水泥环完整性失效原因分析及应对技术(郭小阳)

1、2011年9月,水泥环完整性失效原因分析 及应对技术措施,汇报人：郭小阳,水泥环完整性概念 水泥环完整性失效原因分析 应对技术措施 结论与建议,汇报提纲,水泥环完整性概念,1、水泥环完整性定义,参考api.rp.90和挪威norsok标准d010钻井和作业的油气井完整性将水泥环完整性定义为：通过科学设计水泥浆体系并采取有效的技术措施，防止水泥环力学完整性和水力密封性失效，减少地层流体在井眼整个寿命期间无控制流动的风险，保证油气井安全钻进与开采。,组成：水泥环本体完整性、固井一二界面胶结质量,水泥环完整性简介,2、水泥环完整性研究的迫切性,墨西哥湾ocs地区不同套管层次带压,塔木里部分气田生产套

2、管带压,国内川渝地区、西气东输源头塔里木油田山前构造环空带压问题严重，美国墨西哥湾，加拿大油田环空带压问题同样严重，每年花费大量修井费用,水泥环失效，导致气体泄漏， 增加井口放压成本、危害环境、影响安全生产作业、油气资源浪费、补救费用高、可能造成整口井报废,水泥环完整性简介,2、水泥环完整性研究的迫切性,井筒完整性简介 水泥环完整性失效原因分析 应对技术措施 结论与建议,汇报提纲,水泥环完整性失效分析,1、高渗透水泥浆基体成为窜流通道,水泥浆候凝过程中气体可能通过高渗透水泥浆基体窜流，并形成难以修复的气窜通道,水泥环完整性失效分析,1、高渗透水泥浆基体成为窜流通道,气窜是一个破坏性渗流的物理过

3、程 气体侵入后留下难以修复气窜通道,常规密度水泥浆气窜试验 气侵危险时间气窜流量10.6ml/min 气窜压差9.8kpa 水泥浆渗透率173md,高密度水泥浆气窜试验 气侵危险时间气窜流量5.3ml/min, 气窜压差2.2kpa 水泥浆渗透率498md,气孔,气孔,水泥环完整性失效分析,2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏,井内钻井液密度变化、试压、酸压、采气引起井内压力变化，水泥环在高应力作用下可能发生塑性变形 当井内压力降低时，水泥石与套管壁、变形不协调，形成微环隙 当井内持续高压时，水泥石塑性变形超过极限变形，水泥石力学完整性破坏,水泥环完整性失效分析,2、井内压力变化造成水泥环完整

4、性破坏,储层岩石为灰岩，弹性模量29.086gpa，泊松比0.29，屈服强度60.32mpa 产层固井用90ss套管弹性模量206.9gpa，泊松比0.3，屈服强度620.7mpa 水平地应力80mpa 水泥石弹性模量10.1gpa，屈服强度49.6mpa，泊松比0.26,水泥石三轴应力应变测试,水泥环完整性失效分析,2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏,对一口4000m井，井内全部置换为清水时，内压为40mpa,一界面处水泥环von mises应力达到了最大值49.6mpa，发生塑性变形,一界面处水泥环发生塑性变形，最大应变0.0278%，对水泥环密封性能有一定影响,水泥环完整性失效分析,2

5、、井内压力变化造成水泥环完整性破坏,对一口4000m井，试压时，内压为70mpa,大部分水泥环von mises应力都达到了最大值49.6mpa，发生塑性变形,一界面处塑性应变达到了 0.131%，影响界面胶结质量,水泥环完整性失效分析,2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏,对一口4000m井，生产时，内压为100mpa,在高内压力作用下，整个水泥环von mises应力都达到了最大值49.6mpa,整个水泥环发生塑性变形，最大塑性应变0.254%，破坏水泥环力学完整性和水力密封性,水泥环完整性失效分析,3、射孔造成水泥环完整性破坏,射孔所产生的冲击作用导致水泥环震裂破坏，形成扩散微裂纹,非增

6、韧水泥射孔段裂缝1 非增韧水泥射孔段裂缝2,水泥环完整性失效分析,4、高温下水泥石强度衰退,常规加砂水泥浆体系在一个轮次蒸汽吞吐后，强度下降80%以上，渗透率也急剧上升，1个轮次后强度和渗透率基本趋于恒定 从养护后水泥石微观形貌可以看出，高温作用后水泥石基质的完整性、均质性遭到破坏,常规加砂水泥浆体系模拟多轮次蒸汽吞吐后性能图,加砂水泥石经模拟高温蒸汽吞吐后sem形貌图,水泥环完整性失效分析,5、酸性流体腐蚀水泥环,co2和h2s在湿环境下与碱性水泥环发生酸碱反应 腐蚀后的水泥石强度严重下降，渗透率急剧升高 水泥环腐蚀破坏后，井内管柱失去保护屏障 腐蚀形成窜流通道，造成气体泄漏,水泥石腐蚀,水

