水泥浆的性能及其提高固井质量措施.ppt

水泥浆的性能及其提高固井质量措施,一、描述油井水泥及水泥浆性能的参数,水泥浆的性能 (现行)国家和API标准 密度 自由水(析水) 滤失量(失水) 稠化时间 流变性能 水泥石抗压强度 水泥石渗透率,水泥的性能 自由水 抗压强度 安定性 细度 稠化时间,水泥浆的性能 (原)国家标准 密度 流动度 凝结时间 水泥石抗折强度,二、水泥浆的性能,1、水泥浆密度 水泥浆密度是一个重要参数，主要由水泥、水、外加剂和外掺料的比例控制。一般含水量越小，密度越大。,（1）用水量：水化需水量、标准用水量、最小用水量、最大用水量。 水化需水量：在正常情况下，水泥水化和凝固的需水量一般为水泥质量的25左右。而水泥浆具有可泵性的最小含水量为38。可见，实际水泥浆存在较大的游离水，主要以束缚水和自由水的形式存在。,标准用水量：按照水泥正常水灰比的加水量。如G级44，A、B级46，C级56，D、E、F、H级38。 正常用水量：根据“水泥浆含水量的确定”，在室温下，水泥浆的常压稠度的最大值11ABc的含水量。 最小用水量：根据“水泥浆含水量的确定”，在室温下，水泥浆在常压稠化仪中搅拌20min，其最大稠度为30ABc的含水量。,最大用水量：为了使水泥颗粒保持悬浮，直至凝固，根据“水泥浆含水量的确定”，在27条件下，水泥浆游离水不大于1.4的含水量。 最佳用水量：根据“水泥浆含水量的确定”，在室温下，水泥浆在常压稠化仪中搅拌20min的最大稠度不大于11ABc，且游离水不大于1.4的含水量。 在配制水泥浆时应满足2个指标，稠度和游离水含量。对它们的要求是随不同的注水泥类型而改变的。这与油井水泥的质量检验是两个概念（如标准规定，任何水泥浆在增压稠化仪中稠化1530min的最大稠度应小于30BC，对G级和H级水泥，游离水还应小于1.4%）。,（2）密度设计：根据井下条件和施工作业的要求进行密度设计。设计准则： 满足井下压力条件限制。静液柱压力必须大于地层孔隙压力，静液柱压力与流动阻力之和必须小于地层破裂压力。 满足顶替效率的密度差要求。尾浆领浆前置液钻井液。可能的条件下，考虑密度差0.120.24g/cm3，但密度越大，流动阻力也越大。, 满足水泥石强度和胶结要求。对于尾浆，特别是封隔油气层段的水泥浆，应尽量使用标准密度（同时，也有利于降低渗透率和孔隙度）。非胶凝材料加重剂和减轻剂应尽量少加。,（3）密度的调节方法：用加入外加剂和外掺料调节水泥浆的密度。水泥浆的正常密度范围是1.781.98 g/cm3。 低密度水泥：加减轻剂。主要有空心微珠、硅灰、粉煤灰、硅藻土、水玻璃、膨润土等。 高密度水泥：加分散剂减水和加重剂。加重剂主要有重晶石、钛铁矿粉、铁矿粉、盐等。,（4）密度的测量方法：常压钻井液密度计、加压钻井液密度计、振荡管密度计和核密度计等。 影响密度测量准确性的因素：温度压力、排量、水泥浆混合效率、空气混入、浆体稳定性、安放密度计的位置和取样间隔等。,2、水泥浆的稳定性,水泥浆的稳定性，已越来越得到人们的重视。实践已证明，许多水泥浆由于配方设计不合理，稳定性差，固相颗粒产生沉降，析出自由水。因此，容易形成桥堵或油气水窜流通道，特别是水平井和大斜度井更容易在井眼上侧形成连通的自由水带和在下侧形成固相沉降垫层引起窜槽。,（1）稳定性的表示方法：,水泥浆的稳定性一般可用游离水量（水泥石的体积收缩量）、水泥柱的纵向密度分布和表示。 实际应用中，只要存在上述情况之一，都认为水泥浆是不稳定的，即：垂直水泥柱存在较大的密度梯度，和 / 或水泥浆静止2小时游离出较大的自由水。这两种现象单独发生，也可以同时出现。,（2）稳定性的测量方法：, API标准的自由水； 水泥柱纵向收缩； 水泥柱纵向密度梯度（分布）。,（3）提高稳定性的方法：,提高水泥浆稳定性就是降低游离水量和沉降量，主要方法是增加浆体粘度和静切力。 增加水泥浆的粘度：减少用水量（增加水泥或减轻剂或加重剂）、增加固相物细度、加入增粘聚合物（一般受温度影响大）。