1、固井施工技術(shù),2,1 水泥漿與固井 工程的關(guān)系,3,慨述,固井是怎個建井周期的重要環(huán)節(jié)，固井質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到油.氣田的勘探與開發(fā)，一口井的成功與否，往往與工程設(shè)計和施工工藝技術(shù)有著密切的聯(lián)系。 隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展.深井.定向井.大斜度井.調(diào)整井是今后鉆井發(fā)展的方向。因此對固井工程來講，就面臨著更大的挑戰(zhàn)， 難度也就更大。 要想成功的固好一口井，就必須采用新的方法.新的工藝.新的技術(shù)。 固井工程是一個系統(tǒng)工程,固井質(zhì)量的好壞，它與鉆井到完井過程中所有技術(shù)的實施有著很重要的關(guān)系。因此，影響固井質(zhì)量的原因是一個綜合因素。為了能獲得較好的.甚至優(yōu)質(zhì)的固井質(zhì)量，就必須對影響固井質(zhì)量的因素有一個較為全

2、面的了解，這樣才能提出一個合理的設(shè)計方案。,4,一.固井質(zhì)量的基本要求,1.保證良好的層間封隔，無竄流； 2.要有保證支撐套管、承受壓裂的水泥石強度； 3.具有耐地層水腐蝕的能力。 目的： 下次開鉆能順利進行滿足開采工藝 延長生產(chǎn)壽命,5,二.影響固井質(zhì)量的主要問題,1.頂替不完全 主要反映在：竄槽混漿 （聲學(xué)特性差聲幅值偏高） 2.漏失與竄流 液柱壓力與地層壓力達不到平衡 3.水泥漿體系設(shè)計不合理 超緩凝外加劑相溶性差 水泥漿與泥漿相溶性差,6,出現(xiàn)上述質(zhì)量問題所采取的補救措施往往需要花費大量的資金，根據(jù)美國在海洋鉆井的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以說明： 表1 質(zhì)量問題與補救費用,7,表2 補救作業(yè)成本與基

3、本注水泥作業(yè)費用關(guān)系,8,綜上所述，要獲得較好的固井質(zhì)量，必須遵循以下兩點：,1.要有完善的水泥漿設(shè)計 包括: 體系， 性能 ， 漿柱結(jié)構(gòu)。 2.科學(xué)化的注水泥設(shè)計,9,三.水泥漿設(shè)計,1.水泥漿設(shè)計的約束條件 A.了解油藏特性（主要針對尾漿） 水泥漿所在位置深度的油，氣，水流體性質(zhì)； 完井開采方式。 裸眼，射孔，酸化，壓裂，注水，熱采等。 B.地質(zhì)條件限制（主要針對體系的選擇） 井深，巖性，井溫；,10,地層壓力，孔隙壓力，漏失壓力，坍塌 壓力； 有無鹽層或腐蝕性流體。 C.施工條件的限制（主要針對注替工藝） 井眼幾何尺寸，注水泥工藝方法； 混配方法，施工設(shè)備能力； 密度控制能力，完井液處理

4、情況。,11,2.固井作業(yè)對水泥漿的基本要求,配制和注替過程中,保持可控的流動能力; 在井下溫度和壓力條件下保持足夠的可泵時間; 靜止后應(yīng)具有快速凝固和體系穩(wěn)定的特性,并保持體 積不變; 凝固后的水泥石強度滿足施工要求,致密性好, 抗腐 蝕; 有一定塑性,能抵抗射孔的震動和沖擊; 應(yīng)具有一定的 防竄能力.,12,3.水泥漿性能設(shè)計,密度 硅酸鹽水泥本身的密度波動范圍是：3.053.20 g/cm3 其中： C3S 3.15 g/cm3 C2S 3.28 g/cm3 C3A 3,04 g/cm3 C4AF 3.77 g/cm3 施工中水泥漿的密度主要與設(shè)計的水灰比，外摻料的密度及加量有關(guān)。 確定

