水泥环完整性研究进展(孙富全)

一、水泥环完整性概念二、水泥环完整性研究进展三、水泥环完整性技术展望汇报内容目前一页\总数七十一页\编于二十二点采用有效的技术、管理手段降低环空水泥环密封失效风险，保持水泥环结构、功能、时效和管理完整，保证油气井在开采期间和废弃后的安全。结构：无泄露、无材料性能退化、无破坏功能：适应开采或井下作业的压力、温度变化及腐蚀环境时效：水泥环始终处于可控状态，极限载荷和极限服役环境可预测管理：建立一体化的技术档案，完整性管理和设计依据失效分析和风险分析一、水泥环完整性概念目前二页\总数七十一页\编于二十二点有利于油气田安全、高效开发，有利于提高单井产量，延长油气井寿命，提高勘探开发效益水泥环完整性包括：水泥石基体完整性界面胶结完整性水泥环完整性和管柱完整性相结合，构成油气井寿命分析技术。一、水泥环完整性概念目前三页\总数七十一页\编于二十二点二界面胶结井眼条件高温、高压低压、易漏盐岩层、盐膏层等多压力层系腐蚀性流体一界面胶结井筒管柱固井液体复杂地层前置液水泥浆后置液水泥石管柱完整井眼规则套管扶正长封固段小间隙大环空有效顶替一、水泥环完整性概念完整充填完整性目前四页\总数七十一页\编于二十二点一、水泥环完整性概念地质力学和油藏工程分析水泥环完整性分析和模拟水泥浆体系设计注水泥工艺工具附件完整性评价技术及软件开发防腐蚀评价技术及防腐蚀材料自愈合水泥技术改善水泥石力学性能技术多元共聚外加剂功能性泡沫水泥浆工具附件水平井钻井大位移钻井欠平衡钻井·

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·复杂深井射孔复杂天然气井酸化、压裂非常规油气注水、注气酸性油气藏采气、采油储气库热采…………地质、油藏因素钻井因素固井因素开发因素工程地质特征识别试验技术评价方法水泥环完整性技术水泥环完整性影响因素完整性评价和预测提高完整性方法钻井工程技术需求勘探开发需求强化研究方向目前五页\总数七十一页\编于二十二点影响水泥环完整性的因素地质、油藏因素漏失：界面胶结不良高温高压：强度衰退、应力损伤高孔高渗及裂缝性地层：漏失引起胶结不良酸性气体钻井因素井眼几何条件和钻井液性能差：顶替效率低、胶结质量差固井因素水泥浆失水、稳定性等性能不良：短期气窜水泥浆密度不均匀、混合能不足：水泥石强度发展不良、水泥石应力损伤开发因素温度、压力变化引起环空水力密封失效一、水泥环完整性概念目前六页\总数七十一页\编于二十二点提高水泥环完整性方法地质力学和油藏工程分析：固井设计依据水泥环完整性分析和模拟：地层、套管、水泥石力学性能指标水泥浆体系设计水泥浆体系紧密堆积设计:基体完整性的基础防窜:完整性重要途径外加剂和特种水泥:完整性重要保障注水泥工艺：施工保证工具附件：辅助水泥环完整性一、水泥环完整性概念目前七页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展完整性技术--哈里伯顿WellLife®IIICementingServiceDiagnosticsmodelinganddesigntools（诊断模拟和设计工具）Engineeredcementsystems（工程化水泥体系）Backupdeviceforreinforcingzonalisolation（辅助工具）目前八页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展诊断模型和设计工具Displace3D®software：三维水泥浆顶替模拟，提高顶替效率和水泥浆充填。WellLife®Analysis：有限元分析井眼条件和工程作业对水泥环的影响，提出满足井下条件的水泥浆体系。Displace3D®simulator基于计算流体动力学，在一次注水泥作业中分析多种流体体系目前九页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展工程化水泥体系LifeCem™增加自愈合功能。LifeSeal™含泡沫。ElastiCem®cement：包括特殊的弹性材料和纤维降低脆性，提高弹性和韧性。ElastiSeal™：含泡沫。普通水泥载荷严重破坏ElastiCem®

水泥弹性承受载荷LifeCemcement接触碳氢化合物流体前接触流体后膨胀的LifeCemcement水泥石目前十页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展辅助工具CementAssurance®tool：关键部位关键辅助阻隔The

CementAssurance®封隔器（固井保障工具）目前十一页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展完整性技术--哈里伯顿Pre-jobEvaluation（作业前评价）用OptiCem™

