水泥浆胶凝强度与防窜能力间量化关系
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混凝土抗压强度与渗透性关系原理一、引言混凝土是工程建筑中最常用的材料之一,其性能对于工程的安全和可靠性至关重要。
混凝土的抗压强度和渗透性是两个重要的性能指标,两者之间存在着密切的关系。
本文将从混凝土结构、抗压强度、渗透性等方面进行探讨,分析混凝土抗压强度与渗透性关系的原理。
二、混凝土结构混凝土是一种由水泥、砂、石子等材料按一定比例混合而成的复合材料。
混凝土的结构由水泥凝胶、骨料和孔隙组成。
水泥凝胶是混凝土的主要胶结材料,其强度和耐久性决定了混凝土的抗压强度和渗透性。
骨料是混凝土的主要强化材料,其强度和形状对混凝土的抗压强度和渗透性有着重要的影响。
孔隙是混凝土结构中的弱点,对混凝土的抗压强度和渗透性有着显著的影响。
三、混凝土抗压强度混凝土抗压强度是指混凝土在受到压力作用下的承载能力。
混凝土的抗压强度与水泥的性质、水泥用量、骨料的性质、骨料用量、水灰比等因素有关。
水泥的早期强度和长期强度对混凝土的抗压强度有着重要的影响。
水泥用量的增加可以提高混凝土的强度,但过量的水泥会增加混凝土的收缩和温度变形。
骨料的强度和形状对混凝土的强度有着重要的影响。
骨料用量的增加可以提高混凝土的强度和耐久性,但过量的骨料会增加混凝土的渗透性。
水灰比是指混凝土中水的用量与水泥用量的比值,水灰比的大小对混凝土的强度和渗透性有着重要的影响。
水灰比过大会导致混凝土的收缩和渗透性增加,水灰比过小会导致混凝土的工作性能降低。
四、混凝土渗透性混凝土渗透性是指混凝土中水分和其他物质的渗透能力。
混凝土的渗透性与水泥凝胶的密实程度、孔隙的大小和分布、骨料的形状和大小等因素有关。
水泥凝胶的密实程度越高,渗透性越小。
孔隙的大小和分布对混凝土的渗透性有着显著的影响,孔隙越大、分布越密集,渗透性越大。
骨料的形状和大小对混凝土的渗透性也有着较大的影响,骨料的圆形度越高、大小越均匀,渗透性越小。
五、混凝土抗压强度与渗透性关系混凝土的抗压强度和渗透性之间存在着密切的关系。
防气窜固井水泥浆体系研究时培忠【期刊名称】《《能源与环保》》【年(卷),期】2018(040)010【总页数】3页(P23-25)【关键词】油气井; 固井; 气窜; 水泥浆【作者】时培忠【作者单位】长江大学湖北武汉430100【正文语种】中文【中图分类】TE2450 引言油气井在注水泥之后,当环形空间内的液柱压力与地层流体的压力之间存在不平衡时,会导致地层中的流体进入到环形空间内,产生纵向流动。
在固井操作中,一般将气窜的情况分为初次气窜和二次气窜两种。
初次气窜是指在固井作业期间或者固井完成后的短时间内所发生的气窜现象。
环空气窜现象是影响固井质量的一个重要因素,发生环空气窜后会导致地层与水泥浆与套管间存在缝隙造成井口冒油冒气,影响油气井的正常生产,甚至会导致油气井的报废[1-3]。
D区块在钻井至5 967 m时开始遇到气侵异常现象,到6 777 m共钻遇8套气层。
根据D区块情况,针对气层尾管固井,考虑使用防气窜水泥浆体系针对D区块进行封固。
为了保证D区块的固井效果,需要针对D区块的地层优选出相应的防窜胶乳水泥浆体系[4]。
1 防气窜水泥浆体系研究1.1 胶乳加量对水泥浆常规性能的影响胶乳水泥浆是具有最好防窜效果的水泥浆体系,因此,研究以胶乳水泥浆为主体。
在室内,结合D区块的实际固井设计,为达到更好的防窜作用,在胶乳水泥浆体系中加入MX孔隙支撑剂。
在水泥浆中加入丁苯胶乳,能够提高水泥环的抗气窜、抗腐蚀性能,保证固井质量。
通过室内研究,不同比例下的胶乳含量对水泥浆体系性能的影响结果见表1,胶乳加量对水泥石力学性能的影响见表2。
