水泥环完整性失效原因分析及应对技术(郭小阳)

1#钻井液顶替效率和界面清洗模拟
2#钻井液顶替效率和界面清洗模拟
3#钻井液顶替效率和界面清洗模拟
4#钻井液顶替效率和界面清洗模拟
采用清水作为前置液分别顶替4种钻井液，顶替效率均只有80%左右， 顶部形成钻井液滞留区，底部钻井液“下沉”形成混浆区，界面胶结质量差
水泥环完整性失效分析
6、固井一二界面封固失效
应对技术措施
结论与建议
应对技术措施
1、水泥石防腐设计
油井水泥组成：水泥材料的矿物与化学组分不同，必然使其水化产
物的结构、性能以及水泥石的结晶组织结构发生变化，这些将直接影响 高浓度H2S/CO2对其的腐蚀速度，硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、磷酸盐水 泥在耐酸性气体腐蚀能力方面存在较大差异
水泥石渗透率：通过制备高致密性的水泥石，减少水泥浆水化过程
水泥石体积收缩形成微环隙
r4
po
套管与井壁协调变形弥补水泥石体积收缩
q3
r3
q4
q2
套管 水泥环
r2
pi
r1
rp 2
井壁围岩
ur
r r z E
微环隙大小
ΔD=[（1200-SGSW）/1200×HVR-Σur]×(rw-rco)
汇报提纲
井筒完整性简介 水泥环完整性失效原因分析
水泥环完整性失效分析
2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏
储层岩石为灰岩，弹性模量29.086GPa，泊松比0.29，屈服强度60.32MPa 产层固井用90SS套管弹性模量206.9GPa，泊松比0.3，屈服强度620.7MPa 水平地应力80MPa 水泥石弹性模量10.1GPa，屈服强度49.6MPa，泊松比0.26
水泥 低密度 纯水泥 密度 g/cm3 1.38 1.94 失水 mL 1700 3000 Sgs=96渗 透率md 200~1000 200 Sgs240渗 透率md 300 95 凝固 12h 10 1
0.2%气锁剂 0.6%气锁剂
乳胶水泥浆
1.87 1.87
1.93
177 27.9
27.3
140 100
因腐蚀介质消耗了水泥石中
的胶结相，生成了无胶结相、 体积增大的腐蚀产物，使水
泥石内部出现裂纹，并因淋
滤、溶蚀等作用使水泥石中 局部出现了较大的孔隙，导
致水泥石抗压强度下降，渗
水泥石腐蚀前 水泥石经CO2、 H2S混合 气腐蚀后
透率升高，破坏了水泥环完 整性
水泥环完整性失效分析
5、酸性流体腐蚀水泥环
水泥环完整性失效原因分析
及应对技术措施
汇报人：郭小阳
西南石油大学固井实验室
2011年9月
汇报提纲
水泥环完整性概念 水泥环完整性失效原因分析
应对技术措施
结论与建议
水泥环完整性概念
1、水泥环完整性定义
参考API.RP.90和挪威NORSOK标准D—010《钻
井和作业的油气井完整性》将水泥环完整性 定义为：通过科学设计水泥浆体系并采取有
抗压强度/MPa
抗压强度变化曲线线
渗透率变化曲线
2
3
4
模拟稠油热采井蒸汽吞吐轮次/次
常规加砂水泥浆体系模拟多轮次蒸 汽吞吐后性能图
图2 常规加砂水泥浆体系模拟多轮次蒸汽吞吐前后性能对比图
渗透率/mD
加砂水泥石经模拟高温蒸汽吞吐后 SEM形貌图
水泥环完整性失效分析
5、酸性流体腐蚀水泥环
CO2和H2S在湿环境下与碱性水泥环发生酸碱反应 腐蚀后的水泥石强度严重下降，渗透率急剧升高 水泥环腐蚀破坏后，井内管柱失去保护屏障 腐蚀形成窜流通道，造成气体泄漏
水泥石三轴应力应变测试
水泥环完整性失效分析
2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏
对一口4000m井，井内全部置换为清水时，内压为40MPa
一界面处水泥环Von Mises应
力达到了最大值49.6MPa，发 生塑性变形
一界面处水泥环发生塑性变形， 最大应变0.0278%，对水泥环 密封性能有一定影响
水泥环完整性失效分析
10
20
30
40
50
60
70
2-Theta(°
水泥石腐蚀前物相分析
水泥石CO2腐蚀后物相 分析
水泥石混合气体腐蚀后 物相分析
水泥环完整性失效分析
6、固井一二界面封固失效