,增加水泥浆的静切力（胶凝强度）：一般可加入AlCl3、 FeCl3和硫酸铝等。应注意的问题： 应区分概念胶凝与絮凝。流变学角度，胶凝是由静止而产生的触变性，施加外力即可恢复流动；而絮凝则是生成具有结构性的絮凝物，施加外力不能分散流动，只能整体移动。化学角度，胶凝是生成具有胶体结构的凝胶；絮凝则是生成沉淀物。 应注意静切力提高值应适当。要充分估计停泵一定时间内能开泵循环和不压漏地层。,3、水泥浆的流变性,流变参数是描述水泥浆在外力作用下，产生流动的特点的参数。 它的合理描述和准确测量，直接影响准确计算注水泥过程的流动摩阻压力。 常用流变模式参数有：PV、YP(宾汉)，n、k(幂律)，YP、n、k(赫巴)等。,（1）流变性能的测定方法：,常压、常温或中温（82）,用范式35型粘度计； 高温高压下，用增压流变仪，如7400型流变仪。 只有正确的描述（模型选择）和测出（测试仪器和条件）水泥浆的流变性能，才能准确计算注水泥的流动摩阻，合理的安排地面设备，防止发生井下事故（漏失），提高顶替效率。,（2）流变性能的影响因素：,水泥浆的流变学性质，不仅受其本身水化过程的影响，还受温度、压力、剪切时间、水灰比、外掺料和外加剂等的影响。, 温度的影响,一般情况下，温度对水泥浆流变性能有很显著的影响，其影响的程度往往与外加剂体系有关。, 压力的影响,一般情况下，压力对流变性能的影响不如温度明显。, 密度的影响,随密度的增加，水泥浆的流变性能有较明显的影响。 这也是在易漏失井注水泥时，限制施工密度波动上限的因素之一。,4、水泥浆的滤失量,水泥浆中的自由水在压差作用下，通过井壁渗入到地层中的现象。 API根据大量实践和研究，总结出了公认的滤失量控制情况。 控制很好：200ml 控制中等：200500ml 控制较差：5001000ml 不能控制：1000ml,1982年D.K. Smith指出，6.9MPa下，不同用途的水泥浆的滤失量，应达到以下要求： 防气窜：3050ml/30min 固尾管和挤水泥：50ml/30min 固套管：250ml/30min 防窜水泥浆在BHST下测定，其余在BHCT下测定。,（1）降低滤失量的目的,降低水泥浆的滤失量，能防止因渗透性地层的滤失作用引起施工事故和油气层的损害。, 防止施工事故,水泥浆滤失量过大，会造成以下情况： 生成过厚的滤饼，泵压增加，可能憋漏地层； 过早的脱水，有瞬凝的危险； 缩短稠化时间，导致过早凝结； 降低水泥石强度； 环空桥塞，产生层间窜流。, 防止油气层损害,水泥浆滤失的滤液所造成的对油气层的损害，是长期关注的问题。 滤液侵入使粘土膨胀、絮凝及坍塌； 与地层水反应生成沉淀； 与钻井液滤液反应生成沉淀。,（2）降低滤失量的方法,在油气井注水泥中，降低水泥浆滤失量的方法有： 降低水灰比，减少自由水； 改善水泥浆固相颗粒的粒度级配，增加微米级细颗粒的含量； 加入降失水剂： 增加水的粘度； 迅速形成致密滤饼。 值得注意的是：选择能迅速生成滤饼，而不明显增加粘度的材料作降失水剂最好。典型的有胶乳和非渗透剂。,（3）降失水剂类型,常用的降失水剂主要有两大类：微粒和水溶性高聚物。 微粒材料 无机固相材料，如粘土、超细钙、微硅等； 油溶有机材料：如胶乳。常用的有丁苯胶乳（176 ）、二氯乙烯和聚醋酸乙烯酯（低于）等。 水溶性高聚物 主要包括：合成的水溶性聚合物和改性的天然高分子聚合物。,5、稠化时间,在注水泥施工中，由于水泥颗粒的不断水化，水泥浆的粘度将逐渐增加，直至增稠至不能流动。为了保证注水泥作业的施工安全，必须事先测定水泥浆在与井内相同温度和压力下的稠化时间，作为施工作业时间的依据。,（1）可泵性与稠度,对水泥浆的可泵性与稠度的关系，目前仍然说法不一，但一般认为： 容易泵注：5 20BC； 不易泵注：20 30BC； 难于泵注：30 40BC； 不能泵注：40BC（也有认为高密度50BC ）； 易沉降，伴有自由水： 5BC（也有认为2BC）。 值得注意：说法虽不一，并无防碍，因用稠度描述可泵性只是定性的，实际施工中是以流变性作定量设计的。