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1、评价油井水泥长期封评价油井水泥长期封固效果方法的研究固效果方法的研究汇报人：刘爱玲汇报人：刘爱玲大庆石油管理局钻井工程技术研究院大庆石油管理局钻井工程技术研究院大庆石油管理局钻井工程技术研究院大庆石油管理局钻井工程技术研究院20042004年年年年5 5月月月月2020日日日日全全国国石石油油钻钻井井固固井井技技 术术 研研 讨讨 会会 论论 文文主要内容主要内容u引言引言u水泥环应力测量系统介绍水泥环应力测量系统介绍 u实验方法实验方法 u数据处理（应力计算）数据处理（应力计算）u评价实验评价实验u讨论讨论引引引引 言言言言 大庆油田已处于注水开发阶段大庆油田已处于注水开发阶段，前几年发现不
2、同时间测井固井，前几年发现不同时间测井固井质量有很大变化，基于存在的问题，目前，大庆油田正在对调整井质量有很大变化，基于存在的问题，目前，大庆油田正在对调整井进行不同时间测井的现场试验，以确定油田的开发及钻井固井方案。进行不同时间测井的现场试验，以确定油田的开发及钻井固井方案。为此，我们在实验室对其进行可能的模拟实验，以解释现场的试验为此，我们在实验室对其进行可能的模拟实验，以解释现场的试验结果，并为现场提供尽可能好的固井方案。结果，并为现场提供尽可能好的固井方案。另外，目前国外对水泥环的胀缩有了进一步的研究手段，他们另外，目前国外对水泥环的胀缩有了进一步的研究手段，他们建立了水泥环模拟装置，
3、利用金属环的薄厚来代替地层的软硬，并建立了水泥环模拟装置，利用金属环的薄厚来代替地层的软硬，并用水泥胀缩引起金属环的变形来研究水泥环对套管和地层的作用力。用水泥胀缩引起金属环的变形来研究水泥环对套管和地层的作用力。为此，我们借助于国外的经验，根据大庆油田调整井的实际情况，为此，我们借助于国外的经验，根据大庆油田调整井的实际情况，利用水泥环应力测量系统来评价油井水泥的长期封固效果。利用水泥环应力测量系统来评价油井水泥的长期封固效果。水泥环应力测量系统介绍水泥环应力测量系统介绍水泥环应力测量系统介绍水泥环应力测量系统介绍 u为为了了研研究究水水泥泥环环胀胀缩缩对对固固井井质质量量的的影影响响，建建
4、立立了了如如图图所所示示水水泥泥环环应应变变测测量量系系统统。在在此此，借借助助该该系系统统来来评评价价油油井井水水泥泥长长期期封固地层和套管的情况。封固地层和套管的情况。u该该系系统统由由模模型型、应应变变仪仪和和计计算算机机等等构构成成。模模型型是是用用来来模模拟拟油油井井水水泥泥在在井井下下的的情情况况，它它是是由由内内筒筒、外外筒筒、底底盘盘和和水水泥泥环环组组成成。内内筒筒（内内径径：124.3mm124.3mm，厚厚度度：2mm2mm）代代表表套套管管，外外筒筒（内内径径：224.4mm224.4mm，厚厚度度：2mm2mm）代代表表地地层层（其其剪剪切切弹弹性性模模量量为为192
5、8MPa1928MPa，相相当当于于大大庆庆油油田田调调整整井井软软地地层层的的硬硬度度），高高750mm750mm，在在内内筒筒的的内内表表面面和和外外筒筒的的外外表表面面贴贴上上应应变变计计。由由于于水水泥泥水水化化会会引引起起水水泥泥环环的的膨膨胀胀或或收收缩缩，并并对对一一、二二界界面面产产生生作作用用力力，从从而而引引起起内内外外筒筒的的形形变变，进进而而引引起起贴贴在在内内筒筒内内表表面面和和外外筒筒表表面面上上的的应应变变计计发发生生变变化化，应应变变计计的的变变化化由由应应变变仪仪测测得得，并并传传入入计计算算机机进进行行显显示示、保保存存和和数数据据处处理理。根根据据应应变变
