（石油与天然气工程专业论文）义34区块高压油气井固井技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 义3 4 区块高压油气井固井技术研究 油气井工程 张峰峰( 签名) 杨振杰( 签名) 宋本领( 签名) 一猹哒 趁握至 塞垒篮 摘要 随着胜利油田可采、易采石油储量不断的减少，胜利油田的勘探开发已经向复杂地 层、中深井、深井方向发展。目前的高压油气井固井成功率不高，固井质量不理想，固 井后极易发生环空油、气、水窜。主要原因是对高压井固井技术研究程度不够，水泥浆 体系的性能还不能完全满足高压油气井固井要求。对于高压油气井固井技术的难点问题， 解决的方向就是采用适合地层特点的水泥浆体系，配合合理的技术措施，结合技术性能 可靠的井下工具，有针对性的研究解决。 本文分析了义3 4 区块固井现状、存在的主要问题，通过了解井下情况，分析影响固 井质量的主要因素；针对义3 4 区块情况选出合适的添加剂，进行室内水泥浆体系试验研 究，在室内评价的基础上优选水泥浆配方，同时对新型水泥浆配方的防窜、降失水机理 进行了初步的探索；最后结合地区特点从固井工艺技术措施、钻井液性能入手，制定出 了固井控制工艺技术方案，通过现场固井作业实施，结果表明所选用的水泥浆体系及固 井工艺措施能有效地控制油气水窜，提高了固井质量，该研究对义3 4 区块及其他区块高 压油气井固井工艺技术运用有重要的指导意义。 关键词：义3 4 区块；油气窜；固井；水泥浆体系；应用 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ： r e s e a r c ha b o u tc e m e n t i n gt e c h n o l o g yo ft h eh i g h - p r e s s u r eo i la n dg a s w e l l a t y i 3 4b l o c k s s p e c i a l i t y ：w e l ld n a m e ： z h a n g i n s t r u c t o r ： y a n g s o n gb e n l i n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t w i t ht h ed e c l i n eo ft h ee a s i l ya c c e s s i b l eo i lr e s e r v e si ns h e n g l io i lf i e l d ，t h e e x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t h a sb e e nt ot h ec o m p l e xf o r m a t i o n , d e e pw e l l t h es u c c e e dr a t e o fh i g h - p r e s s u r eo i la n dg a sw e l lc e m e n t i n gi sn o th i g h ，c e m e n t i n gq u a l i t yi s a l s on o t s a t i s f a c t o r y o i l ，g a sa n dw a t e rc h a n n e l i n gc a l le a s i l yo c c u ra n n u l u sa f t e rc e m e n t i n g t h e m a i nr e a s o ni st h a tt h er e s e a r c ho fh i 曲l e v e lo ft h ew e l lc e m e n t i n gt e c h n o l o g yi sn o te n o u g h t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew a t e rs l u r r ys y s t e mc a nn o tf u l l ys a t i s f yt h eh i g h - p r e s s u r eo i la n dg a s w e l lc e m e n t i n gr e q u i r e m e n t s f o rt l l eh