纤维在石油工程中的应用及其效果
国内石油工程技术服务项目―――固井、压裂和修井,已出现了应用纤维的新趋势,极大地提高了石油工程技术服务的施工质量和施工效果。纤维在固井、压裂和修井中先导矿场应用相继成功,并取得显著的施工成效,为扩大推广应用领域和范围提供了科学依据,也为掺纤维的石油工程特色技术的发展打下坚实的基础。
石油工程施工作业中所用的纤维均是单纤维类型,且是经加工精选出来的短纤维。各种纤维的粗细、长短有所区别,其性能也有所差异。
石油工程施工作业中掺纤维,即在固井水泥浆中掺入短切纤维,在固化后的水泥环中,短切纤维于水泥水化物间被紧密地粘结起来,从而起到“搭桥”作用和细微的“拉筋”作用,由此传递应力负荷、改善水泥环力学形变能力,这样便提高了固井质量。掺入短切纤维后,在泵注水泥浆的过程中也起到了增稠的作用,降低了水泥浆体系的漏失程度。
固井水泥浆体系中加入一定比例的短切纤维,利用纤维对负荷的传递,使形成的水泥石内部缺陷的应力集中减小,从而提高了抗冲击的能力。加入1.5%和2.0%纤维的油井水泥浆,其养护24h后,单位弯曲强度形变量较纯水泥石增加22.4%和53.58%;经养护48h后,单位弯曲形变量较纯水泥石增加40.51%和46.8%。掺纤维形成的水泥石,因有较好的相容性和粘附性,因而有各向异性的高韧性。纤维可以对水泥石中缺陷处的裂纹尖端应力场形成屏蔽,提高了水泥石抗断裂的韧性,纤维水泥石断裂或弯曲,必然要吸收大量能量。当裂缝张开时,纤维脱离粘结拔出及纤维断裂、就需要有一定的能量,而纤维被粘结越牢,则断裂时吸收的能量必然越多。当其纤维与水泥粘结较强,如果发生断裂时,易出现多点开裂,此时所吸收的能量是纤维被拔出至断裂的总和。但纤维提高水泥石韧性的幅度,主要取决于纤维的种类、细长比及加入量。纤维水泥石冲击评价试验结果表明:纤维长度小于2mm,则水泥石断面上的纤维只有少数拉断,多数被拔出。若纤维长度3-5mm,则水泥石断面上的纤维被拔出的数量减少,而被拉断的数量明显增加。纤维的抗拉强度和延伸性能的充分发挥,从而提高了水泥石的性能。
有关评价分析表明掺纤维固井具有多种功能。纤维水泥浆的稠度较高、流动性能降低,因而利于固井施工作业降低水泥浆漏失程度,不仅有效地利用水泥浆,还降低了固井施工作业的风险,利于保护油气层,降低油气井投产前的投资。纤维水泥石有显著的抗破裂的能力,因而射孔的孔眼很规则,且孔眼周围不出现裂口,对于目前小井眼薄层水泥环射孔尤为适应,对于高密度射孔有好处。
加砂压裂工艺技术有实现油气层解除堵塞、改造产出条件的功能,还可起到松软地层防地层吐砂的功能。压裂作业往往需要及时返排裂液,但又必须有效地防止缝口向井筒内吐砂,否则出现“包饺子”的不良后患。对于松软地层压裂而言,施工作业防吐砂尤为重要。缝口吐砂,将导致人工裂缝内的砂床不稳定,诱发出破碎后的松软地层吐砂,所支撑的有效缝高明显降低,致使作业效果降低。正因为如此,压裂尾锥支撑剂中掺入一定含量的短纤维,往往采用无碱玻璃纤维,使其在作业后强制卸压的过程中,其中的短切纤维自然形成互绕结构层,网住支撑剂颗粒,避免回流井筒内。这种互绕结构层不影响油气井的产出能力的发挥。由此推理,油气井割缝衬管裸眼完井时,其中衬管与井壁间的环空,仍可以泵注充填掺入纤维的携砂液,以此形成的纤维互绕结构层并网住支撑剂,形成人工过滤层,不仅对井壁起到稳定的作用,也起到滤砂的作用,从而阻止松软油气层吐砂。
由纤维和支撑剂所组成的复合介质,纤维是增强相,而支撑剂则是基体。纤维与支撑剂颗粒接触、通过接触压力和摩擦力相互作用达到力学平衡。开始返排液时,由于流载荷,使其平衡失去,支撑剂因发生塑性剪切形变,导致一系列砂拱结构出现。于返排液期间,由砂拱的剪切变形引起纤维变形,诱发纤维轴向力分解为切向和法向两部分。切向分量抵抗砂拱剪切变形,而法向分量则增加侧向压力,导致支撑剂颗粒间的摩擦力增大,结果又间接地抵抗砂拱剪切变形,从而提高砂拱的稳定性和临界返排速度,有效地控制支撑剂回流井筒。由相关的数学模型启示,纤维体积含量越高,纤维越长,支撑剂越细,则纤维与支撑剂颗粒间的摩擦系数越大,纤维所起的增强效果越好。同一类型不同直径的纤维其拉伸性、耐热老化性、耐水性、耐化学性有明显区别,因而选用无碱玻璃纤维必须有一定的原则,增强评价试验可以提供科学依据。其中临界纤维体积含量、临界纤维长细比及支撑剂参数对临界返排速度影响、纤维折断强度的影响、压裂液粘度对临界返排速度的影响、渗透率及闭合压力效应、变闭合压力效应等,均是制定科学方案的依据。增强评价是研究基础,国内仍只有很少数的实验室才具备评价的条件。掺纤维压裂的作业技术,已优于树脂涂敷砂技术,其技术推广应用前景良好。掺纤维压裂利于满足不关井就初始返排液的需要,有利于低渗储集层改造作业,尤其是低压油气层施工作业,也有利于高效破胶剂的推广应用和无破胶剂工作液的推广应用。
