) 加强前置液对钻井液的冲蚀作用，破坏钻井液在井壁上形成的泥 饼。 在定向井钻井中，为了降低摩阻，普通使用混油泥浆体系，从而在泥 饼表面形成油膜，使并壁表面表现为油润湿环境，极不利于水泥与地层间 的胶结。为了克服这一不利因素，使用含有多种表面活性剂的前置液体系， 使井壁表面油润湿状态转变为水润湿状态，有利于水泥与地层的胶结。 2 5 宝2 0 莒1 5 旺 耀1 0 喇 埕5 0 3 04 05 06 07 08 09 0 l o o 同井质量分级 图2 - 6前置液用时对周井质量的影响 前置液用时越长，对钻井液和泥饼的作用越充分，清洗效果应越好， 越有利于固井质量的提高，但前置液对地层作用时间越长，对地层影响可 能越严重，因此存在对地层作用的最佳时间。从图2 - 6 可以看出，前置液用 时在1 0 m i n 左右时固井质量已经较高。 2 3 3 3 应用膨胀水泥 e a p a r c e v a u x “”等人认为水泥浆具有低收缩性和高弹性，再加上良好 的表面冲洗技术，就能够获得最理想的界面胶结质量。室内试验和现场实 践证明，水泥浆在水化硬化过程中体积会收缩，从而在水泥环两个界面上 产生微环隙，导致地层封隔不良。而膨胀水泥能有效地弥补水泥石的体积 收缩，增加水泥石两个界面的胶结强度。通过室内试验，苏北小油田选用 了s e p 2 型油井水泥膨胀剂，它能在水泥水化硬化的早期生成钙钒石晶体， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章钻井液对固井质量的影响分析 从而改变水泥石的微观结构，产生晶格膨胀使水泥石体积增大该膨胀剂 在使用时与水泥干混，加量通常为水泥量的2 3 ，从十余口井的使用效 果看，应用膨胀水泥能显著提高水泥环第二界面胶结质量。 2 3 3 4 其它方法 添加有高炉矿渣( b f s ) 的多功能钻井液，形成的泥饼除具有正常的性 能外，其中的活性物质还可被水泥浆的水化反应所激活而发生水化固化反 应，增强水泥环与地层岩石问的胶结能力，提高第二界面的质量。 d 1 3 c a r d n o i 钉等人发现硅酸盐泥浆对完井固井的胶结质量有较大的 改善，大大减少了l e n n o x 油l i t 的气窜问题。多元硅钻井液【i 川即在钻井液 中加入某些处理剂，钻井过程中能以液态或微颗粒态吸附在滤饼中，通过 离子置换参与界面上水泥浆的水化、胶结，并可与井壁围岩发生吸附、胶 结，增强滤饼与水泥环、围岩的亲和力，改进水泥环一滤饼一围岩的胶结 状态，就可达到提高二界面固井质量目的。 过氧化镁1 2 0 】在碱性环境中非常稳定，添加在聚合物基钻井液、完井液 或修井液中仍然保持稳定特性。由于过氧化镁是一种粉末状固体物质，因 此可以沉积在整个泥饼中。过氧化物被弱酸浸泡活化形成过氧化氢，用过 渡金属催化时会分解成氧和氢氧根( o i l ) ，这些强反应( o r ) 组分与耐酸 聚合物发生反应。用过氧化镁作为水基体系的破胶剂时可以大大改善以下 作业中的泥饼清除效果，因此可达到提高界面胶结效果的目的。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章二界面胶结强度评价方法研究 第3 章二界面胶结强度评价方法研究 为了有效评价不同钻井液体系及其添加剂对固并质量的影响，建立合理 的固井质量评价方法及实验程序至关重要。由于一界面固井评价方法比较 成熟，而二界面固井质量尚无完善的评价方法，为此本文集中研究二界面 固井质量的室内评价方法，并确定了以端面胶结和侧面胶结为基础的两种 实验方案，研制了相应的实验仪器，建立了相应较为完善的实验评价方法。 3 1 以端面胶结为基础的胶结强度评价方法 3 1 1 实验仪器 主要实验仪器为改进的动态h t h p 滤失仪、水泥养护器和压力机等。 ( 1 ) 动态h t h p 滤失仪 动态h t h p 滤失仪可测定钻井液在不同温度、不同压力和不同剪切速率 下的滤失性能，以便在岩心端面模拟形成滤饼，然后可进行滤饼与水泥浆 胶结实验和胶结质量测试；也可在进行钻井液滤失的基础上，考察前置液 对滤饼的冲洗情况及前置液对二界面胶结质量的影响。 改进的动态h t h p 滤失仪结构简图及实物分别见图3 。1 和图3 - 2 所示。 图3 1改进的动态滤失仪结构简图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章二界面胶结强度评价方迭冒堕 图3 - 2 改进的动态h t h p 滤失仪 改进的动态h t h p 滤失仪主要用于测定在模拟井下温度、钻井液压力与 地层压力间压差以及钻井液对泥饼的剪切作用下的钻井液滤失性能。