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多层段窜槽井水泥封窜技术研究 摘要 随着油田开发时间的延长和二次、三次加密开采方案的实施，油田地下情况越来越复 杂，发现的窜槽井也越来越多。由于窜槽，特别是多层段的窜槽，打乱了开发层系，造成 严重层间干扰。原有的化学封堵方法因堵剂本身性能、工艺措施适用条件以及施工成本等 因素的制约，不适应于多层段窜槽井封窜，需要研究新的封堵工艺解决这一问题。通过室 内实验，确定水泥添加剂种类，对改进后水泥性能进行评价，优选适用于不同窜槽井井况 的水泥配方，保证封窜质量；通过理论研究、室内实验与现场试验，研究确定了适合大庆 油田多层段窜槽井地质特点的射孔、窜槽通道预处理、水泥塞钻铣等相关工艺技术：最终 形成了配套完善的多层段窜槽井水泥封窜工艺。实验室试验和现场2 8 口井现场试验证明： 研究出的具有直角稠化、微膨性能和可加入桥塞剂的水泥封堵剂配方，以“带压候凝”为 中心的一整套多层段窜槽井水泥封窜工艺技术，施工工艺简单，施工成功率高：具有对油 层伤害小、施工周期短、安全性高、不需要找窜、相对成本低等优点，可以一次封堵长井 段、多点不连续窜槽井。有效解决多层段窜槽井治理难题，减缓套损、解放层系、增加可 采储量，解决注入水或聚合物进入非目的层的问题，具有很好的推广价值和应用前景。 关键词：多层段，窜槽井，水泥封窜，封窜剂，工艺技术 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 r e s e a r c ho nt e c h n o l o g yo f s e a l i n gm u l t i l a y e r - s e c t i o n c h a n n e l i n gw e l l s w i t hc e m e m a b s t r a c t a sp r o l o n go fe x p l o i t a t i o nt i m eo nd a q i n go i l f i e l da n d i m p l e m e n t a t i o no fs e c o n d a r ya n d t h r i c ed e n s ee x p l o r a t i o ns c h e m e s ，t h em o r ec o m p l i c a t e dt h eu n d e r g r o u n dc o n d i t i o n si nt h e o i l f i e l db e c o m e ，t h em o r ec h a n n e l i n gw e l l sa r ef o u n d t h ee x p l o r a t i o n l a y e rs y s t e m sa r e i n t e r r u p t e db yt h ec h a n n e l i n g ，e s p e c i a l l yt h em u l t i l a y e r - s e c t i o nc h a n n e l i n gw e l l s ，a n ds e v e r e l y i n t e r f e r e n c ea m o n gl a y e r sa r ec a u s e d o r i g i n a lc h e m i c a ls e a l i n gm e t h o d sa r en o ta d a p t i v et o s e a l i n gt h em u l t i l a y e r - s e c t i o nc h a n n e l i n gw e l l sd u et op e r f o r m a n c eo f t h es e a l i n gd o s a g ea n d t h e t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s a c c o r d i n g l y , n e ws e a l i n gt e c h n o l o g i e sa r er e q u i r e d t h r o u g h i n d o o rt e s td e t e r m i n e dt h ec e m e n ta d d i t i v ea g e n tt y p e s f o ra f t e r - c e m e n tp r o p e r t ye v a l u a t i n g ， o p t i m u ms u i t a b l e d i f f e r e n tc h a n n e l i n gw e l l sc e m e n tf o r m u l a t i o n ，s e c u r ep l u g g 抽gc h a n n e l q u a l i t y t h r o u g ht h e o r ys t u d y ，i n d o o rt e s ta n di n s i t ee