现代固井技术在现场使用经验.ppt

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1、现代固井技术在现场使用经验,五个技术专题,现代固井技术 五个技术专题,第一专题 高温高压深井固井技术 第二专题 气层固井防窜工艺技术 第三专题 水泥浆质量特殊检验体系 第四专题 特殊井况固井技术新方法 第五专题 油井百年大计，始于固井技术,第一专题,高温高压深井固井技术,高温高压井固井技术,何谓高温高压井 地层温度高于150180（大于300） 地层温度 180属于超高温井 地层孔隙压力大于69MPa(10000psi) 或地层孔隙压力系数1.80g/cm3 （南海地温梯度在3.74.4/100m，目前较深井深 4876m,BHST210,BHCT169,已有固井设计）,高温高压深井固井技术,

2、一 高温高压深井固井问题分析 二 高温高压深井固井设计特别要求 三 特殊固井工艺技术的应用 四 深井套管小间隙固井技术,一 高温高压深井固井问题分析 高温高压井固井的技术难点,高温高压对水泥和套管的腐蚀与破坏 井底循环温度对水泥浆设计的影响 井漏和小间隙固井的必然结果 高温高压对水泥浆的严重影响 高温水泥浆稠化时间突变 高温材料混合水延迟使用实效 高密度水泥浆不稳定 长尾管上下温差过大 窄压力窗口（易漏易喷）是高温高压井固井最棘手的问题 气窜是高温高压井固井的重点问题之一,通过模拟井况分析固井难点,11-3/4”尾管作业 上层套管：13-3/8”3000m破裂当量2.25，套管内径 12.51

3、5” 11-3/4”尾管鞋：4000m，尾管顶部2800m 井眼：14” 钻井液：密度2.18，塑性粘度40mPa.s 静切力18Pa 泥浆气测值68% 地温梯度：3.73/100m，BHST177，BHCT138 气层在3200m，主气层3800m,1. 高温高压对水泥和套管的腐蚀与破坏,1.）在高温高压下，油井水泥的物理和化学性能都会发生明显的变 化，因此高温高压深井固井设计必须考虑对水泥和套管的保护 ，此外还必须考虑高温井中具有腐蚀性的水层与松软地层存在 的危险性。如果不精心地改进水泥设计方案，水泥石就要失去 强度，而产生渗透性，结果可能使地层封隔失败。 2） 高温高压对水泥和套管腐蚀和

4、破坏的主要因素是硫酸盐水溶液 和碳酸盐水溶液，两者对水泥的腐蚀是十分严重的。 高温下硫酸盐水溶液使水泥水化后的硅酸钙水合物结构发生变 化，叫做水泥强度衰退；而碳酸盐水溶液使硅酸钙水合物转化 成碳酸钙和不结晶的二氧化硅。 3） 造成对水泥和套管的腐蚀和破坏的另一种因素是温度本身。温 度对添加剂产生明显作用，使添加剂不稳定。,影响水泥石、套管寿命的因素,总的来说，影响水泥石、套管寿命的因素主要的是： 1. 地层水、 2. 水泥浆滤液、 3. CO2和H2S以及 4. 温度本身。 因此对水泥类型的选择，对地层水包括水泥浆滤液的预测、预防和控制的力度，在水泥浆设计中是容易做到的。,2. 井底循环温度对

5、水泥浆设计的影响,1）井底循环温度（BHCT）十分重要： 根据BHCT对选用的水泥浆配方进行试验； 对添加剂进行选择。 2）准确的计算或预计BHCT可通过测井、测循环温度的 探测头和对循环温度的数学模拟等方法。 API新 标准可作粗略查对，但最实用的方法是国外服 务公司的数学计算模拟，我们将要第三部分“现代固 井技术现场应用的保证”中介绍 Halliburton等计算模式，对于高温高压井是相当吻 合的。,注水泥温度梯度的计算方法,获得准确井温的方法：通过邻井测试作业资 料或本井测井资料，获得井底温度， 根据1990年 API规范10的要求，注水泥温度梯度G应该按如下公 式计算: G=(BHT-

6、TS)/（TD/100） 其中：TS地面温度，取80或27 TD井的垂直深度ft或m BHT井底温度或,3. 井漏和小间隙固井的必然关系,1） 高温高压井由于多压力体系而需要多套管层次，因此小间隙固井是必然的产物，正由于小间隙的存在，井漏同样是必然的结果。从前面的井例列表可以发现小间隙对固井的影响。小间隙一般出现在技术尾管。,多层套管小间隙,井漏和小间隙固井是高温高压井必然产物,2） 存在狭窄套管重叠段小间隙。属于非常规套管结构 固井后出现两种可能情况：裸眼混浆严重或者套管 鞋发生井漏。如果以套管重迭段设计安全返速，那 么裸眼处由于返速太低严重混浆；如果以裸眼段设 计安全返速，那么会造成重叠段

