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1、本科毕业设计（论文）题目 固井二界面质量现状及实验技术研究学生姓名朱卫东 学号 0503010245教学院系 石油工程学院专业年级 石油工程05级指导教师 唐欣职称 讲师单位 石油工程学院完成日期 2009年 6月Southwest Petroleum UniversityGraduation ThesisQuality status of the second cementing interface and experimental techniques researchGrade: 2005Name: Zhu WeiDong Speciality: Petroleum Engineerin
2、g Or Oil/ Gas Storage and Transportation EngineeringInstructor: the second interface of cementingPetroleum Engineering College2009-6摘要固井质量一直是石油勘探开发中备受关注的问题，它对特殊工艺井钻井、油水井开采寿命和勘探开发效益有直接的影响。固井质量问题的最主要根源是固井二界面失效，因此对二界面胶结状况的研究是十分必要的。对二界面更深层更内涵更实用的概括和阐释为固井二界面封固系统，它是指由水泥浆、死泥浆、滤饼和地层壁面四部分构成的一个固化胶结整体。固井质量（主要是
3、二界面的胶结质量）影响因素众多，包括地层特性、钻采方面、水泥(石)浆以及其它方面。从微观上讲，二界面胶结质量主要存在两个问题：(微)环隙和(微)裂缝。文中我们介绍了从提高顶替效率、多功能钻井液的应用、前置液的应用、多功能水泥浆的应用和MTC技术的应用几个方面来改善二界面的胶结质量。评价二界面质量的实验方法多而杂，而且尚处于研究阶段，所以只对常用的VDL和SBT等方法做了简要介绍。关键词：固井；二界面；胶结质量；影响因素；实验方法。AbstractThe cementing quality is always in oil exploration and exploitation of conc
4、ern for special process, it is well drilling, oil Wells in mining exploration benefit and has direct influence. The cementing quality problem is the main source cementing second interface failure, therefore study second interface cementing is very necessary. On the second interface deeper connotatio
5、n of more and more practical interpretation for cementing second interface cementing system, it is constructed by slurry, die mud cake and stratigraphic wall, form a curing cementation overall . Curing cementation The cementing quality (mainly the cementing quality of the secondary interface) affect
6、ed by many factors, including the stratigraphic characteristics, drilling, cement slurry (stone) and other aspects. Microscopically speaking, the second interface cementing quality mainly has two problems: (micro)ring gap and (micro) ring crack. From the passage we introduced the methods such as to