x p e r i m e n t ，d e t e r m i n e ds u i t a b l ed a q i n g o i l f i e l dm u l t i z o n e sc h a n n e l i n gw e l l sp e r f o r a t i o n ，c h a n n e l i n gp r e - t r e a t m e n t ，c e m e n t i n gp l u g g i n g d r i l la n dm i l le t c t e c h n o l o g y f i n a l l yf o r m i n gm a t c ht e c h n o l o g yo nm u l t i c h a n n e l i n gz o n e s c e m e n tp l u g g i n g i n - d o o re x p e r i m e n ta n d2 8w e l l si n s i t et e s td e m o n s t r a t i o nt h a tt h ec e m e n t p l u g g i n gf o r m u l a t i o nw i t hr i g h ta n g l et h i c k e n i n ga g e n t ，m i c r o s w e l l i n ga n da d d a b l ep l u g g i n g a g e n t ，a n dw i t ht h ec e n t e ro f “p r e s s u r ew a i t i n g o n - c e m e n t t e c h n o l o g yo nl o n gi n t e r v a lc e m e n t c h a n n e l i n gp l u g g i n g t h et e c h n o l o g ya r es i m p l e ，h i g hs u c c e s s f u lr a t i o ，a n dh a v ea d v a n t a g eo f l o wd a m a g eo nr e s e r v o i r ，s h o r to p e r a t i o np e r i o d ，h i g hs a f e t y ，n oc h a n n e l i n gd e t e c t i o n ，r e l a t i v e c o s tl o wc t c i tc a np l u gl o n gi n t e r v a l ，m u l t i p o i n td i s c o n t i n u o u sc h a n n e l i n gw e l l s d i f f i c u l t i e so n d e a l i n gw i t hm u l t i l a y e r - s e c t i o nc h a n n e l i n gw e l la r es o l v e d ，c a s i n gd a m a g ew e a r i n g o u ti s r e d u c e d ，l a y e rs y s t e mi sr e l e a s e d ，r e s e r v e sw h i c hc a n b ee x p l o r e di si n c r e a s e da n di n j e c t e dw a t e r o rp o l y m e re n t e r i n gi n t on o n o b j e c t i v el a y e r sa r es o l v e d ，w h i c hh a se x c e l l e n tp o p u l a r i z i n gv a l u e a n da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：m u l t i l a y e r - s e c t i o n ；c h a n n e l i n gw e l l ；s e a l i n gc h a n n e l i n g w e l l sw i t hc e m e n t ； s e a l i n gd o s a g e ；t e c h n o l o g y 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 第+ 1 章绪论 1 1 课题研究的目的意义 随着油田开发时间的延长和二次、三次加密开采方案的实施，油田地下情况越来越复 杂，发现的窜槽井也越来越多【l 】。如萨中地区1 9 9 9 年发现的窜槽井就多达1 0 0 口井以上， 以后则每年大约发现3 0 一4 0 口。大庆油田在已经注聚的区块内，有三分之一的水驱采出井 在采出液中见到聚合物，窜槽现象比较严重。在各类窜槽井中，有相当一部分是长井段窜 槽，有的窜槽段达到百米以上。由于窜槽，特别是长井段的窜槽，打乱了开发层系，造成 严重层间干扰。 