7、返速太高，重叠段 返速是裸眼段的3.1倍以上，套管鞋处激动压力过 大，井漏不可避免；拟用等容量换浆法固井技术。,井漏和小间隙固井是高温高压井必然产物,3） 防漏是高温高压固井的关键。 除了小间隙，裸眼返速受到限制，下套管允许的激 动压力范围 小。由于套管下入井中引起一定深处压 力升高，这个升高的压力我们称为激动压力，相反 方向引起压力降低值就称为抽吸压力。激动压力在 一定的井眼中，它的大小与泥浆的塑性粘度有关， 塑性粘度越大激动压力就越大。 我们可以通过即将介绍的固井特殊 计算模式来计算套管的 下放速度，以前面的模拟井 例计算套管允许的下放速度是 6min/std(每柱用6分钟）,井漏和小间隙

8、固井是高温高压井必然产物,4. 小间隙造成井漏是因为套管下放速度失控，顶替速度不科学造成的。然而下完套管后开泵循环也会因为破坏泥浆凝胶结构增加压力而压破地层，井漏。看井例中的泥浆静切力（18Pa),按照现代固井技术特殊计算如下：,井漏和小间隙固井是高温高压井必然产物,开始循环破坏泥浆凝胶结构所增加的激动压力0.163398psi/ft，因此可计算出 上层套管鞋的当量密度为2.31，稍大于套管鞋的破裂压力当量2.25，不采取其它措施，一开泵就会把地层压破。 处理办法： 1）开泵前先活动套管 2）调整泥浆性能，适当降低静切力。,固井防漏对泥浆性能的基本要求,在井眼准备的计划中应包括对泥浆性能的要求

9、 1）提高泥浆的润滑性 2）定量地提出降低泥浆塑性粘度，提高套管 下放速度。如前面井例，可提出将塑性粘 度降到35mPa.s左右；定量地提出将泥浆的 静切力降到15Pa左右。但需要经过计算后 在保证井眼安全条件下提出。,4. 高温高压对水泥浆的严重影响,高温高压对水泥浆的影响主要的有 1）在高温深井中，水泥浆明显加速凝固，养护温度一升高，可以发现早期抗压强度和晚期抗压强度较高的现象。因此水泥浆设计必须在现场预测的温度和预测的压力下进行试验。 2）在高温深井中，波特兰水泥对配方中微化学和微物理变化反应十分敏感。因此实验室要全部采用施工中所用的水、水泥、添加剂。,5.高温水泥浆稠化时间突变,一般地

10、说，循环温度越高，波特兰水泥对水泥浆配料的微化学和物理变化反应越敏感。只要施工中所用的水、水泥和添加剂稍有变化；循环温度只要有少量（如5之差）变化，稠化时间突变，混合水延迟使用实效。因此根据现代固井理论，高温高压井固井必须做如下试验： 水泥浆稠化时间突变试验（BHCT 5） 水泥浆稠化时间延迟试验。 高温高压深井固井要求水泥浆试验的材料包括水泥、添加剂、水都要从现场取样。,6.混合水延迟使用实效,1. 混合水体系中材料不相容。例如 Halliburton 降失水 剂 Halad-22AL 不能和大容量的高温 缓凝剂相容。高温聚合物才是目前最稳定的 材料，在高温下合成 所以可以用于高温井固 井

11、2. 木质素磺酸盐在高温下不稳定。如 HR12L、 HR13L等十分敏感外还容易分解。,混合水延迟使用实效,3. 使用粘稠材料没有用活性稳定剂或分散剂， 或者乳胶材料破乳而失效。 4. 使用不适用于含盐体系的材料用于含盐体系 而失效。 例如Halad344L和Halad413L组成的配方适用于高、中、低温井固井，堪称一个具有创造性的水泥浆体系并有成功的应用经验。（请看下页）由于Halad344L不能用于含盐量大于18%的盐水而使水泥浆体系失效，造成严重的固井问题。,混合水延迟使用实效的典型例子,基本特征和预防方法,1. 延迟超过8hr稠化时间大幅度缩短，使用过夜的混合水固井逃脱不了失败的命运；

12、 2. 高温固井必须对混合水做延迟试验; 3. 严格控制混合水配制时间 （固井前13hr配好为宜）； 4. 尽可能使用聚合物缓凝剂材料 5. 严格分析水泥浆体系中材料的相容性，使水 泥浆体系设计有安全性和可行性。,新开发的水泥浆体系延迟试验取得理想结果,参考配方实例,配方组成： Halad-413L(降失水剂） Halad-344L (降失水剂） HR-6L(或者高温缓凝剂） D-Air 2（消泡剂） 可以组成一个相当好的防窜水泥浆体系，无自由水、极低的失水量（020），有延迟胶凝特性，可用于低温井和高温井。1997年 首次用于9口探井固井，水泥段长度1200m左右，68小时检查固井质量，全部