7、improve efficiency, multi-function drilling fluid for the application, preflush application, multifunctional slurry application, and MTC technology application aspects to improve the quality of the secondary interface cementing. Evaluation of the quality of the secondary interface experiment methods
8、 are miscellaneous, and are still in the stage of study, so we only to makes a brief introduction for commonly used methods VDL、SBT.Keywords：Cementing；The second interface； Cementation quality；Influence factors；Experimental methods.目录1 绪论1.1 研究的目的与意义1.2 国内外研究现状1.2.1 基本概念1.2.2 顾军等提出的二界面封固系统及破坏模型1.2.3
9、 黄和福等对MTC技术的研究1.2.4 国内外振动固井技术1.3 主要研究内容2 二界面质量现状和原因2.1 固井质量影响因素2.1.1 地层特性对固井质量的影响2.1.2 钻采方面对固井质量的影响2.1.3水泥石(浆)方面对固井质量影响2.1.4 其它影响因素2.2 二界面质量现状和原因2.2.1 二界面质量现状2.2.2 原因分析3 提高二界面胶结质量的方法3.1 提高顶替效率3.1.1 紊流顶替和接触时间3.1.2 湿润反转3.1.3 套管居中度和活动套管3.1.4 泥浆触变性3.2 多功能钻井液应用3.2.1 活性矿物对钻井液性能的影响3.2.2 在钻井液中加入高炉水淬矿渣3.2.3
10、在钻井液中加入高分子化合物乳化液3.3 前置液的应用3.3.1前置液的作用3.3.2 前置冲洗液的作用机理3.4 多功能水泥浆的应用3.4.1 晶格膨胀水泥浆3.4.2 纤维水泥3.5 MTC技术的应用4 评价二界面质量的实验方法4.1 应用VDL综合评价一、二界面的胶结情况4.2 应用SBT全波信息评价二界面胶结质量4.3 固井二界面封隔能力评价谢辞参考文献固井二界面质量现状及实验技术研究1 绪论1.1 研究的目的与意义固井质量一直是石油勘探开发中备受关注的问题，它对特殊工艺井钻井、油水井开采寿命和勘探开发效益有直接的影响。目前油田固井质量的问题大致体现在四个方面：一是投产之后的层间窜问题；
11、二是固井后管外冒油气水问题；三是整个环空的“声变”问题；四是固井一界面的“声幅”问题1。但是无论哪一个问题，抛开射孔、压裂等开采作业的影响，可以说产生这些固井质量问题的根源都是固井二界面失效。因此，对固井二界面封固系统胶结机理进行深入的探索和研究不仅是十分必要的，而且具有重要的现实意义和重大的经济效益。1.2 国内外研究现状1.2.1 基本概念界面就是两种不相容和不反应的物质相接触时的交界区域，简单地说就是两相的接触面，它有气一液、气 固、液一固、固一固和液液(两种不相容液体，可有反应也可无反应)形式。实际上，任何材料都是以各种性质的界面相邻接触面。固体与液体或气体之间的接触面常称为固体的表面
12、(图1-1a、1-1b)，固体与固体之间的接触面称为界面，它既可以是材料中两个不同的固相的分界面(图1-1c)，也可以是材料中两个相似但方向不同的晶体的分界面(图1-1d)。图1-1 界面的概念示意图就油气井完井工程而言，通常把套管与水泥环之间的胶结面称为固井一界面，把水泥环与地层(或外层套管)之间的胶结面称为固井二界面。就建筑工程中的复合材料而言，界面胶结历来被认为是整体结构的薄弱环节，阻碍着水泥石性能的进一步发展和提高，常常会影响甚至破坏强度、渗透性等重要性能。这是为什么呢?原因有两个：一是界面与内部相比，界面的结构和性状都是不正常的；二是界面实际上有一个过渡区(图1-2)，它具有多孔、疏
13、松、晶体粗大且径向排列的特点。图1-2 过渡区结构示意图界面的反应及其物理状态对水泥石的力学性能和耐久性有重要的影响，即界面胶结强度往往是整体结构强度的关键。固井一界面结构与建筑工程的钢筋混凝土结构很相似，目前已得到了很好的解决，但固井二界面问题则是一个复杂性课题：若水泥浆能与地层壁面直接接触，就与建筑工程中的水泥一骨料问题类似，遗憾的是水泥浆无法与地层壁面直接接触。显然，无论是固井一界面或是固井二界面，研究其性质都应分为两个部分或两个阶段来进行，即水泥浆凝固之前属于表面问题，这个阶段重点考虑固体表面的吸附、润湿和粘附效应；水泥浆凝固之后属于界面问题，这个阶段重点考虑固体界面的粘接、增强和固化
