西南石油大学2009届本科毕业论文
井过程中的一个重要部分，而且也是完井工程的一个重要组成部分，与固井质量息息相关。通过对二界面封固系统的封固机理研究,认为如果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、围岩的亲合力,改进水泥环-滤饼-围岩的胶结状况,就可提高二界面固井质量。
3.2.1 活性矿物对钻井液性能的影响
超细活性矿物可以使固化体水化产物结构致密,固化体本体强度和界面胶结强度得到强化。其中的微晶是为了达到掌握和控制某种特定物质的成核而在反应体系中引入的第二相粒子。掺入其组成和生成晶体相同或极为相似的微晶作为晶核时,则会促使平衡状态下水化物的析出,并使局部规整反应的晶体受到微晶结构的诱导,从而加速水化硬化过程。在钻井液中加入特制的活性矿物微晶,能使 胶体中存在大量具有较高能量的自由表面,为泥饼水化反应提供有利的场所,降低水化成核反应的势垒,使水化反应充分均匀,固化体结构更加牢固,也就从根本上强化了界面胶结强度。
3.2.2 在钻井液中加入高炉水淬矿渣
在水基钻井液中加入具有潜在活性的高炉水淬矿渣，固井时在矿渣凝浆固化液中激活剂的渗透和扩散作用下，使附着于井壁上的泥饼和未顶替赶紧、残留在环空的钻井液由于激活剂的扩散作用能参与水泥的水化反应和凝结固化。
加入矿渣的泥饼明显有一定的硬度，且随着加量的增大，硬度变大。由此可以推断，加有水淬矿渣的钻井液在液柱压力作用下失水形成泥饼，水淬矿渣堆集在泥饼上，在碱性物质(泥浆一般都含有)和地层温度作用下，逐渐活化形成类似水泥的物质，这种物质加固了地层页岩的稳定，堵塞了地层孔隙；因此有助于井壁的稳定，防止井塌、井漏的发生。因此可得出推论：对于含有矿渣的泥饼中形成这种类似水泥的物质会提高地层与水泥之间的胶结强度，从而提高固井质量。
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固井二界面质量现状及实验技术研究
3.2.3 在钻井液中加入高分子化合物乳化液
钻井液添加剂GSN是一种含有无机高分子化合物的乳化液[17]。在钻井液中破乳时，释放出的高分子化合物有束缚自由水的作用；还可以与粘土结合，生成包被物吸附在井壁上，减小孔隙，降低钻井液失水和抑制泥页岩膨胀。固井时，水泥浆中的二价和多价离子与套管外微滤饼和地层滤饼中的GSN发生反应生成不溶物，可提高水泥界面的胶结强度。
3.3 前置液的应用
固井前置液设计是固井设计中非常重要的一部分，它对于提高水泥浆顶替效率，改善水泥胶结质量起着非常重要的作用。固井作业中主要依靠固井前置液稀释钻井液，依靠前置液中的悬浮粒子冲蚀、清除絮凝或胶凝在管壁和井壁上的钻井液和滤饼，有效地控制不稳定地层的垮塌，为弱地层、漏失地层和要求低失水的地层提供缓冲作用，有效地隔离钻井液和水泥浆，避免水泥浆因钻井液接触污染而提前稠化和絮凝稠化，将钻井液在管壁和井壁表面上形成的亲油环境转变为亲水环境，有效地提高水泥浆在管壁和井壁表面的胶结质量。
3.3.1前置液的作用
一种优质的注水泥前置液应该具有稀释、冲洗、顶替和隔离钻井液的作用以及对水泥浆有分散和缓凝作用。具体见下。
(1)前置液对钻井液要有很好的稀释作用，以便改善其流动性能，易被容易顶替。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型或葫芦形。纵剖面呈锯齿形，如果还存在几个大肚子冲蚀井段，不管顶替排量多大．都很难将其中的钻井液顶替干净。另外弯曲井眼中套管不易居中，改变了顶替过程中环形空问的流速分布。增加了窄边钻井液的驱替难度。而这些残留的钻井液往往与水泥浆不能相容，严重影响了水泥浆的流变性和胶凝强度的发展。大量的实践证明：在注水泥之前面先注入一定量的冲洗液或紊流隔离液，可获得最有效的冲洗和清除效果，特别是对于弯曲井眼中套管不易居中造成的窄问隙的钻井液驱替，效果更为明显。
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(2)由于多种原因，大部分井在钻进过程中井壁上形成的是厚而疏松的滤饼，个别井在下完套管的洗井过程中，套管表面上也会附着一层疏松的滤饼。这些滤饼的存在使水泥浆不能直接接触套管壁和井壁，并在水泥水化过程中脱水粉化，形成微环隙，引起油气水窜，降低了油气井的封固质量。前置液具有的高效紊流冲刷悬浮效能，不仅能以平面驱替钻井液，而且还能抑制钻井液偏流，产生高径向流，进一步提高对套管壁和井壁滤饼的冲蚀。同时在前置液中加入一定量的表面活性剂，包围钻井液固相颗粒和被冲刷下来的滤饼，使它们由于静电斥力而不相互聚集，防止固相颗粒沉降和堆积，造成水泥浆注替过程中的憋泵事故。