13、水泥段从上到下胶结优等。,7. 高密度水泥浆不稳定是最大的难点,高密度水泥浆不稳定性包括材料沉淀、分层、以及前面所说的水泥浆稠化时间突变。其中最大的问题是沉淀、分层。 水泥浆中加入大量的加重材料沉积作用成为主要问题。现代固井理论指出，谋求水泥浆悬浮能力的材料与配浆工艺是攻克高温高压深井高密度水泥浆不稳定性的关键。 抗水泥浆沉积的方法有如下几种： 1）加膨润土 2）加纤维素衍生物，如羧甲基纤维素 3）海水 4）硅酸钠 5）锰矿粉（hausmannite ore）,锰矿粉的应用是目前的重要发现从此高密水泥浆不稳定的问题便迎刃而解,1）锰矿粉密度4.9g/cm3,颗粒直径5微米，它既能加重又有分散悬

14、浮功能；它可以和水泥干混合又可直接加入混合水中保持它的悬浮性，对混合水具有可调作用，但需要缓凝剂和分散剂。 2） 使水泥浆有增稠和加重作用 3） 适用温度80500（27260） 4） 浓度：根据水泥浆密度要求。,高密度水泥浆设计要求, 抗高温，性能稳定，不沉淀，不分层 延迟胶凝结构形成，早期强度高 流变性能良好，具有停泵安全性 无自由水，失水量小于 50mL/30min. 7 MPa 稠化时间不突变 混合水延迟使用不老化 胶凝结构几乎没有渗透性 水泥浆的综合性能和防窜性能良好,高密度水泥浆稳定性检验,1. 采用BP稳定试验法。它分高低温两种方法。 例如方法之一： 水泥浆在高温稠度仪里加热到B

15、HCT，1.5h后将冷却到200,将其转移到预热的试管里在养护釜里养护16h，养护温度185 ,完全硬固后锯下上下各1”,测密度,前面井例水泥配方，原浆密度2.4g/cm3，试验结果，上下水泥石密度都是2.46g/cm3稳定性优良。 BPBritain Petroleum,高密度水泥浆稳定性检验,2. 停泵安全试验 注水泥过程突然因设备井口装置发生故障或井上其他问题发生，需暂时停止泵注，时间一般是10min,20min或者更长，恢复泵注是否正常。水泥浆安全试验资料就能够给出答案，方法是： 当水泥浆稠化时间试验加温到达井底循环温度时中断试验2030min，这就意味着突然停泵需要抢修，恢复试验后观

16、察稠化曲线的变化，无大的变化可认为是安全的。固井工程师利用这个试验资料施工就有安全感了。 （在讲座的第三部分将详细介绍以BP安定试验为核心的8项水泥浆检验体系，它体现了现代固井技术的先进性）,水泥浆稳定性试验的意义,一个是乎纠缠不清的问题：某井下完套管后开泵注水泥尚算顺利，可是停泵倒换阀门后开泵替泥浆却泵压直线上升，蹩泵了。是井壁跨塌？是环空沉砂堵塞？是水泥浆管内沉淀？没有说的清的答案。如果水泥浆做过稳定性试验，问题的答案就清晰了。,8.长尾管上下温差过大,如前面井例，尾管上下温差35。如果按总井深来设计有充足的稠化时间的水泥浆，那么在尾管顶部需要很长时间水泥才能凝固。只有在水泥形成最低的抗压

17、强度能承受钻具的震动，以后才能钻水泥塞。尾管顶部水泥浆的过渡缓凝是不利的。如果在尾管周围有高压气体或者水泥浆质量不好气侵的危险性就很大。,解决尾管上下温差的方法和探讨,1）注水泥最初时刻要特别注意尾管顶部和重叠 段水泥 浆的设计密度，以保证水泥强度和没 有自由水。 2) 以尾管底部的循环温度设计水泥浆稠化时间 3）可使用双级注水泥技术，避免出现因温差水泥浆过度 缓凝问题。 4）对尾管顶部水泥浆做8hr,12hr的强度试验，决定钻进。 5）给尾管顶部留100150m的水泥塞，防止回接套 水泥回落。,9. 窄压力窗口（易漏易喷）是高温高压井固井最棘手的问题,1. 窄压力窗口意味着同一层 出现两个以

18、上的压力系统，喷漏同层。对钻探多套压力系统的井，应采用多层套管程序，一 般的说，一 层套管封一个压力体系。 2. 它的发生有两个原因： 1）地层压力预测跟不上钻井的需要。 2）钻井综合能力不能满足地层的要求。如技术套管下 入位置不是硬地层或者未封住低压，固井质量不好 ，套管鞋耐压能力差。一旦钻出高压层后因处理井 涌而把低压层或者套管鞋压漏。 3. 避免窄压力窗口（上漏下喷）关键是技术套管作业。,窄压力窗口井固井要跟着风险走,关键是固好技术套管。 风险一旦发生进行下步作业； 协力进行压井作业； 建议钻井设计中要有一层备用套管； 准备好一套低密高强水泥浆体系材料，压井一成功，就可固井。,10. 气