7、泥环完整性失效分析,5、酸性流体腐蚀水泥环,腐蚀后水泥石的抗压强度衰减率随着腐蚀气体分压增加而增加 混合气体的腐蚀强度损失大于单一气体，在单一气体中，硫化氢气体腐蚀强度损失大于二氧化碳气体强度损失 混合气体具有腐蚀协同作用，强度衰退率均达到50%以上,水泥石腐蚀后抗压强度变化,水泥环完整性失效分析,5、酸性流体腐蚀水泥环,腐蚀后孔隙度和渗透率明显减低，原因在于水泥石表面的腐蚀产物形成了致密层，使得在测试渗透率的时候试样两端的压差没有真实的表现出来，造成了腐蚀后的渗透率和孔隙度减小。,水泥石腐蚀后渗透率和孔隙度变化,水泥环完整性失效分析,5、酸性流体腐蚀水泥环,从宏观照片角度得出co2环境下水泥

8、石腐蚀程度较低 只要含有h2s腐蚀气体，水泥石均遭到腐蚀击穿,水泥石腐蚀深度,水泥环完整性失效分析,5、酸性流体腐蚀水泥环,1mpaco2,3mpaco2,水泥环完整性失效分析,5、酸性流体腐蚀水泥环,3mpah2s,6mpah2s,水泥环完整性失效分析,5、酸性流体腐蚀水泥环,1mpaco2 3mpah2s,3mpaco2 3mpah2s,水泥环完整性失效分析,5、酸性流体腐蚀水泥环,因腐蚀介质消耗了水泥石中的胶结相，生成了无胶结相、体积增大的腐蚀产物，使水泥石内部出现裂纹，并因淋滤、溶蚀等作用使水泥石中局部出现了较大的孔隙，导致水泥石抗压强度下降，渗透率升高，破坏了水泥环完整性,水泥石腐蚀

9、前后微观形貌,水泥环完整性失效分析,5、酸性流体腐蚀水泥环,腐蚀后水泥石物相组成变化,腐蚀前物相组成：氢氧化钙、（铁）铝酸盐、水化硅酸钙、二氧化硅等 腐蚀后物相组成：钙矾石、碳酸钙、硅钙石、碳硫硅酸钙、氯铝酸钙、水镁石等,水泥石腐蚀前物相分析,水泥石co2腐蚀后物相分析,水泥石混合气体腐蚀后 物相分析,水泥环完整性失效分析,6、固井一二界面封固失效,套管/水泥环界面一界面,水泥环/地层界面二界面,钻井液滤饼无法固化，影响界面胶结 顶替效率低，残留“死泥浆” 钻井液与水泥浆接触污染，形成难以 置换、无法固化的絮凝物质 水泥石体积收缩形成微环隙 固井一二界面封固失效导致气窜,水泥环完整性失效分析,

10、6、固井一二界面封固失效,常规水泥浆与钻井液泥饼之间无有效胶结，界面清晰,渗透性井壁处聚合物虚泥饼状态,钻井液滤饼无法固化，影响界面胶结,水泥环完整性失效分析,6、固井一二界面封固失效,顶替效率低，残留“死泥浆”,1#钻井液顶替效率和界面清洗模拟,2#钻井液顶替效率和界面清洗模拟,3#钻井液顶替效率和界面清洗模拟,4#钻井液顶替效率和界面清洗模拟,采用清水作为前置液分别顶替4种钻井液，顶替效率均只有80%左右， 顶部形成钻井液滞留区，底部钻井液“下沉”形成混浆区，界面胶结质量差,水泥环完整性失效分析,6、固井一二界面封固失效,钻井液与水泥浆接触污染,加入jy-1稠化曲线和拆浆杯照片,加入rlc

11、-101后稠化曲线和拆浆杯照片,加入dr-2后稠化曲线和拆浆杯照片,水泥浆和钻井液化学不兼容的主要原因是钻井液中某些处理剂引起水泥浆处理剂反向，凝胶效应导致浆体稠度迅速增大，稠化时间大幅度缩短，并非水泥浆真正凝结硬化,水泥环完整性失效分析,6、固井一二界面封固失效,水泥石体积收缩形成微环隙,水泥浆初凝前体积收缩主要表现为外观体积收缩，可能形成微环隙 初凝后水泥石具备一定强度，外观体积收缩受限，表现为微观体积收缩 初凝前体积收缩大小决定了形成微环隙的可能性,水泥石高温高压体积收缩,温度上升，达到初凝,水泥环完整性失效分析,6、固井一二界面封固失效,水泥石体积收缩形成微环隙,套管与井壁协调变形弥补