14、程度2。1.2.2 顾军等提出的二界面封固系统及破坏模型2-3固井二界面封固系统是指由水泥浆、死泥浆、滤饼和地层壁面四部分构成的一个固化胶结整体，它是对二界面这一概念更深层更内涵更实用的概括和阐释。具体模型见图1-3.图1-3 固井二界面封固系统物理模型图1.2.2.1 系统组成分析就界面而言，固井二界面封固系统是至少由5个界面组成的间歇复合界面，即纯水泥浆与受污染水泥浆之间的界面、受污染水泥浆与死泥浆之间的界面、死泥浆与水泥饼之间的界面、水泥饼与滤饼之间的界面和滤饼与地层壁面之间的界面。就材料而言，固井二界面封固系统是由不同材料组成的复合体，即：(1)水泥浆。水泥浆在这里是一个广义的概念，它
15、指由油井水泥与水泥外加剂或外掺料配制的各种水泥浆，也指由特种胶凝材料配制的各种不含或含少量油井水泥的固井液(如MTC浆等)。水泥浆是实现固井二界面封固系统有效密封的重要基础，因此其性能的优劣不仅关系到固井作业的成败，还直接决定着整个环空封固系统的有效性。(2)死泥浆。死泥浆是指注替过程中无法或难以参与循环的那部分老化物质，它主要包含三个部分：一是测井、下套管等作业期间已胶凝、脱水或干枯的钻井液，二是缝孔内或井径不规则处局部窝存的钻井液，三是糊在井壁上由钻井液、前置液和水泥浆等形成的疏松混合物。死泥浆的存在不但会严重影响顶替效率，而且还会污染近二界面处的水泥浆，造成此处水泥石强度很低甚至形不成强
16、度，导致固井二界面封固系统密封失效，因此是不利因素。但遗憾的是，因为对死泥浆性质的描述和评价非常困难，目前国内外对它的了解并不多。(3)滤饼。滤饼是水泥饼和泥饼的组合。一方面，钻井时在一定的温度和压差下，钻井液首先滤失进入近井地层，固相颗粒必然会由大而小地沉积到渗滤面，使得孔缝越堵越小，最终形成一层固体颗粒胶结物泥饼。另一方面，固井时尽管有泥饼的阻挡会使水泥浆渗入地层的量减少，但因此时的工作压差和滤失量更大，仍会在泥饼上再形成一层水泥饼。泥饼是钻井所必不可少的，因为它可稳定井壁和保护储层；但滤饼对固井二界面封固系统则是有害无益的，因为不管滤饼有多薄，都会在井壁上形成一个不可固化层，使水泥环与地
17、层岩石之间存在不同程度的剥离而产生微裂缝，促使固井二界面胶结力变小，导致固井二界面封固系统密封失效，因此是有害因素。(4)地层壁面。井眼内的地层壁面是一个不规则无定形的柱状曲面。从建筑学角度讲，地层壁面的凹凸不平说明其表面粗糙度很大，无疑应该有利于界面胶结，但对于油气井而言，因它会窝存钻井液，使此有利因素变成了不利因素。目前油田普遍存在界面胶结好而二界面胶结差的现象，也从某一侧面说明了这一点。地层壁面对固井二界面封固系统的影响取决于井壁的规则程度，即井径扩大率。1.2.2.2 系统状态分析固井二界面封固系统中每一部分都有不同的形式，而且像水泥浆和死泥浆这两部分都是随时间和温度而变化的，每部分的
18、每一状态对应其它部分的状态，形成了多项组合状态，每一种状态的密封程度都有可能不同(见图1-4)。图1-4 地层壁面一滤饼一死泥浆一水泥浆（环）状态（变化）示意图1.2.2.3 系统动态分析 若固井环空介质的静液压力或阻抗能力低于地层的孔隙压力，地层流体必将破坏滤饼而进入环空，结果是水泥浆被稀释，水泥浆水灰比变大，水泥浆密度变低，凝结时间延长，最终导致水泥浆不能正常凝固甚至不凝固。此种情况下固井二界面封固系统的密封必然失效，从而引发诸如空套管、管外冒或层间窜等严重问题（见图1-5）图1-5 地层流体侵入对固井环空封固系统的破坏模型通常，地层流体只有破坏了了滤饼才能产生5种水泥浆(环)被破坏的情况
19、，导致环空封固不良而引发诸多质量问题。实验发现，在1MPa负压差下，渗透率为1000 mD.的地层每米井段上每小时渗出流0.5m，而若滤饼未被破坏，此量则不到2.5L。但在动态条件下固井二界面封固系统的胶结机理对保证调整井、高压井和气井的固井质量无疑是十分重要的，因此尚待研究和探索。1.2.3 黄和福等对MTC技术的研究泥浆转化为水泥浆（Mud To Cement）技术称为MTC4-6技术。从20世纪50年代至今，逐渐形成了以Willson为代表的波特兰水泥转化技术和以Cowan为代表的高炉矿渣转化技术。该技术是利用钻井施工中，要废弃的完井泥浆或另配置的廉价搬土浆的降失水性和悬浮性，通过加入廉