19、窜是高温高压井固井的重点问题之一,1）根据现代固井理论对于气窜原理的论述，气窜发生在固井后，气窜是由于水泥水化静压降低造成的，但更重要的论述是由于水泥孔隙不稳定的渗透性造成的。在高温高压井固井中两者都必须考虑，首先在水泥浆设计中使用能够降低水泥渗透率的乳胶水泥浆体系，其次在固井后使用候凝技术，候凝技术是根据水泥浆的水化规律，计算水泥浆静压降低速率施加回压补充压力降的方法。 2）从模拟井例中知道，泥浆含气量较高，充分循环是必要的，一般将含气量降到油田规定的数值（如5%）后固井才能保证固井质量。,二 高温高压深井固井设计特别要求,1. 钻井技术套管在高温高压井中的地位： （1）技术套管下深不当是首

20、要因素。地层压力大小和深 度预测不准，技术套管深度不合适，没有封住低压 层，钻遇未曾预料的高压层，出现又喷又漏局面, 无法钻进；(见示意图） （2）高温高压井固井质量保证不了，补救作用将花费很 多时间，影响钻井；,技术套管在高温高压井中的地位,高温高压深井固井设计特别要求,（3）泥浆性能影响钻井。高密度泥浆不稳定，固相含量 高，高密度抗污染能力差，水侵重晶石沉淀，甚至 用高密度泥浆钻低压层，将大大影响钻进 （4）钻井要成功，就必须用平衡压力钻井技术。不宜用 高密度钻井液钻完一个包含常压层、次高压层和高 压层，而应该增加套管层次，使用套管封隔低压地 层，这样既可使用平衡压力钻井技术，也可减少因

21、高密度泥浆造成井漏，压差卡钻等事故。,高温高压深井固井设计要求,2 应重视影响固井质量的因素也很多： （1） 高密度泥浆，塑性粘度高，静切力大，固相含 量高 ，抗污染能力差，给下套管、开泵循环、 泥 浆顶替和隔离液设计带来一系列的不利影响 （2） 由于井身结构不合理给水泥浆设计、替浆技术造 成严重影响。如某些井段出现常压地层，次高压 层和高压地层。高密度水泥浆能压住高压层，但 在常压层就开始漏失。（如前面的技术套管图） （3）固井要成功就是一层套管封固一个压力层。,高温高压深井固井设计特别要求,3. 对井下情况的全面考虑。 如果有盐水层，要抓住地层可溶性和塑性运动两大问 题。除了检验水泥浆体系

22、 的抗盐性能外还要考虑套 管抗外挤强度 等等。在条件允许的情况下使用聚合 物水泥浆固井，一举解决盐层固井两大难题。 4. 关于水泥化验问题。由于高温水泥对微 小的化学变 化反应十分敏感所以室内试验要采用现场施工所要用 的水泥、添加剂和水。现场重复试验也十分重要。,高温高压深井固井设计特别要求,5. 高温材料的综合考虑 （1）水泥：用（HSR-high sulfate-resistant） API G级水泥 （2）加重材料：钛铁矿或赤铁矿 （3）缓凝材料：高温聚合物缓凝剂 （4）高密度水泥浆稳定材料：锰矿粉 （5）降失水剂：高温聚合物 （6）防窜材料：乳胶 （7）硅粉：粗细搭配 （8) 浮动设备

23、和尾管工具的耐温要求,高温高压深井固井设计特别要求,1）要综合全部需要的井况； 2）要综合和整理全部的难点分析资料； 3）要体现固井过程的完整性； 4）要有准确数据和严密措施，体现现代固 井技术的先进性； 5）要有施工的应急措施。,三 特殊固井工艺技术的应用,1. 套管允许的下放速度计算； 2. 开泵循环压力计算； 3. 井底循环温度（BHCT）的正确计算方法的应用 3. 水泥浆特殊检验方法以及科学混拌程 序的应用； 4. 小间隙固井等容量换浆法， 5. 三低固井技 术的应用； 6. 水泥浆候凝方法应用等等,四 水泥浆特殊检验体系的应用,1. 水泥浆体系设计：根据井例条件，该井 为高温高压深井

24、，有气层，含气量大， 宜用乳胶水泥浆体系，作出配方设计。 2. 水泥浆体系检验按井况要求主要项目： 混合水延迟稠化时间试验、温差稠化时 间试验、停泵安全试验和稳定试验。其 中稳定试验是井例的关键试验。,高温高压井水泥浆应用体系（初步配方）,材料说明,检查添加剂相容性,高温水泥浆稠化时间的突变理论和延迟使用失效理论指出，突变或延迟失效都和添加剂的相容性有关，因此必须对初步选定材料做相容性鉴定。 例如井例中提供的水泥浆配方中的 Halad344L是延迟胶凝时间，有增稠作用，与其它高含量的高温缓凝剂不相容。它不能用于含盐量超过18%的水泥浆体系。但在这个体系中起延迟胶凝的作用相当突出和重要。,混合水