i g h - p r e s s u r eo i la n dg a sw e l lc e m e n t i n gt e c h n o l o g y ， t h ed i 伍c u l ti s s u e si st oa d o p tt h ec e m e n ts l u r r yf o r m a t i o ns y s t e mt o s u i t a b l et h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef o r m a t i o n ，w j i t hr e a s o n a b l et e c h n i c a lm e a s u r e s ，c o m b i n e dw i t h d o w n h o l et o o l so fr e l i a b l eo ft e c h n i c a lp e r f o r m a n c et or e s o l v et h es p e c i f i cp r o b l e m t h i sp a p e ra n a l y s e st h ee x i s t i n gp r o b l e ma n ds t a t u so ft h ec e m e n t i n go fy i3 4b l o c k s a n a l y z i n gt h em a i nf a c t o r so fa f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fc e m e n t i n g s e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t e a d d i t i v e sa i ma ty i3 4b l o c k s c a r r y i n go u tw a t e rm u ds y s t e me x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，o nt h e b a s i so fl a b o r a t o r y ，evaluation w ec a r lp r e f e rs l u r r yf o r m u l a t i o nw h i l ec a r r y i n gt h ei n i t i a l e x p l o r a t i o no ft h en e wa n t i c h a n n e l i n gc e m e ms l u r r yf o r m u l a t i o n ，f l u i dl o s sm e c h a n i s m a t l a s t ，d e v e l o p i n g h ep r o c e s st e c h n o l o g yp r o g r a mo fc e m e n t i n g ，c o m b i n i n gw i t hr e g i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec e m e n t i n gt e c h n i q u ea n dd r i l l i n g f l u i dp e r f o r m a n c e t h r o u g ho n - s i t e i m p l e m e n t a t i o n ，r e s u l t ss h o wt h a tt h eu s eo fl i q u i dc e m e n ts y s t e ma n dt h ec e m e n t i n gp r o c e s s m e a s u r e sc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h eo i la n dg a sc h a n n e l i n gt h ew a t e rt oi m p r o v e t h eq u a l i t yo f c e m e n t i n g ，t h es t u d yo ft h e3 4b l o c k so t h e rb l o c