目前油田使用的各类化学封窜方法一般工序比较复杂、安全性差、常规作业队难以掌 握的缺点【2 j 。利用不伤害地层的高强度堵剂对于长井段封窜，只能分多次进行施工，使得 封窜成本上升【”。这些因素制约了封窜工艺技术的大面积推广，不能适应油田现场生产对 封窜的需要。另外各类化学封窜封堵工艺还存在一个共同的问题就是找窜困难，特别是多 点窜槽井很难将窜槽点找准、找全【4 】。 由于以上这些因素，目前长井段封窜的技术水平和施工能力远远不能满足油田生产的 需要。利用水泥对地层伤害小、施工安全性高、可大量使用且成本低廉的优点【5 】【6 】，有针 对性地研究一套工艺简单，操作方便，成功率高、成本较低，安全性好，适应油田实际的 长井段油层封窜封堵方法，可以改善层系开发状况、提高油田整体效益，具有很高的经济 效益与社会效益。为此开展了多层段窜槽井水泥封窜技术研究。 1 2 国内外技术现状 油水井窜槽会给油井生产和管理带来严重危害，主要表现在：一是不能对多油层进行 分层开采；二是使油井正常生产受到严重影响；三是影响油田开发速度；四是降低油水井 的使用寿命：五是影响油田最终采收率；六是给修井作业和管理造成麻烦，影响油田开发 效益”1 。为此，国内外都在不断研究相关封窜工艺技术，以解决窜槽给油井生产和管理带 来的危害。目前，国内外的主要封窜工艺技术如下： 查窜的方法：油水井查窜的方法主要有声幅测井查窜、同位素测井查窜、封隔器查窜、 桥塞查窜等四种方法“1 。窜通的类型及原因不同，采用的查窜方法也不同。地层窜通适用 于同位素测井查窜、封隔器查窜、桥塞查窜的方法进行查窜，管外窜通适用于声幅测井查 窜、封隔器查窜、桥塞前驱动法进行查窜，也可以采用组合式查窜方法进行查窜。 声幅测井查窜：当进行声幅测井时，由声源振动发出声波，声波在套管中传播速度大 于其它介质中的传播速度，而声波幅度的衰减与水泥环和套管、水泥环和地层的胶结程度 有关：声波幅度的衰减反比于套管的壁厚，正比于水泥环的密度。也就是说，套管壁越薄 水泥环越致密声波幅度的衰减就越大。根据这一原理，通过声幅测井就可以检查套管外水 第l 章绪论 泥环的固结情况及水泥上返高度等情况。从声幅曲线图中可以看出：当水泥环完好时，声 幅曲线呈低幅度，反之，水泥环较差，声幅曲线呈高幅度0 1 。 通过实践应用，声幅测井查窜是比较成功的。但这只能提供第一界面( 水泥环与管壁 之间) 窜通的资料，若第二界面( 水泥环与井壁之间) 封固不好而形成窜通，用声幅测井 就难于判断。因而，现场应用通常是以声幅为先的组合查窜法，其中包括声幅与封隔器及 声幅与同位素的组合查窜等方法。目前，用声波时差、声波变密度等测井方法，可检查第 二界面窜槽情况。 放射性同位素查窜【l0 j ：用人为的方法来提高被研究对象窜通井段伽玛射线强度， 往地层内挤入含放射性的液体，然后测得放射性曲线( 基线i i ) 。并将所测得的曲线与油 井的自然放射件曲线( 基线i ) 作对比，排除影响因素，即可鉴别地层的窜通情况。 根据查窜目的和查窜层段的长短，查窜方式可分为全井施工和下管柱分层段进行两 种。全井施工，就是把活性液替入射孔层段，加压挤入地层和窜通层段迸行查窜，一般情 况，射孔层段较少，窜通较单一，常用此方式。下管柱分层段进行施工，就是用封隔器将 射孔层段隔开，通过油管堵塞器对射孔层段进行查窜，一般情况下，射孔层段较多，窜通 较为复杂不易判断，用此方式进行施工效果显著。 封隔器找窜：使用封隔器下入欲测井内适当位置，用以封隔开欲测可能窜通井段与其 他油层，然后根据所测得的资料来分析判断窜通情况的方法。 现场常使用的找窜方法，根据找窜情况确定封隔器的数量，可分为双水力扩张式封隔 器和单水力扩张式封隔器找窜两种。根据欲找窜的层位情况来分，又可分为低压井找窜、 高压井找窜、漏失层找窜三种方法。由于找窜的方法不同，应用的范围也不同，可根据欲 找层段的具体情况，选择找窜方法。通常在多油层井找窜而下部层段又有漏失层的情况下， 采用双水力扩张式封隔器找窜“。 桥塞找窜：将桥塞下至欲找井段夹层中部，利用入井机具，通过座封方式将桥塞座封， 然后丢手，起出丢手接头，此时桥塞的自锁胶筒在上下卡瓦的作用下仍处在压缩状态保持 密封。验窜方式：插管接头插入桥塞内腔，在允许压力范围内进行试挤验窜，通过套溢法 和套压法来判断桥塞上下两层之间是否窜通。 现场使用桥塞找窜的方法有丢手封隔器找窜2 】、可钻桥塞找窜、电缆式可钻桥塞找窜 三种。其共同特点具有操作简便，封堵深度准确，可靠性安全性强，丢手桥塞还具有重复 使用的特点。桥塞找窜适用范围广泛，特别适用于深井和夹层较薄的窜通井。 封窜工艺：循环法封窜技术：将水泥浆以循环的方式，在不憋压力的情况下替入窜通 井段，使水泥浆凝固，以达到封窜的目的。对窜通时间不长，窜通量不大的管外窜通井， 可采用循环法封窜，其优点是对油层的污染比较小，一般不会产生封窜后堵死全部射孔段 的问题。 循环法封窜根据封窜管柱的连接方法和所用工具的不同，可分为单水力扩张式封隔器 封窜和双水力扩张式封隔器封窜两种方法。单水力扩张式封隔器封窜：采用这种方法进行 2 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 封窜时，封窜前只露出夹层以下一至两个小段，其它层段采用人工填砂或注悬空灰塞的方 法掩盖。