25、检验,高温高压水泥浆体系应是一非常纯的体系。添加剂要纯，混合水要纯。尽管水泥浆体系中大部分添加剂具有与盐水的相容性，但是个别添加剂不适合于含盐体系使用，因此对于水质的检验十分重要。淡水中如果含有Cl-、Ca+、Mg+等离子，都对水泥有速凝作用。现场对水质只检验它的Cl-含量。用硝酸银滴定法。如果用淡水配制水泥浆， Cl-浓度超过1000mg/L应拒绝使用准备的淡水。 在固井工程师一口井中有详细计算,五 深井套管小间隙固井技术,1. 套管环形小间隙出现的原因 2. 固井难点分析 3. 套管小间隙固井方法,套管非常规结构存在的原因,非常规套管结构是高温高压深井钻井的必然结果。根据钻井原则，对钻探多

26、套压力系统的井，应采用多层套管程序，一般地说，一 层套管封一个压力体系。 对于高温高压深井来说，由于 地层存在多压力体系，不得不使用多层次的套管结构。因此出现了非常规小间隙，给固井作用带来极大的困难。,深井套管层序,套管非常规结构举例： 如某井设计井深4800m，套管结构如下： 30”- 20”- 16”- 13-3/8”-11-3/4”- 9-5/8”- 7”- 5”共8层。,某井设计套管结构,某井设计套管结构小间隙,常规套管结构及其间隙值,非常规套管间隙,非常规套管间隙,典型的非常规套管间隙值,非常规套管小间隙的特点,1. 小间隙值都出现在技术尾管。 如11-3/4”/13-3/8”的间隙

27、为9.71mm 在回接套处只有 6.54mm 9-5/9”/11-3/4”的间隙为11.56mm 在回接套处只有 5.04mm 这些小间隙都小于公认的间隙值 19.05mm（3/4”),非常规套管小间隙的特点小间隙值都出现在技术尾管,深井套管小间隙固井难点分析,1. 井漏随时发生，漏失位置在上层套管鞋： 套管下放速度受到限制，稍微失控，激 动压力增大，把地层压漏； 下完套管开泵循环可能因破坏泥浆凝胶 结构压力增加，压破地层，造成井漏； 替浆泵压过大，压漏地层等,深井套管小间隙固井难点分析,2. 固井结果可能严重混浆 裸眼环形容积是小间隙处的3.11倍至 6.82倍。正如在分析高温高压深井固井难

28、题时指出：如果以套管重迭段设计安全返速，那么裸眼处由于返速太低严重混浆；如果以裸眼段设计安全返速，那么会造成重叠段返速太高，重叠段返速是裸眼段的3.1倍以上，套管鞋处激动压力过大，井漏不可避免,非常规套管小间隙固井方法,1.等容量换浆法 注水泥前用塞流或低泵速泵入超大容积的低密度水泥浆或改性隔离液换掉裸眼的泥浆量。泵入量相当于裸眼容积的1.5倍，低密度水泥浆要加降失水剂，在批量混合罐中预先配好，水泥浆要做稳定试验。改性隔离液要做泥浆相容性试验，曾经用过的隔离液是Halliburton 的产品，叫Dual Spacer.,非常规套管小间隙固井方法,2. 超低固井技术 下套管低下放速度 允许的激动

29、压力范围内下放套管 循环泥浆低泵速 安全返速或塞流速度 低密度水泥浆 用安全返速或塞流速度 注水泥、替浆低泵速 安全返速或塞流速度,固井技术超低泵速设计,1. 开泵循环泵速计划：井例钻铤周围返速 的30%，即1.1330%=0.35m/s 2. 下套管后的循环： 低速0.45m/s 3. 替浆泵速： 低速0.45m/s 注：根据国外经验低替速90ft/min计算。 （World Oils Cementing Handbook gulf publishing company 1977),第二专题,气层固井防窜工艺技术,气层固井防窜工艺技术,（一） 水泥浆气窜学说 （二） 水泥浆气窜预测法 （三）

30、 八项综合防窜工艺 （四） 气层固井防窜理论的应用,（一）水泥浆气窜学说,1. 气窜学说的三种论述 2. 气窜发生在固井后 3. 水泥渗透性是气窜的要害 4. 固井史上防窜工艺设想的弊病,1. 气窜学说的三种论述,第一 水泥浆界面胶结学说： 微形间隙的存在影响胶结导致气窜 第二 水泥浆失重学说： 水泥浆失水静压降低导致气窜 第三 水泥浆胶凝结构学说： 水泥结构的渗透性导致气窜,水泥浆渗透率试验数据,2. 气窜发生在固井后,水泥水化的结果静压在降低。稠化时间试验是在动态中进行，无明显变化。 一旦水泥浆被顶替到位，静压迅速减少，直到变成混合水的静压。经过试验，这段时间大约1hr.在这期间如果不对水

31、泥浆进行适当的处理，天然气将会侵入水泥机体沿水泥界面流动，最后导致井涌或井喷。油田的事实充分证实了这一理论的发现。 （ The hydrostatic pre. gradient gradually decreases to of the mix water.),气窜发生在固井后的启示,1. 这就说明气窜发生的时间，如循环中含气量过高，不合适的 等。当然固井期间也有气窜的发生的可能性，那就是环空静压小于地层孔隙压力。 2. 气窜发生在固井后有急性气窜也有慢性气窜。所有有 关静压降低和水泥 浆性能的变坏导致气窜属于急性气窜；固井 后水泥或套管受到地下水腐蚀或受到岩盐层塑性移动产生剪切作用而导致气

