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关于水泥专科毕业论文范文 跟水泥浆防窜流主要性能类硕士毕业论文范文

版权:原创标记原创 主题:水泥范文 类别:电大论文 2024-02-28

《水泥浆防窜流主要性能》

本文是关于水泥论文范文集跟主要性能和水泥和探讨有关专升本毕业论文范文。

金凯1 龚章昌2 姜宏3 张成娟1

(1.青海油田钻采工艺研究院甘肃敦煌736202;2.渤海装备中成装备制造公司天津300280;3.青海油田分公司采油三厂青海茫崖817500)

摘 要:通过对水泥浆防窜主要性能的分析,指出这些性能是彼此影响和制约的,为配制防窜水泥浆体系提供了一定理论依据.配制防窜水泥浆体系时需要根据现场实际情况,做好提高顶替效率及良好施工等工作,才能达到预期目标.

关键词:油气井;地层窜流;防窜;水泥浆;稳定性

油气井注水泥后,由于环形空间液柱压力与地层压力之间的不平衡,地层中的液体进入环形空间并纵向流动,这种现象被称为环空窜流.环空窜流对注水泥效果、油气井产量有较大影响,可导致层间封隔失效,轻则使井口带压,重则可能出现井口冒油冒气,甚至发生井喷并导致井的报废,损失巨大.因此,很有必要对水泥浆各性能之间的关系及其与地层窜流之间的关系进行探讨和研究.

1水泥浆防窜流主要性能

水泥浆的防气窜性能主要有密度、失重、失水、静胶凝强度过渡时间、体积收缩、稳定性等.

1.1密度

为防止水泥浆注替和凝固过程中发生窜流,水泥浆密度必须满足注水泥全过程浆柱压力与地层压力的平衡关系(图1).即:水泥浆浆柱所产生的静液柱压力和流动阻力必须大于或等于地层流体压力,同时小于地层破裂压力(或漏失压力).

水泥浆是由水泥、配浆水、外加剂和外掺料组成,这些材料的密度和加入量对水泥浆密度有直接影响.改变水灰比和加入密度调节剂也可以调节浆体密度.

1.2失水

失水是水泥浆在压差作用下约束自由水的能力.国外研究表明,没有严格控制滤失速率的水泥浆体系在顶替到位后,在短时间内快速失水,直至环空液柱压力与地层压力平衡.当失水发生在气层之上时,形成桥堵,阻碍压力传递,而此时桥堵点以下水泥装仍处于液态,一旦环空压力低于地层压力,地层流体特别是气体就能侵入环空.

1.3失重

常规流体的液柱压力恒定、不随时间变化,但是水泥浆的有效浆柱压力将在顶替就位后随时间的推移而逐渐下降.水泥浆失重是固井候凝过程中压不稳地层流体、地层流体侵入环空、破坏水泥浆柱的完整性、使其无法形成完整水泥环而导致环空窜流、降低固井质量的重要原因.

1.3.1水泥浆胶凝引起的失重

水泥是一种胶凝物质,与水混合后水泥浆逐渐从液态转变成固态.在水泥浆水化过程中,浆体内部形成两种类型的三维“凝胶一结晶”网.由于这种网架的作用,水泥浆柱的一部分重量悬挂在井壁和套管上,从而降低了水泥浆柱作用在下部地层的有效压力.当浆柱有效压力低于地层压力时,地层中的流体就会侵入环形空间,导致窜流发生.

1.3.2桥堵引起的失重

在注水泥过程中及水泥返高至设计高度静止后,由于水泥浆失水形成的水泥饼、钻井时未带出来的岩屑、高速注水泥时冲蚀下的岩块以及水泥颗粒沉降等因素,在渗透层或井径和间隙较小的井段形成堵塞(即桥堵).而下部水泥浆柱由于体积收缩和失水,桥堵前上部浆柱作用的压力就会部分或全部失去,致使作用在下部地层的有效静液柱压力减少.这就是桥堵引起的失重.当地层上的有效压力低于地层压力,地层中的流体就会侵入环形空间,导致窜流发生.

1.4静胶凝强度过渡时间

水泥浆处于即非液态亦非固态的时期被定义为水泥浆静胶凝强度过渡时间.在此时间内,水泥浆传压能力明显下降而内部孔渗性较好,无法阻止气体运移,是气窜发生的危险时期.

多组不同水泥浆体系失重与气窜的试验发现,水泥浆在静止后lOmin内静胶凝强度即开始发展,达到10—50Pa时水泥浆表现出明显的失重现象,达到130—220Pa时水泥浆可以有效阻止气窜.水泥浆静胶凝强度过渡时间越短,其基质凝胶结构发展越快,早期气窜发生的可能性就越小.现在,通用的行业标准是将静胶凝强度由48Pa变化到240Pa定义为静胶凝强度过渡时间.

刘洋、范伟华等人采用高温高压凝结仪,从水泥水化放热角度研究了常用的典型缓凝剂对静胶凝强度过渡时间的影响规律与作用机理.结果表明,中温缓凝剂对阳离子的螯合作用或对水泥颗粒的吸附作用较弱、易被破坏,对静胶凝强度负面作用不明显;而在90-105℃时缓凝剂对阳离子有极强的螯合能力,大大延缓了静胶凝强度的发展,温度更高时负面作用则不明显.建议在设计防窜水泥浆体系时,应重视缓凝剂对静胶凝强度过渡时间的影响.