20、价的高炉水淬矿渣，矿渣激活剂，激活助剂，必要时再加入少量的分散剂、缓凝剂，使完井泥浆或搬土浆转化为性能完全可以和油井水泥浆相当或更好的泥浆固化液，该泥浆固化液流动性能好，稠化时间易调，具有低失水、微触变性能，沉降稳定性好，渗透率低,抗腐蚀及抗高温老化性好等特点，直接成本低于同性能油井水泥浆，由于该泥浆固化液与油井水泥浆相比和泥浆具有较好的相容性，从而使得长期以来，从客观上难以实现油井水泥浆顶替效率达100，而制约固井质量提高的技术“瓶颈”在一定程度上得以解决，固井质量明显提高。由于矿渣与传统水泥相比，密度低、Ca/Si低，使矿渣MTC浆在低密度和抗温性能上有独特的技术优势，能效解决一系列复杂井
21、固井技术难题，提高固井质量。与此同时，利用矿渣MTC固化液所独有的稠化时间易调节、可调范围大的优点，通过必要的混配工艺设计和改进，从而实现利用井场已有的钻井泥浆泵、泥浆罐等，直接进行固井施工，使固井作业更加安全、经济。由于MTC固井技术在提高固井质量，降低固井成本和保护环境等方面显示出巨大的优越性，从而受到国内外固井界的高度重视。矿渣MTC提高固井第二界面的理论7主要有三方面：固化泥饼、固化死泥浆、低收缩率。1.2.3.1 矿渣MTC固化泥饼理论泥饼是钻井所必不可少的，但对固井二界面封固系统则是有害无益的，不管滤饼有多薄，都会在井壁上形成一个不可固化层，使水泥环与地层岩石之间存在不同程度的剥离
22、而产生微裂缝，促使固井二界面胶结力变小，导致固井二界面封固系统密封失效。从前面的实验可以知道，矿渣MTC可以实现固化泥饼的作用。泥饼中所含的物质主要是水化后的膨润土颗粒，所以说泥饼中所含物质与矿渣MTC中所加入的泥浆中的所含物质相似的。由前面研究知道，泥饼中含有大量的水化较好的粘土颗粒，主要是SiO2材料。当遇到矿渣MTC后，MTC中的激活剂会渗入泥饼，将泥饼中的SiO2水化生成活性的SiO2，即SiO44-。这些活性的SiO2形成的聚SiO44-四面体结构，有助于矿渣MTC凝固体的胶结；另外泥饼中的SiO2本身可以与水泥熟料水化后产物Ca（OH）2反应生成低C/S的C-S-H凝胶。这些反应与
23、矿渣中的SiO2发生的反应是一致的，从而使得泥饼和矿渣MTC凝固体形成一个整体。从矿渣MTC提高固井二界面的原因入手，可以得出：矿渣影响二界面主要与两方面因素有关，一是矿渣MTC中本身SiO2物质含量；再就是MTC中激活剂的含量。当MTC中激活剂的量一定时，说明所能转化的SiO2物质的量是一定的。因此，当矿渣MTC浆中膨润土加量多时，浆体所固化的泥饼程度就弱些。也可以认为，随着激活剂加量的增加，所转化泥饼的程度也会增加。1.2.3.2 矿渣MTC固化死泥浆理论死泥浆就是注替过程中无法或难以参与循环的那部分老化物质，即固井过程中不能被顶替出来的钻井液，以及钻井液与水泥浆的掺混液。对于形状不规则的
24、井眼来说这是在所难免的。对于常规水泥浆体系来说，死泥浆的存在造成此处水泥石强度很低甚至形不成强度，导致固井二界面密封失效。对于矿渣MTC浆体来说，随着泥浆加量的增大，矿渣MTC的抗压强度非但不降低反而会大幅度增大。这是一般油井水泥所不具有的能力。死泥浆中的主要成分粘土在遇到矿渣MTC中的激活剂后，粘土中的主要成分SiO2也会被活化并参与到矿渣MTC的水化反应中，从而与矿渣MTC形成一个整体。不会出现因为矿渣MTC被死泥浆污染而强度大幅度降低的现象。虽然井筒内固井二界面中的死泥浆不可能像直接加入到矿渣MTC中的泥浆那样充分混合均匀，使得死泥浆中的粘土被完全激活，但可以肯定矿渣MTC比油井水泥浆的
25、效果要好的多。1.2.3.3 矿渣MTC固化体低收缩率理论由前面的研究知道矿渣MTC也属于水硬硅酸盐的一种，而且水化反应与硅酸盐水泥类似。因此这里借鉴了硅酸盐水泥科学中分析水泥熟料水化反应前后的反应物和生成物体积变化来研究水泥化学收缩率的方法，对矿渣MTC水化前后的体积收缩情况进行研究，从而对矿渣MTC固化体的低收缩率现象给出合理的解释。(1)硅酸盐材料固化体体积收缩的原因硅酸盐水泥在水化过程中不可避免的会产生体积收缩，原因主要有化学减缩、湿胀收缩和碳化收缩等。其中化学减缩发生在水泥材料水化反应期间，因而对固井质量的影响最大。化学减缩主要是由于硅酸盐水泥本身的化学组成和水化反应决定的。水泥的水
26、化过程中，无水的熟料矿物转变为水化物，固相体积逐渐增加；但水泥水体系的总体积，却在不断缩小。由于这种体积减缩是因化学反应所致，故称化学减缩，下面以硅酸三钙的水化反应为例：由此可见，反应前体系总体积为253.56cm3，而反应后则为240.05cm3，体积缩减13.51cm3，故化学收缩率为5.33。同样还可以得到铝酸三钙、硅酸二钙、铁铝酸四钙水化时体积收缩率分别为23.79、1.97、6.15。 (2)矿渣MTC固化体的收缩率分析根据第2章对于矿渣水化的机理研究知道：矿渣的水化主要是因为硅酸二钙的水化生成C-S-H凝胶；一方面是矿渣中玻璃体以及膨润土浆中SiO2物质在碱激活剂的作用下生成的HS