32、体流动，属于慢性气窜，气窜使固井百年大计完全破灭。,气窜发生在固井后的启示,3. 管外液体密度控制不科学。液柱静压满足不了 压稳地层的需要； 4. 水泥浆失水量过大，造成水泥结构收缩，上面 的液柱不能与地层孔隙压力建立平衡 5. 水泥水化，形成胶凝结构，此时的渗透率最高 结构疏松，气体找到窜槽通道，当然良好的水 泥浆设计可以 避免这种现象的发生；,气窜发生在固井后的启示,6. 不合理的预冲洗液的应用造成对地层的破坏 引发气侵 7. 水泥浆是气窜最主要因素。从静压的变化 观点看水泥浆，它既是气窜的主要因素也是防窜的主要工程；从水泥浆的渗透率设计来说它是最有效的 防窜工艺。 8. 维持固井全过程环

33、空静压对地层的超平衡压力是防窜工艺的核心。,气窜发生在固井后的启示,9. 根据水化过程静压降低原理，研究水泥浆候凝特点，发现了候凝技术，全面实现固井全过程环空静压对地层的超平衡压力。 10. 研究水泥浆渗透率，开发乳胶产品，实现水泥零渗透率，满足防窜条件。,水泥浆失重效率计算模式,1.水泥浆候凝方法计算是固井特殊计算覆盖固井全过程的最后部分。 2.它根据水泥浆水化过程静压随时间逐步减少的特点，对环空施加回压以补充水泥浆柱减少的静压。 3.水泥浆从初凝起开始失重，一般在水泥浆候凝1hr前开始环空加压。 4.因此它是固井后环空加压的科学方法。,水泥浆失重效率计算模式,Gp=(Ps-Pw)/60 G

34、p=(Ws-1)h/6000,Gp- 水泥浆失重效率 Ps 水泥浆静压力 Pw 水柱压力 Ws-水泥浆密度 h-水泥浆柱,3. 水泥浆渗透性是气窜的要害,1. 有学者研究发现，气体除了在胶凝之中的水泥浆中渗透之外，还可通过渗透率很高（比如在静液柱压力降低期间测得的渗透率为300md)的胶凝的或凝固水泥的孔隙结构发生气窜。在水泥开始凝固时出现连通孔隙，气窜是由于水泥孔隙不稳定的渗透性造成的。 2.不稳定的渗透性导致气窜，这比水泥水化液压降低更难处理，因此水泥浆渗透性导致气窜是对气窜机理最圆满的 解说。请看试验结果。,水泥浆渗透率与水泥浆类型,4. 固井史上防窜工艺的弊病,1. 管外封隔器方法：

35、目的企图延缓水泥浆静压下降。但是由于失水和化学 收缩使封隔 器以下水泥浆体积减少，导致这一段的水 泥中 过早的发生气窜。 2. 可压缩水泥、膨胀水泥、触变水泥、不渗透水泥的方法 其目的有助于封住微间隙。但可压缩水泥（泡沫水泥）在 高压下几乎不可压缩；膨胀水泥最终还是造成对水泥 的 自身破坏，凝固的水泥产生裂缝；触变水泥所产生的几高 的胶凝强度对大气泡有阻碍作用，但凝固的水泥中 起泡 比孔隙要小，可能早已发生气窜。触变水泥滤失量 很高 而不方便使用。只有乳胶水泥浆体系才能解决气窜，因为 它提高了水泥的抗拉强度、降低了渗透率、没有自由水。,防窜水泥浆设计途径,1. 控制API失水量，减少体积收缩

36、2. 延迟水泥浆胶凝形成，延长液态 非胶凝 时间 3. 尽量使用粒度细的材料，提高水 泥石致密度，降低渗透率。,（二）水泥浆气窜预测法,1）气窜潜在系数预测法 2）水泥浆性能预测法 3）水泥浆防窜能力初评,1）气窜潜在系数预测法,气窜潜在系数的基本概念 固井后水泥浆在初凝期静压降低，气体开始侵入进正在凝固中的水泥浆体系，而胶凝结构的形成又阻止了气体入侵，实验表明，水泥浆静压降低越多，气侵程度就越大，因此气窜潜在系数可以这样定义：水泥浆的最大压力降与井下超平衡压力的比值可以衡量其侵程度,气窜潜在系数学表达式,数学方法 GFP=MPR/OBP GFP-气窜潜在系数 MPR-水泥浆最大压力降 OBP