封隔器应生于夹层上，并且井口部分最好采用自封封井器或闸板防喷器来密封， 以便有利于封窜工作的顺利进行。双水力扩张式封隔器封窜：是采用两个水力扩张式封隔 器中间加节流器管柱下入井内，下封隔器应坐于窜通层以下紧靠窜通层的夹层上，上封隔 器坐于己窜通的夹层上。水泥浆在封堵时由两级封隔器中间的节流器流出，由窜通的下部 油层进入窜通部位。其优点是可以不填砂或注悬空水泥塞，可以不留水泥塞或少留水泥塞： 缺点是下入井内的封隔器多级，遇到卡钻时难于处理。 挤入法封窜技术：将水泥浆通过封窜管柱，在压力允许的范围泵入井内，使水泥浆充 满所有窜槽部位，使窜通层充分吸附水泥浆，以达到封窜的目的。当遇到井壁坍塌，窜槽 体积大，其形状不规则，且堆有大量岩块时，采用此方法封窜比较可靠，能堵住复杂的窜 槽。其缺点是在封窜过程中会有大量的水泥浆进入地层，容易堵塞油流通道，造成污染油 层的恶果，同时封堵工艺比较复杂，容易造成井下事故。 根据井况的不同，挤入法封窜可以分别采用封隔器法封窜、油管封窜、桥塞封窜三种 方法。封隔器法封窜管柱自下而上由单流凡尔、球座、节流器、水力扩张式封隔器和油管 组成。封隔器下入位置应根据层段的不同而有所选择，以避免水泥浆污染其它油层。当窜 槽复杂或套管破损不易下封隔器时，可采用油管封窜法进行封窜。当封窜井较深，夹层较 薄时，为提高封堵准确性，缩短工期可采用桥塞封窜法进行封窜。 循环挤入法：封窜循环挤入法实际上就是循环法与挤入法的联合使用，它先使水泥浆 在不憋压的方式下进入窜槽，再用挤入的方法使水泥浆充填好。其封堵过程是水泥浆开始 进入窜槽时，套管闸门是打开的，以保证水泥浆在憋不起压力的情况下进入地层。当地层 窜槽内进入足够的水泥浆后，关闭套管闸门挤入剩下的水泥浆，再替够清水，静止一定时 间，上提封隔器至射孔井段以上，反洗井冲去多余的水泥浆，然后上提油管l o 2 0 m ，关 井候凝。 填料水泥浆封窜：填料水泥浆封窜就是为了防止水泥浆由于重力作用而下沉，在水泥 浆挤入并充满窜槽后，接着挤入填料水泥浆堵死窜槽的进口，避免水泥浆反吐，以达到封 窜的目的1 4 1 1 5 1 。 验窜：油水井窜通在通过封窜处理后，其效果的好坏必须经验窜来检验。通过验窜1 1 6 】， 收集必要的有关数据和资料进行分析对比，来判断封窜效果。 验窜的方法和类型：根据油水井窜通的两种形式( 套管外窜通和地层窜通) ，现场常 用的验窜方式主要有声幅测井和封隔器验窜两种类型，其工作原理和施工方法同相应的找 窜方式基本相同。测声幅曲线验窜，就是在整个封窜工序完成后，测得声幅曲线图，若声 幅曲线幅度小，说明水泥环完好，封窜效果好：反之，封窜效果差。根据水泥环胶结的好 坏，声幅曲线解释可分为优质井、合格井和不合格井。封隔器验窜又可分为单封隔器和双 封隔器验窜，就是应用套溢法和套压法对封窜效果进行检验和判断。同样，验窜的两种方 式也可进行组合，以便收集更为详细的资料，做出准确判断“”。 第1 章绪论 目前，国内外都没有开展针对多层段窜槽井的水泥封窜技术研究。为此，需要在借鉴 原有封窜堵剂及封窜工艺研究成果的基础上，开展多层段窜槽井水泥封窜工艺技术研究， 使封窜工艺技术着向工艺简单，施工安全，成本低，效率高的方向发展，以满足油田开发 的实际需要。 1 3 窜槽原因分析和关键技术确定 随着油田进入高含水后期，层间矛盾逐渐加大，异常高压层逐渐变多，层问压差也越 来越大【l 引。萨中地区注水井分层段测压资料表明单井平均层间压差达4 m p a 。由于层间压差 的存在，致使钻井后固井质量不好，大段窜槽井增多。 在固井的初始阶段，水泥浆自下而上替出井筒内的泥浆，使得水泥浆能够完全充满套 管外的环行空间。但是，水泥浆从初凝到终凝有一个稠化过程，在4 5 。c 环境温度下，一般 普通油井水泥浆的稠度是随时间的延长逐渐上升的。稠度越高，泥浆的液柱重量就越难以 传递到水泥及其所在的油层部位，这一时期水泥浆处于一个“失重”状态【l 。在这一状态 下液柱重量将无法克服高压层内的压力，流体将通过还没有凝固的水泥浆从高压层流向低 压层，水泥浆被稀释，形成一个窜槽的通道。如图卜1 所示。 另外，由于普通油井水泥在凝固过程中一般有一个膨胀一收缩的过程【2 ，其最终线收 缩比为2 甚至更多。这一收缩性使得水泥与第一界面或第二界面之间产生微裂隙。这也是 为什么固井一个月内随着时间的延长水泥胶结指数不断降低的原因。 ( 1 ) 替出泥浆，水泥 浆充满管外环行空间 二? 支量兰筹：从 ( 3 ) 形成窜槽 高压层流向低压层 、一一一 图1 - 1 固井时形成窜槽示意图 f i g1 - 1m e c h a n i s m o f c h a n n e lf o r m i n gw h i l ec e m e n t i n g 为了克服高压层内的流体在水泥浆凝固前的窜流而造成的封窜失败，水泥封窜封堵的 关键就是要做到“带压候凝”。就是利用上覆液柱压力和井口补压相结合的方法，使挤入 窜槽缝隙的水泥浆在其终凝前始终保持一个不超过地层破裂压力的上覆压力，将高压层的 流体压住，使之没有窜流机会，保障封窜效果。压力根据公式p 地 p 液+ p 井口计算出井 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 口带压值，即上覆液柱压力与井口补压之和要大于地层孔隙压力，但不超过地层破裂压力 2 h 。 