27、iO3-离子，这些离子会消耗一次水化反应生成的氢氧化钙生成低C/S的C-S-H凝胶。由于矿渣的水化过程比水泥水化还要复杂，应用一般的方程式很难真实地表示，因此这里对主要的几个反应的分析只能定性的得出硅酸盐水化过程中体积的收缩情况。1)矿渣中水泥熟料的水化收缩率由前面资料得到硅酸三钙、硅酸二钙的水化反应体积是收缩的，但收缩率很小，仅有5.33和1.97。因为水化反应类似，所以可以估计硅钙石的水化收缩率应该比硅酸二钙的还要小。2)水化反应的收缩率SiO2在氢氧化钠激活剂的条件下首先生成NaHSiO3的而后继续反应生成Na2SiO3，因此这两个反应得出的体积收缩率结果应该是类似的。由此可见，反应前体
28、系总体积为57.36cm3，而反应后则为65cm3；可见该反应非但没有体积收缩，反而是体积膨胀了7.64 cm3。计算得到化学收缩率为-13.3)氢氧化钙的水化反应由此可见，反应前体系总体积为142cm3，而反应后则为141cm3；体积缩减1cm3，计算得到化学收缩率为0.7。其实氢氧化钙水化反应会生成C/S比更小的C-S-H凝胶；生成物的密度会更小，体积也会更大一些。由于不易得到这些物质的密度，从而选择了上面的方程进行比较。通过对这三个主要反应的反应前后体积变化分析，尽管不能确切地描述矿渣MTC水化前后的体积变化，但可以看出矿渣水化后的收缩率低的原因所在。1.2.4 国内外振动固井技术所谓振
29、动固井是在下套管、注灰、顶替和候凝过程中,采用机械振动、液压或空气脉冲、水力冲击等手段,产生振动波作用于套管、钻井液和固井液来提高固井质量的一项新技术。通过大量的室内试验、地面模拟试验和现场试验证明,振动可以提高水泥石强度,提高顶替效率,消除水泥中的气泡,形成完好的水泥环,还可以缩短候凝时间,防止固井后的油、气、水混窜,有利于提高一、二界面的胶结强度。总而言之,振动对提高固井质量是行之有效的。国外在60年代就开始这方面的研究工作,主要以前苏联和美国为代表。前苏联已有5个油田近百口井成功地使用了这项技术,有效地提高了固井质量,获得明显的经济效益。国内在这一领域开始进行系统研究, 1992年大庆钻
30、井研究所对振动固井技术进行探索性研究, 1994年大庆钻井技术服务公司与大庆石油学院合作,研究并设计了一种水力脉冲振动套管鞋。从室内试验和现场试验结果看,它的振动作用是比较明显的,但还没有真正应用到现场。1998年辽河油田钻井二公司和航天工业总公司606研究所电子仪器厂协作研制成功了井下水力脉冲振动发生器,并进行了17口井的现场试验,合格率为100%,优质率为94%,取得良好效果。1.2.4.1 振动对固井质量所起的作用8振动本身对外部的作用实质上是一种能量的转换。振动产生波,波可以把振动的能量作用到其邻近的介质中,破坏介质的颗粒间以及分子间的结构,改变其原有的性能。(1) 振动能提高水泥石强
31、度。前苏联乌发石油研究院科技人员通过室内试验,证实了这样一种结论,即对水泥浆建立振动场,不论振动场强或弱,均可提高水泥石的强度。当作用在水泥浆上的振动频率为170-175Hz时,水泥石的强度能提高18%-20%。(2) 振动降低钻井液粘度提高固井顶替效率。试验表明,在频率为20-45Hz的振动场中,钻井液的粘度将下降20%-30%,有利于清除套管外壁的钻井液膜和井壁的滤饼。在此振动频率范围内,只需5-15s就可完全清除岩石试样表面的滤饼。在频率20-100Hz时,套管上未被替净的钻井液减少了二分之一。(3) 振动可以缩短水泥浆的候凝时间。试验证明,当振动频率在20-170Hz范围内变化时,水泥
32、浆的初凝时间缩短10%-15%,终凝时间缩短了30%-40%。(4) 振动能使水泥浆静切力大大降低。在水泥浆候凝过程中,振动水泥浆有助于破坏其颗粒间的粘结,减小或消除静切力,使水泥浆几乎保持其总液柱压力,防止地下流体进入环空,避免窜槽和破坏胶结质量。(5) 振动增加界面的胶结强度。美国科学家Coke做了两组试验,把水泥浆放入不同尺寸的同心管之间,一组振动一组不振动,待水泥浆固化后,分别在二组试验装置的上部用水加压。在未振动的一组中,当压力加至2.07MPa时,水泥与管子的胶结面开始渗漏。在振动的一组中,当压力加至16.5MPa时,胶结面才产生渗漏,说明振动确实增加了界面的胶结强度。1.2.4.