5、水泥漿密度的基本原則： 水泥漿密度下套管時完井液的密度 即: Cm0.24 g/cm3,13,施工中若密度波動大則將導(dǎo)致水泥漿整體性能的改變： 如： 固化強度， 致密性， 水泥的收縮程度， 穩(wěn)定性等 因此，施工中控制水泥漿的密度變化范就顯得尤為重要。,14,流變性,水泥漿和泥漿均屬非牛頓液體，它的流動規(guī)律與牛頓液體有很大的差別，掌握水泥漿的流變性主要用于： a.計算注水泥和替泥漿時的施工參數(shù)（排量，壓力）選擇相適應(yīng)的施工設(shè)備； b.根據(jù)地層承壓能力，確定水泥漿的上返速度，以及流態(tài)的確定；,15,析水率,析水率的大小主要反映出漿體的穩(wěn)定性。 水泥漿屬于多相不穩(wěn)定體系，根據(jù)斯托克司方程可計算出固相

6、顆粒的下沉速度。 V = 2（s - w）g d2s / 9 公式中可以看出： a.下降速度與固相顆粒的直徑成正比； b.與液相的粘度成反比。 因此，析水率的大小與外摻料顆粒直徑的級配有很大的關(guān)系。 根據(jù)API標準要求：析水率1.4%,16,控制水泥漿的析水,其根本目的是保證水泥漿的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性的好壞主要表現(xiàn)在漿體靜止過程中漿柱密度的整體差異，若漿柱上下密度差值大，則水泥石的凝結(jié)特性將發(fā)生根本的改變，其后果將導(dǎo)致油、氣、水竄。特別是對于定向井、大斜度井來講，該項指標尤為重要。,17,失水量,水泥漿濾失性能對注水泥施工和固井質(zhì)量的影響一直是鉆井界非常關(guān)心和有爭議的問題。水泥漿的API失水量一般

7、都很大，未進行失水控制的濾失量一般都在1000ml/30min以上，含自由水較多的水泥漿在井下環(huán)形空間流動和候凝時，自由水有可能進入地層，從而引起水泥漿性能發(fā)生變化，這些變化主要包括：,18,a.水灰比的變化、 b.密度的變化、 c.流變性的變化、 d.稠化時間縮短， e.甚至可能喪失流動性。,19,影響失水的主要因素,a.水泥漿的性質(zhì) 主要反映漿體本身的膠體性質(zhì)，只有當水泥漿中分散的膠體離子數(shù)量足夠多時，水泥漿的失水就能控制到較小數(shù)值； b.壓差 壓差也是影響水泥漿失水的重要因素之一，按API標準，水泥漿實驗時的 壓差值規(guī)定為7MPa，從大量的實驗證明，水泥漿的失水量隨壓差值變化而變化；,2

8、0,表1-1不同壓差下水泥漿的濾失速率,21,C.水灰比,根據(jù)大量實驗研究證明，水泥水化時所需水量是水泥重量的2025%。在固井施工中為了保證水泥漿的流動性，設(shè)計時水泥漿的水灰比一般都確定在0.5左右，有時甚至高達0.8以上。 由于施工的要求，水泥漿中存在大量的過剩自由水，它不但使失水量增加，同時也伴隨著漿體的穩(wěn)定性下降，它所帶來的危害主要表現(xiàn)在： a.形成上下連通的水道； b.形成縱向或橫向水袋； 這是造成油氣水竄的根本原因。,22,d.地層的滲透性（或滲濾介質(zhì)）,水泥漿失水量的大小不但與水泥漿的體系有關(guān)，而且與地層的巖性以及滲濾介質(zhì)有關(guān)。 API標準中給出了計算及： 其中： Q30 30分

9、鐘的失水量， QT T分鐘的失水量， T T分鐘 （分鐘） 公式在325目篩網(wǎng)，7MPa壓差下通過實驗結(jié)果進行計算獲得，從計算結(jié)果分析，它并不代表真實的井下失水情況，僅能作為一個相對的衡量指標。那么水泥漿通過實驗獲得的失水量與井下實際的失水情況有什么關(guān)系。針對這個問題進行的研究表明：,23,表1-2 滲濾介質(zhì)對水泥漿濾失量的影響,24,從表1-1，1-2的數(shù)據(jù)可以明顯看出：,在不同降失水劑加量的情況下，盡管API的失水量差別很大，以及巖芯未被污染的條件下，水泥漿的失水有較大的差別；但是，當巖芯上存在泥餅后，水泥漿的失水量呈數(shù)量級下降； 在不同壓差的情況下，巖芯上有泥餅和無泥餅的條件下，水泥漿的