ka n dh i g h - p r e s s u r eo i la n du s i n gg a sw e l l c e m e n t i n gt e c h n o l o g yh a sa ni m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c e k e yi v o r d s ：y i3 4b l o c k s ；o i la n dg a sc h a n n e l i n g ；c e m e n t i n g ；l i q u i dc e m e n ts y s t e m ； a p p l i c a t i o n p a p e rt y p e ：a p p l i e d r e s e a r c h 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特多l l l j n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：趁盔盛日期： 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名趁堕蜱日期：业一 ， 导师签名：啦表日期：业j 。 l 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 课题研究目的和意义 第一章绪论 随着胜利油田可采、易采石油储量不断减少的情况下，胜利油田的勘探开发已经向 复杂地层、中深井、深井甚至超深井方向发展。各种油藏分布情况各不相同，地层压力 异常多变，油气层压力高、活跃、井底温度高。特别是在地质条件复杂的区域，从施工 可靠性出发，要求水泥浆满足同井施工一系列指标，如水泥浆密度、稠化时间、降失水 性能以及流变性等；同时，对复杂地层如低压易漏地层、盐层、碳酸盐岩地层要考虑固 井施工对水泥浆体系的特殊要求，还要着重考虑钻井、完井和后继的采油、压裂等作业 对固井质量、油井寿命等要求。 高压油气井地层压力较大给同井工程带来许多问题，如：水泥浆迅速稠化，大大缩短 可泵送时间；在油气侵严重的情况下，水泥浆体系的性能参数达不到设计要求，不能保 证满足固井施工和同井质量的要求。在固井施工中，可能出现不能有效压稳地层，造成 固井施工过程中的油、气、水窜或在水泥浆候凝期间出现油、气、水窜，严重影响固井 质量，需要采用抗油气侵水泥浆体系。但目前的高压油气井固井成功率不高，同井质量 不理想，固井后极易发生环空油、气、水窜。主要原因是对高压井固井技术研究程度不 够，水泥浆体系的性能还不能完全满足高压油气井固井要求。为此，对高压深井固井技 术研究非常有必要，对于在开发高压深井地层的油、气层有非常重要的意义。 1 2 国内外高压油气井研究现状 由于国内外钻探技术的不断发展，钻井不断向高压井、深井等方向发展，技术不断 呈现多元化，深层油藏开发应用了超深井、长裸眼、欠平衡、水平井、中短半径侧钻井、 分支井、多底井、穿盐过膏井、山前高陡构造防斜、多套压力层系承压堵漏等钻井技术。 地质方面的复杂性和许多不确定因素决定了施工风险与难度极大；还有钻头、套管配合 序列的非标准性以及相关工具附件的安全可靠性等，多方面的因素给完井固井带来了很 多很大的难以克服的技术难题。l i 】例如：多缝洞、多套压力层系、多渗流单元、盐膏层、 高压盐水层、有害气体、异常高压等等。深层的复杂性、完井的多样化决定了完井固井 的艰难性，存在的主要技术难题： ( 1 ) 埋藏超深 山地、深层、碳酸盐岩是当今国际油气勘探的三大难点。井越深，井身结构越复杂， 下套管越困难，下完套管开泵更困难。只能用很小的排量项通，小排量循环，泵压很高， 同井施工十分艰难。 ( 2 ) 长裸眼、复杂地层、多套压力层系 裸眼段越长，水泥封固段越长，水泥量增大，存在失重与防窜矛盾；地层越复杂， 西安石油大学硕士学位论文 就会出现“大肚子”、“糖葫芦”井眼，井眼不规则，顶替效率低，固井质量难以保证。出 现多套压力层系，易垮塌、易漏失，上漏下涌或下漏上涌，防漏与质量矛盾突出。 ( 3 ) 非标准套管序列 超深井钻井，出现的复杂地层多。需要下入的套管层次越多。需要非标准序列和多 种扣型的套管，需要配套的非标准工具附件的和不同扣型。还要考虑特殊管材的要求( 例 如：防c 0 2 ，h 2 s 腐蚀性酸性气体；钻遇盐膏层套管需要加厚等等) 。造成了套管与井 壁的窄间隙。 ( 4 ) 高压油气、高温、高密度钻井液 井越深，井底温度、压力越高。高温对水泥浆的影响很大；气层压力高，气窜危险 性大。防止固井后环空气窜是高压气井解决的首要难题；高压需要高密度的钻井液和水 泥浆平衡，要研究高密度水泥浆性能：选择高密度隔离液，提高隔离防污染、防窜效果。 ( 5 ) 钻遇腐蚀性有毒气体 腐蚀性酸性气体h 2 s 和c 0 2 ，对套管、工具附件产生氢脆和腐蚀破坏。c 0 2 还会侵 入水泥浆内，影响水泥浆性能，腐蚀凝同后的水泥石。气体泄漏，危害人民生命财产安 全。 ( 6 ) 钻遇盐岩、盐膏层和高压盐水层 钻遇盐膏层，钙侵污染，流动性变差；盐岩、盐膏层地层不稳定，井径不规则，出 现大肚子、糖葫芦井眼。影响顶替效率；盐膏层的蠕动还能挤毁套管；盐水层c l 。的含 量高，c l 对水泥浆有促凝作用；高压盐水易发生窜槽，严重影响水泥胶结质量。降低水 泥石强度。m 1 2 1 国内外高压井防窜技术发展呈现的趋势 随着国内外对高压井防窜技术的不断研究，针对高压油气井，在固井过程中常常发 生气窜，尤其是在深井和气井中，地层压力大、井身结构复杂，更容易发生气窜，使水 泥石胶结强度降低，影响固井质量，并严重影响油气井的正常生产和降低采收率。目前 国内在解决窜流的固井技术上，开发出了不渗透水泥和低失水、短过渡、微膨胀、高早 强防窜水泥浆及发泡水泥、泡沫水泥等体系，部分解决了油井因气窜影响固井质量的问 题。l j l 但对于高压防窜水泥浆体系，研究开发较落后，防窜技术对此类井固井质量的好 坏至关重要，其关键点在于如何有效的阻止油气上窜，这也是国内外广泛研究的内容。 通过文献检索，查阅了关于油气上窜的原因以及针对原因提出的开发的各种防气窜水泥 浆体系，以及各种防窜固井措施。通过综合研究，得出了以下三点国内外防窜技术的发 展呈现趋势： ( 1 ) 防窜水泥浆体系的种类越来越多，各种防窜水泥外加剂的品种不断涌现，性能不 断改善，用途不断扩大。 2 第一章绪论 ( 2 )防窜的工艺不断发展，开发一些有效的防窜工具，以及机械阻止防窜的方法。 ( 3 ) 对水泥上窜的机理和规律越来越明晰，各种气窜预测理论模型越来越成熟。“5 】 1 2 2 关于高压井油气上窜研究达成的共识 高压油气固井后水泥浆环空发生气窜是当前固井工艺技术存在的主要技术问题之 一。固井后环空发生气窜将损坏储层，影响自然产能；对油气田开发后续作业造成不利 影响；即使采用挤水泥等补救工艺也很难奏效，严重时将导致油气井报废，浪费资源l 6 j 。 自上世纪6 0 年代以来，国内外对同井后环空气窜机理、预测方法及防气窜技术方法进行 了大量的系统研究，但在解决同井后环空气窜技术问题上还存在很多的难点，因此气窜 的有关成因及防窜措施值得进一步研究和探索。 a 气窜的途径1 7 j 因为顶替效率不高而造成水泥浆窜槽。 水泥石与套管及水泥石与地层之间存在微环隙。其形成原因是由于水泥浆凝固时 化学收缩或由于水泥浆自由水析出以及由于温度压力变化形成的( 室内实验表明水泥石 的体积收缩率可达到6 ) 。 水泥浆失重。 b 环空气窜的机理协1 “桥堵说”。水泥浆进入环空后，由于不断滤失，造成其水灰比急剧下降，导致水 泥浆静压传递受阻，使环空水泥浆液柱压力小于气层压力而发生气窜。为此，广泛采用 水泥浆降滤失剂来防止气窜。 “水泥浆胶凝失重说”。水泥浆进入环空后，当其静胶凝强度为4 8 2 4 0 p a 时，属于 由液态向固态转化期，水泥浆逐步失去传递液柱压力的能力，也是气窜易发生时期。为 此，研究开发了触变水泥、延缓胶凝水泥、直角稠化水泥浆体系、非渗透防气窜水泥浆 体系。 孑l 隙压力降低说”。在水泥浆凝固期间，由于水泥浆中的孔隙水随着水化和滤失 而不断减少，使水泥浆中的孔隙压力不断降低，进而导致气体侵入到水泥浆基体内产生 环空气窜。为此研究开发了发气水泥及泡沫水泥固井工艺技术( 也称可压缩水泥浆体系) 。 1 2 3 高压井防窜水泥浆体系研究情况 a d h l 乳胶水泥浆体系 胶乳是由丁一烯和苯乙烯两种单体按一定质量比，在配套助剂等作用下进行无规共 聚，得到丁苯共聚物。胶乳水泥浆由胶乳与配套水泥外加剂组成。具有良好的防窜性能、 失水控制和防漏失性能，可以改善水泥石的韧性，减小水泥环体积收缩，改善水泥环与 套管、地层的，同时具有耐腐蚀性能，延长油井寿命。 两安石油大学硕士学位论文 b 氮气膨胀水泥浆体系 氮气膨胀水泥浆是在水泥浆中加入一种添加剂，使其在被泵送或替到位置之后水泥硬 化前，在一定的温度和水泥浆的碱性条件产生氮气，气体均匀的分布在水泥浆体中，在液 柱压力作用下气泡被压缩，积累了一定的能量，在水泥浆液柱压力减小的过程中，其能量 逐渐释放，以平衡地层压力。 