33、2 振动固井装置及其作用原理国外在振动固井装置方面的研究设计是非常多的,并获得多项发明专利。按作用原理可分为机械式、水力脉冲式、磁致伸缩式、压电陶瓷式、声频振动式、环空脉冲式振动器。目前,在设计和使用得最广泛的是水力脉冲振动器。下面介绍几种振动器的特点及实例。(1) 水力脉冲式振动器。这种类型的振动器作为套管串一部分随套管下入井内,通过液体的流动产生振动。它所起的作用主要体现在降低钻井液的粘度和提高顶替效率,同时对水泥浆充分混合,也起到一定的消除气泡作用。对固井中清洗、注灰和顶替这些环节具有积极的作用。(2)机械式振动固井装置。这种振动器有几种形式,一种作用形式是在套管上部安装一偏心机构,靠电
34、来驱动,产生振动,可随时振动,简单方便。但是这种振动距离目标层太远,大部分振动能量被钻井液吸收,起不到应有的作用。另一种振动装置是机械式内管振动,这种振动形式大多是在套管内下入带有振动机构的钻杆或内管,旋转或振动钻杆或内管,带动弹性装置径向冲击套管产生振动,用于改善注水泥作业。1969年美国Solum等人发明了这种振动方法,研制出相应的振动固井装置并且申请了专利。1980年美国Wilder等人发明了内管振动的固井专利,振源在地面,靠旋转内管带动套管纵向振动,目的在于清除井壁滤饼和在候凝过程中增强水泥石的强度及界面的胶结强度,进而改善水泥环的封固质量。还有一种振动方式是振动棒式,它广泛应用于建筑
35、行业,清除水泥中的气泡、杂质,提高水泥石的强度。应用于固井过程中,可用电缆连接下入井内,产生振动提高固井质量。(3)磁致伸缩式振动器。其原理是把镍杆放在交变磁场中,则镍杆将周期性伸缩。如果交流电的频率与镍杆机械固有频率相一致,则镍杆在磁致伸缩力的作用下产生特别强烈的固有振动,从杆端射出频率相同的声波。(4)压电陶瓷式振动器。当某些晶体在一定的方向、一定的晶体向上受压或受拉时,就出现电荷。这种能够再现的效应称为压电效应。如果反其道而行之,在电场中放入压电晶体,并使电磁场方向和压电轴的方向相一致,在逆压电效应情况下,压电晶体就沿一定的方向发生强烈的压缩或拉伸。这种振动器可以做成棒状,用电缆送入井内
36、进行振动。(5)声频振动固井装置。这种振动固井装置是利用声波在介质中传播过程对介质造成一定的结构改变和性能调整的原理,把声频作用于套管上部,声频顺着套管传致套管底部,对固井质量造成影响。1986年法国Bodine等人发明了声频振荡固井装置,用于提高固井质量。原理是:水泥流动时,一声音振荡器产生的声能作用于套管柱上,声音顺着管柱传播,作用于套管底部,使水泥均匀地充满套管外环空,同时对气泡、铁锈和套管表面上的其他脏物起着良好的释放作用,从而使水泥和套管良好地胶结。(6)地面环空水力或空气脉冲振动固井装置。这种振动固井装置,在地面把压缩空气或压缩液体通过振荡发生器后,直接作用于环空,使环空内液柱也发
37、生振荡,产生弹簧效应,作用于底部的水泥浆,提高固井质量。1996年美国天然气研究院和德士古公司的勘探与开发工艺部联合提出了一种可供选用的方法,即:利用压力脉冲沿环空向下直接使水泥振动。套管周围的水泥硬化时首先变成凝胶,水泥浆柱的静液降低,使气体容易进入。同时体积的缩小限制水泥石与地层的静密封,结果造成气体运移和水泥与地层之间胶结不良。在硬化过程中,通过水泥浆产生运动可以减轻这些后果。这种简单而便宜的设备引导水脉冲或压缩空气脉冲从地面直接进入环空,环空作为导波管传播压力脉冲波深入到水泥浆里。这种装置搅拌水泥的颗粒,防止水泥颗粒在从液态转变为硬化水泥石的短时间内的相互作用。这种方法已在二叠盆地浅井