实验 压差通过氮气瓶向釜体提供产生，装置模拟的压差最大为i o m p a 。温度模拟 由加热套实现，可控制在室温至1 5 0 。c 范围内。通过电机带动锥形转子实现 剪速模拟，主要模拟钻井液对井壁的冲刷作用，其模拟原理与锥板粘度计 原理相似。当锥形转子旋转时，下面的钻井液也随之旋转，从而给岩心和 滤饼施加一个剪切作用，剪切速率公式见式3 - l ： d ：塑( 3 1 ) t a n m 式中d 一作用在滤饼上的剪切速率； n 一锥形转子转速； d - - 锥形转子锥面与釜体底面的夹角。 从上式看出，钻井液作用于滤饼上的剪切速率只与n 和巾有关，与滤饼 处于釜底面的位置无关。由于公式推导中采用了假设，岩心的位置应尽量 远离锥形转子中心和周界，o 要适当。本装置模拟剪速可在1 0 0 0 s 4 以内变化。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章二晷面堕堕堕堡堡堕查鲨堑窒 夹持器 本实验仪器配置2 种不同的夹持器。 l 拌：能夹持直径2 5 4 c m 、长2 5 4 9 o c m 的岩心，可加恒定围压( o i o m p 幻； 2 撑：能夹持直径3 8c m 、长3 8 9 o c m 的岩心，可加恒定围压( 0 1 0 m p 小。 釜体 釜体下段开1 个夹持器接口，内容积4 0 0 0 m l 左右：釜体可加热升温， 温控稳定，温度在室温1 5 0 之间可调；釜体与搅拌器之间应密封良好， 在o i o m p a 范围内不漏。 搅拌系统 搅拌器在电机的带动下，可在o 1 0 0 0 m 范围内任意调整。 技术指标 工作压力：o i o m p a 工作温度：o 1 5 0 釜体容积：4 0 0 0 n l l 实验岩心尺寸：m 2 5 4 x 2 5 4 9 o c m ；d 3 8 x 3 8 9 o c m 软件设计 系统自检 实现系统的自检过程，如传感器设置与标定、通道设置及显示方式等。 实验选项 实现二个不同的实验选择：常规动滤失实验和非常规动滤失实验。 数据采集 建立实验档案：如实验名称、序号、岩心长度、岩性等；零点查询或校 准：实现压力、温度、转速等的零点查询；数据采集：显示所有要测试项 的数值与有关的曲线，如滤失量与时间、压力与时间等。 数据回放 能够实现采集数据的数据和曲线格式回放，既可以回放全部测试时1 日j 段 内的数据和曲线，又可以根据需要选择某段时间内的数据或曲线回放。 文件管理 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章二界面胶结强度评价方法j ! 壅 可方便地进行文件的储存、复制、撤除和打印。 ( 2 ) 水泥养护器 图3 - 3 水泥养护器 水泥养护器可以从侧面打开滤失实验完成后，取出带泥饼的岩心，将 其放入打开的养护器中，加入水泥浆，加压。然后将养护器放入恒温箱中 养护一定时间后进行剪切强度测定。 3 1 2 剪切强度测定 剪切强度测定见图3 - 4 。 岩心固定器 加压方向 l - - 1 图3 4 剪切强度测定实验仪 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章二界面胶结强度评价方法研究 岩心与水泥养护后放入岩心固定器中，然后按加压方向逐渐加压n - - 界 面破坏，记录二界面破坏时的压力，并计算剪切强度。 3 1 3 实验程序 ( 1 ) 岩心及钻井液准备 ( 2 ) 动滤失实验 实验温度、压力、滤失时间及剪切速卒视具体情况而定。 ( 3 ) 清洗液清洗 做完动滤失后，放掉钻井液，加入清洗液，在一定温度、压力及剪切 速率下清洗泥饼一定时间。 ( 4 ) 把带泥饼的岩心放入岩心夹持器，倒入水泥浆，在一定温度下固 化。 ( 5 ) 把固化好的岩心，水泥放入岩心固定器，进行抗剪切强度实验。 3 1 4 方法可靠性评价 为了评价仪器的可靠性，采用胜利油田h k - 1 井井浆进行了平行性实验， 钻井液性能、水泥浆性能及胶结强度实验结果分别见表3 1 和表3 2 。 