1.5体积收缩

水泥浆硬化过程中,混合水与水泥熟料发生水化反应,使水泥一水体系的绝对体积减小,水泥浆体收缩(图2),进而影响水泥石的孔隙结构.通常,浆体处于塑性状态时其外部体积收缩是总体积收缩的主体,浆体产生强度后其外部体积收缩只是总体积收缩的一部分,其内部收缩则导致水泥石孔隙率增大.由于内部收缩形成的孔隙是连通孔的,对水泥石的渗透率影响很大,对其抗腐蚀能力和抗压强度(胶结性能)也不利.因此,浆体体积收缩使水泥环的胶结质量不能保证,严重时还可能形成微间隙,引发地层流体窜流.

1,6稳定性

水泥浆的稳定性主要指浆体的沉降稳定性和滤失控制能力,即游离液和失水:前者反映水泥浆在自由状态下束缚自由水、维持浆体组分均匀和性能一致的能力,如水泥浆游离液过大、水泥柱顶部和底部密度差大(图3);后者反映浆体在一定压差作用下的这些能力.稳定性良好的水泥浆不仅不沉降、失水低、游离液少,还有助于减少水泥浆体积收缩和减缓水泥浆失重速率.稳定性不好的水泥浆会增大失水和游离液,易为流体窜入环空提供良好通道(在斜井和水平井中尤为突出),加快水泥浆失重速率,致使产生更大的体积收缩等.

为确保水泥浆的稳定性,在配制水泥浆时应注意:①筛选合适的降失水剂和加入剂量,控制游离液和失水现象;②在不影响浆体流变性的前提下,适当提高浆体液相黏度,以保证体系颗粒不发生沉降且提高液相流动阻力(一般降失水剂具有这种性能);③浆体流变性良好时应尽量少加或不加分散剂,如必须加入时应不影响浆体稠化时间和稳定性,并优化降失水剂和分散剂的加量比例.另外,还需特别注意水泥石的渗透率.

因此,水泥浆防窜性能的设计思路一定要注意这些方面,最终达到以下目的:降低水泥浆气侵危险时间内渗透率,延缓气侵速率;缩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;降低体积收缩率,防止微环隙形成;提高韧性,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(图4).

2水泥浆防窜流主要性能间的关系

水泥浆的这些性能并不是孤立的,而是彼此间相互影响、相互制约的.

2.1稳定性与过渡时间的关系

马勇、范宇、郑莉等人研究了水泥浆在相同条件下的静、动态凝结特性.结果表明,浆体稳定性越好,水泥水化速度越快,初凝和终凝时间、初终凝过渡时间、静胶凝强度过渡时间越短,水泥浆凝固后体积收缩率越小.另外,水泥浆的高温高压稠化过渡时间短并不代表静胶凝强度过渡时间短,动态条件下的稠化过渡时间与静态条件下的静胶凝强度过渡时间并不等价.

2.2稳定性与失重的关系

张兴国、刘崇建、杨远光等人通过水泥浆失重实验发现,水泥浆失水、析水对失重影响较大:降低水泥浆体系的失水、析水,提高水泥浆体系的稳定性,有助于使水泥浆在凝结过程中维持更高的有效浆柱压力而压稳地层流体防窜.

2.3稳定性、体积收缩、失重的关系

如上文所述,浆体稳定性越好,水泥水化速度越快,水泥浆凝固后体积收缩率越小.对于失重来说,尤其是桥堵引起的失重,其严重程度主要取决于水泥水化体积的减少程度和水泥浆失水的大小.因此,水泥石体系收缩会导致失重,进而引发窜流.

2.4失水、失重、过渡时间的关系

水泥浆从液态向固态转变的过程中,其内部会逐渐形成一种由絮凝体和结晶体共同组成的空间网状结构.这种网架结构能够抵抗剪切变形的能力即称为水泥浆静胶凝强度.当失水、水化引起水泥浆体积收缩时,架体通过回落弥补体积损失,但静胶凝强度的发展增加了胶凝悬挂效应,阻碍了装体回落.大量研究表明,控制失水能降低失重幅度,失水对静胶凝强度过渡时间有间接影响.

通过以上分析可知:①浆体稳定性影响静胶凝强度过渡时间和水泥浆凝固后体积收缩率;②浆体稳定性对失重有重要影响;③失水、体积收缩影响着失重;④静胶凝强度过渡时间与体积收缩、失重有一定联系,静胶凝强度直接影响失重.

3结论

(1)浆体的密度、失水和稳定性是防窜流的先决条件,只有满足了这些性能才能有效地控制和改善静胶凝强度过渡时间、失重、体积收缩等关键因素.

(2)水泥浆防窜流的主要性能彼此间相互影响、相互制约,因此在配制防窜水泥浆体系需要全面、系统地综合考虑水泥浆的各个防窜性能,不能指望某个外加剂(如防气窜剂、膨胀剂等)完全解决问题.

(3)防窜是一项系统工程,配制防窜水泥浆体系时需要根据现场实际情况,做好井眼准备、井底清洁、有效居中、提高顶替效率及良好施工等工作,并结合其他相应的工艺技术,才能达到预期目标.

水泥论文参考资料:

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