CementJobDesignandSimulationSystem软件，结合实验测试，提供解决方案，满足长期开发要求FieldOperations（现场作业）自动控制混合、泵送和注射过程，泡沫稳定Post-jobFollowUp（作业后跟踪）ZoneSeal®IsolationProcess—针对泡沫低密度4500PSI>9000PSI常规水泥I泡沫水泥I目前十二页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展完整性技术--哈里伯顿iCemSMService—完整性功能最强大的工程设计软件OptiCem™Software固井作业模拟有限元分析Displace3D®Simulator计算流体动力学三位顶替模拟WellLife®ExpressService水泥环应力有限元分析DataAcquisition现场数据采集与监控目前十三页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展完整性技术---斯伦贝谢CementSheathIntegritySuite

Systemselection（体系选择）CemSTRESSsoftware分析确定常规或特殊水泥浆体系。Engineereddesign（工程化设计）针对井况，通过CemSTRESS分析，设计水泥体系。FUTURSelf-HealingCementSystemFlexSTONEadvancedflexiblecementCemNETFiberCementSlurryoptimization(水泥浆优化)目前十四页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展气窜风险预测用气窜因子FlowPotentialFactor(FPF)预测气窜趋势，对症防窜气窜严重性三种水平及对策水泥浆轻度气窜Halad®familyoffluidlossadditivesDensifiedCementslurries中度气窜Latex2000™cementadditiveLatex3000™cementadditiveGasStop™cementadditiveThixotropiccements重度气窜SuperCBL®cementadditiveFoamcement防气窜技术---哈里伯顿目前十五页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展GasMigrationControlEngineeringSuite

用GasMigrationAdvisor软件评价气窜风险。

根据气窜风险和井眼温度，推荐解决方案。防气窜技术---斯伦贝谢目前十六页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展目前十七页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展CO2CementingSystemsCorrosaCemNPcementCorrosaSealcement防腐蚀技术---哈里伯顿CorrosaCemCO2cementCorrosaSeal™CO2cementElastiCem®CO2cementElastiSeal™CO2cementLifeCem™CO2cementLifeSeal™CO2cementBHST:104°C(220°F)；围压:2,000psi；初始流速:~3.4std.ccN2/min；最终流速:没检测到；停止流动时间:~6min目前十八页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展EverCRETECO2-resistantcement：基于紧密堆积设计，很强的抗CO2腐蚀能力，用于CO2的捕集、储存和含CO2油气藏开发防腐蚀技术---斯伦贝谢28MPa，90℃目前十九页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展LostCirculationTreatment：钻井期间降低漏失风险

Lossealpill：特殊加工的纤维和固相混合物，通过裂缝桥接和形成非渗透网结构阻止泥浆漏失，提高承压能力防漏技术---斯伦贝谢目前二十页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展LostCirculationTreatmentFluid漏失区域精确堵漏InstanSealpill：单一流体，通过钻头喷嘴的剪切，井下快速形成高粘胶体，成胶时间通过添加剂浓度和优化泵速进行控制。

可精确控制凝结时间钻井液漏失对比目前二十一页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展FiberCementAdditive:固井防漏、保证返高CemNETcement:纤维惰性，具有优化尺寸，在水泥浆形成网状结构，防止漏失目前二十二页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展FracSeal™cement：低密度泡沫水泥，较高的粘度和膨胀力，有助于清洁井眼和顶替，结合防漏材料，桥接防漏FracCemcements：非泡沫体系防漏技术---哈里伯顿目前二十三页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展iCemSMService–Three-DimensionalDisplacement

Simulator顶替技术---哈里伯顿全三维顶替模拟，动态模拟泥浆顶替和固井过程中井眼流体的顶替现象

流体界面全井深流体随时间顶替情况确定隔离液的用量以防止水泥浆污染目前二十四页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展目前二十五页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展

WELLCLEANIIengineeringsolution产品MUDPUSH*II隔离液化学冲洗液--适用于水基泥浆：CW7，CW100--适用于油基泥浆：CW8--环境友好型：CW8-ES软件CemCADEWELLCLEANIIsimulator