6、的的大大小小可可以以计计算算出出水水泥泥环环作作用用于于一一、二二界界面面的的应应力力。在在不不破破坏坏套套管管和和地地层层及及满满足足抗抗压压强强度度要要求求的的情情况况下下，一一、二二界界面面应应力力越越大大，水水泥泥环环的的封封固固效效果果就越好。就越好。实验方法实验方法实验方法实验方法 准备工作准备工作1 1 用用120#120#金刚砂打磨内外筒欲贴应变金刚砂打磨内外筒欲贴应变计处（内筒内表面和外筒外表面中计处（内筒内表面和外筒外表面中间处，按间处，按120120度均布应变计），打度均布应变计），打磨光后用细砂纸按应变计的磨光后用细砂纸按应变计的4545度方度方向再细磨，之后用丙酮清除
7、表面杂向再细磨，之后用丙酮清除表面杂物。物。2 2 选择应变计，并在要求部位（内筒选择应变计，并在要求部位（内筒内表面和外筒外表面打磨部位）贴内表面和外筒外表面打磨部位）贴上应变计，并使其与应变仪相连。上应变计，并使其与应变仪相连。3 3 给内外筒的一端涂上黄油，并把内给内外筒的一端涂上黄油，并把内外筒放在底盘上，要求内外筒同心。外筒放在底盘上，要求内外筒同心。等待实验用。等待实验用。实验检测实验检测1 1 打开应变仪及计算机，预热半打开应变仪及计算机，预热半小时以上。小时以上。2 2 把按标准混好的水泥浆倒入准把按标准混好的水泥浆倒入准备好的内外筒之间，开始采样备好的内外筒之间，开始采样并存
8、盘，即进入实验状态。并存盘，即进入实验状态。3 3 当所采数据不再发生大的变化当所采数据不再发生大的变化时，或人为要求任何时候实验时，或人为要求任何时候实验结束。存盘等待数据处理。结束。存盘等待数据处理。数据处理（应力计算）数据处理（应力计算）数据处理（应力计算）数据处理（应力计算）对对实实验验所所采采数数据据进进行行处处理理，首首先先给给出出时时间间与与应应变变的的关关系系曲曲线线。再再根根据据弹弹性性空空心心筒筒解解法法，应应用用应应力力圆圆知知识识，求求出出水水泥泥环环在在一、二界面的应力状态。一、二界面的应力状态。r1r1和和r2r2分分别别是是空空心心筒筒的的内内径径和和外外径径，P
9、1P1和和P2P2分分别别为为r1r1、r2r2上上的的径径向向应应力力值值。这这种种解解法法对对内内外外筒筒都都适适用用。内内筒筒在在内内表表面面上上径径向向应应力力为为零零，外外筒筒在在外外表表面面上上径径向向应应力力为为零零。两两筒筒和和水水泥泥之之间间的的径径向向应应力力和和径径向向位移为连续的（除非有微环隙产生）。位移为连续的（除非有微环隙产生）。数据处理（应力计算）数据处理（应力计算）数据处理（应力计算）数据处理（应力计算）应用二维平面应变解法来估算每个环内应力和应变的状态。在应用二维平面应变解法来估算每个环内应力和应变的状态。在空心筒中，径向应力作为半径的函数是：空心筒中，径向应
10、力作为半径的函数是：切向应力是：切向应力是：径向位移是：径向位移是：数据处理（应力计算）数据处理（应力计算）数据处理（应力计算）数据处理（应力计算）根据上面等式，我们可以从外筒外径和内筒内径上获得的应变测量值来根据上面等式，我们可以从外筒外径和内筒内径上获得的应变测量值来估算水泥与钢界面（即一、二界面）上的径向应力。从外筒外表面的应变可估算水泥与钢界面（即一、二界面）上的径向应力。从外筒外表面的应变可得出水泥环二界面的应力为：得出水泥环二界面的应力为：从内筒内表面的应变可得出水泥环一界面的应力为：从内筒内表面的应变可得出水泥环一界面的应力为：根据水泥环作用于一、二界面的应力变化，可用来解释其长