水泥环/地层 界面二界面 钻井液滤饼无法固化，影响界面胶结 顶替效率低，残留“死泥浆”
钻井液与水泥浆接触污染，形成难以
置换、无法固化的絮凝物质
2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏
对一口4000m井，试压时，内压为70MPa
大部分水泥环Von Mises应力
都达到了最大值49.6MPa，发 生塑性变形
一界面处塑性应变达到了 0.131%，影响界面胶结质量
水泥环完整性失效分析
2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏
对一口4000m井，生产时，内压为100MPa
75
200 6
5
测不到 测不到
0
水泥环完整性失效分析
1、高渗透水泥浆基体成为窜流通道
气窜是一个破坏性渗流的物理过程
气体侵入后留下难以修复气窜通道 气孔
气孔
常规密度水泥浆气窜试验 气侵危险时间气窜流量10.6mL/min
高密度水泥浆气窜试验 气侵危险时间气窜流量5.3mL/min,
气窜压差9.8kPa
废弃井盐水和气体泄露
表层套管焊接处窜气
仅在加拿大西部，就 有18000多口井表层套 管环空带压或窜流， 有许多井需要关井甚 至停产
生产套管焊接处窜气 所在的地理位置
汇报提纲
井筒完整性简介 水泥环完整性失效原因分析
应对技术措施
结论与建议
水泥环完整性失效分析
1、高渗透水泥浆基体成为窜流通道 水泥浆候凝过程中气体可能通过高渗透水泥浆基体窜流，并 形成难以修复的气窜通道
水泥环完整性失效分析
5、酸性流体腐蚀水泥环
水泥石腐蚀后渗透率和孔隙度变化 腐蚀后孔隙度和渗透率明显减低，原因在于水泥石表面的腐蚀产物形成了 致密层，使得在测试渗透率的时候试样两端的压差没有真实的表现出来，
造成了腐蚀后的渗透率和孔隙度减小。
腐蚀前 试验编号
1MPaCO2 3MPaCO2 3MPaH2S 6MPaH2S 3MpaH2S/1MPaCO2 3MpaH2S/3MPaCO2 孔隙度（%） 14.4 15.6 14.5 15.0 13.5 16.1 渗透率（mD） 0.069 0.110 0.086 0.183 0.075 0.097
腐蚀后
孔隙度（%） 4.3 2.7 9.7 4.5 3.4 6.5 渗透率（mD） 0.0046 0.0098 0.0058 0.0045 0.0034 0.0069
水泥环完整性失效分析
5、酸性流体腐蚀水泥环
水泥石腐蚀深度
从宏观照片角度得出CO2环境下水泥石腐蚀程度较低 只要含有H2S腐蚀气体，水泥石均遭到腐蚀击穿
试验编号 1MPaCO2 腐蚀前/mm 0 腐蚀后/mm 1.5 备注
3MPaCO2
3MPaH2S 6MPaH2S 3MpaH2S/1MPaCO2 3MpaH2S/3MPaCO2
0
0 0 0 0
3.5
12.5（击穿） 12.5（击穿） 12.5（击穿） 12.5（击穿） 水泥石 Φ25mm
水泥环完整性失效分析
1000
750
I(Counts)
500
250
0
85-0798> Quartz - SiO2 83-0577> Calcite - Ca(CO3) 33-0311> Gypsum - CaSO4!2H2O 41-1451> Ettringite - Ca6Al2(SO4)3(OH)12!26H2O 44-1481> Portlandite - Ca(OH)2
效的技术措施，防止水泥环力学完整性和水
力密封性失效，减少地层流体在井眼整个寿 命期间无控制流动的风险，保证油气井安全
钻进与开采。
组成：水泥环本体完整性、固井一二界面胶结质量
水泥环完整性简介
2、水泥环完整性研究的迫切性
水泥环失效，导致气体泄漏， 增加井口放压成本、危害环境、影响安全生
产作业、油气资源浪费、补救费用高、可能造成整口井报废
6、固井一二界面封固失效
水泥石体积收缩形成微环隙 温度上升，达到初凝
水泥石高温高压体积收缩
水泥浆初凝前体积收缩主要表现为外观体积收缩，可能形成微环隙 初凝后水泥石具备一定强度，外观体积收缩受限，表现为微观体积收缩
初凝前体积收缩大小决定了形成微环隙的可能性
水泥环完整性失效分析
6、固井一二界面封固失效
水泥石腐蚀
水泥石CO2、 H2S混合气腐蚀后/前