顶替技术---斯伦贝谢目前二十六页\总数七十一页\编于二十二点--扶正器计算--顶替参数计算--泥浆循环/下套管CemCade二、水泥环完整性研究进展--预测CBL测井结果目前二十七页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展CemCade目前二十八页\总数七十一页\编于二十二点WELLCLEANIIsimulator--模拟泥浆顶替效率--可视化顶替过程二、水泥环完整性研究进展目前二十九页\总数七十一页\编于二十二点WELLCLEANIIsimulator二、水泥环完整性研究进展目前三十页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展装备与工具—斯伦贝谢机械除泡器--不使用化学消泡剂--适用于环保敏感区域--提高混配效率--改善水泥浆质量和流变性目前三十一页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展装备与工具—斯伦贝谢SFM-C过程控制系统通过确定和控制体系固/液比来实时控制水泥浆的密度，尤其适用低密度/超低密度水泥浆体系。目前三十二页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展装备与工具—哈里伯顿CementAssurance®Tool系统CementAssurance®Tool

系统遇油气或水，吸收液体自身体积膨胀，对环空进行密封。目前三十三页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展装备与工具—TAM公司遇油/水膨胀封隔器使用寿命为18~19年井下温度变化、干气和伴生气不影响其封隔性能目前三十四页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展渤星公司水泥环完整性技术目前三十五页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展渤星公司水泥环完整性技术进展理论应用评价与分析技术外加剂与特种水泥目前三十六页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展理论应用水泥浆体系紧密堆积设计有效层流顶替和壁面剪应力固井技术目前三十七页\总数七十一页\编于二十二点水泥浆体系紧密堆积设计高压和低压地层，解决水泥浆施工性能（密度、流变性等）和水泥浆封固综合性能（强度、渗透率等）之间的矛盾，保证水泥石本身的完整性。利用合理的物料颗粒级配，提高干混材料堆积体积（PVF），考虑矿物材料之间的物理化学作用；形成更加致密的水泥石。二、水泥环完整性研究进展目前三十八页\总数七十一页\编于二十二点吴中伟院士的分类法，水泥石中孔结构按照有害程度分为无害孔级(＜20nm)，少害孔级(20~50nm)，有害孔级（50~200nm），多害孔级(＞200nm)，紧密堆积设计的高强混凝土中有害孔的量大幅度下降，水泥石综合性能提高。水泥石孔径分布图（养护3d）水泥石孔径分布图（养护28d）水泥浆体系紧密堆积设计二、水泥环完整性研究进展目前三十九页\总数七十一页\编于二十二点高性能低密度水泥浆0.9g/cm3，80℃应用新型减轻材料，密度0.38-0.6g/cm3，耐压达124MPa；水泥浆体系紧密堆积设计，水泥石密度低，强度高，目前最低可至0.85g/cm3，24h强度大于12MPa；水泥石致密，渗透率低，具有良好的抗腐蚀性能。二、水泥环完整性研究进展目前四十页\总数七十一页\编于二十二点高性能高密度水泥浆紧密堆积设计采用多种加重材料室内设计最高密度：3.30g/cm3适用最高温度：190℃现场应用最高密度：2.50g/cm3

水泥浆流动度：21~24cm水泥浆初始稠度：≤30Bc抗压强度：≥10MPa密度g/cm3转速30020010063流变指数3.32461751061612n=0.77K=1.06Pa.Sn3.0225160961410n=0.78K=0.86Pa.Sn3.3g/cm3水泥浆稠化曲线水泥浆流变性能二、水泥环完整性研究进展目前四十一页\总数七十一页\编于二十二点

有效层流顶替和壁面剪应力固井技术有效层流是对环空水力学研究、现场实践数据的集成创新，是一种无法实现紊流顶替时的替代选择层流流态下实现有效的顶替需要同时满足4个基本准则顶替液的密度至少大于被顶替液10%顶替液的摩阻梯度至少大于被顶替液20%顶替液在环空窄边的壁面剪应力大于被顶替液屈服值替液在环空宽边的流速不大于被顶替液在环空窄边的流速二、水泥环完整性研究进展目前四十二页\总数七十一页\编于二十二点清除附着在井壁上的“虚泥饼”必需一个驱动力，这个力主要是环空流动的壁面剪应力井壁稳定条件下，为提高固井质量，建议壁面剪应力达到15Pa二、水泥环完整性研究进展

有效层流顶替和壁面剪应力固井技术目前四十三页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展水泥环完整性分析技术可结合现场固井工艺的窜流试验方法CO2腐蚀评价技术评价与分析技术目前四十四页\总数七十一页\编于二十二点利用测井数据获得地层参数信息根据井身结构数据建立套管-水泥环-地层几何模型--第一界面剪应力分析模型