10、失水速率竟相差100倍。 這可以說明，在井下當井壁存在泥餅的狀態(tài)下，濾液向地層濾失的流動阻力大大增加，證明泥餅（內(nèi)，外泥餅）對阻擋水泥漿濾液向地層濾失的作用不可忽視。,25,實驗數(shù)據(jù)證明了滲濾介質(zhì)對失水的阻擋作用，這并不是說施工中可以不考慮水泥漿的失水問題。降失水劑不但可以起到控制水泥漿失水的作用，同時更重要的是可以保持水泥漿的穩(wěn)定性；使水泥漿在凝結(jié)過程中將自由水均勻地束縛在水泥石的孔隙內(nèi)，避免橫向水帶和縱向水槽的形成，為提高固井質(zhì)量創(chuàng)造有利條件。,26,美國石油學(xué)會根據(jù)大量的固井資料和研究總結(jié)得出 水泥漿失水與控制固井質(zhì)量的關(guān)系： 0200 ml/30min 容易控制 200 500ml/3

11、0min 中級控制 5001000 ml/30min 勉強控制 1000 2000 ml/30min 不能控制,27,水泥漿的稠化時間,根據(jù)API規(guī)定：（定義） 水泥漿在溫度和壓力的作用下，通過稠度儀測定水泥漿達到100BC的時間稱為稠化時間。 BC為力矩， 即100BC = 2080g cm （5.2 400g） 水泥漿的稠化時間是指導(dǎo)施工的重要參數(shù)之一，影響水泥漿稠化時間的因素是多方面的，其中僅實驗中的攪拌方式的不同對稠化時間都有較大地影響。,28,美國修斯公司實驗證明： 用API攪拌器攪拌35秒 稠化時間 2:44 螺桿攪拌器攪拌5分鐘 稠化時間 5:12 由此證明，水泥漿的稠化時間必須

12、按API標準規(guī)定的實驗方法進行，否則將會給施工帶來不可挽回的損失。,29,API標準對水泥漿稠化實驗有比較嚴格的程序，稠化實驗中要確定的基本參數(shù)主要有：井深，地溫梯度（井底靜止溫度或井底最高循環(huán)溫度），完井時泥漿密度。在已知這三個基本參數(shù)后，可參照API標準給出的實驗方案進行試驗。,30,A.井深 API標準共給出11個井深范圍即： 310，610，1830，2440，3050，3660， 4270，4880，5490，6100米。 B.地溫梯度 API標準共給出6個地溫梯度范圍即： 1.6, 2.0, 2.4, 2.7, 3.1, 3.5/100M,31,值得注意的是，溫度的確定必須根據(jù)井下

13、實際的情況，不能人為的將它提高，這樣會給水泥漿在井下候凝時帶來不利影響。,確定 水泥漿稠化時間的實驗溫度，應(yīng)按照井底的最高循環(huán)溫度來進行。根據(jù)美國在墨西哥灣對井底循環(huán)溫度的統(tǒng)計可以看出，循環(huán)溫度與井底靜止溫度的關(guān)系；,32,即： 1828米 靜止溫度 76.6 循環(huán)溫度 46.6 3046米 靜止溫度 107.2 循環(huán)溫度 60 比值： 0.608 (1828M) , 0.56(3046M) 在我國油田對循環(huán)溫度的比值確定范圍一般在0.75 0.85，顯然比實際的比值要大得多。,33,C.壓力,壓力是指水泥漿流動過程中的循環(huán)阻力，它是由管內(nèi)外的摩阻損失和漿體的靜液柱壓力組成，壓力值的大小主要以