,（2）稠化时间与初终凝时间的关系,初终凝时间是用韦卡仪在静止状态下测得的，稠化时间是用稠化仪，在水泥浆始终处于运动状态下测得的。尽管所用仪器和水泥浆所处状态都不相同，但仍存在一定的关系。以下是摘录自苏联一专利的数据。,稠化时间与初终凝的关系,从表中数据可以看出，一般情况下，稠化时间比初凝时间提前，大约在1530min之间。 国内作初凝时间一般都是在常压下进行。温度相同，压力不同时就没有这种关系。,6、水泥石强度（抗压强度）,固井注水泥的目的之一，就是在井壁与套管之间保持良好的封隔，在正常生产时间内的任何时候，都不允许地层流体或完井液通过水泥环在环空中流动。 （1）水泥石强度作用 主要包括3方面的含义： 承受地层压力； 支撑套管； 封隔地层。,（2）水泥浆的固结特性,要保证水泥石与套管和地层之间的胶结质量，达到有效封隔地层，应考虑两个胶结特性：剪切胶结力和水力胶结力。 剪切胶结力 ：支撑套管的自重。一般通过测量水泥石与套管间开始产生移动时的作用力确定，用单位接触面积上所需作用力的大小表示。一般情况下，剪切胶结强度为抗压强度的1020%。 值得注意：水泥环达到最大剪切胶结强度的时间与养护温度有关（如20为7d，70为3d），且最大剪切胶结强度的大小与表面粗糙度和温度有关（粗糙度增加最大胶结强度增加，温度升高最大胶结强度一般要降低）。, 水力胶结力：水力是阻止流体在环空中窜移的能力，一般通过测定套管与水泥环之间开始渗漏的压力确定。 对于有效封隔地层来说，水力胶结强度比剪切胶结强度的作用更大。,7、水泥石的渗透率,渗透率是一定压力下，水泥石允许流体通过的特性，单位m2。 一般情况下，对水泥石渗透率不作要求，用于封固腐蚀性地层应尽量降低渗透率。,1、对注水泥质量的基本要求 （l）对固井质量的基本要求 水泥浆返高和水泥塞高度必须符合设计要求； 注水泥井段环空内的钻井液顶替干净； 水泥石与套管及井壁岩石胶结良好； 水泥凝固后管外不冒油、气、水，不互窜； 水泥石能经受油、气、水长期的侵蚀。,三、提高注水泥质量的措施,38,（2）在固井中常出现的固井质量问题 井口有冒油、气、水的现象。 不能有效地封隔各种层位，开采时各种压力互窜。 因固结质量不良在生产中引起套管变形，使井报废等。,2、影响注水泥质量的因素 （1）顶替效率低，产生窜槽。 注水泥段： 注水泥段任一截面： 窜槽：由于水泥浆不能将环空中的钻井液完全替走，而使环形空间局部出现未被水泥浆封固住的这种现象。,40,形成窜槽的原因： 套管不居中； 井眼不规则； 水泥浆性能及顶替措施不当。 接触时间、顶替速度及流态、水泥浆流变性等。,（2）水泥浆凝结过程中油气水上窜 引起油气水上窜的原因： 水泥浆失重：水泥浆柱在凝结过程中对其下部或地层所作用的压力逐渐减小的现象。 桥堵引起失重，从而引起油气水上窜； 水泥浆凝结后体积收缩；收缩率小于0.2%。 套管内原来有压力，放压后使套管收缩。 泥饼的存在，影响地层水泥间（第二界面）的胶结。,第七章 固井与完井 7-3 注水泥技术,42,水泥浆胶凝引起的失重,水泥水化和胶凝过程中，水泥浆在水泥颗粒及井壁和套管之间形成不同类型相互搭接的结构网，胶凝强度不断增加，使水泥柱的部分重量悬挂在井壁和套管上，从而降低了水泥浆柱作用在下部地层的有效液柱压力。,43,水泥浆桥堵引起的失重,在注水泥过程中及水泥返至设计高度静止之后，由于水泥浆失水所形成的泥饼、钻井时并未携带出的岩屑、注水泥时高速冲蚀的岩块以及水泥颗粒下沉等因素，在渗透层或环空间隙小的井段形成堵塞（即桥堵），使得桥堵段上部浆柱压力不能有效地传递至桥堵段下部地层，降低了对下部地层的有效压力。显然，由于桥堵 杜绝了上部浆柱的压力从而有可能造成桥堵段以下的油、气、水窜问题。,44,水泥浆凝固过程体积收缩引起的失重,图4 水泥浆收缩率,实际上，水泥浆凝固过程胶凝强度的增加和桥堵的形成，并不能释放和降低原始浆柱压力，即原始浆柱压力仍继续作用在井筒的各段上。只有当水泥浆凝固过程发生收缩，作用在井