---水泥环平面应变分析模型水泥环完整性分析技术通过数值实验分析管柱试压对水泥环水力胶结的影响--第一界面滑脱范围，提出减少滑脱影响的工艺技术--分析水泥环平面应力状态，提出减缓平面破坏的工艺技术，或水泥石最低力学性能要求以指导水泥浆设计套管-水泥环-地层系统平面应变力学模型二、水泥环完整性研究进展目前四十五页\总数七十一页\编于二十二点分析举例--龙岗11井胶结测井显示20MPa试压后，从井口到井深约800m处套管和水泥环界面出现滑脱。与模拟计算结果基本一致--平面模型的结论与工程经验和工程地质理论吻合试压前试压后计算结果第一界面受力分析简化力学模型二、水泥环完整性研究进展目前四十六页\总数七十一页\编于二十二点规范了环空液柱压力变化测试方法建立了环空水泥浆气窜评价新方法

可评价不同水泥浆体系防气窜能力可结合实际井眼参数进行气窜评价SPE131052,2010ANewMethodtoEvaluatetheGasMigrationforCementSlurries可结合现场固井工艺的窜流试验方法二、水泥环完整性研究进展目前四十七页\总数七十一页\编于二十二点通过对腐蚀研究方法的文献分析进一步完善了水泥石腐蚀评价方法先成型后腐蚀以抗压强度、腐蚀深度、渗透率、微观分析作为评价参数研制了高温高压水泥石腐蚀仪器CO2腐蚀评价技术高温高压腐蚀养护仪腐蚀仪特点：使用温度：175℃腐蚀气体压力：20MPa加压方式：增压泵可以采用混合气体加压养护可进行高温高压腐蚀性能实验二、水泥环完整性研究进展目前四十八页\总数七十一页\编于二十二点二、水泥环完整性研究进展新型抗盐降失水剂耐盐胶乳水泥浆体系高温大温差固井水泥浆体系防漏外加剂体系抗CO2腐蚀水泥浆体系稠油热采水泥浆体系自修复水泥浆技术前置液技术外加剂与特种水泥目前四十九页\总数七十一页\编于二十二点BXF-200L系列降失水剂：

-抗盐最高到饱和，抗温最高到190℃

-已在国内外油气田普遍使用，有效地解决了盐层固井难题50℃,18%NaCl新型抗盐降失水剂二、水泥环完整性研究进展目前五十页\总数七十一页\编于二十二点耐盐胶乳水泥浆体系二、水泥环完整性研究进展良好的控制失水能力与防漏能力良好的防气窜性能具有耐腐蚀性能，延长油井寿命减小水泥环体积收缩，改善水泥环与套管、地层间的胶结水泥石韧性性能好，降低射孔时水泥环的破裂度水泥浆分散性、稳定性好，流变性优越目前五十一页\总数七十一页\编于二十二点耐盐胶乳水泥浆体系胶乳热失重海水70℃15%盐水，120℃耐15%BWOW氯化钠溶液可用海水直接配浆低失水触变小250℃二、水泥环完整性研究进展目前五十二页\总数七十一页\编于二十二点耐盐胶乳水泥浆体系二、水泥环完整性研究进展降失水剂BXF-200L加量与API失水关系曲线（15%BWOCNaC，17%BWOC胶乳，90℃）API失水：10mL耐盐胶乳水泥浆体系的窜流试验（80℃，SY/T5504.5-2010标准）无窜流发生目前五十三页\总数七十一页\编于二十二点高温大温差缓凝剂BCR-220L:使用温度可达150℃BCR-260L:使用温度可达180℃高温大温差固井水泥浆体系缓凝剂的研制应用了分子设计技术，实现50℃高温大温差条件下，水泥面48h抗压强度大于3.5MPa。二、水泥环完整性研究进展目前五十四页\总数七十一页\编于二十二点BCE-200S防漏外加剂体系

BCE-200S由纤维及适量助剂组成

BCE-200S在水中均匀分散漏失量随时间变化关系常规密度水泥浆承压能力可高达7.0MPa以上（指1mm孔隙板堵漏）二、水泥环完整性研究进展目前五十五页\总数七十一页\编于二十二点抗腐蚀材料BCE-750S水泥石具有良好的抗腐蚀能力井底温度小于150℃时，BCE-750S抗腐蚀水泥完全可用于含CO2井的固井施工BCE-750S抗腐蚀水泥可用于更高温度的施工。但对于含CO2的天然气井来说，最终的抗腐蚀能力依赖于环空水力胶结抗CO2腐蚀水泥浆体系—BCE-750S二、水泥环完整性研究进展目前五十六页\总数七十一页\编于二十二点100℃、5MPaCO2分压下腐蚀一周后照片（左图为合成水泥石，右图为Portland水泥石，无色酚酞为指示剂）合成水泥的碱性材料含量极低，不易被CO2腐蚀