为了更好地实现“带压候凝”，所使用的封窜水泥浆的性能必须与之相适应，即应对 封窜用的水泥性能进行必要的改进。 对于某些漏失量大的封窜封堵井段，为了防止水泥浆的漏失，在水泥浆中加入适当的 桥塞剂，从而更好地实现“带压候凝”。 确定水泥封窜封堵的关键是改进水泥浆性能、带压候凝、封窜封堵井段预处理和水泥 塞钻铣技术。 第2 章封窜水泥性能的研究 第2 章封窜水泥性能的研究 为了提高水泥封窜的成功率，需要对水泥浆的性能进行必要的改进，使之适应“带压 候凝”封窜封堵施工工艺的需要。室内在对各种水泥进行性能评价分析的基础上，利用添 加改性剂对水泥浆的性能进行改善。 对水泥浆加入流型改进剂使其具有直角稠化性能：加入膨胀剂使其固化后具有微膨 性；加入缓凝剂使固化时间可调；加入增强剂提高固结强度和粘接强度 2 2 1 ；当地层吸入量 大时，使用桥塞剂以减少漏失量，保证“带压候凝”的实现。 2 1 水泥封窜封堵剂性能的改进和评价 2 1 1 水泥浆直角稠化特性 水泥浆在配制后其流动度即开始逐渐下降，直到初凝和终凝【2 3 】，这一过程会导致水泥 浆的“失量”现象，造成窜流和带压侯凝的失败。为此，需要加入流型改进剂，对其流动 性进行改进，使水泥浆在未初凝前的保持好的流动性，而在达到初凝后迅速达到终凝，即 具有“直角稠化”性能。 曲线a 为普通超细水泥浆：曲线b 改进后的超细水泥浆 图2 - 1 水泥浆的直角稠化曲线 f i g 2 1t h i c k e n i n g c u r 、，e so f c e m e n ts l u r r y 水泥浆的稠化性能是在水泥稠化仪上进行的【2 4 j 。将配制好的水泥浆保持恒温，定时测 定水泥浆的流动度( b c ) ，直到水泥浆失去流动性为止。图2 - 1 是一般水泥浆和改进后的 超细水泥浆的稠化曲线。可以看出，改进后超细水泥浆的稠度在配制后开始的1 5 h 内上 升是不明显的，1 5 h 后，即达到初凝时间后，稠度迅速上升，很快达到终凝强度，自初凝 至终凝时间为0 5 - l h 。由于改进后的水泥浆具有直角稠化的性能，因而可最大限度地预防 高压层与低压部位之间的窜流，减少液体返吐机会，大大提高施工的成功率。 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 2 1 2 水泥浆对岩心的伤害程度研究 通过岩心流动试验对水泥浆的污染进行了评价。试验采用的岩心直径2 5 0 c m ，长度 6 c m ，原始渗透率5 2 0 1 0 3um 2 ，在岩心端面的水泥浆上施加1 0 m p a 的压力，迫使水泥浆 进入岩心，取出岩心后，将侵入水泥浆的岩心一端切除l c m ，通过显微镜观察剖开岩心内 部的堵塞情况，发现在l c m 以后的岩心中没有水泥浆颗粒的侵入。岩心试验表明，水泥浆 只能进入岩心很浅的部位，对油层深部不会造成伤害。 为了验证水泥浆滤液是否会对油层造成伤害，进行了岩心流动试验。试验方法如下： 测岩心的孔隙度和空气渗透率，饱和水，测渗透率【2 ”，注水泥浆滤液1 0 p v 并浸泡2 h ，水 驱5 p v 后测岩心渗透率。前后对比计算渗透率恢复率。表2 - 1 为实验结果。三种水泥浆滤 液的渗透率恢复率都在8 8 以上，平均达到9 0 8 。可见无论是使用普通水泥、高细水泥， 还是超细水泥，都不会对油层造成严重伤害。 表2 - 1 水泥浆滤液岩。损害实验数据 t a b 2 1e x p e r i m e n t a ld a t af o rc o r ed a m a g ec a u s e db yc e m e n tf i l t r a t e 空气渗透率孔隙度原始渗透率 损害恢复后渗透渗透率恢 岩心号实验液体 1 0 3 “m s1 03 “m 2 率( 1 0 。3 i l l 2 )复值( ) 3 超细水泥浆滤液 9 9 6 0 23 0 2 9 5 9 2 48 4 5 3 68 8 1 3 3 - 1 4 超细水泥浆滤液 9 6 5 4 43 0 58 7 0 1 4 7 8 4 7 3 9 0 1 8 5 0 1 - 2 7 普通水泥浆滤液 1 6 7 9 4 82 5 8 67 2 9 5 26 8 0 8 89 3 3 3 5 0 1 - 2 6 高细水泥浆滤液 1 7 2 3 0 62 6 3 04 8 3 9 14 4 3 9 l9 1 7 3 2 1 3 水泥固化时间可调 由于水泥比表面较大，为满足施工需要，必须按要求延长初凝和终凝时间，为此，加 入了缓凝剂来控制稠化时间。缓凝剂加量在0 5 一0 8 之间，可以根据油井作业情况将缓 凝时间控制在1 7 0 3 5 0 m i n 2 6 1 。 