38、进行过试验,并取得较好的水泥胶结质量的测井结果。此方法很有应用价值,地面设备可重复利用,降低了成本。1.3 主要研究内容(1) 固井质量影响因素分析(2) 二界面质量现状和原因(3) 提高二界面胶结质量的方法(4) 评价二界面质量的实验方法2 二界面质量现状和原因2.1 固井质量影响因素固井作业是一次性工程，如果出现失误一般难以补救，即使补救也无法达到封固合格，易造成一定经济损失。所以，哪些因素会对固井质量产生不良影响是值得探讨和总结的。经过大量查阅资料，总结了以下几点。2.1.1 地层特性对固井质量的影响地层特性包括地层岩性、地层压力、地层温度、地质构造、地层流体特性等9。(1) 地层岩性和
39、地层的声速有关系。声速越快,地层越致密,水泥胶结质量一般比较好;声速越慢,地层疏松,水泥胶结质量一般较差。在岩性上大段泥岩的水泥胶结质量不如砂岩的水泥胶结质量,粉沙岩的水泥胶结质量不如粗砂岩的水泥胶结质量。另外，对于高渗透率油气水层，水泥浆在稠化过程中容易失去自由水，造成水泥浆粉化，体积减小并形成微间隙，从而影响固井质量。 (2)地层压力的大小直接影响水泥浆体系的性能、环空浆柱的结构、平衡压力注水泥施工的设计,同时影响候凝过程中压稳地层流体、防止窜槽等一系列措施的采取。 高压影响。深井和超深井压力比较高,水泥驱替泥浆时需要的井口压力非常高,驱替困难,而且容易造成水泥在井底突破某一点压力,形成水
40、泥单线串流,造成水泥在套管外的分布不均匀,影响固井质量。 层间压差影响。产层经过多年的开发，原始地层压力系统被打破,层间矛盾加剧,层间压差增大,影响了新钻井固井质量。概括为：层间压差相近时,固井质量随隔层厚度增加而增大;隔层厚度相近时,固井质量随层间压差增加而减小。对某一具体的固井层段,其固井质量是层间压差和隔层厚度共同影响的结果。(3)水泥浆凝结以后,地层流体腐蚀或高温强度衰退,可使水泥石的完整性、均质性遭到破坏,从而影响固井质量10。例如3-6X295井,井深只有2355m,地层温度却高达97.4,温度高造成全井固井质量差。(4) 断层影响11。在油田开发过程中,无水期和低注采比开采时,由
41、于地层能量低,断层影响水泥环的问题尚未充分暴露出来,但随着累计注采比的不断增加,井间和层间不稳定状态加剧,断层进水使相对稳定的断层复活,随着断层进水量的不断加大,断层活动更加频繁,断层活动力度不断加大,从而使断层附近的水泥环遭到破坏。(5) 在比较活跃的水层、油层井段，水泥浆凝固过程中地层流体对其进行侵污，从而影响了水泥石与地层的胶结强度。2.1.2 钻采方面对固井质量的影响钻井、采油过程以及相关工艺对固井质量的影响十分关键，主要包括：井眼状况及井眼结构的影响、钻井液性能的影响、射孔工艺影响、强采强注的影响、增产措施影响等。(1)井眼状况及井眼结构的影响。由于钻井过程中多种因素的影响,井眼的横
42、剖面呈不规则的椭圆形或糖葫芦形,根据流体力学原理知道,在直径改变的地方都会形成只在原地流动而不能向前推进的旋流,因此在固井过程中不管采用多大的顶替排量,都很难将其中的钻井液驱替干净。同时,井眼结构的不同对水泥浆顶替效率具有较大的影响,在定向井、分支井、水平井等弯曲井眼中套管不易居中,极大地改变了顶替过程中环形空间的流速分布,增加了驱替窄边钻井液的难度。而这些残留的钻井液往往和水泥浆不相容,从而严重地影响了水泥浆的胶结,造成窜槽。(2) 钻井液性能影响。性能优良的钻井液不仅可提供一个较为规则的井眼,而且还会在井壁上形成薄而韧的滤饼,从而保证了固井质量。但厚而疏松的滤饼会使水泥浆不能直接接触井壁,