12、水泥石体积收缩,微环隙大小 d=（1200-sgsw）/1200hvr-ur(rw-rco),井筒完整性简介 水泥环完整性失效原因分析 应对技术措施 结论与建议,汇报提纲,应对技术措施,1、水泥石防腐设计,油井水泥组成：水泥材料的矿物与化学组分不同，必然使其水化产物的结构、性能以及水泥石的结晶组织结构发生变化，这些将直接影响高浓度h2s/co2对其的腐蚀速度，硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、磷酸盐水泥在耐酸性气体腐蚀能力方面存在较大差异 水泥石渗透率：通过制备高致密性的水泥石，减少水泥浆水化过程中的水化孔隙，进而降低水泥石的渗透率，能在一定程度上抑制高浓度h2s/co2的腐蚀速率。如使用sbr胶乳水泥

13、浆体系，该水泥浆体系由于胶乳在水泥石中成膜封堵水泥石中的孔隙，进而减低水泥石的渗透率，同时也阻隔了腐蚀介质与水泥石中易腐蚀物质的接触。,应对技术措施,1、水泥石防腐设计,游离ca(oh)2含量：腐蚀程度和 ca(oh)2的含量直接相关 可通过在水泥浆浆中加入活性物质如sio2，al2o3，发生火山灰反应生成c-s-h，结果使固井水泥石渗透率降低的同时，还能削弱和消除了溶蚀离子的交换源，增大了固井水泥石中胶结性组分的含量，故也能够能大大改善固井水泥石的抗腐蚀能力。常用的活性物质为火山灰、高炉矿渣、粉煤灰、硅粉、膨润土。,火山灰反应的水泥石,a结晶很差的c-s-h颗粒聚集体 hch六方结晶体 c开

14、始是由水分占据的空间没有完全被水泥水化产物填充 c-s-h火山灰反应生成的c-s-h,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,水泥浆防窜性能设计思路 低渗透率降低水泥浆气侵危险时间内渗透率，延缓气侵速率 短静胶凝强度发展过渡时间 减小气窜发生概率，缩短气体在水泥浆基体运移时间 低体积收缩率防止微环隙形成 高韧性降低弹性模量，提高塑性极限应变率，增强水泥石抗冲击能力，防止微裂纹形成,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,渗透率,渗透率指水泥浆处于气侵危险时间时（液塑状态）允许气体通过的能力，反映了水泥浆的抗窜能力，揭示气窜是破坏性渗流的物理过程。 气侵危险时间内渗透率越低，气体置换孔隙水越困难，气

15、窜速率就越 低，气窜破坏性就越小,owc0480型气窜仪,水泥浆气窜测试试验曲线,最高工作温度175c 最高工作压力7mpa 测量失重、气窜流量,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,1#水泥浆体系渗透率173md,2#水泥浆体系（提高稳定性，采用胶联聚合物，严格控制滤失速率）渗透率34md,3#水泥浆体系渗透率498md,4#水泥浆体系（提高稳定性，采用胶联聚合物，严格控制滤失速率）渗透率123md,气侵危险时间内渗透率,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,静胶凝强度发展过渡时间分析,静胶凝强度过渡时间是指sgs从48pa发展到240pa的时间，过渡时间越短，气窜可能性越小，气体在水泥浆基

16、体内运移时间越短，危害性越小 sabins认为防止气窜应将sgs过渡时间控制在40min内，国外学者认为防止浅层气窜临界sgs过渡时间应不超过45min,5265u型静胶凝强度分析仪,最高工作温度204c 最高工作压力137mpa 静胶凝强度发展,静胶凝强度测试曲线,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,静胶凝强度发展过渡时间分析,长期以来，固井界的专业人士普遍认为水泥浆高温高压稠化过渡时间，即水泥浆稠度从30bc过渡到100bc的时间越短越有利于防气窜。,高温高压稠化实验,静胶凝强度实验,动态条件,静态条件,稠化试验：水泥浆受到较高的剪切应力作用，粒子间形成的固体键很容易被破坏，无法继续连接

17、。水泥浆稠度的上升是固体键的生成速度大于剪切破坏的结果，是水泥浆水化速度加剧的表现。 静胶凝强度试验：水泥浆处于宏观静止条件下，在不受剪切应力作用下，水化物质微粒不断搭接聚集，逐步形成凝胶结构。,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,静胶凝强度发展过渡时间分析,三种过渡时间（稠化过渡时间、sgs过渡时间、初终凝过渡时间）没有直接关系,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,初凝前体积收缩率,水泥浆初凝前体积收缩主要表现为外观体积收缩，可能形成微环隙 初凝后水泥石具备一定强度，外观体积收缩受限，表现为微观体积收缩 初凝前体积收缩大小决定了形成微环隙的可能性,最高工作温度150c 最高工作压力90m