表2 - 2 缓凝剂的加量和时间的关系 t a b 2 - 2e f f e c to f t h er e t a r d a n to ni n i t i a ls e t t i n g t i m eo f c e m e n ts l u r r y 缓凝剂加量 0o 30 40 50 6o 8 初凝时间范围m i n 3 5 - 6 09 0 1 1 01 5 0 - 1 6 01 7 0 2 2 02 5 0 - 2 8 03 0 0 - 3 5 0 注：缓凝剂加量随温度和水泥成分厦水灰比不同而变化，具体加量根据水泥稠化试验确定，本试验为4 5 由于水泥终凝时间可控，且具有直角稠化的性能，则在现场施工时，就有可以根据现 场条件，预先设计合适的固化时间，从而避免安全事故的发生：也可以将固化时间控制在 最短的时间以内，最大限度地预防高压层与低压层之间的窜流，减少返吐机会，大大提高 施工的成功率。 2 1 4 水泥的微膨性 一般普通水泥在配制后初期的一段时间内，有一定的膨胀率2 7 1 ，但在大约2 d 后，则 7 第2 章封窜水泥性能的研究 有一个收缩期，这也是现场固井后随时间推移固井质量变差的一个重要原因。为了克服一 般水泥浆凝固后收缩的缺点，在水泥浆中加入膨胀剂，使水泥浆的自由线膨胀率控制在 0 0 1 - 0 2 之间。表2 3 是填加膨胀剂水泥与般普通水泥膨胀率的比较。 表2 - 3 填加膨胀剂水泥与一般普通水泥膨胀率的比较 t a b 2 3e x p a n s i o nr a t i oo f c e m e n ta d d e ds w e l l i n ga g e n ta n dp o r t l a n dc e m e n t 时间 2 4 h4 8 h 7 2 h 一般普通水泥 0 0 0 7- 0 0 0 3 一o 0 1 3 加膨胀剂普通水泥 o 0 1 20 0 4 3 0 0 7 9 加膨胀剂超细水泥 0 0 4 80 1 2 0 0 2 1 0 2 1 5 加入桥塞剂的防止漏失作用 为解决由于地层裂缝或孔洞造成水泥浆大量漏失的问题，需要在水泥浆中加入一定量 的桥塞剂【2 钔。试验证明，加入桥塞剂以后可以减少水泥浆无效消耗量，高时可达6 0 以上， 并能很快形成水泥浆的硬桥塞，从而提高封堵的成功率。桥塞剂的加量以不影响水泥浆的 流变性和可泵送性为限。 室内对几种桥塞剂进行了配伍性试验，经过筛选，选出p a t 为水泥浆的桥塞剂。 室内进行了p a t 桥塞剂加入量对于吸入量影响试验。试验方法如下：在如图2 2 所示 的装置内加入水泥浆，向水泥浆施加一定的压力，观察水泥浆通过狭缝为5 m m 试件的能力， 并计量收集通过的液体。试验结果如表2 4 所示。可以看出，加入桥塞剂的防漏失效果非 常明显。 图2 2 水泥浆通过狭缝试验装置示意图 f i g 2 - 2t e s te q u i p m e n tf o rp r e v e n t i n gs l u r r ya d d e db r i d g ea g e n tf r o ml o s tc i r c u l a t i o n 表2 - 4p a t 桥塞剂加量对水泥浆通过量的影响试验结果 t a b 2 _ 4t h ee f f e c to f p a tb r i d g ea g e n to nc e m e n tl o s tc i r c u l a t i o n 加量 0o 51 o1 52 0 通过量，m 1全部通过3 6 0 0 1 4 0 09 0 05 0 0 通过量比例， 1 0 0 7 2 2 81 81 0 注：试验在常温、5 0 m p a 压力下进行，水灰比0 4 ，裂缝5 0 m m ，全部水泥浆5 0 0 0 m 1 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 2 1 6 温度差异对水泥浆固化性能的影响 为了保证水泥不会由于“失重”而导致“带压候凝”失效，除了保持水泥直角稠化性 能和加入桥塞剂外，还做了超细水泥随温度变化其凝固时间规律的测试。试验方法是，按 比例配方配制超细水泥浆后，将水泥浆放置在设计温度下，使用稠化仪测水泥浆的稠度1 2 9 1 ， 记录初凝和终凝时间，试验结果见表2 - 5 。 表2 - 5 温度对稠化时间的影响( 超细水泥，外加剂1 ) t a b 2 5e f f e c to f t e m p e r a t u r eo nt h i c k e n i n gt i m e ( s u p e r f i n es l u r r y , a d d i t i v el 1 温度( ) 3 03 54 04 55 05 56 0 稠化时间( m i n )1 7 91 6 01 5 01 2 81 1 01 0 59 8 凝结时 初凝1 9 21 6 51 5 21 3 41 1 21 0 81 0 1 间( m i n ) 终凝 1 2 1 0 1 09 8 87 结果表明，水泥加外加剂1 时，地层温度每降低5 ，水泥的稠化时间将增加2 0 m i n 左右。大庆油田的地温梯度是3 1 0 0 m 左右，位于井筒内的水泥每上升1 0 0 m ，其稠化时 间将延长1 2m i n 。因此在水泥稠化、凝固前，井筒内的压力始终能够传导至水泥的下部， 不会由于失重而导致“带压候凝”失败。 2 1 7 水泥固化后强度及抗水气渗透能力： 对改进后水泥石的抗压强度、抗折强度、界面强度、抗水渗能力和抗气渗能力进行了j 测试，从测定结果看，改进后的水泥石的各种性能均有所提高。测试结果见表2 6 。 