14、完井時泥漿密度來確定，API標準中給出的壓力值是不同井深其對應(yīng)的壓力不同，即： 1.2g/cm3 310，610，1220，1830，2440M； 1.4g/cm3 3050M； 1.7g/cm3 3660M； 1.9g/cm3 4270M； 2.0g/cm3 4880M； 2.2g/cm3 5490M ； 2.3g/cm3 6100M。 由此可以看出，若嚴格按API標準來確定這三個實驗條件，則完全可以保證施工的安全。,34,稠化時間的確定,稠化時間 = 施工時間 + 12小時安全因子； 安全因子 深井（5000M）一般取23小時； 分級注水泥 實驗中還必須有1小時或更長的停機時間 ； 對于符

15、合要求的稠化曲線其過渡時間的稠度應(yīng)30min,35,抗壓強度,水泥石的抗壓強度是指抵抗外力破壞的能力，根據(jù)固井工程的要求應(yīng)滿足以下幾點： A.支撐和懸掛套管 經(jīng)研究表明，水泥環(huán)支撐套管的能力：,36,抗壓強度為0.35MPa時每米水泥環(huán)的支撐能力,37,由表中數(shù)據(jù)可以明顯看出，僅僅從水泥環(huán)支撐套管的能力是完全能滿足施工的要求。但是，若套管或井壁存在影響水泥石膠結(jié)的因素，則這種支撐的能力將大大削弱。,(a)套管的表面狀況 套管表面狀況與膠結(jié)強度的關(guān)系,38,（b）與井壁的泥餅狀況有關(guān),井壁的泥餅狀況是指附著于井壁表面泥餅質(zhì)量的好壞，也就是說不能存在大量的虛泥餅，這不但影響水泥的膠結(jié)，同時在水泥凝

16、結(jié)過程中泥餅的干縮會造成油，氣，水竄的隱患。 （B）應(yīng)具有一定的塑性 由資料介紹和實驗證明，當水泥石的強度值增加，連接強度也增加，但水泥石的脆性就越大，其帶來的危害主要表現(xiàn)在： （a）承受由鉆進時產(chǎn)生的沖擊載荷能力減弱， （b）射孔時容易發(fā)生裂縫，特別是小井眼更為重要。,39,（B）滿足施工要求的抗壓強度,根據(jù)大量的實踐和室內(nèi)研究證明： （a）對表層，技術(shù)套管的固井，要滿足下次作業(yè)，即二次開鉆前的鉆水泥塞，換裝井口，倒換鉆具等， 水泥石的強度 3.5MPa； （b）對射孔，酸化壓裂等作業(yè)， 水泥石的最小強度 13.5MPa。,40,水泥石的抗腐蝕性,在井下水泥石被腐蝕主要表現(xiàn)有三種形式： 淡水

17、腐蝕，離子交換腐蝕，硫酸鹽腐蝕 在這三種腐蝕中，硫酸鹽腐蝕最為普遍。 經(jīng)研究證明，溫度與腐蝕有著密切的關(guān)系，在2749這個范圍，硫酸鹽的腐蝕最嚴重。因此溫度較低的淺井比深井更容易被腐蝕。如何提高水泥石的耐腐蝕性， 一般采用的方法有：,41,（a）控制水泥的礦物成分 API規(guī)定，嚴格控制C3A（3CaOAL2O36H2O）的含量。 C3A（3CaOAL2O36H2O） 6% 普通水泥 同時滿足C4AF（4CaOAL2O3Fe2O3）+ C3A 22%,42,（b）加入外摻料減少水泥水化物Ca(OH)2晶體,水泥水化后生成的水化物Ca(OH)2晶體最容易被腐蝕，因此要防止該類腐蝕，可加入與Ca(O

18、H)2產(chǎn)生反應(yīng)的外摻料，同時還應(yīng)保證不影響水泥石的強度。 （c）防止水泥石在高溫下的衰退 C3S2H3 C2SH （A型片狀低強度結(jié)晶） C3S2H3 14MPa C2SH 1.9MPa C3S2H3+SiO2 CSH （B型低堿性高強度結(jié)晶） CSH 32MPa 加量的確定： 必須在30 40%的范圍,43,（c）防止水泥石在高溫下的衰退,C3S2H3 C2SH （A型片狀低強度結(jié)晶） C3S2H3 14MPa C2SH 1.9MPa C3S2H3+SiO2 CSH （B型低堿性高強度結(jié)晶） CSH 32MPa 加量的確定： 必須在30 40%的范圍,44,水泥石的滲透性,水泥石滲透率的大小