37、-液柱静压与地层压力差,气窜潜在系数预测法等级划分,水泥浆性能预测法,水泥浆性能基本概念 水泥浆从液态到固态的转化初期的失水量假定与 时间的平方根有线性关系，用SPN表示。从稠度变化的时间来衡量，用初始稠度到30BC的时间和稠度到100BC的时间作为计算标准。,水泥浆性能预测法,数学表达式： SPN=API*（t100)1/2-(t30)1/2)/(30)1/2 SPN- 水泥浆性能系数 API- 水泥浆失水量 t100、t30- 稠度分别为100Bc和30Bc的 时间,水泥浆性能预测法防窜评价,水泥浆防窜能力初评,1. 水泥浆自由水是否为零 2. 失水量是否小于100ml 3. 水泥浆过度时

38、间是否在30min 4. SPN是否小于6.5 5. 初凝期表面是否有弹性,水泥浆防窜参数设计,（三）八项综合防窜工艺,1. 水泥浆防窜工艺 2. 合理水泥段长设计 3. 双凝水泥浆段设计 4. 双级注水泥技术,综合防窜工艺,5. 井口环空加回压 6. 钻井液密度调整法 7. 尾管顶部留水泥塞 8. 循环后凝法,1.水泥浆防窜工艺,一种获得无自由水、低失水、胶凝结构非渗透性的理想水泥浆体系的方法 乳胶水泥浆体系的应用满足了防窜机理的三大要求：即 无自由水 低失水 胶凝状态只有极低的渗透率，凝固后无渗透率,乳胶是一种特殊的防窜材料,乳胶，它是一种乳化球状聚合物，其直径为200500 纳米。当加到

39、波特兰水泥中时，常常用表面活性剂来稳定，以提高抗冻结和抗融化的能力并防止絮凝。大多数乳胶悬浮液含有50%的固相。大量的单体聚合物，包括醋酸乙烯、氯化乙烯、聚丙烯、乙烯、苯乙烯和丁二烯等等，经乳化聚合配制成工业乳胶。 在改性的乳胶水泥体系中乳胶颗粒聚结在一起形成塑性胶膜，将C-S-H 凝胶包裹起来。由于乳胶具有弹性和较高的固结强度，它将桥堵微裂缝，并抑制微裂缝的扩散，结果水泥石的抗拉强度得到提高，渗透率下降。,乳胶是一种特殊的防窜材料,国外1958年乳胶开始用于油井水泥，乳胶技术在1982年申请专利，现场应用效果广泛的承认。它的发现是以水泥浆结构学说为理论依据的。乳胶的加入提高了水泥的抗拉强度、

40、降低了渗透率、没有自由水。这三点就是水泥浆防窜的基本条件。 国内用于固井的也是近几年的事，在对外合作中开发的。 乳胶水泥浆的应用使固井防窜技术取得了突破性的进展。,乳胶是化工产品,乳胶在进口产品中的代号是Latex-2000 实际上它是聚乙烯、 醋酸乙烯脂和苯 乙烯、丁二烯树脂。存放 环境不得 大 于35，在高速搅拌下容易 破乳。它还需要稳 定剂（如FDP-C485等 ）配合使用,乳胶的特性,1. 好的降失水剂，密度0.997g/cm3 2. 可溶于水 3. 适用温度 80380（27193） 4. 使用量：0.53gal/sk,乳胶水泥浆体系性能,1. 乳胶水泥浆无自由水; 2. API失水

41、量50mL; 3. 在胶凝结构开始形成时就显示了低的渗透率; 4. 凝固后水泥的渗透率等于0; 5. 在亲油表面和亲水表面的固结质量都较好; 6 . 射孔时水泥环的破裂度较低; 7. 防泥浆污染能力得到提高。,2. 合理的水泥段长设计,Lc3.5(Dh-DP)POBP/(1.67*0.05745)-(m) Dh-DP-井径和套管外径(cm) POBP-液柱-静压与地层压差-(MPa),3.双凝水泥浆段设计,缓、速段长比=2:1 稠化时间缓、速相差 2:002:30,4. 双级注水泥（DV）技术的应用,缩短水泥浆段长，明显降低气窜潜 在系数GFP,5.井口环空加回压,1.计算水泥浆每分钟的失重效

42、率 2.根据碰压后到可施加回压时间长短施加不同的压力 3.蹩压时间812hr,6.提高泥浆密度,1. 在要求使用低于泥浆密度的清洗液的情 况下，需要提高部分或全部泥浆密度 2. 必须计算薄弱层和井底压力梯度，不压 漏地层。,“提高泥浆密度防窜法”的成功应用井例,井况数据 1. 钻井深度：2583.5m 2. 尾管下深：2583m 3. 泥浆密度：2.0g/cm3 4. 气层深度：2534m 5. 气层压力：48.9MPa 6. 气层当量：1.97g/cm3 7. 井底破裂当量：2.58g/cm3,“提高泥浆密度防窜法”的成功应用井例,固井设计 1. 水泥浆密度：2.1g/cm3 2. 提高部分