(3)油基钻井液一般使用于水平井和大斜度井，在钻井过程中能保证井眼稳定，又能提供很好的润滑性。但是在注水泥作业时，这种亲油环境使水泥浆与钻井液接触过的表面不与相胶结。因此要求前置液中必须含有一定量的阴离子表面活性剂和水乳化剂，使套管壁与井壁的亲油环境改变为亲水环境。
(4)含激活剂和激活助剂的矿渣MTC浆能够使钻井液中胶凝物质与泥饼固化可固化井壁窝存的钻井液和井壁泥饼。钻井时沉积在井壁上的泥饼内含有胶凝成分,在激活剂和激活助剂的扩散作用下,随着时间的推移,激活剂和激活助剂进入泥饼内部使泥饼固化,而且由于发生滤失时造成胶凝材料的丰集,固井时强度有上升的趋势,此时钻井液形成的泥饼不仅不存在不相容的问题,相反成为固化体不可分割的一部分;顶替期间没有替净的冲蚀段窝存的钻井液,基于同样的扩散原因也会固化,对地层和套管提供良好的封隔和支撑。
3.3.2 前置冲洗液的作用机理[18]
冲洗液是属于固井前置液,用在固井注水泥之前,主要是用于清洗井壁油污和胶凝钻井液,改善固井二界面亲水性能,提高二界面与水泥环的胶结强度。在保证钻井液悬浮性能前提下,良好改善其流动性能,提高水泥浆顶替钻井液的效率,提高固井质量。
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3.3.2.1物理冲刷
物理冲刷理论是采用冲洗液的紊流冲刷作用和水力机械作用冲刷井壁,清除井壁虚泥饼和油污以达到提高第一、二界面胶结强度的目的。如最初采用的清水和研磨性冲洗液的冲洗机理就是如此。
同样在冲洗液中加入固体惰性粒子,其目的在于提高冲洗液对井壁套管壁的物理冲刷作用和紊流冲洗效果。这类冲洗液一般应用于水基钻井液钻井井壁。
3.3.2.2 化学冲洗作用
通过在冲洗液配方中加入一种或多种化学试剂,有效清除井壁虚泥饼和油污,改善井壁,提高水润湿环境和第一、二界面胶结强度。一般都是采用加入表面活性剂,利用表面活性剂的润湿、渗透、乳化等特性,可以良好改善二界面水湿特性,提高冲洗液对固井二界面冲洗能力和冲洗效率;采用加入聚合物,利用聚合物与井壁泥饼的吸附作用使冲洗液在冲洗过程中的拖拽拉力提高对井壁的冲洗效率,同时可以有效的提高水泥环与界面的胶结质量;也有的加入胶结类物质,主要是金属的碳酸氢盐和金属的液态硅酸盐等,可以辅助提高二界面与水泥的胶结强度。这类化学冲洗液发展较快并且应用广泛,应用于水基、油基和油包水钻井液等钻井的井壁和套管。
3.3.2.3 聚合物吸附胶结和渗析胶结
选用低聚合度、非离子性、结晶性好的高分子聚合物(或和非离子表面活性剂一起)为主剂,再加入其它辅助试剂复配成冲洗液。利用非离子表面活性剂的润湿和洗涤特性冲洗井壁,再利用低聚合度的聚合物的吸附特性,在易坍塌地层及水敏地层产生竞争吸附,高分子聚合物优先吸附于井壁,保护易坍塌地层及水敏地层。在这种聚合物冲洗液中,由于选择了低聚合度、非离子型、结晶性好的高分子聚合物,应用于有水浸润和冲蚀下立即散落的水敏坍塌层有良好的效果。
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3.4 多功能水泥浆的应用
水泥浆硬化后环空水泥石体积的收缩不仅使界面胶结不良地层封隔可能失败,同时,还由于水泥石内微裂缝的增多而引起水泥石整体性能,如:抗渗透能力、抗腐蚀能力及抗压强度下降。为了克服这些影响研制了膨胀水泥和纤维水泥。
3.4.1 晶格膨胀水泥浆
使用晶格膨胀剂调配水泥浆体系,主要是从补偿水泥(石)的体积收缩入手,在水泥浆水化早期和后期均能补偿收缩,并产生一定的体积膨胀,有效防止微环隙的产生[19]。
膨胀机理：
选择晶体生长的膨胀材料,经过特殊的物理化学方法处理,使其形成多膨胀源。膨胀材料中各种成分的反应活性和作用有所不同,所以能在水泥不同水化阶段保持稳定的体积膨胀。
在塑性状态下,膨胀材料中的高反应活性组分首先与水泥的水化产物反应,在相对受限的水化提高水泥环胶结质量环境,使水泥浆体积膨胀,从而降低或避免水泥浆的体积收缩引起水泥浆柱的压力降低,造成地下流体(油、气、水)窜入井内环空。
在水泥浆凝结硬化初、后期,反应活性较低的组分起主要作用;其膨胀驱动力来自于膨胀性组分反应产物的晶体生长压,即晶体尺寸大小随反应时间延长而增大,使水泥石的体积膨胀,进而使得水泥石的孔隙度降低,孔隙变小,胶结强度、抗压强度得到提高。
3.4.2 纤维水泥
针对水泥石在水化凝结过程中的水泥石收缩性以及胶结强度进行研究，采用在水泥中添加碳纤维材料,考察纤维对水泥石收缩性及界面胶结强度的影响。
纤维加入后水泥石的体积收缩率降低,随着掺量的增加水泥石体积收缩率降低的幅度逐渐减小;同时纤维长度的不同使得水泥石体积收缩率降低的幅度不同。纤维掺量对水泥石收缩性的影响见图6.
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