c 延缓胶凝水泥浆体系 延缓胶凝是指在水泥浆顶替到环空初期能够较长时间地保持液态，以传递液柱压 力，维持对气层的压力，当水泥浆水化后能够迅速形成较高的胶凝强度，尽可能减少水 泥浆由液态转化为同态的过渡时间，从而大大降低了发生环空气窜或气侵的儿率，这与 通常所说的“直角稠化时间”水泥浆属于同一类型。 延缓胶凝水泥浆配制方法有：通过在水泥浆中加入化学交联剂，在水泥浆水化反应的 同时，在控制的时间内利用化学交联反应，使水泥浆迅速形成一定的胶凝强度，达到防 气窜的目的；在水泥浆替浆到位以后到水泥浆凝固之前活动套管，保证水泥浆在初期能 够传递液柱压力压稳气层，在水泥浆即将凝固时停止，使水泥浆迅速凝固并形成强度， 从而减少水泥浆柱压力损失( 实验证明减小1 5 3 0 ) ，尽可能减少气窜发生的机会；在 替浆以后用环空中压力脉冲使水泥浆产生往复运动来延缓水泥浆胶凝。 d 晶格膨胀剂水泥浆体系 晶格膨胀剂是通过加入钙、镁化合物等碱金属化合物参与水泥水化反应生成膨胀性 晶体钙矾石、氢氧化钙、氢氧化镁等，补偿了水泥水化后的体积收缩，且使水泥石产生 微膨胀，主要分为单晶膨胀剂及双晶膨胀剂。 e 微硅水泥浆体系 微硅水泥是由高活性，颗粒细小的微硅与固井微细水泥按一定比例制定的拌和物， 国内实验表明，在同一气源压力下，微硅水泥的防窜性能优于纯水泥，而且微硅水泥中 微硅含量越多，发生气窜的可能性越小。 9 1 1 1 1 2 4 国内外高压油气井防窜固井工艺措施 a 管外封隔器固井 管外封隔器防窜同井技术主要是通机械的方法阻止油气上窜的通道，其原理是在水 泥静态凝胶强度还未形成时，马上降封隔器坐封，目前国内已经广泛使用，但是由于坐 封后降低了下部井段的液柱压力，一般封隔器下部的固井质量不是很好，而且对于有多 个压力系统的井段，如果使用管外封隔器就会出现层间互窜，所以管外封隔器的使用范 围也是有限的。 b 平衡压力固井工艺技术 核心是“高效顶替、整体压力平衡”。通过对固井施工方案的优化设计，在满足环 4 第一章绪论 空封固质量和尽量减小对地层污染的前提下，使整个注替过程中保持环空的动液柱压力 与地层破裂压力的平衡，保证在整个施工过程中不漏窜；在水泥浆凝结过程中保持环空 的静液柱压力和气窜阻力之和与地层孔隙压力平衡，获得良好的顶替效率，以实现优质 固井。 c 环空加压技术 环空加压技术是指在注水泥作业结束后，通过在环空加一定的压力( 现场加压的值一 般为2 _ 3 m p a ) ，保证环空中的液柱压力大于气层压力，达到防气窜的日的。环空加压技 术是应用最早、最为广泛目最经济实惠的防气窜工艺技术措施，也取得了一定的防气窜 效果。但因其存在着较大的局限性，越来越多地作为防气窜辅助技术。目前国内环空基 本上已经没有用机械蹩压候凝的大部分采用化学蹩压和环空液柱压力平衡的方法主要 采用添加剂增加水泥浆体系的胶凝强度和环空流体液柱压力来实现压力平衡如果受到 地层的限制非要进行环空蹩压，一般遵循以下几个原则： ( 1 ) 如果环空液柱压力大于储层最大的空隙压力，那么水泥浆初凝时开始蹩压如果环 空液柱压力小于储层最大的空隙压力，那么水泥浆到达储层时开始蹩压 ( 2 ) 环空蹩压压力多大应取决于储层最大的空隙压力、水泥浆失重后环空液柱压力 和储层最小的破裂压力。水泥浆失重后环空液柱压力加井口蹩压压力要大于储层最大的 空隙压力约2 3 兆帕，同时要小于储层最小的破裂压力。最大的空隙压力和最小的破裂 压力的安全系数按规范要求取5 。 d 分级同井技术 水泥浆失重压力随着封固段的加长而增大，从防窜的角度来讲，同井施工设计应该 尽量减小施工段长，对于必须长封固段封固的井，可以采用双级封固，目前的双级同井 应用相当广泛，经验已经相当成熟，对于高压长封同段的井可以作为首要考虑的方案。 e 振动固井技术 所谓振动固井是在下套管、注灰、顶替和候凝过程中，采用机械振动、液压或空气 脉冲、水力冲击等乎段，产生振动波作用于套管、钻井液和固井液来提高固井质量的一 项新技术。关于振动同井技术的研究，处于领先地位的应属俄罗斯和美国。通过大量的 室内试验、地面模拟试验和现场试验证明，振动可以提高水泥石强度，提高顶替效率， 消除水泥中的气泡，形成完好的水泥环，还可以缩短候凝时间，防止固井后的油、气、 水混窜，有利于提高一、一界面的胶结强度。国外在6 0 年代就开始这方面的研究工作， 主要以前苏联和美国为代表。