表2 - 6 水泥石的性能对比数据表 t a b 2 - 6s t o n e sp r o p e r t i e so f p o r t l a n d ，m o d i f i e da n ds u p e r f i n ec e m e n t 水泥2 4 h 抗压 2 4 h 界面强 抗水渗能力 抗气渗能力( 水泥石的 种类 强度( m p a )度( m p a )渗透率) ( 1 0 。um 2 ) 一般普通a 1 8 0 - 2 2 01 2 0 恒水压8 h ，压力1 5 m p a 渗入深度 1 9 8 级水泥 1 2 - 1 4 r a m ，渗水压力小于0 1 0 m p a 普通a 级 水泥( 改进 2 1 0 - 2 3 51 2 5 恒水压8 h ，压力1 5 m p a 渗入深度 1 7 5 8 一l o t m ，渗水压力小于0 2 0 m p a 后) 恒水压3 2 h ，每8 h 增加压力0 5 m p a ， 超细水泥 1 9 5 2 2 51 4 5 压力范围1 5 - 3 0m p a ，渗入深度 0 1 7 5 - 6 r a m 。渗水压力大于1 5 2 m p a 利用改性后的水泥浆进行水泥固化的强度试验。试验采用1 ：1 的比例进行模拟，用 中1 4 0 r a m 的套管作为内管，用0 2 6 7 m m 的套管作为模拟的外部地层的第二界面，试验的介 质采用普通的油井水泥作为固化物，温度为4 5 c 。试验装置示意图见图2 - 3 。 试验步骤如下：中1 4 0 m m 套管上按3 0 度角螺旋状打1 3 个e p 8 m m 孔道，距离为5 0 r a m ； 用填塞物堵塞孔道，在两个套管之间加入普通油井水泥浆固化2 4 h ；测定固化后水泥石的 第2 章封窜水泥性能的研究 承压能力和封堵能力；用重锤敲打破坏水泥石结构，并产生裂纹；在套管内挤入封窜水泥 浆，测定挤入压力和挤入的水泥浆量：固化2 4 h 后，测定固化后套管的承压能力。可以看 出封堵后破裂压力均高于初始承压。模拟试验的效果见表2 - 7 。 图2 - 3 封窜模拟试验装置示意图 f i g 2 - 3a p p a r a t u st os i m u l a t eb o r e h o l ef o rs e a l i n gb y p a s s 表2 7 模拟试验数据表( 试验温度4 5 ) t a b 2 7 d a t a t os i m u l a t e b o r e h o l e f o rs e a l i n g b y p a s sc h a n n e l s ( 4 5 ) 初始承压挤入的水泥浆量挤入压力封堵2 4 h 后破裂压力 样品号 m p a m lm p am p a 11 2 01 0 0 04 o1 6 8 21 1 51 5 0 03 51 7 9 3 1 4 0 8 0 0 1 5 、 1 6 5 41 1 41 5 0 02 51 6 3 2 2 普通油井水泥作为封窜剂的适应性研究 应用水泥进行封窜的主要原因就是水泥颗粒不进入地层孔隙，可以大量的使用，封堵 段可以很长；同时水泥成本比较低。因此对水泥的要求应该是：价格越低越好；颗粒越粗 越好( 不伤害地层) 。在超细和普通油井水泥中，相对来说，普通油井水泥最能够满足以 上要求。但普通水泥能否具备超细水泥的直角稠化性能和较好的流动性。同时，管外窜槽 1 0 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 间隙究竟有多大，普通水泥能否象而超细水泥一样可以进入窜槽间隙。针对以上两个问题， 进行了普通油井水泥作为封窜剂的适应性研究。 2 2 1 管外窜槽间隙的计算 套管外水泥环与套管间的窜槽间隙无法精确判定。它即不能直接观察也不能通过室内 实验得到。而窜槽间隙的大小恰恰是能否决定使用普通水泥进行封窜的关键数据。为此利 用水利学沿程阻力的原理对窜槽间隙的范围进行了计算。 总的思路是，利用验窜过程中清水通过窜槽段上下的压差和流量，建立清水通过环型 流道时的流量与节流损失关系方程，利用关系方程推算窜槽间隙【3 们 3 h 。 假设窜槽断面为环形，忽略局部阻力且窜槽内径等于套管外径。注入液通过油管段的 长度为l 。，内径d ，外径d 。截面积a ，摩阻系数九，沿程水头损失为h n ，注入速度v 。： 油套环空段的长度为l 2 ，内径d 。外径d 。，截面积a 。，摩阻系数九：，沿程水头损失为h 。， 注入速度v ：；窜槽段的长度为l 。，内径d 。外径氏，截面积a 。摩阻系数九。，沿程水头损 失为h 。，注入速度v 。如图2 4 所示。 根据假设条件令 图2 - 4 验窜示意图 f i g 2 4m e t h o dt ot e s tc h a n n e l i n ge x i s t e n c e d 2 。= d 3 。= d ( 2 - 1 ) 1 1 第2 章封窜水泥性能的研究 根据达西公式有口2 1 设窜流量为q ，则 把式( 2 3 a ) 、( 2 3 b ) 、( 2 3 c ) 分别代入式( 2 2 a ) 、( 2 2 b ) 、( 2 2 c ) 可以得到 h f 2 = 五万杀毒可笔 2 如瓦 再根据沿程水头损失的定义有【3 3 】 上，8 q 2 d ) 3 ( d 3 。