43、并在水泥水化过程中脱水粉化,形成微环隙,引起油气水窜,降低了油气井的固井质量。同时,钻井液的流变性影响水泥浆注替过程中水泥对钻井液的推动,从而影响顶替效率。(3) 射孔影响。在射孔过程中爆炸产生的冲击波容易使射孔段上下一定范围的水泥环产生破裂或裂缝，从而影响水泥石强度。(4) 强采强注影响。强采强注造成地层出砂,地层变得疏松,由于上覆地层压实作用,造成应力不均,压坏水泥环。超强度开采,长期的破坏性注水,肯定会造成固井质量变差。(5) 增产措施影响。已经固结的水泥环。油层埋藏深,胶结致密,渗透率低,自然产能小,往往需要进行压裂、酸化等增产增注措施。压裂作业会把水泥环一起压坏,而酸化作业往往把胶结
44、中等但有封堵能力的水泥环酸化成上下串槽。2.1.3水泥石(浆)方面对固井质量影响水泥浆、水泥石对固井质量的影响是最直接的，也是最明显的，主要包括：套管的表面特性影响、水泥浆的性能影响、水泥浆的顶替流态影响、水泥石的体积收缩影响和水泥石的力学性质影响。(1) 套管的表面特性影响。套管因素影响固井质量主要有2个方面,即套管的表面粗糙度和套管的丝扣连接12。套管表面粗糙度影响水泥与套管之间的胶结强度,表面越光滑胶结强度越小,从而使水泥石的密封能力下降、层间密封效果变差。套管丝扣连接紧密、强度大,可以提高套管本身的密封能力,加强层间封隔效果。(2) 水泥浆性能影响。水泥浆性能对固井质量起着关键性的作用
45、，包括水泥浆失水量、水泥浆密度和水泥浆流变性。水泥浆的失水量过大，会造成水泥凝固时自由水渗入地层，使水泥浆体积减小，从而影响固井质量。特别在中、高渗地层这种影响会更加明显。另外，水泥浆失水量大，在施工过程中不但会造成严重的施工蹩泵事故，而且在水泥浆经过油气层时，水泥浆滤液与水泥颗粒大量进入油气层，堵塞油气通道而污染油层。水泥浆密度直接反映了水灰比的大小，水泥石在固化过程中，只需要25%的水即可，而水灰比25%的水泥浆密度达到2.3g/cm3以上，固井无法泵入。为了满足固井要求，只能增大水灰比，但如果水泥浆密度过小，势必增大水分流失，从而影响固井质量。水泥浆的流变性直接影响着顶替效率。实践证明，
46、动切力大的流体对动切力小的流体具有较好的顶替效率；流动性差会增大泵入难度，增加施工危险性，而水泥浆流动性太好，容易使水泥分层沉淀，影响封固质量。(3) 水泥浆的顶替流态影响。在注水泥过程中,不同的流态对水泥浆的顶替效率有较大的影响,采用塞流或紊流尤其是紊流注水泥,在各断面上有相同的推进速度来均匀推进,有助于提高顶替效率,防止窜槽的发生。(5) 水泥石的体积收缩影响。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其体积比水化前的总体积减小，纯水泥水化的体积收缩率可高达5%。如果不有效控制固井水泥浆的体积收缩，将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，影响固井质量。(
47、6) 水泥石的力学性质影响。一般而言,水泥石的强度足以支撑和保护套管。但在射孔过程中爆炸产生的冲击波容易使射孔段上下一定范围的水泥环产生破裂或裂缝;同时,注水、酸化压裂、热采措施的采用,井内的高压也使水泥容易产生脆性断裂,造成油气窜槽。因此,要求水泥石除了具有足够的抗压强度以外,必须具有一定的韧性,同时满足水泥石力学性能的长期稳定性。2.1.4 其它影响因素除了上面三个主要方面的影响因素，还有诸多的因素，下面列举的时间因素影响和相邻油水井的影响外，工程事故的影响不容忽略的。(1) 时间因素影响。原始固井结论好,随着时间的延长,固井质量有变差的趋势。统计10口井共2 450 m测量井段,胶结差的井段由原始的9.08%上升为42.4%。注入水进入泥岩层形成水浸后,泥岩地层吸水软化和膨胀,也会影响该处的固井质量13。(2) 相邻油水井的影响。钻井时未关闭相邻的油水井,使新井内的压力不均衡,造成水泥在套管外的分布不均衡。另外,相邻水井的注入水窜