二、水泥环完整性研究进展抗CO2腐蚀水泥浆体系—非Portland基合成水泥目前五十七页\总数七十一页\编于二十二点水泥石的在100℃、5MPaCO2分压下腐蚀7天的热失重曲线碳酸钙热分解温度为600-770℃，因此可以通过研究在该温度范围内的失重量来表征水泥石的腐蚀程度失重量G级：16.54%A：2.54%B：2.69%C：0.14%合成水泥抗CO2腐蚀能力很强

二、水泥环完整性研究进展抗CO2腐蚀水泥浆体系—非Portland基合成水泥目前五十八页\总数七十一页\编于二十二点稠油热采水泥浆体系试验条件(常规密度）抗压强度，MPa50℃*48h+315℃*2d24.850℃*48h+315℃*7d31.850℃*48h+315℃*14d3350℃*48h+315℃*28d32双密度（高强低密度水泥浆+常规密度水泥浆）水泥浆方案，防漏紧密堆积设计提高低密度水泥浆综合性能高纯硅粉调整钙硅比，低密度水泥石耐温达240℃，30天强度30MPa常规水泥石耐温达315℃，强度稳定不衰退，低密度水泥石和常规密度水泥石相媲美1.4g/cm3，50℃

1.4g/cm3，167℃，28d二、水泥环完整性研究进展目前五十九页\总数七十一页\编于二十二点修复剂具有“核壳”型微胶囊结构，同时兼有膨胀和粘合双重功效。根据井下环境不同，激发修复剂膨胀和粘合功效中一种或两种同时发挥作用。修复剂对断裂水泥石具有修复能力。修复剂对水泥浆施工性能无影响。自修复水泥浆技术二、水泥环完整性研究进展目前六十页\总数七十一页\编于二十二点修复后的水泥石水泥浆配方：嘉华G级水泥100+降失水剂BXF-200L5+修复剂10+淡水43.4被压断的水泥石经高温养护后可以重新恢复成完整的水泥石！二、水泥环完整性研究进展自修复水泥浆技术目前六十一页\总数七十一页\编于二十二点BCS隔离液技术主要性能核心产品悬浮剂

BCS-020S,BCS-030S,BCS-040S稀释剂

BCS-031S,BCS-021L加重剂BCW-500S,BCW-600S,BCW-700S使用温度：20~140℃BCS系列隔离液有很好的抗盐性隔离液能够防止泥浆与水泥浆混浆，且能有效地驱替泥浆隔离液适用各种水质配制隔离液最高密度可达2.50g/cm3

二、水泥环完整性研究进展前置液技术目前六十二页\总数七十一页\编于二十二点BCS冲洗液技术BCS系列冲洗液具有较强的渗透作用能够快速地渗入并清除井壁上的虚泥饼和冲洗套管壁上附着的泥浆，同时可以提高水泥浆与接触界面的胶结能力；BCS系列冲洗液与常规钻井液有很好的相容性主要性能有效温度：20~90℃

推荐掺量：水基泥浆下2%~5%；油基泥浆下5%~15%，冲洗效率可达到90%以上属于牛顿流体与常规钻井液体系有很好的相容性二、水泥环完整性研究进展前置液技术目前六十三页\总数七十一页\编于二十二点协调、整体考虑是解决问题的关键理论分析、材料和工具应用、工艺配套及管理四位一体提高、预防和自修复相结合，主要方法和辅助方法相结合水泥环完整性成果为理论模型、分析软件、改性材料体系、工具、配套工艺规范以及由此而形成的整体解决方案缺乏理论模型、分析软件和功能材料体系，完整性整体解决方面需加强！三、水泥环完整性技术展望目前六十四页\总数七十一页\编于二十二点水泥环完整性评价技术及软件开发研究目标：建立完善多场耦合的水泥环失效机理，精确计算井下水泥环应力状态及破坏形式，提出防止水泥环破坏技术对策，确保水泥环长期封隔性能目前研究现状采用模型主要对策实用技术代表公司国内不成熟平面模型采用适应地质工程条件的水泥浆及工艺技术LifeCem分析技术哈里伯顿斯仑贝谢平