+ d ) 2n , 2 9 ( 2 - 2 a ) ( 2 2 b ) ( 2 - 2 c ) ( 2 - 3 a ) ( 2 - 3 b ) ( 2 3 c ) ( 2 4 a ) ( 2 4 b ) ( 2 - 4 c ) ( 2 - 5 a ) ( 2 - 5 b ) ，3 ：些( 2 - 5 c ) 。 偌 分别把式( 2 5 a ) 、( 2 5 b ) 、( 2 5 c ) 代入式( 2 4 a ) 、( 2 4 b ) 、( 2 4 c ) 然后将( 2 4 a ) 、( 2 4 b ) 、 ( 2 4 c ) 三式相加并整理后可得 砰瓦上协呼一魄 一即 岛一气 二 厶一一 叫 瓴 百 r 如 五 瓦， = 1 | b 罨矗南 望如厶一线 兄 = 盟偌 些偌 = i i 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 其中 l ( 巧。一d ) 3 ( 0 3 。+ d ) 2 = 厂 ( 2 - 6 ) 7 t 2 a p 厶1五三2 8 2 s l 3 q 2如厶d i也l ，( d ：。一q 。) 3 ( d ：+ d l 。) 2 解( 2 6 ) 式求得窜槽外径“，o 后，再利用公式 a 3 = 一7 2 。一d 2 ) ( 2 8 ) | 即可求出窜槽的截面积。 以上流量值也是现场验窜的流量区间。整个计算过程是在窜槽间隙是一个光滑、连续 的通道这一假设下完成的。因此计算值只能比实际值偏小，不会偏大。 由此得出结论，窜槽段能够验证的最小窜槽缝隙在1 0 “m m 数量级以上。在多数情况下 普通油井水泥，能够通过由验窜验证的窜槽间隙。 表2 - 8 根据现场验窜资料理论计算的窜槽缝隙宽度 t a b 2 - 8c a l c u l a t i o no f c h a n n e l i n gc l e a r a n c es i z eb a s e do nf i e l dd a t a 窜流量压力理论计算的窜槽缝隙宽度 ( m 3 h )( m p a )( m m ) 1 9 6 36 0o 9 5 8 71 1 50 5 5 6 2 51 2 o0 4 0 5 6 2 51 0 o0 4 3 0 5 2 51 2 0 0 2 2 2 2 2 水泥浆通过狭缝试验 为了验证普通水泥对缝隙的通过能力，进行了水泥浆通过狭缝试验1 3 4 】。试验装置与桥 塞剂加量对水泥浆通过量的影响试验装置相同。试验方法如下：在装置内加入水泥浆，施 加一定的压力，观察水泥浆通过试件狭缝的能力，并收集通过的液体。图2 5 是试验试件 的示意图。试件厚度为5 m 。狭缝的最小宽度为0 2 m 。表2 - 9 为试验结果。 实验结果说明，普通水泥浆可通过0 4 m m 以上宽度的狭缝。前面对现场窜槽缝隙宽度 的计算说明，在大多数情况下窜槽缝隙的宽度可以允许普通水泥通过。 2 2 3 普通水泥的直角稠化性和微膨性 通过改变添加剂的比例和种类，使得普通油井水泥也具有了直角稠化性和微膨性。室 内实验结果如表2 1 0 、表2 - 1 1 、表2 一1 2 、图2 6 所示，微膨性能与超细水泥相当。稠化时 间与超细水泥相同，能够保证现场施工安全。同时，经改进后，普通水泥石的强度、抗渗 能力也有所提高。 1 3 第2 章封窜水泥性能的研究 表2 - 9 普通水泥和超细水泥通过狭缝能力试验结果 t a b 2 9t e s tr e s u l to f p o r t l a n da n ds u p e r f i n ec e m e n tp a s s i n gt h es l i t 序油井水 狭缝宽度 狭缝长度压力 通过情况描述泥饼形成情况 号泥种类( m m )( m m )m p a 1 a 级水泥 32 03 o 全部通过无泥饼 2 a 级水泥 2 2 03 0全部通过无泥饼 3 a 级水泥 12 03 0 通过，流速减慢有少量泥饼 4 a 级水泥 11 53 0 通过，流速减慢有部分泥饼 5a 级水泥l1 03 o通过，流速减慢 有部分泥饼 6 a 级水泥 153 0 通过，流速减慢有部分泥饼 7 a 级水泥0 82 03 o 部分通过后堵死，流量约1 0 0 0 m l 闸门后形成厚泥饼 8 a 级水泥 0 62 03 o 部分通过后堵死，流量约1 0 0 m l闸门后形成厚泥饼 9 a 级水泥0 42 03 o滴流后堵死，流量约2 0 m l闸门后形成厚泥饼 1 0 a 级水泥 0 22 03 0 少量滤液流出，约5m l闸门后形成厚泥饼 1 l 超细水泥32 03 o全部通过无泥饼 1 2 超细水泥 22 03 ，0全部通过 无泥饼， 1 3 超细水泥 12 03 o 全部通过无泥饼 1 4超细水泥11 53 o全部通过无泥饼 1 5 超细水泥 1l o3 0 全部通过无泥饼 1 6超细水泥153 o全部通过无泥饼 1 7 超细水泥 o 82 03 o 全部通过无泥饼 1 8超细水泥0 62 03 o通过2 0 0 0 m l 后堵死在狭缝上有少量泥饼 1 9 超细水泥 0 42 03 o通过5 0 0m l 后堵死 在狭缝上有泥饼