43、泥浆密度：2.3g/cm3 提高量：21.5m3 3. 固井后环空加压：2.0MPa 4. 清水冲洗液5.0m3（占环形容积424m） 5. 隔离液5m3（2.10g/cm3）,“提高泥浆密度防窜法”的成功应用井例,7.尾管顶部留水泥塞,（1） 设计长度 50150m （2） 对小间隙固井 尤为重要,防止水泥回落。,8.循环候凝法,这是井口回压的另一种形式，更方便，更安全计算水泥浆失重效率，循环泵压等于水泥浆失重压力加摩阻。,（四）气层固井防窜理论的应用,防窜理论的核心 1. 水泥浆结构渗透理论是对气窜原理的圆满解释 2. 水泥浆既是气窜主要原因又是防窜工艺主要内容 3. 防窜工艺的核心是 固

44、井全过程维持环空 对地层的超平衡压力，它的原理适用于任何套管固井。 4. 防窜工艺的综合应用才能取得最好的防窜效果,现场应用,1）循环过程将气测值降到油田规定的最低 限度（如5%） 2）不用或少用低密度清洗液，非用不可， 需提高部分或全部钻井液密度，要满 足固井全过程维持环形空间对地层的 超平衡 压力的原则 3）水泥浆段设计要合理 4）候凝初期要补充环空静压,第三专题,水泥浆质量特殊试验体系,为什么水泥浆设计是固井的关键工程,1. 最早的固井历史充分显示了水泥浆的重要性同时也显示了水泥浆存在的严重问题。 2. 从波特兰水泥的特性知道，水泥浆是气窜的主要原因，但是水泥渗透性导致气窜问题的发现，调

45、节水泥浆性能是最好的防窜工艺； 3. 要适应千变万化的地层需要，水泥浆性能设计是一个复杂的过程也是固井的关键工程。,为什么水泥浆设计是固井的关键工程,4. 由于波特兰水泥的特性受到井下各种因素的影响 水泥浆性能发生很大的变 化，为了调整水泥浆性 能至目前已发展了至少有500多种水泥添加剂。 5. 根据这个理论为保证水泥浆质量，我们创新和发 展了 “水泥浆科学混拌程序”和“水泥浆特殊试验体 系”。,水泥浆稳定试验体系对施工的意义,1. 水泥浆稠化时间突变试验的重要因素是温度的变化，对于中温井和高温井设计，固井工程师总是把它放在首位的地位，多做几个的试验，保证水泥浆体系在井中的适应性，同时也求得施

46、工时心里踏实 2. 停泵安全试验进一步验证水泥浆体系的稳定性能，即使在突然停泵2030分钟后重新开泵，水泥浆不会稠化或沉淀，同样也给施工人员增强安全感。,水泥浆特殊试验体系,1. 混合水延迟试验 2. 温差稠化时间试验 3. BP沉淀稳定试验 4. 停泵安全试验 5. 水泥浆界面强度试验 6. 尾管顶部强度试验 7. 水泥浆重复试验 8. 现场混拌能力试验,1.混合水延迟稠化时间试验,试验方法与参考值 1） 将配制好的混合水的一部分先做稠化时 间试验，另一部分让其静置氧化到一定 时间后再做稠化时间实验，静置的时间 可根据现场决定。 2） 一般认为老化实验的时间缩短 3060min是正常的。,2

47、.温差稠化时间试验,实验方法与参考值 1. 在高温下取实验温度的5C分别做 稠化时间试验。 2. 不出现稠化时间大幅度变化认为预先计 算的试验温度是准确的。一般 3060min是可以接受的。,3.BP沉淀稳定试验,方法之一 水泥浆在高温稠度仪里加热到BHCT，1.5h后将冷却到200,将其转移到预热的试管里在养护釜里养护16h，养护温度185 ,完全硬固后锯下上下各1“,测密度 要求 密度差在0.5ppg(0.06g/cm3)为合格。,BP沉淀稳定试验,方法之二 先将水泥浆在稠化仪里加热到井底条件，然后从稠化仪取出装在一个玻璃量杯里（高203mm，ID25mm)在养护釜里养护直到硬化，最后锯出

48、上、中、下三片测量密度并做比较。,4.停泵安全试验,方法与要求 当水泥浆稠化时间试验加温到达井底循环温度时中断试验2030min，这就意味着突然停泵需要抢修，恢复试验后观察稠化曲线的变化，无大的变化可认为是安全的。,5.水泥浆界面强度试验,测定先导浆和尾随浆界面或双凝水泥浆界面的强度，从水泥的初期强度预测水泥胶结质量 了解固井作业是否满足地层的需要。,6.尾管顶部强度试验,试验用途 给定尾管顶部的静止温度 由此试验预告允许钻开尾管顶部水泥塞的 时间。,7.水泥浆重复试验,方法与用途 1. 用中心化验室配方对现场材料做重 复试验。 2. 及时调整获得现场使用的配方。,8. 现场混拌能力试验,方法 在现场配制一定数量的混合水进行水泥浆实际配制和泵送操作。 现场混拌能力试验是对除了批量混合水泥浆以外的较高密度水泥浆的泵送试验，以便检验设备的能力和新用材料的性能以及操作能力。,混合水检验,高温高压水泥浆体系应是一非常纯的体系。添加剂要纯，混合水要纯。尽管水泥浆体系中大部分添加剂