西南石油大学2009届本科毕业论文
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。
1.2.4.2 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,
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固井二界面质量现状及实验技术研究
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。
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(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
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固井二界面质量现状及实验技术研究
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。
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(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,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
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