表3 1 井浆及水泥浆性能 井浆性能水泥浆性能 2 4 h 抗压稠化 a vp vf l p失水量 强度时间 m p a s m p a sm l g c m ， m l 3 0 m i n m 咿a i t t i f f 4 03 16 51 2 51 52 0 01 6 8 注：水泥浆配方为：水灰比o “( g 级水泥) + i s w j 一1 + 0 4 分散荆+ 2 促凝剂 表3 - 2 平行性实验 l序号 l2 3 i 剪切强度，m p a 0 7 80 6 50 7 1 l误差率， 9 4 08 8 40 4 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章二界面胶结强度评堕塑堡堕窒 由表3 2 可以看出，三次平行测定的剪切强度平均值为o 7 1 3 m p a ，其 误差率小于1 0 ，说明此评价方法具有较好的精确度。 3 2 以环形胶结面为基础的胶结强度测定方法初探 3 2 1 实验仪器 主要实验仪器为动态h t h p 滤失仪和水泥养护器。 ( 1 ) 环状岩心动态h t h p 滤失仪 动态h t h p 滤失仪可测定钻井液在不同温度、不同压力和不同剪切速率 下的滤失性能，以便在岩心端面形成滤饼，然后可进行滤饼与水泥浆胶结 质量测试；也可在进行钻井液滤失的基础上，考察前置液对滤饼的冲洗情 况及前置液对二界面胶结质量的影响。 环状岩心动态h t h p 滤失仪结构简图及实物图分别见图3 5 和图3 - 6 。 图3 - 5环形岩心滤失仪结构简图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章二界面胶结强度评价方法研究 图3 - 6 环形岩心f a n9 0 滤失仪 容器 环形岩心 外径3 8 r a m ，内径2 6 m m ，壁厚6 m m 。 搅拌系统 搅拌器在电机的带动下可在0 1 0 0 0 r p m 范围内任意调整。 技术指标 工作压力：0 1 0 m p a 工作温度：o 1 5 0 岩心尺寸：外径3 8 m m ，内径2 6 m m ，壁厚6 m m 。 软件设计 系统自检 实现系统的自检过程，如传感器设置与标定、通道设置及显示方式等。 数据采集 零点查询或校准，实现压力、温度、转速等的零点查询；显示所有要测 试项的数值。 ( 2 ) 水泥养护器 2 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章二界面胶结强度疆塑垄望! 里堕 滤失实验完成后，取出带泥饼的岩心，将其放入水泥养护器中，在岩心 的环空中加入水泥浆，加压。然后将养护器放入恒温箱中养护一定时间后 进行剪切强度测定。 3 2 2 剪切强度测定 剪切强度测定见图3 - 8 。 图3 7 水泥养护器 水泥 岩心 养护器 二界面 水泥石 二界面 岩心 图3 8剪切强度测定实验简图 岩心与水泥养护后放入岩心固定器中，然后按加压方向逐渐加压到二界 面破坏，记录二界面破坏时的最大压力，并计算剪切强度。 3 2 3 实验程序 ( 1 ) 岩心及钻井液准备 ( 2 ) 动滤失实验 动滤失实验温度、压力、滤失时间及剪切速率视具体情况而定。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章二界面胶结强度评价方法研究 ( 3 ) 清洗液清洗 做完动滤失后，放掉钻并液，加入清洗液，在一定温度、压力及剪切 速率下清洗泥饼一定时间。 ( 4 ) 把带泥饼的岩心放入岩心夹持器，放入水泥浆，在一定温度下固 化。 ( 5 ) 把固化好的岩心水泥放入压力机上进行抗剪切强度实验。 3 ，2 4 方法可靠性评价 为了评价仪器的可靠性，采用胜利油田h k 一1 井井浆进行了平行性实验， 钻井液性能、水泥浆性能及胶结强度实验结果分别见表3 ，3 。 表3 3 平行性实验 l序号 l23 l l 剪切强度，m p a o 1 5 8o 1 3 20 1 3 9 l l误差率， 1 0 57 6 9- 2 8 0 i 由表3 3 可以算出，三次平行测定的剪切强度平均值为o 1 4 3 m p a ，其 误差率一般小于1 5 ，说明此评价方法具有较好重复性。 3 3 两种胶结强度测定方法对比分析 3 3 1 共同点 ( 1 ) 具有较好的实验重复性 由以上实验结果可以看出，端面胶结和环形胶结的两种测试评价方法剪 切强度平均误差均小于1 5 ，具有较好的实验重复性。 ( 2 ) 模拟不同的实验条件 两种测试方法均能模拟不同温度、不同压差及不同剪切速率下的钻井液 滤失过程及其对固井二界面胶结质量的影响。 ( 3 ) 实验结果评价具有相对性 两种测试方法均能模拟不同温度、不同压力及不同剪切速率下的钻井液 滤失过程及其对固井二界面胶结质量的影响，能够满足评价不同钻井液体 系或实验条件对固井二界面胶结质量相对影响性的大小的基本要求。 3 3 2 不同