19、與水泥漿的體系有關(guān)，正常密度的水泥石基本可滿足施工的要求，但加有外摻料的水泥漿體系則應(yīng)考慮滲透率是否符合要求。 API標準規(guī)定： 水泥石在1.4MPa的壓差下不滲透。,45,2 注水泥技術(shù) 及施工保證措施,46,固井工程要求水泥漿具有良好的性能，從固井質(zhì)量和固井施工來講它主要包括兩個方面： 1.靜態(tài)特性 2.動態(tài)特性 靜態(tài)特性 凝結(jié)特性、穩(wěn)定性、濾失性、防竄性、以及抗壓強度等； 動態(tài)特性 水泥漿的 流變性、稠化時間、施工參數(shù)（上返速度、排量等）。,47,前者是保證水泥漿凝固質(zhì)量和封固質(zhì)量的主要因素，后者是保證水泥漿施工安全和提高頂替效率的主要因素。 通過不同特性水泥漿外加劑和外摻料的優(yōu)選，設(shè)計

20、出適應(yīng)于井下條件、綜合性能優(yōu)良的水泥漿，是固井工程所要求的期望值。 注水泥施工方案是否合理，是關(guān)系到能否提高環(huán)空頂替效率的主要因素；從環(huán)空頂替效率主要因素的研究和大量的實踐證明，一般應(yīng)該遵循：,48,應(yīng)遵循的基本原則之：,保證套管在井內(nèi)有足夠的居中度； 注水泥之前應(yīng)充分循環(huán)泥漿，調(diào)整好完井液的各項性能，使之滿足水泥頂替的基本要求； 有條件的情況下，盡可能保證使水泥漿達到紊流頂替； 頂替液要有足夠的環(huán)空紊流接觸時間。,49,如何利用現(xiàn)有條件,采用什么方法滿足這些基本原則,是實際施工中必須認真考慮的問題。盡管設(shè)計出了比較好的水泥漿體系，施工中沒有相應(yīng)的技術(shù)保障和技術(shù)措施的落實，同樣不可能獲得好固井

21、質(zhì)量。 固工程是一項系統(tǒng)工程，它與許多因素有關(guān)，同時相互之間又有很密切的內(nèi)在聯(lián)系，因此施工技術(shù)措施的制定和落實就顯得非常重要。,50,一 平衡壓力注水泥技,國內(nèi)外在研究水泥漿頂替機理方面，都認為紊流流態(tài)頂替是提高環(huán)空頂替效率的最佳流型。要使水泥漿在環(huán)空達到紊流狀態(tài)，一般采用的方法是調(diào)整水泥漿的流變性能或在施工中提高頂替排量，但是在注水泥施工中不僅要求流態(tài)滿足設(shè)計要求，同時還應(yīng)考慮注水泥時漿柱壓力和動壓與地層壓力的平衡關(guān)系，這樣就提出了平衡壓力注水泥技術(shù)。平衡壓力固井技術(shù)所要解決的問題有以幾個方面：,51,做到地層和地層流體,不因流動壓力或水泥漿失重引起的地層破漏和油、氣、水竄槽; 即:保證水泥

22、漿在注替過程及水泥漿在凝結(jié)過程中的壓力平衡關(guān)系: PPPF PF0 PP地層孔隙壓力, PF注替壓力和水泥漿柱壓力, PF0地層破漏壓力。,52,優(yōu)選水泥漿、隔離液的頂替流態(tài)及合理的流變性能,提高裸眼段的頂替效率。 要做到環(huán)空頂替時的壓力平衡關(guān)系,就必須控制水泥漿的流變性能和它的上返速度,使之保持地層壓力允許的范圍。這就是注水泥施工要求的流變學(xué)設(shè)計。,53,1.水泥漿流變模式的選擇,根據(jù)中石油頒布的注水泥流變學(xué)設(shè)計標準,流變模式的選擇應(yīng)根據(jù)水泥漿的剪切速率與剪切應(yīng)的吻合程度來確定,其判別的標準為: F = (200 100)/(300 100) 當F =0.50.003時,選用賓漢模式,反之則