11、期封固油水根据水泥环作用于一、二界面的应力变化，可用来解释其长期封固油水井的效果。在模拟条件下，如果水泥环作用于一、二界面的应力大，且随着井的效果。在模拟条件下，如果水泥环作用于一、二界面的应力大，且随着时间的推移应力是增大的，则说明该水泥体系在该条件下长期封固效果较好；时间的推移应力是增大的，则说明该水泥体系在该条件下长期封固效果较好；反之，如果水泥环作用于一、二界面的应力小或随着时间的推移应力有减小反之，如果水泥环作用于一、二界面的应力小或随着时间的推移应力有减小的趋势，则说明该水泥体系在该条件下长期封固油水井的效果要差。的趋势，则说明该水泥体系在该条件下长期封固油水井的效果要差。评价实验
12、评价实验评价实验评价实验 我们对大庆油田调整井常用的我们对大庆油田调整井常用的哈尔滨哈尔滨A A级水泥和膨胀水泥进行了级水泥和膨胀水泥进行了水泥环应力测量实验，以评价这两水泥环应力测量实验，以评价这两种水泥体系长期封固地层和套管的种水泥体系长期封固地层和套管的情况。所用水泥水灰比为情况。所用水泥水灰比为0.440.44，膨，膨胀剂加量为胀剂加量为4%4%；实验温度为；实验温度为2222。实验结果见图实验结果见图3 3。根据图。根据图3 3和一、二和一、二界面应力公式，可计算出水泥环在界面应力公式，可计算出水泥环在不同时期对一、二界面的应力（内不同时期对一、二界面的应力（内外筒的剪切弹性模量外筒
13、的剪切弹性模量G=77000MPaG=77000MPa，波松比波松比=0.3=0.3），具体数据见下表。），具体数据见下表。表2 水泥环对一、二界面的应力 注：负号说明受压。评价实验评价实验评价实验评价实验 从从上上表表可可以以看看出出：哈哈尔尔滨滨A A级级水水泥泥原原浆浆和和膨膨胀胀水水泥泥对对一一、二二界界面面的的应应力力基基本本上上是是随随着着水水化化时时间间的的推推移移而而增增大大，这这说说明明，在在模模拟拟条条件件下下，哈哈尔尔滨滨A A级级水水泥泥原原浆浆和和膨膨胀胀水水泥泥的的长长期期封封固固效效果果较较好好。膨膨胀胀水水泥泥要要比比哈哈尔尔滨滨A A级级水水泥泥原原浆浆对对一
14、一、二二界界面面产产生生的的应应力力要要大大，这这说说明明，在在模模拟拟条条件件下下，膨膨胀胀水水泥泥要要比比哈哈尔尔滨滨A A级级水水泥原浆的封固效果好。泥原浆的封固效果好。水泥一界面应力（MPa）二界面应力（MPa）1d2d7d1d2d7d哈尔滨A级原浆-0.42-0.50-0.60-0.27-0.33-0.37膨胀水泥-0.54-0.65-0.75-0.45-0.57-0.63讨论讨论讨论讨论 目前现场延时测井部分实验资料表明，在稳定区块，目前现场延时测井部分实验资料表明，在稳定区块，A A级水级水泥原浆封固效果较稳定。室内实验相当于稳定区块的模拟，结泥原浆封固效果较稳定。室内实验相当于
15、稳定区块的模拟，结果也表明果也表明A A 级水泥原浆长期封固效果较好。从现场和室内实验级水泥原浆长期封固效果较好。从现场和室内实验结果来看，其结论具有一致性，故认为在室内用水泥环对一、结果来看，其结论具有一致性，故认为在室内用水泥环对一、二界面产生的应力来评价水泥环长期封固的有效性是可行的。二界面产生的应力来评价水泥环长期封固的有效性是可行的。建议在今后的研究中充分利用水泥环应力测量系统，并在实践建议在今后的研究中充分利用水泥环应力测量系统，并在实践中不断发展该系统。中不断发展该系统。同时室内实验还表明，膨胀水泥对一、二界面产生的应力同时室内实验还表明，膨胀水泥对一、二界面产生的应力较大，认为在现场应用更能有效地长期封固地层和套管，建议较大，认为在现场应用更能有效地长期封固地层和套管，建议使用膨胀水泥使用膨胀水泥。END请各位专家请各位专家多提宝贵意见！多提宝贵意见！