深层超深层复杂油气井固井理论与技术

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。

本书可供从事油气井固井技术的研究人员和现场工程技术人员参考使用。

序

前言

第1章固井水泥石力学特性演化规律1

1.1水泥石力学性能测试方法2

1.1.1页岩气井水泥环温压、荷载环境2

1.1.2水泥石力学性能试验设计3

1.1.3水泥石试验装置3

1.2复杂温压下水泥石力学特征4

1.2.1水泥石单轴压缩试验特性4

1.2.2水泥石三轴压缩试验特性8

1.2.3水泥石力学参数对比分析13

1.3周期交变荷载下水泥石力学响应机制14

1.3.1水泥石周期交变荷载曲线特征15

1.3.2塑性/残余应变累积规律16

1.3.3水泥石刚度退化规律19

1.4水泥石-页岩组合体变形破坏机理24

1.4.1水泥石-页岩组合体三轴压缩试验特性24

1.4.2水泥石-页岩组合体界面直剪试验24

1.4.3水泥石-页岩组合体界面SEM特征及破坏机理29

1.5水泥石细观损伤机理及分析模型31

1.5.1水泥石试验前后CT扫描分析31

1.5.2水泥石试验前后核磁共振测试33

1.5.3水泥石损伤塑性本构模型35

1.6小结41

第2章周期动载下水泥环密封失效机理与控制方法42

2.1动载下水泥环密封能力评价方法42

2.1.1水泥环密封能力评价装置42

2.1.2水泥环密封能力评价方法45

2.2周期动载下水泥环密封完整性失效机理45

2.2.1交变温度下水泥环密封失效45

2.2.2交变应力下水泥环密封失效46

2.2.3温压耦合下水泥环密封失效48

2.2.4水泥环拉伸破坏49

2.3套管-水泥环-围岩弹塑性有限元分析49

2.3.1弹塑性有限元分步计算模型49

2.3.2典型环空带压井计算分析51

2.4周期动载下水泥环密封失效控制方法66

2.4.1水泥环密封完整性影响因素分析66

2.4.2水泥环最大压裂段数预测71

2.4.3水泥环密封失效防控力学设计图版75

2.5小结76

第3章酸性环境下水泥环密封失效机理与控制方法77

3.1国内外研究现状77

3.1.1油井水泥特征77

3.1.2油井水泥石的腐蚀78

3.2CO2和H2S腐蚀水泥石实验方法81

3.2.1腐蚀实验装置81

3.2.2CO2、H2S腐蚀水泥石评价实验方法83

3.3温度和压力条件下CO2腐蚀水泥石机理84

3.3.1实验材料85

3.3.2CO2腐蚀水泥石物理性能分析85

3.3.3水泥石CO2腐蚀前后腐蚀产物分析及变化规律88

3.3.4CO2腐蚀水泥石机理分析92

3.4温度和压力条件下H2S腐蚀水泥石机理93

3.4.1实验材料93

3.4.2H2S腐蚀水泥石实验结果分析93

3.4.3温度对H2S腐蚀水泥石的影响100

3.4.4H2S腐蚀水泥石机理探讨100

3.5CO2与H2S共存条件下腐蚀水泥石机理102

3.5.1CO2/H2S混合气体腐蚀实验参数与水泥浆组成102

3.5.2混合气体腐蚀后物理性能变化103

3.5.3H2S/CO2混合气体腐蚀产物及微观分析106

3.5.4CO2/H2S混合气体腐蚀水泥石机理与腐蚀动力学模型110

3.6抗酸性气体腐蚀方法116

3.6.1降低水泥石中Ca(OH)2含量与腐蚀的关系116

3.6.2提高水泥石密实度与腐蚀的关系117

3.6.3增加水化产物惰性与腐蚀的关系118

3.7小结119

第4章水泥环界面密封能力控制方法121

4.1水泥环界面密封试验方法121

4.1.1水泥环胶结界面密封能力评价装置122

4.1.2水泥环胶结界面密封能力评价方法130

4.2地层流体对水泥环胶结界面产物影响规律134

4.2.1动/静态养护条件下界面产物及微观结构演化规律134

4.2.2动/静态养护条件下水泥石密封能力演化规律146

4.3水泥环-地层第二界面胶结能力评价153

4.3.1固井第二界面声波响应特征分析153

4.3.2不同水泥浆体系与页岩胶结能力定量评价155

4.3.3不同水泥浆体系与高渗砂岩胶结能力定量评价159

4.3.4水泥浆体系在特殊地层适应性综合分析163

4.4水泥环界面胶结增强方法167

第5章复杂油气井套管损坏控制方法170

5.1盐膏层套管损坏机理与设计方法171

5.1.1盐膏层套管蠕动压力模型171

5.1.2深部盐膏层套管蠕变压力分析176

5.1.3非均匀外载作用下套管抗挤强度分析182

5.1.4盐膏层套管强度设计186

5.2酸性气井套管腐蚀机理与设计方法189

5.2.1酸性气体对套管腐蚀机理及腐蚀程度判据189

5.2.2酸性气井套管钢材料性能及选用197

5.2.3酸性气井套管强度设计方法201

5.3页岩气井套管损坏机理与控制方法204

5.3.1页岩气井压裂套管变形的地质工程因素204

5.3.2页岩气井套管变形力学分析208

5.3.3页岩气井套管损坏控制技术222

5.4小结225

第6章复杂油气井环空水泥环持久密封新方法226

6.1提升水泥石物性力学性能的新材料226

6.1.1防窜苯丙胶乳226

6.1.2增强界面胶结强度的纳米液硅233

6.1.3遇烃自修复乳液238

6.2防气窜致密型水泥浆体系241

6.2.1纳米液硅防气窜水泥浆体系241

6.2.2胶乳液硅防窜水泥浆体系245

6.3防损伤自修复型水泥浆体系248

6.3.1水泥浆常规性能评价248

6.3.2水泥石防损伤性能评价249

6.3.3水泥石自修复性能评价252

6.4防腐增强型水泥浆体系256

6.4.1抗CO2腐蚀水泥浆体系257

6.4.2抗H2S腐蚀水泥浆体系262

6.4.3抗CO2/H2S腐蚀水泥浆体系优化设计268

6.5小结270

第7章提高复杂油气井水泥胶结质量技术271

7.1固井作业参数对顶替效率的影响271

7.1.1顶替效率数值模拟271

7.1.2隔离液顶替钻井液规律271

7.1.3顶替效率优化设计276

7.2界面胶结增强前置液技术277

7.2.1界面胶结增强隔离液设计原理277

7.2.2渗透固化剂研发277

7.2.3渗透固化剂性能评价278

7.2.4界面胶结增强隔离液体系279

7.2.5胶结增强隔离液应用283

7.3高压气井侯凝环空加压技术285

7.3.1环空加压水泥环密封能力计算方法285

7.3.2环空加压提高环空密封能力分析289

7.3.3环空加压提高环空密封能力实验验证294

7.4高压气井气窜预测技术295

7.4.1水泥浆精确压力气窜模拟测试装置295

7.4.2建立水泥浆液柱压力(失重)预测模型296

7.5固井新技术新方法应用299

7.5.1在页岩气固井中的应用299

7.5.2在高温高压油气井中的应用303

7.5.3在酸性气井中的应用318

7.5.4在储气库井中的应用322

参考文献330