18、pa 检测水泥石温度、孔隙压力、 总体积变化,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,初凝前体积收缩率,1#水泥石初凝前体积收缩0.69%，水泥 石微观形貌疏松多孔,2#水泥浆加入微硅、晶格膨胀剂，初凝前 体积收缩0.53%，晶格膨胀结构致密,3#高密度水泥石初凝前体积收缩 0.24%，水泥石微观形貌疏松多孔,4#水泥浆加入微硅、晶格膨胀剂，初凝前 体积收缩0.21%，晶格膨胀结构致密,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,水泥石韧性对其力学形变能力的影响,胶乳、纤维及弹性颗粒材料橡胶粉的改性，均会降低水泥石抗压强度，但有助于提高其低应力水平下的形变能力，其中，三元复合改性水泥石的强度最低，但力

19、学形变能力最好。,原浆水泥石(15-1)、20%胶乳水泥石（16-1）、20%胶乳及0.5%纤维二元复合水泥石（17-1）、20%胶乳及0.5%纤维和2%弹性颗粒橡胶粉三元复合水泥石（18-1）、围压20mpa.,水泥石三轴应力-应变曲线,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,水泥石韧性对其力学形变能力的影响,水泥石三轴抗压试验测试结果,改性后水泥石的弹性模量较原浆水泥石下降20%50%，较大程度上增加了水泥石在弹性区内的力学形变能力，从表中也可以看出经聚合物胶乳、聚合物纤维及橡胶粉改性后的柔性水泥石力学形变能力最好。,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,破坏形式： 原浆水泥石碎裂；胶乳、纤

20、维及弹性颗粒改性后的水泥石塑性破坏，具有较大的力学形变能力,水泥石韧性对其力学形变能力的影响,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,水泥石韧性对其力学形变能力的影响,水泥石经加入胶乳、纤维及橡胶粉改性后，在各个循环中的总应变量和塑性应变量均大于原浆水泥石，其中三元复合改性水泥石在各个循环中的总应变均最大。 分析认为胶乳及橡胶粉的加入均不利于水泥石的弹性应变量，而纤维的加入却有利于增强水泥石的弹性应变量。,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,水泥石韧性对其抗冲击载荷的影响,聚合物胶乳、聚合物纤维xw及弹性颗粒xjf的加入均有利于提高水泥石抗冲击破坏的能力。,水泥石抗冲击试验,应对技术措施,2、

21、水泥浆防窜性能设计,水泥石韧性对其抗冲击载荷的影响,图 a,图 b,图 c,图 d,图 e,图 f,水泥石抗冲击载荷试验,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,水泥石力学完整性影响数值分析,水泥石力学参数测量,水泥环应力、应变分析,套管应力分析,地层岩石应力分析,水泥环力学完整性,将基质塑性化设计的水泥浆体系在100度20mpa下养护4周，在20mpa围压下开展三轴应力试验,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,水泥石力学完整性影响数值分析,储层岩石为灰岩，弹性模量29.086gpa，泊松比0.29，屈服强度60.32mpa 产层固井用90ss套管弹性模量206.9gpa，泊松比0.3，屈服强

22、度620.7mpa 水平地应力80mpa,生产期间内压40mpa时，最大von_mises应力39mpa，水泥环处于弹性状态,生产期间内压80mpa时，最大von_mises应力59mpa，水泥环处于弹性状态,应对技术措施,2、水泥浆防窜性能设计,水泥石力学完整性影响数值分析,生产期间内压100mpa，最大von_mises应力59.8mpa，水泥环处于塑性状态,生产期间内压100mpa，最大塑性应变仅为0.09%，小于极限塑性应变,生产作业期间，内压在40-100mpa变化时，水泥环塑性应变均小于极限塑性应变，不发生破坏 中等抗压强度、高韧性（低弹性模量、高极限塑性变形）水泥石有利于在高应力作用下保证水泥石力学完整性,应对技术措施,3、二界面整体固化胶结技术,采用非mtc法泥饼固化技术， 通过激活泥饼中潜在活性成分，实现二界面整体固化，提高界面胶结质量，消除窜流通道，为油气开采提供一个封隔良好的井筒。,应对技术措施,3、二界面整体固化胶结技术,二界面整体固化胶结原理 对钻井液改性，加入潜在活性成分，使泥饼能在激活剂作用下实现固化胶结 对固化工作液体系改性，加入激活剂及潜在活性成分，使水化反应过程中产生的水溶性离子的种类和数量满足泥饼固化作用 在压差作用下可激发水化反应的可溶性离子扩散渗透进入泥饼，激活其中活性成分，使泥饼