表1 胶乳加量对水泥浆体系性能的影响Tab.1 Effect of latex addition on the performance of cement slurry system胶乳/% φ600/φ300 φ6/φ3 API失水量/mL 稠化时间/min 0 216/108 4/3 74.2 236 2.5 221/128 2/2 64.6 241 5.0 223/131 7/4 59.4 252 7.5 225/136 7/6 53.0 244 10.0 217/1298/6 44.0 235 12.5 212/136 9/7 25.4 263 15.0 226/136 9/8 20.0 251 17.5 235/142 10/8 18.6 249 20.0 245/155 12/10 15.3 243表2 胶乳加量对水泥石力学性能的影响Tab.2 Effect of latex addition on mechanical properties of cement stone加量/% 抗压强度/MPa抗冲击强度/(kJ·m -2)剪切强度/MPa 拉伸强度/MPa抗窜能力/(MPa·m -1)0 36.8 1.78 3.52 0.26 9.4 2.5 36.2 1.83 3.98 0.32 10.8 5.0 35.8 1.93 4.23 0.38 11.3 7.5 33.8 1.98 4.63 0.42 12.2 10.0 27.3 2.04 4.88 0.51 14.1 12.5 26.5 2.12 5.02 0.58 14.9 15.0 22.8 2.14 5.11 0.63 15.8 17.5 22.3 2.20 5.16 0.58 15.6 20.0 21.2 2.23 5.08 0.61 15.2配方:G级水泥 +35%硅粉 +淡水 +2.5%CJ56L胶乳稳定剂+6%CG88L降滤失剂+3%CF44L分散剂+3%MX+1.33%H63L缓凝剂+1%CX66L消泡剂+胶乳(0% ~20%)。
固井防窜水泥浆体系在丘东气田的研究与应用作者:陈新忠樊文俊来源:《大陆桥视野·下》2013年第05期摘要气窜是丘东气井田井存在的一大技术难题,具有低压、低渗、个别井段易漏和固井后易气窜的明显特点。
为此开发了浅层气井固井防窜水泥浆,该水泥浆具有流动性好、失水量低、稠化时间合适、过渡时间短和早期强度高等优点。
针对水泥浆性能影响固井质量的原因分析,通过水泥浆体系和水泥石的室内试验与评价,优选出适合本区块的水泥浆体系,现场应用效果比较理想。
关键词低压低渗防窜水泥浆室内评价固井质量由于调整井长期受开发注水的影响,地下情况越来越复杂,在同一地层剖面上,地层存在很大的压力差异,并存着高压、常压、低压的多压力系统,固井溢漏、气窜情况时有发生。
虽然采取了多种配套工艺技术取得了一定成效,但也不尽如人意,试油窜流现象依然存在,给采油的稳产和增产措施带来不利影响,考虑防止溢漏的发生,从水泥浆的体系和密度着手,开展能使溢漏相互遏制达到平衡的水泥浆密度,同时又具有防窜功效的水泥浆研究具有重要的现实意义。
一、气窜原理的分析固井界默认的气侵原理:当水泥浆从液态向固态转变时,由胶凝强度的发展引起的。
因此,水泥浆失去传递液柱压力的能力时,气侵就发生了。
其他的气侵原理如:水泥浆失水量大、桥堵、渗透性大、环空微间隙等引起的。
依据气窜的途径不同研制出了各种不同的防气窜的方法。
但是,现场固井中综合运用这些方法可以有效地控制气窜的发生。
在选择防气窜的方法时,需要综合考虑地层压力,渗透率,气体上窜速度,井底温度,井深结构,井斜,水泥柱高度、地层破裂压力。
固井施工中的很多参数和水泥浆密度一样能够引起液柱压力失稳现象。
性能较差的泥浆和水泥浆使气体很容侵入到环空中。
水泥浆过早胶凝导致不能传递液柱压力,同时水泥浆的失水量大也为气体窜入水泥浆提供了机会。
水泥浆渗透率高引起封隔质量差,防气窜能力差。
水泥石收缩率高则导致水泥环孔隙率增加及环空微间隙增加,固井失败导致气体对水泥环的破坏,水泥胶结强度差引起第一、二界面胶结质量差。
摘要固井后水泥浆环空发生气窜是当前固井工艺技术存在的三大技术问题之一。
至今仍是国内外固井界未能很好解决的问题。
据估计,大约25%的完井过程中存在着气窜。
固井后环空发生气窜将损坏储层,影响油井自然产能,对油气田开发后续作业造成不利影响,即使采用挤水泥等补救工艺也很难奏效,严重时将导致油气井报废,浪费资源。
自上世纪60年代以来,国内外对固井后环空气窜机理、预测方法及防气窜技术方法进行了大量的系统研究,设想客观、准确评价水泥浆的防气窜能力,但还未能从根本上解决固井后环空气窜技术问题,因此气窜的有关成因及防窜措施值得进一步研究和探索。
