预应力固井技术研究及现场应用

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1、第32卷第5期钻采工艺V01．32No．5DRILLING＆PRODUCTIONTECHNOLOGY·21·预应力固井技术研究及现场应用刘世彬，吴永春，王纯全，黄云，范成友，田冠群(1川庆钻探工程有限公司井下作业公司2渤海石油职工学院)刘世彬等．预应力固井技术研究及现场应用，2009，32(5)：21—24摘要：随着油气勘探开发转向深部地层，固井面，临井下地质情况复杂、温度高、温差大、压力高、多压力系统、高含硫和膏盐层等固井难题。固井中除了应用新型水泥浆体系、固井工具等技术措施外，还可从水泥石和套管金属的材料力学

2、性质出发，利用水泥浆候凝期间静压与强度的关系和不同套管内压下与水泥石微间隙之间的关系，运用预应力固井技术，即采用大压差和环空憋压候凝增加水泥石早期强度、降低孔隙度，降低或减弱套管的伸缩扩张带来的微间隙，提高一、二界面固井胶结质量。试验表明，所采取的预应力固井技术措施行之有效，能够显著提高固井质量，能够满足后续增产作业的要求。关键词：预应力；大压差；环空憋压；固井中图分类号：TE256．1文献标识码：BDOI：10．3969／j．issn．1006—768X．2009．05．008在固井作业中，环空压力一般大于套管

3、内压力，回到其原始形状。在塑性区，变形随应力不再线性形成负压差，当水泥浆候凝失重后环空液柱压力降增加。当应力继续增加，达到塑性区右上角的低，负压差变成正压差，这种套管内外压力的变化就点，材料就达到了极限强度而被破坏。因此，需要在会使套管应力发生变化，从而导致环空水泥浆凝固预应力固井候凝过程中将套管所受压力控制在其弹后，在套管和水泥环之间(即第一界面)产生微间性变形范围内，避免套管遭到塑性破坏。隙。同时，由于水泥石具有自身体积收缩的特性，也会导致在一、二胶结面之间产生微间隙。研究表明，微间隙的形成不仅与套管的材质、

4、结构尺寸、井口压力、水泥浆体系有关，还与水泥浆候凝状态等因素有关。因此，运用预应力固井技术，通过改变水泥浆候凝状态就能有效预防套管与水泥和环之间微间隙的产生，从而提高固井质量。一、套管金属、水泥石的应力应变特性弹性区包括直线段，在这段区域金属材料发生弹性变形塑性区包括曲线段，在这段区域金属材料发生塑性变形1．套管金属材料的应力应变特性图1金属材料应力一应变关系图套管金属材料作为弹性体，具有一定的应力应变形态。当给一个钢件施加应力时，在材料上会出2．水泥石在围压下的应力应变特性现应变(变形)。应力与应变的关系如图1

5、所示，在单轴试验表明，水泥石为典型的脆性材料，当受弹性区，随着应力增大，变形成线性增加，当解除应力达到一定程度时，就会突然发生破坏，不表现出明力时，材料回到其原始形状。在弹性区的右上角显的形变，其受力破坏的应力一应变曲线与脆性材点，为该材料塑性变形的开始点。这个点即材料的料应力一应变曲线一致，如图2所示。但水泥环在屈服点，该点的应力即为材料的屈服强度。一旦塑井下实际力学形变能力却受温度和压力的影响。要性变形开始，该物体便保持形变，当解除应力时也不准确测定并评价水泥石在整个受力过程中特别是井下围压作用下的水泥石力学

6、形变行为是较为困难。收稿日期：2009—04—19基金项目：系中石油集团公司“龙岗地区安全快速钻井现场试验”重点科技攻关项目(07G2030205)。作者简介：刘世彬(1973一)，高级工程师，从事固井科研和现场服务工作。地址：(610051)成都市二环路北四段瑞丰巷6号井下作业公司研发中心，电话：(028)86019026，E—mail：lsbwwlnx@163．tom钻采工艺2009年9月·22·DRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYSep．2009西南石油大学考察了围压对水泥石力学形变能

7、力的影响，采用美国GCTS公司三轴岩石力学测试系统RTR一100研究了油井水泥石在围压作用下的力学200叟形变行为。室内实验考察了P=1．90g／cm的正常一吕密度原浆水泥石在三轴(围压20MPa)情况下的应慧氍幽100力一应变曲线，实验结果如图3所示。OP(～【Pa)皇图4水泥石抗压强度(1)、抗拉强度(2)、幽总孔隙率(3)与养护压力尸的关系·叵暴轴向应变(％)图2典型脆性材料应力一应变曲线图莹厦养护压力(加暴图5水泥石抗压强度与试验温度、养护压力的关系轴向应变(％)水泥石的所有孔隙分两类，第一类是内部达到图

8、3原浆水泥石三轴应力一应变曲线图完全微晶的孔隙，第二类是凝胶孔。苏联B．N．别捷赫金等采用小角度衍射法测定数据表明：第一类孔从图3三轴实验水泥石应力一应变曲线发展来隙可以通过加压的方式予以抑制(错动型机理)，凝看，水泥石并未表现出脆性材料的特征，随着应力的胶孔可以通过粉体材料压实过程进行。压力通过改增大水泥石应变在逐渐增大，曲线曲率较大，偏离直变水泥水化晶体尺寸和类晶体部