前苏联己成功地使用了这项技术，有效地提高了固井质量， 获得明显的经济效益。国内在这一领域开始进行系统研究，1 9 9 2 年大庆钻井研究所对振 动同井技术进行探索性研究，1 9 9 4 年大庆钻井技术服务公司与大庆石油学院合作，研究 并设计了一种水力脉冲振动套管鞋。从室内试验和现场试验结果看，它的振动作用是比 较明显的。1 9 9 8 年辽河油钻井一公司和航天工业总公司6 0 6 研究所电子仪器厂防作研制 成功了井下水力脉冲振动发生器，并进行了1 7 口井的现场试验，优质率为9 4 ，取得 西安石油人学硕：j ：学位论文 良好效果。 1 2 1 3 1 国内对防窜水泥浆体系有一定的研究，但是导致油气上窜的因素往往是多方面的， 往往收不到满意的效果。因此目前针对不同区块，根据相应井下情况，通过开展对水泥 浆体系各项防窜外加剂的的作用机理，水泥流变学等一系列的研究工作，选取适合特殊 井下条件的防窜剂，开发具有良好防窜效果的水泥浆体系以及制定有效的防窜措施，尽 可能的减少气窜的可能性是当前研究的一个重要问题。 1 3 本文研究的主要工作 本课题的工作内容是以胜利油田义3 4 区块为技术攻关点，为解决该区块环空油、气、 水窜的问题、水泥胶结质量差以及井下复杂情况对固井施工的影响等技术难题，非常有 必要进行科研攻关。 本研究通过分析确定影响固井质量的主要因素，优化采用水泥浆体系，对义3 4 区块 区域水泥浆体系的研究及室内实验，优化固井工艺技术配套措施。项目完成后将会推广 到胜利油区的其他区块，对胜利油田的勘探开发研究有重要影响，这将提高胜利同井整 体技术实力、技术管理水平，取得非常广泛的经济效益和社会效益。 6 第二章高压油气井同井理论基础 2 1 固井的概念 第二章高压油气井固井理论基础 固井通常是指利用某种手段把裸眼段内下入的套管串与底层之间进行有效封固。常 用的固井方法有注水泥固井及m t c 固井。注水泥固井就是利用注水泥设备及工艺对套 管外环空注水泥，使套管和底层产生有效封同；m t c 固井就是利用某种手段将泥浆转变 成象水泥浆一样的可凝物体，使套管和地层产生有效封固。固井日的是封隔疏松、易塌、 易漏、高压等地层；封隔油、气、水层，防止互窜；安装井口、控制油气流，以利于钻 进和生产。固井的在生产中占有重要作用，同井是油、气井建井过程中的关键性工程。 一口油气井往往要使用十几年甚至几十年，若固井质量不好，不仅仅对其后的钻进、试 油带来困难，而且对今后的长期开采业将影响极大。 2 2 常用固井工艺 a 常规固井工艺 常规同井工艺是用水泥车、下灰车及地面设备配置好水泥浆，通过前置液、胶塞与 泥浆隔离后，一次性通过高压管汇、水泥头、套管串注入井内，从管串底部进入环空， 到达设计位置，以达到设计井段的套管与井壁间的有效封同。 b 插入法固井工艺 插入法固井工艺一般用于大直径套管固井，是用小直径钻杆插头与套管的插座式浮箍连 接，从钻杆中直接向套管外环空注水泥，减少了注水泥时在套管内的混浆和顶替时间， 同时水泥浆可提前返出从而减少因附加水泥量过大而造成的浪费。 c 尾管固井工艺 尾管固井是指对不延伸至井口的套管固井，这段不到井口的套管称做尾管。较短的 尾管可座于井底，但绝大部分必须要求实施尾管悬挂，这样管柱不弯曲，利于保证固井 质量，便于进行增产作业。尾管是由尾管悬挂器悬挂，悬挂器装在尾管顶部，挂于上层 套管内壁上。还有特殊的尾管形式，不悬挂与上层套管，而靠水泥环支持，称为“保护性” 尾管，主要用于处理大漏层、异常高压层、严重坍塌层、键槽井段等，亦属于钻进尾管 范畴。 d 分级固井工艺 分级同井工艺是指可以通过地面控制打开和关闭的一种特殊工具串连于套管中的一 定位置，在固井时使注水泥作业分两次或多次施工完成，该特殊工具称为分级注水泥器。 当同井封同段较长，而高压层又在下部井段时，可采用双凝水泥固井，就是封固井段的 上半段采用缓凝水泥浆，而下半段采用速凝水泥浆来封固高压层，上半段采用缓凝水泥 浆，水化速度慢，“凝胶失重”来的晚，避免了环空水泥浆同时“失重”，压力急剧下降的 7 西安石油人学硕士学位论文 现象。下半段采用速凝水泥浆，水化速度快，当上半段水泥还未“失重”时，下半段水泥 浆已经能够形成足够的强度来封闭高压油气水层了。 e 外插法固井工艺 外插法固井一般在大井眼浅井固井中使用，工艺特点事在套管外环空中插入多个细 管，从细管中注入水泥并从套管外环空中返出，以达到固井的目的。 