本文试图分析油井水泥浆发生气窜的原因,进一步主要了解国内外固井水泥浆防气窜性能评价方法以及它的计算式,深入了解美国千德乐公司开发的5265型静胶凝强度分析仪的工作原理,通过此仪器的一个常规水泥浆试验案例来了解一般水泥浆体系的静胶凝强度发展规律,结果表明,温度、压力、稠化时间在水泥浆静胶凝强度的发展过程中的影响比较明显,而水泥浆的失水量和密度对于水泥浆静胶凝强度的发展的影响作用并不是非常的明显。
之后在实例数据的基础之上,利用数理统计的方法,建立了水泥浆静胶凝强度的计算模型,为了方便计算水泥浆静胶凝强度,并将其应用于气窜的预测,最后本文结合了水泥浆有效液柱压力计算方法和水泥浆气侵阻力计算方法,从决定气窜发生与否的压力平衡关系出发,设计了水泥浆静胶凝强度预测以及防气窜评价程序,为以后油气井防气窜工作提供科学的依据,从而提高油气田开发的经济效益。
关键词:气窜,静胶凝强度,水泥浆失重,评价方法,固井质量AbstractAfter cementing cement annulus gas channeling is one of the three major technical problems of current cementing technology,and this problem is still not well resolved at home and abroad .According to estimates, there are gas channeling in the completion process of about 25%. The annular gas channeling after cementing will damage the reservoir, influence natural productivity of oil wells; and adverse impact on oil and gas field development and subsequent operations; even if the use of cement squeeze, remedial process is also very difficult, which will lead to waste of resources ,even if abandon of oil well.Since 60's n last century, domestic and foreign do a lot of system study to the annular channeling of cementing mechanism, forecasting and preventing gas channeling techniques , How to evaluate the gas-channeling prevention performance of cement slurry objectively and accurately,it is still a question can not resolved perfectly for the cement industry at home and abroad , therefore the causes and channeling prevention measures is worthy of further study and exploration.This paper tries to analyze the reason of oil well cement slurry gas channeling, To further understand the cement slurry anti-gas channeling performance evaluation methods and its calculation method.Mainly from the conventional cement