水泥环完整性失效分析
5、酸性流体腐蚀水泥环
水泥石腐蚀后抗压强度变化
腐蚀后水泥石的抗压强度衰减率随着腐蚀气体分压增加而增加 混合气体的腐蚀强度损失大于单一气体，在单一气体中，硫化氢气体
腐蚀强度损失大于二氧化碳气体强度损失
混合气体具有腐蚀协同作用，强度衰退率均达到50%以上
钻井液与水泥浆接触污染
加入JY-1稠化曲线和拆浆杯照片
加入RLC-101后稠化曲线和拆浆杯照片
水泥浆和钻井液化学不兼容的主要原
因是钻井液中某些处理剂引起水泥浆
处理剂反向，凝胶效应导致浆体稠度 迅速增大，稠化时间大幅度缩短，并 非水泥浆真正凝结硬化
加入DR-2后稠化曲线和拆浆杯照片
水泥环完整性失效分析
水泥石体积收缩形成微环隙 套管/水泥环 界面一界面
固井一二界面封固失效导致气窜
水泥环完整性失效分析
6、固井一二界面封固失效
钻井液滤饼无法固化，影响界面胶结
钻井 液
水泥 浆
渗透性井壁处聚合物虚泥饼状态
常规水泥浆与钻井液泥饼之间无有 效胶结，界面清晰
水泥环完整性失效分析
6、固井一二界面封固失效
顶替效率低，残留“死泥浆”
墨西哥湾OCS地区不同套管层次带压
塔木里部分气田生产套管带压
国内川渝地区、西气东输源头塔里木油田山前构造环空带压问题严重，美国
墨西哥湾，加拿大油田环空带压问题同样严重，每年花费大量修井费用
水泥环完整性简介
2、水泥环完整性研究的迫切性
加拿大阿尔伯特省Peace River地区气窜及环空带压情况 南阿尔伯特的浅层气 井、东阿尔伯特的重 油井和ROCKY山麓 的深层气井，都不同 程度地存在SCP
水泥环完整性失效分析
4、高温下水泥石强度衰退
常规加砂水泥浆体系在一个轮次蒸汽吞吐后，强度下降80%以上，渗透率
也急剧上升，1个轮次后强度和渗透率基本趋于恒定
从养护后水泥石微观形貌可以看出，高温作用后水泥石基质的完整性、均 质性遭到破坏
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 5
在高内压力作用下，整个水泥
环Von Mises应力都达到了最 大值49.6MPa
整个水泥环发生塑性变形， 最大塑性应变0.254%，破坏水 泥环力学完整性和水力密封性
水泥环完整性失效分析
3、射孔造成水泥环完整性破坏 射孔所产生的冲击作用导致水泥环震裂破坏，形成扩散微裂纹
非增韧水泥射孔段裂缝1
非增韧水泥射孔段裂缝2
腐蚀后水泥石物相组成变化 腐蚀前物相组成：氢氧化钙、（铁）铝酸盐、水化硅酸钙、二氧化硅等 腐蚀后物相组成：钙矾石、碳酸钙、硅钙石、碳硫硅酸钙、氯铝酸钙、 水镁石等
(1) [C-2-1-H2S(中 ).mdi] DX-1000 CSC 40kV/25mA Slit:1deg&1deg&0.2mm Monochromator: ON 1-2Theta, SCAN: 3.0/79.92/0.06/1(sec), Cu(8224kV,11827mA), I(max)=999, 12-07-09 14: 心
水泥浆渗透率173mD
气窜压差2.2kPa
水泥浆渗透率498mD
水泥环完整性失效分析
2、井内压力变化造成水泥环完整性破坏
井内钻井液密度变化、试压、酸压、 采气引起井内压力变化，水泥环在高 应力作用下可能发生塑性变形
当井内压力降低时，水泥石与套管
壁、变形不协调，形成微环隙 当井内持续高压时，水泥石塑性变 形超过极限变形，水泥石力学完整性 破坏
5、酸性流体腐蚀水泥环
Biblioteka Baidu1MPaCO2
3MPaCO2
水泥环完整性失效分析
5、酸性流体腐蚀水泥环
3MPaH2S
6MPaH2S
水泥环完整性失效分析
5、酸性流体腐蚀水泥环
1MPaCO2 3MpaH2S
3MPaCO2 3MpaH2S
水泥环完整性失效分析
5、酸性流体腐蚀水泥环
水泥石腐蚀前后微观形貌
水泥石内部形貌 水泥石内部形貌
试验编号
1MPaCO2 3MPaCO2 3MPaH2S
P腐蚀前/MPa
15.2 16.3 15.5
P腐蚀后/MPa
14.2 11.6 10.2
强度衰减率/%
7 29 34
6MPaH2S
3MpaH2S/1MPaCO2 3MpaH2S/3MPaCO2
16.1
17.1 15.8
8.7
8.3 6.82
45
51 57