深层超深层复杂油气井固井理论与技术|井筒|固井|水泥浆|油气井

本书根据作者近年来在深层超深层固井方面的研究成果，全面论述了复杂工况下水泥环密封失效机理、套管损坏机理及控制方法。全书包括固井水泥石力学特性演化规律、周期动载下水泥环密封失效机理与控制方法、酸性环境下水泥环密封失效机理与控制方法、水泥环界面密封能力控制方法、复杂油气井套管损坏控制方法、复杂油气井环空水泥环持久密封新方法、提高复杂油气井水泥胶结质量技术，以及研究成果的典型应用等内容。

在油气井建井过程中，下套管注水泥固井是重要的一环，固井质量严重影响着钻井安全和油气井寿命。随着勘探开发向深地进军，油气井温度压力越来越高、井下工况日趋复杂，特别是随着顺北超深油气田、元坝酸性气田及川渝页岩气田的开发，环空气窜、井口带压、套管挤毁等现象越来越严重，固井对这些复杂事件的“贡献”越来越大，作者更加认识到固井的重要性。井筒水泥环完整性是保障油气井长期安全运行的关键，一次成功的固井作业不仅需要水泥浆顶替到位、胶结良好，还要求水泥环在油气井中性能稳定并具有维持层间封隔的能力。2010年，墨西哥湾深海地平线钻井平台因固井失败发生了井喷爆炸和原油泄漏事故，之后油气行业对固井作业的特殊性、重要性高度重视，已从油气井安全及寿命角度来认识和要求固井工程。

传统固井技术只注重水泥浆稠化时间、流变性能和水泥浆顶替到位，而忽视了水泥浆凝固后性能变化对井筒密封造成的影响，基础研究存在严重不足，已不适应复杂油气井固井要求。为此，作者首次提出了固井水泥浆全生命周期这一理念，通过研究水泥浆液固态全过程性能变化，即水泥浆“三态”：注水泥时的液态、顶替到位后的胶态和固结后的固态，协调控制水泥浆流变性能、水泥石物化性能和水泥石力学性能(称为水泥浆“三元控制”)，以满足高温、高压、强冲击、强腐蚀等复杂环境下的固井要求，保证井筒水泥环的完整性，实现油气井水泥环长效密封。

研究认为，为确保井筒水泥环完整性及套管与地层之间长效密封，亟须研究水泥石力学、物化演变规律。从2010年开始我们带领团队开始揭示固井水泥胶结力化耦合机理，研究水泥浆“三元控制”方法，完善固井技术关键基础理论。在众多难题中，作者抓住以下几个关键问题：一是复杂油气井水泥环力学性能变化规律、循环动载和高酸性环境下水泥环密封失效机理不清；二是水泥材料与体系的设计缺乏理论依据，水泥环易腐蚀、耐冲击能力差；三是固井参数设计不精准，水泥浆顶替效率低、胶结质量差；四是复杂工况下套管变形、损坏控制方法缺乏。针对这些问题，围绕“防窜、防腐、防损伤，保持井筒水泥环完整性”技术目标开展攻关，解决复杂工况下套管-水泥环失效机理及控制这一关键科学问题，形成复杂油气井水泥环完整性控制方法。

▲岩心界面密封能力测试装置

▲固井第二界面水化产物微观结构模型

▲页岩气井压裂液激活天然裂缝类型示意图

▲不同固井工艺施工过程中井筒应力分析模型

作者在探索中前行，创制了国内外首台全尺寸水泥环完整性评价装置，提出了实验评价方法，系统研究了水泥石力学规律和损伤机理。研究中作者发现了很多过去未发现的现象，如在模拟页岩气井分段压裂水泥密封失效实验时，加卸载实验发现了水泥石残余应变；在模拟界面密封失效实验时，发现界面存在大量水溶性氢氧化钙晶体；在模拟水泥石力学实验时，发现弹性模量是影响脆性开裂和变形的关键等。作者揭示了存在这些现象的原因，建立了水泥石力学本构方程，提出了控制方法，明确了水泥添加剂和水泥浆体系的构建方向。理论的突破带动了水泥浆添加剂的快速发展，作者研发了一批高温材料、自修复材料、纳米材料、智能材料等高性能添加剂，实现了防窜、防腐、防损伤水泥浆体系迭代升级，形成了提高固井质量工艺技术方法。该成果在顺北超深油气田、元坝酸性气田、川渝页岩气田规模应用，有效解决了固井关键技术难题。