slurry static analysis method of gel experiment,The results show that the influence of temperature, pressure, the development process, the thickening time of static gel strength in cement slurry are obviously.The effect of cement slurry filtration rate and density effects on the development of static gel strength of cement slurry is not very obvious,Then on the basis of the experimental data, using the methods of mathematical statistics, established the calculation model of static gel strength of cement paste.In order to facilitate the calculation of cement slurry gel strength, it was applied to predict the gas channeling.This paper combines the cement slurry effective fluid column pressure calculation method and cement slurry gas cutting resistance, from the gas migration balance relationship of cement slurry, the static gel strength prediction and gas channeling evaluation procedure for oil and gas wells, gaschanneling prevention work provided scientific basis, so as to improve the development of oil and gas fields economic benefit.Key words:Gas channeling,Slurry Weight Loss,Static gel strength,Evaluation method,Cementing quality目录1 前言 (1)1.1 研究气窜的目的及意义 (1)1.2 气窜研究历程以及国内外研究进展 (1)1.3 国内固井水泥浆防气窜技术与国外的差距 (3)1.4 本文的主要工作 (4)1.5 本文的主要思想 (5)2 水泥浆防气窜性能评价方法 (6)2.1 气窜的途径 (6)2.2 气窜的机理分析 (6)2.3 防气窜性能评价方法 (9)2.3.1 平衡压力法 (9)2.3.2 气窜潜力系数法(GFP) (10)2.3.3 水泥浆性能系数法(SPN) (11)2.3.4 修正的水泥浆性能系数法(SPNx) (12)2.3.5 水泥浆性能响应系数法(SRN) (13)2.3.6 胶凝失水系数法(GELFL) (14)2.3.7 综合因子法(CCGM) (14)2.3.8 阻力系数法 (16)2.4 防气窜评价方法存在的问题 (17)2.5 本章小结 (18)3 水泥浆防气窜性能评价实验模型 (19)3.1 水泥浆静胶凝强度的概念 (19)3.2 水泥浆静胶凝强度理论 (20)3.3 静胶凝强度测量装置及原理 (20)3.3.1 静凝胶强度测量装置 (20)3.3.2 静凝胶强度测量装置工作原理 (22)3.4 实验模型案例 (22)3.4.1 常规水泥浆的配方 (23)3.4.2 温度对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响 (23)3.4.3 