23、選用冪律模式。式中 “”后面的數(shù)值表示被測液體在旋轉(zhuǎn)粘度計上的讀值。,54,2.水泥漿流變性能設(shè)計,水泥漿流變能的設(shè)計，主要根據(jù)地層破裂壓力（或漏失壓力）與水泥漿柱的 壓力平衡關(guān)系，從限制水泥漿在環(huán)空的最高上返速度來確定水泥漿流變性的合理范圍。根據(jù)上述原則，水泥漿的上返速度和流變性應(yīng)滿足以下要求：,賓漢液體： VC S 0s 冪律液體： VC n 0.6 k ,56,式中： VC考慮平衡壓力固井時環(huán)空允許的最大上返速 度；M/S S塑性粘度 ； Pa.S O_ 動切應(yīng)力 ； Pa DW_平均井徑 ； De_套管外徑 ； n流性指數(shù) ； k稠度系數(shù) ； Pa.sn PFb地層破裂壓力；MP Ph

24、a環(huán)空靜液柱壓力； MP L 井深； M 根據(jù)上述約束條件，計算出相應(yīng)的VC、n、k值,3.頂替參數(shù)設(shè)計,（1）水泥漿在環(huán)空的臨界雷諾數(shù) NRec3470-1370n n2.092 lg(300/ 100) k0.511(300/511n) (2)水泥漿在環(huán)空的實際上返速度 VC1,(3)臨界排量,QC 通過對水泥漿頂替參數(shù)的計算，要使水泥漿在環(huán)空達到紊流，計算結(jié)果可能出現(xiàn)兩種情況： 計算結(jié)果滿足約束條件； 計算結(jié)果不能滿足約束條件，或者計算出的施工參數(shù)根本無法實現(xiàn)。,59,那么出現(xiàn)后一種情況時,就必須調(diào)整水泥漿的流變參數(shù)，或降低頂替排量。往往通過調(diào)整的水泥漿和降低排量后，水泥漿在環(huán)空的流速基

25、本上都屬于層流范圍，那么在這種流態(tài)下如何保證環(huán)空的頂替效率，是設(shè)計人員在設(shè)計中必須考慮的問題。,60,4.紊流注水泥技術(shù),在水泥漿設(shè)計中，為了保證水泥漿（石）符合工程設(shè)計的要求，一般在設(shè)計和調(diào)整方案時應(yīng)考慮以下幾個方面的問題： （1）設(shè)計出的水泥漿必須保持良好的穩(wěn)定性，無自由水析出； （2）在設(shè)計溫度下具有良好的早強性能； （3）具有一定的防竄性和觸變性。,61,由上述三點的設(shè)計準則可以看出，在確定水泥漿的性能時，主要考慮水泥漿在靜止狀態(tài)下的物理化學(xué)性能。提高環(huán)空的頂替效率，其目的是為水泥漿提供良好的凝結(jié)條件，那么如何在現(xiàn)有的地層條件和設(shè)備能力下獲得良好的固井質(zhì)量，使水泥漿在井下保持室內(nèi)實驗應(yīng)

26、具有的性能。 過份追求水泥漿在環(huán)空流動時達到紊流狀態(tài)，將受到諸多因素的限制，改善水泥漿性能時要綜合考慮其它性能的變化，特別是漿體的穩(wěn)定性和早強性。,62,4.1使用紊流沖洗液和紊流隔離液,要使水泥漿在環(huán)空達到紊流流態(tài)，是所有參與固井施工的工程技術(shù)員所期望的，也是大家公認的一種提高頂替效率的手段。但是往往受到許多條件的限制，而真正使水泥漿達到紊流頂替的并不多見。有時在施工中排量和流變性（水泥漿）似乎都很好，施工也連續(xù)，未出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象，但最終施工結(jié)果令人不滿意，甚至還可能出現(xiàn)不合格。,63,表2.1紊流頂替排量對比,64,由表中數(shù)據(jù)對比,實際的施工排量在18.824L/S,但是與達到紊流的臨界排量相