石油工程施工作业中所用的纤维均是单纤维类型,且是经加工精选出来的短纤维。各种纤维的粗细、长短有所区别,其性能也有所差异。
石油工程施工作业中掺纤维,即在固井水泥浆中掺入短切纤维,在固化后的水泥环中,短切纤维于水泥水化物间被紧密地粘结起来,从而起到“搭桥”作用和细微的“拉筋”作用,由此传递应力负荷、改善水泥环力学形变能力,这样便提高了固井质量。掺入短切纤维后,在泵注水泥浆的过程中也起到了增稠的作用,降低了水泥浆体系的漏失程度。
固井水泥浆体系中加入一定比例的短切纤维,利用纤维对负荷的传递,使形成的水泥石内部缺陷的应力集中减小,从而提高了抗冲击的能力。加入1.5%和2.0%纤维的油井水泥浆,其养护24h后,单位弯曲强度形变量较纯水泥石增加22.4%和53.58%;经养护48h后,单位弯曲形变量较纯水泥石增加40.51%和46.8%。掺纤维形成的水泥石,因有较好的相容性和粘附性,因而有各向异性的高韧性。纤维可以对水泥石中缺陷处的裂纹尖端应力场形成屏蔽,提高了水泥石抗断裂的韧性,纤维水泥石断裂或弯曲,必然要吸收大量能量。当裂缝张开时,纤维脱离粘结拔出及纤维断裂、就需要有一定的能量,而纤维被粘结越牢,则断裂时吸收的能量必然越多。当其纤维与水泥粘结较强,如果发生断裂时,易出现多点开裂,此时所吸收的能量是纤维被拔出至断裂的总和。但纤维提高水泥石韧性的幅度,主要取决于纤维的种类、细长比及加入量。纤维水泥石冲击评价试验结果表明:纤维长度小于2mm,则水泥石断面上的纤维只有少数拉断,多数被拔出。若纤维长度3-5mm,则水泥石断面上的纤维被拔出的数量减少,而被拉断的数量明显增加。纤维的抗拉强度和延伸性能的充分发挥,从而提高了水泥石的性能。
有关评价分析表明掺纤维固井具有多种功能。纤维水泥浆的稠度较高、流动性能降低,因而利于固井施工作业降低水泥浆漏失程度,不仅有效地利用水泥浆,还降低了固井施工作业的风险,利于保护油气层,降低油气井投产前的投资。纤维水泥石有显著的抗破裂的能力,因而射孔的孔眼很规则,且孔眼周围不出现裂口,对于目前小井眼薄层水泥环射孔尤为适应,对于高密度射孔有好处。
加砂压裂工艺技术有实现油气层解除堵塞、改造产出条件的功能,还可起到松软地层防地层吐砂的功能。压裂作业往往需要及时返排裂液,但又必须有效地防止缝口向井筒内吐砂,否则出现“包饺子”的不良后患。对于松软地层压裂而言,施工作业防吐砂尤为重要。缝口吐砂,将导致人工裂缝内的砂床不稳定,诱发出破碎后的松软地层吐砂,所支撑的有效缝高明显降低,致使作业效果降低。正因为如此,压裂尾锥支撑剂中掺入一定含量的短纤维,往往采用无碱玻璃纤维,使其在作业后强制卸压的过程中,其中的短切纤维自然形成互绕结构层,网住支撑剂颗粒,避免回流井筒内。这种互绕结构层不影响油气井的产出能力的发挥。由此推理,油气井割缝衬管裸眼完井时,其中衬管与井壁间的环空,仍可以泵注充填掺入纤维的携砂液,以此形成的纤维互绕结构层并网住支撑剂,形成人工过滤层,不仅对井壁起到稳定的作用,也起到滤砂的作用,从而阻止松软油气层吐砂。
由纤维和支撑剂所组成的复合介质,纤维是增强相,而支撑剂则是基体。纤维与支撑剂颗粒接触、通过接触压力和摩擦力相互作用达到力学平衡。开始返排液时,由于流载荷,使其平衡失去,支撑剂因发生塑性剪切形变,导致一系列砂拱结构出现。于返排液期间,由砂拱的剪切变形引起纤维变形,诱发纤维轴向力分解为切向和法向两部分。切向分量抵抗砂拱剪切变形,而法向分量则增加侧向压力,导致支撑剂颗粒间的摩擦力增大,结果又间接地抵抗砂拱剪切变形,从而提高砂拱的稳定性和临界返排速度,有效地控制支撑剂回流井筒。由相关的数学模型启示,纤维体积含量越高,纤维越长,支撑剂越细,则纤维与支撑剂颗粒间的摩擦系数越大,纤维所起的增强效果越好。同一类型不同直径的纤维其拉伸性、耐热老化性、耐水性、耐化学性有明显区别,因而选用无碱玻璃纤维必须有一定的原则,增强评价试验可以提供科学依据。其中临界纤维体积含量、临界纤维长细比及支撑剂参数对临界返排速度影响、纤维折断强度的影响、压裂液粘度对临界返排速度的影响、渗透率及闭合压力效应、变闭合压力效应等,均是制定科学方案的依据。增强评价是研究基础,国内仍只有很少数的实验室才具备评价的条件。掺纤维压裂的作业技术,已优于树脂涂敷砂技术,其技术推广应用前景良好。掺纤维压裂利于满足不关井就初始返排液的需要,有利于低渗储集层改造作业,尤其是低压油气层施工作业,也有利于高效破胶剂的推广应用和无破胶剂工作液的推广应用。







