压力对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响 (24)3.4.4 稠化时间对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响 (26)3.4.5 失水量对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响 (27)3.4.6 密度对常规水泥浆体系静胶凝强度的影响 (29)3.5 本章小结 (31)4 水泥浆防气窜性能评价数值模型 (32)4.1 多元线性回归模型 (32)4.2 影响因素相关性评判方法 (33)4.3 影响因素综合分析案例 (35)4.3.1 常规水泥浆直线段的数据回归 (35)4.3.2 常规水泥浆曲线段的数据回归 (37)4.3.3 建立的静凝胶强度的的数值模型 (40)4.4 数值模型的验证 (41)4.5 本章小结 (42)5 设计气窜评价软件模型 (43)5.1 设计模型的功能简介 (43)5.2 设计模型的数值计算式 (43)5.2.1 评价气窜的力学平衡方程式及其导出式 (43)5.2.2 常规水泥浆静胶凝强度的数学模型 (45)5.3 设计模型的思路 (46)5.4 设计模型的使用说明 (46)5.4.1 输出结果分析 (46)5.4.2 气窜评价模型流程图 (47)5.4.3 界面设计 (48)5.5 本章小结 (50)6 结论及建议 (51)参考文献 (54)1前言1.1研究气窜的目的及意义固井后环空气窜是指在注水泥结束后,在水泥浆由液态转化为固态过程中,水泥浆难以保持对气层的压力或由于水泥浆窜槽等原因造成胶结质量不好,气层气体窜入水泥石基体,或进入水泥与套管或水泥与井壁之间的间隙中造成层间互窜甚至窜入井口。
水泥浆防窜流主要性能探讨作者:金凯龚章昌姜宏张成娟来源:《石油知识》 2016年第2期金凯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。
双作用防气窜固井水泥浆的研究罗宇维中海油服油田化学事业部摘 要:国内外石油固井界对油气水窜原理及防止油气水窜的方法进行了大量的研究,开发出了许多增加气体在水泥浆基体内的流动阻力,减少气侵的“气阻剂”;增加水泥浆凝结过程中的有效孔隙压力、减小水泥浆“失重”的“发气剂”;减少水泥浆在凝结过程中的体积收缩、防止微环空间隙的“膨胀剂”。
这些防气窜添加剂及其相应的水泥浆体系的防气窜作用单一,且由于没有API防窜能力评价标准,防气窜能力无法比较,不能从根本上解决气窜潜力大的高温超压气井、长裸眼易漏井的防气窜问题。
本研究利用水泥浆气侵阻力评价仪测试了常用水泥浆体系的气阻能力;通过水泥浆的气阻能力、延缓失重能力和体积膨胀能力的综合评价,研发出了适合大环空固井和小间隙短裸眼固井的“高气阻微膨胀”双作用防气窜水泥浆,研发出了适合小间隙长裸眼固井的“高气阻缓失重” 双作用防气窜水泥浆体系。
大量的固井实践表明,这些体系的防气窜能力强,提高了气窜潜力大的高危气窜井的固井质量。
关键词:固井 双作用 防气窜 水泥浆 失重 气阻 微膨胀引言气体的粘度比水低80~100倍,油气井固井后,最有可能发生环空窜流的是气窜。
根据国内外研究结果,气窜的形式和解决方法主要有三种:钻井液窜槽和泥饼干裂引起气窜,主要通过提高水泥浆的顶替效率解决;界面微间隙引起气窜,主要靠微膨胀水泥克服;水泥浆失重引起气窜,主要靠提高水泥浆基体的防气窜能力来预防。
水泥浆在未丧失流动性之前以及初凝后,一般情况下气侵很难发生,但水泥浆从塑性状态向固态转变过程中却有可能发生气侵。
此时水泥基体最薄弱的地方是结构孔隙(浆体内部缺陷和交接界面缺陷除外)。
从提高水泥浆防窜能力的角度出发,弥补水泥浆失重压力降和增加气窜阻力主要应该在水泥浆静止后、液柱压力降至等高度水柱压力之前,传压方式为塑性态孔隙传递时期。
防止因水泥浆失重发生的气侵的条件:孔隙流动阻力+孔隙压力(包括添加剂产生的附加压力)>气层压力(1)目前,国内外石油固井界开发出了许多具有不同抗气窜能力的防窜添加剂和相应的水泥浆体系,如Halliburton公司的Gas-chek、Gastop、Latex2000及Dowell公司的Gasblock、D600,国内开发的KQ系列、G69等。
