影响固井水泥石韧性强度的因素研究

论文摘要

随着勘探开发和钻井技术的不断发展,复杂井的固井,特殊井固井数量增多,固井质量成为了人们最关心的问题。同时,为了稳产、增产油田都相继进行注水、压裂、酸化、补孔等提高生产压差等井下工程作业,由于水泥石韧性强度问题,这些容易导致水泥环产生裂纹,甚至会使水泥环的封隔作用失效,造成地下油气水层之间的窜流和套管的腐蚀破坏,严重时造成油井报废。因此,研究固井水泥石的韧性强度对生产及油水井的长期寿命具有重要的意义。论文将水泥环应力分布的有限元模拟研究与室内水泥石韧性强度试验相结合;而后,对增韧水泥石微观结构进行观察,进一步阐述水泥石韧性强度变化原因,综合研究了水泥石的强度韧性性能。从有限元模拟方面,比较全面的分析了水泥环所处不同地应力环境、不同水泥环形状下的应力分布规律。结果表明:不同地应力对水泥环应力分布有较大影响,地层中最大主应力与最小主应力之比小于1.1时,水泥环上应力分布比较均匀;随着应力比的增加,水泥环应力不均度增加,这使得水泥环更加容易破裂。水泥环的形状对其应力分布也有较大的影响,随着水泥环椭圆度的增加,应力不均匀度先减小后增大;固井过程中套管偏心现象也增加了应力不均匀度。鉴于椭圆形水泥环对改善其受力状态有利。因此应该充分利用这一特点,在钻井过程中应适当降低钻井液密度,使井壁围岩应力得到适度的释放,促使井眼形成一定的椭圆度。从室内实验方面,优选出了增韧水泥石各种添加剂的配比,形成的增韧水泥浆体系不仅具有很好的流变性而且还具有零游离液含量的特点,完全能够达到固井要求而且还能提高固井质量。通过对水泥石力学性能、抗流体窜层能力和抗盐酸腐蚀能力的实验研究,发现:增韧水泥石的强度韧性明显提高,常温常压养护48h后,在非均匀加载方式、加载幅度2MPa下,抗压强度可以达到70MPa,轴向变形能力可以提高约3倍;轴向变形能力的增加反映了水泥石韧性的提高,韧性的提高又有利于水泥环应力不均度下降,下降幅度最大可达10%;同时,增韧水泥石防流体窜层能力,抗盐酸腐蚀能力都有大幅度提高。借助于电子扫描镜,通过对增韧水泥石微观结构的观察,发现水泥石内部结构更加密实,增韧剂参与了水泥石的水化反应,在羟钙石表面镶嵌着一定量的增韧剂胶乳颗粒,其晶体内部夹杂无数的胶乳小粒子。使得水泥石非渗透性增强,抗腐蚀能力提高,水泥石硬化体体积收缩小,在抗压实验中,吸收了部分应力,提高了水泥石的抗压强度和变形能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题依据
• 1.2 研究意义
• 1.3 研究内容及技术思路
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 技术思路
• 第2章 固井水泥石韧性强度研究概述
• 2.1 纤维水泥韧性强度的研究现状
• 2.1.1 国内外研究现状
• 2.1.2 纤维增韧增强作用机理
• 2.2 胶乳水泥韧性强度的研究现状
• 2.2.1 国内外研究现状
• 2.2.2 胶乳增韧增强作用机理
• 2.3 充填颗粒增强增韧水泥的研究现状
• 2.3.1 国内外研究现状
• 2.3.2 充填颗粒增韧增强作用机理
• 第3章 水泥水化反应及添加剂作用机理
• 3.1 水泥水化反应机理
• 3.1.1 G 级油井水泥的矿物组成
• 3.1.2 水泥水化反应机理
• 3.2 常见添加剂及作用机理
• 3.2.1 早强剂
• 3.2.2 降失水剂
• 3.2.3 分散剂
• 3.2.4 防气窜剂
• 第4章 固井施工对水泥石韧性强度的影响
• 4.1 水泥环形状对应力分布的影响
• 4.1.1 地应力对水泥环应力分布的影响
• 4.1.2 椭圆度对水泥环应力分布的影响
• 4.2 套管偏心对水泥环应力分布的影响
• 4.2.1 套管偏心概况
• 4.2.2 套管偏心对应力分布的影响
• 4.3 顶替效率和候凝过程的影响
• 4.3.1 顶替效率对韧性强度的影响
• 4.3.2 候凝过程对韧性强度的影响
• 第5章 水泥石韧性强度实验研究
• 5.1 实验材料
• 5.1.1 实验原料
• 5.1.2 水泥浆的制备
• 5.1.3 水泥石的制备
• 5.2 增韧水泥浆体系工程性能研究
• 5.2.1 水泥浆流变性能测定
• 5.2.2 水泥浆游离液量的测定
• 5.3 增韧水泥石力学性能研究
• 5.3.1 实验方法与设备
• 5.3.2 水泥石力学性能评价
• 5.3.3 强度韧性改变对应力分布的影响
• 5.4 增韧水泥石抗流体窜层能力评价
• 5.4.1 实验方法与设备
• 5.4.2 水泥石抗流体窜层能力评价
• 5.5 增韧水泥石抗腐蚀性能评价
• 5.5.1 实验方法
• 5.5.2 增韧剂水泥石抗腐蚀能力评价
• 5.6 增韧水泥石微观结构及增韧机理探讨
• 5.6.1 增韧水泥石形貌分析
• 5.6.2 增韧剂增韧机理探讨
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果