高温防窜水泥浆体系的研究及应用随着东濮凹陷油气勘探深度的加大,储量增长将主要来自中深层,尤其对天然气而言,主要来自4000m以下的深层气。
早期完成的深井、超深井,固井成功率和固井质量都存在一定问题。
其中一个主要原因是,高温水泥浆防窜能力差,稳定性差,强度发展慢,尤其是高温水泥浆在中低温条件下强度不能正常发展,造成固井后水泥浆不能有效抑制环空窜流,固井质量无法保证。
通过开展技术研究,成功研制出高温防窜水泥浆体系,为中原油田深井、超深井固井提供了质量保证。
1 室内研究1 1 高效防窜性能(1)克服水泥石体积收缩现象,增强水泥浆阻止油气侵的孔隙压力。
气锁膨胀剂在高温条件下可产生氢气,使氢气均匀分布在水泥浆中,并借助于水泥形成的孔隙结构,蹩上一个附加的压力作用在井壁上,从而抑制油气窜流,并消除环空微间隙,改善水泥环与套管、地层的界面胶结状况。
试验证明膨胀率为35%以上,釜内压力变化值较小,能够有效克服水泥石的体积收缩现象。
根据深井、超深井施工要求,结合试验结果,膨胀剂的初发时间控制在50~70min,持续发气时间控制在60~120min。
合理的初发时间和持续发气时间可确保微小气泡均匀分布在水泥浆中,从而有效弥补水泥浆的失重。
(2)控制水泥浆游离液、失水,增强水泥浆孔隙阻力。
水泥浆内游离液的分离,可在水泥浆柱中产生连通的轴向水槽(或水带),降低作用在地层的压力。
并且游离液容易聚集形成微细通道,使水泥浆稳定性变差,微细通道使游离液窜至顶部,成为油气水窜的薄弱通道。
该体系中,水泥浆的游离液控制为零。
选用以优质胶粒水溶性聚合物为主要成份的降失水剂。
该剂不仅可以在气窜部位形成致密薄膜,也可充填在水泥颗粒间,增大孔隙流动阻力,从而遏止流体在水泥浆中运移。
(3)选用具有晶格膨胀效果的早强剂,最大程度地控制水泥浆气窜危险期。
通过降低水泥浆的稠度,选用具有晶格膨胀效果的早强剂,将稠化时间及胶凝强度发展的过渡时间控制在15min内,加上增强水泥浆孔隙压力及孔隙流动阻力等技术,从而提高高温防窜水泥浆体系的防窜性能。
丝 路 视 野一、防窜水泥浆体系作用机理油田经过长时间的开发后,地层能量严重不足,需要进行修井作业以保证油井的正常生产。
作为钻井和修井中的主要介质,注入水泥浆来实现油井的防窜,是其中非常重要的工艺组成部分。
对于长时间开采的油井来说,压力差异主要表现在纵向层间,对于调整井固井的过程来说,如何能够实现稳定压力和防漏防窜,是一项非常重要的任务和要求。
为了更好地保证固井质量,使油井的生产层封固完整,避免套管出现窜油、窜气等问题,推动采油工艺进一步简化,提高油井使用寿命和油井利用率,采用更为科学和精准的防窜水泥浆就显得十分重要。
第一,分散剂(SG-JZJ)是一种橘黄色或者红褐色粉末,它的主要构成成分是甲醛、丙酮等,通过聚合改性的方式形成。
作为泥浆中的重要组成部分,通过吸附和分散等来实现水泥浆的流变性。
在混合过程中,泥浆中加入减阻剂后,正电荷会在水泥颗粒表面进行大量聚焦,吸附的大量阴离子会使颗粒表面电荷得以凝聚。
在这种情况下,水泥水化会进一步抑制聚焦颗粒的效果,絮状体系被逐渐瓦解,这其中的絮状结构会被进一步释放出来,达到使流动性进一步改善的目的。
第二,降失水剂(SG—JSSJ)是以浅灰色粉末形状的物性特点存在。
它由水溶性助剂和其他高分子材料所组成。
这种成分通过形成致密的聚合物薄膜及提高水相黏度,达到减少水分流失的目的和效果。
加入水泥浆后,这种成分会和水泥颗粒吸附增长变大,使水泥浆体系结构发生一定程度的改变。
在这种情况下,水流的压力变化较大,流动速度会减慢,滤失量减少,在井壁上渗透性地层形成一层滤饼状物质,在介质界面形成不渗透膜,从而阻止水分滤失的现象发生。
整个水泥浆体系由此会变得更加稠密,使紊流顶替作用得以突出和突显。
第三,早强剂(SG—ZQJ)。
早强剂的主要物性是呈现白灰色粉末的形态,这种物质的产生机理是通过早强材料改性形成的,在制备的过程中,是通过化学反应的方式来实现,一般情况下是氢氧化钙水解反应,通过离子浓度的变化,实现石膏体系水泥水化,这样就能够更加快速地实现泥浆稠化。