f 反注水泥法固井工艺 反注水泥法固井一般在套管底部漏失严重的井固井中使用，工艺特点是从套管外环 空按设计量向井内注水泥，从套管内返出泥浆，有时井底严重漏失时，泥浆直接漏入地 层，再用泥浆将水泥浆替到预定位置，以达到固井的目的。 1 4 1 7 1 2 3 各种固井水泥外加剂作用机理 固井质量的好坏除与水泥浆的失水，水泥浆的流态有关外，还与水泥浆的凝结时间有 关。对于某些特殊的固井技术，如高压油气井同井，主要参考指标是水泥浆体系的防窜指 标。面对如此苛刻的条件，必须对所选配的水泥# l - 力n 剂进行优选，才能满足现场生产需 要。 目前，国际上化学外加剂的发展呈现如下几个趋势：( 1 ) 油井水泥化学外加剂的理论研 究向纵深发展；( 2 ) 油井水泥外加剂的新品种不断涌现，性能不断改善，用途不断扩展；( 3 ) 油 井水泥外加剂的品种与特性越来越多地受到环境保护的制约；( 4 ) 油井水泥外加剂的标准 逐步向国际化看齐。 国内，对防窜水泥体系有了一定的研究，并在现场也有成功试验的报告。在基础工 作方面开展了对水泥浆体系各项水泥外加剂作用机理、水泥浆流变学等一系列研究工作， 对于推动本学科发展起到重大作用。但是我们的水泥浆体系的研制和应用在高压高温、 防止油气窜这一部分比较薄弱，而对我国地质结构复杂，很多油井处于高压的地质情况 下，没有应用，不能对现场使用效果进行对比，有待于进一步的现场试验。 2 3 1 减阻剂 油井水泥是一种高浓缩同相颗粒水基悬浮体，固相浓度可高达7 0 。这种悬浮体的 流变性、固相体积和同相颗粒间的相互作用直接有关。在水泥浆水相中含有大量离子核 和有机外加剂，所以水的组成不同流变性也随之不同。水泥浆的固相含量直接决定水泥 浆的密度，而颗粒间的相互作用则取决于表面电荷分布。减阻剂的作用是通过调节颗粒 表面的电荷分布以获得合适的水泥浆流变性。降低水泥浆的流动阻力，减少固井施工压 力，防止井漏，同时，使用减阻剂能使水泥浆在较低的泵送速度下达到紊流，提高了对 井壁和套管壁的冲洗效果，又延长了冲洗驱替的“接触时间”，从而提高对钻井液的顶替 效率，有利于提高同井质量。 8 第二章高压油气井同井理论基础 国内外使用的油井水泥减阻剂分为通用型、饱和盐水型和抗沉降型。按其化学组分 可归纳为以下几大类：木质素磺酸盐及其衍生物；聚萘磺酸盐类；磺化酮醛缩聚 物；水溶性蜜胺树脂；磺化乙烯基单体聚合物及其衍生物；柠檬酸类；( d a m p s ( 2 丙烯酰胺基一2 一甲基丙磺酸) 聚合物类；其它，如糖类等。 减阻剂的作用机理： 由于减阻剂多半是表面活性剂，它可以吸附于水泥颗粒表面上，增加水泥颗粒的相 互排斥力，水泥颗粒不易聚结，提高了水泥颗粒的分散性，同时，因减阻剂分子带有亲 水基团。本身可以吸附一层薄膜水使水泥表面形成溶剂化外壳，减少颗粒间摩擦力，从 而减小阻力，提高水泥浆的流动性能。 水泥浆中加入减阻剂就是为了分散水泥颗粒之间的胶凝结构，减少水泥浆的剪切应 力( 即屈服值) ，使水泥浆呈良好的流态。常用的减阻剂大多属表面活性剂，其作用机理 通常认为有以下几方面的原因： ( 1 ) 吸附一分散和释放游离水机理 水泥矿物带有不同电荷，在水化过程中可通过异性电荷相吸引起絮凝，从而降低水 泥浆的流动性。在水泥浆中加入减阻剂后，减阻剂的作用基团可定向的吸附于水泥颗粒 表面，使水泥颗粒带有同性电荷，在电性相斥的作用下，使水泥水化初期形成的絮凝结 构分散解体，释放出絮凝体内的游离液，从而提高水泥浆的流动性能。 ( 2 ) 形成扩散双电层 在水泥浆体系中，水泥水化使水泥颗粒表面带有电荷，当掺入减阻剂时，减阻剂的 阴离子基团或聚阴离子则可定向吸附到水泥颗粒的表面，形成单分子或多分子吸附层， 使水泥颗粒均匀的带上电荷，从而改变了水泥浆体系的电位。随减阻剂浓度增加，吸附 量增加，电位也随之增加。在扩散双电层的作用下。颗粒间相互排斥消除了水泥浆体系 的絮凝网状结构，达到分散的目的。由吸附理论可知，减阻剂实际上存在一个最佳掺量， 此时水泥质点带有相同电荷。这一最佳掺量取决于减阻剂本身的结构、水泥矿物的组成、 水灰比及水泥浆体系中的其它外加剂。 ( 3 ) 润湿、润滑作用 表面活性剂的润湿作用会增加水泥颗粒的水化面积，使水分向水泥颗粒的毛细管渗 透，加速水泥的初期水化，促进水泥早期强度的发展，并可定向吸附于水泥颗粒表面， 与水分子以氢键的形式缔合起来并在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化膜，这层空间 壁障阻止了水泥颗粒的直接接触，起到了颗粒间的润滑作用。 ( 4 ) 微气泡润滑作用 表面活性剂类减阻剂，可降低同一液表面的自由能，引入一定量的微量气泡，这些 微气泡被减阻剂吸附的分子膜包围，并与水泥质点带有相同符号的电荷，使气泡与水泥 颗粒电性相斥而分散水泥颗粒，增加水泥颗粒之间的滑动能力，更好的分散水泥浆体。 聚合物类减阻剂，其分散作用与表面活性剂类不同，通常认为掺入水泥浆中的聚合 9 两安石油大学硕士学位论文 物电解质，主要通过颗粒间的机械排斥作用来分散水泥颗粒，阻止水泥颗粒间的紧密靠 近已达到分散的目的。 当使用减阻剂时，还要考虑另外三个副作用： ( 1 ) 水泥浆凝固时间延长，特别是在低温条件下； ( 2 ) 通常会损坏触变性能； ( 3 ) 抑制氯化钙速凝作用。 2 3 2 缓凝剂 三大油井水泥外加剂之一的缓凝剂，目前受到普遍重视，其研制开发工作迅速发展 起来。为了满足石油工业高压高温油气井固井工程，对固井水泥缓凝的特殊要求，单靠 改变水泥熟料化学成分及其矿物组成的基本方法，难以对付和适应，因此在深井固井作 业中为了防止泵送水泥浆在整个泵送过程中快速稠化和凝结，必须加入适当的缓凝剂以 使注水泥作业安全顺利进行。缓凝剂是一种能延缓水泥和水之间反应速率的外加剂，它 能使水泥浆体的水化诱导期延长，水化速度减慢，使水泥浆的凝结时间推迟。为满足施 工技术要求，正确选用和合理使用缓凝剂，已成为合理设计水泥浆配方的重要工作。由 于井温的增加比井深( 压力) 的增加更能缩短水泥浆的稠化时间，因而必须对温度的影 响给与特别的注意。目前，我国同井所采用的水泥缓凝剂主要有木质素磺酸盐、丹宁、 糖类、酒石酸、硼酸及其盐类等。 缓凝剂作用机理： 油井水泥缓凝剂的作用机理仍是一个有争议的问题。目前有许多种机理来解释缓凝 机理，但都不尽全面。其中有两个因素值得考虑：一是缓凝剂的化学性质；二是与缓凝 剂相作用的水泥相。下面简要介绍关于缓凝作用机理的四种主要理论： ( 1 ) 沉淀假说 这种学说认为有机物在水泥颗粒表面形成一层不溶性物质的薄层，阻碍水泥颗粒与 他们进一步接触，因而延缓了水泥的水化反应速度。首先抑制铝酸盐组分的水化反应速 度，对硅酸盐组分的水化也起一定的抑制作用，因此使c s h 和c a ( o h ) 2 的形成过程 变慢。 ( 2 ) 络盐假说 无机缓凝剂分子与溶液中的c e + 离子形成络盐，因而抑制了c a ( o h ) 2 结晶的析出。 如水泥浆中掺入硼酸、酒石酸或其盐类时，其生成与钙钒石相似的化合物( 或络合物) c 3 a 3 c a ( o h ) 2 3 h 2 0 ，由于水泥颗粒形成一层厚实而无定性的络合物薄层( 阻止水渗 入水泥颗粒内部的能力比一般水化产物要强得多) ，从而延缓了水泥的水化、结晶析出。 ( 3 ) 吸附假说 由于水泥颗粒表面较强的吸附能力，水泥颗粒表面吸附缓凝剂，通过离子键、氢键 1 0 第章高压油气井同井理论基础 和偶极键的作用，形成一层抑制水泥水化的缓凝剂膜层，屏蔽了水泥颗粒表面与水的接 触，阻碍了水泥水化进程。 ( 4 ) 成核生成抑制假说 缓凝剂吸附在水化产物的微核上阻碍它进一步生长，从诱导期到加速期，阻碍从液 相中析出的c a ( o h ) 2 结晶成核，从而起到缓凝作用。 在某种程度上，上述四种机理有可能在缓凝过程中都发生，所以应综合考虑。我们应 根据其机理，对水泥浆体系研究提出可行的技术参数，以配制出可行性水泥浆体系。 2 3 3 降失水剂 降失水剂是能够控制水泥浆的滤失速率以保持水同比不变的外加剂。水泥浆在压力 作用下，通过渗透性的地层交替注水时，极易产生滤失现象。一旦失水开始，对水泥浆 体系造成严重损害，会危害固井施工，影响固井质量。要减少泥浆失水，应该减小同井 压力，但压力受井眼深度、环空隙大小、钻井液性能等因素影响，一般很难控制。在这 种情况下，最有效的方法是在水泥中添加降失水剂。但是许多降失水剂可能由于以下一 个或几个缺点而限制了在高密度体系的应用： ( 1 ) 在低温条件下抗压强度发展过于缓慢； ( 2 ) 在含盐环境中失效； ( 3 ) 水泥浆的粘度高到不能接受的程度； ( 4 ) 水泥浆过度分散； ( 5 ) 随着温度的升高而失效； ( 6 ) 仅能以液体形式供应； ( 7 ) 要求水泥浆中有磺化有机材料才能控制失水。 降失水剂作为水泥浆外加剂的一种，其性能的好坏直接影响着固井作业的成败。因 此，在对深井超深井水泥浆的设计过程中，应充分考虑井下温度对降失水剂效果的影响。 有些降失水剂在中温时有效，而有些又是在高温时效果良好。在使用降失水剂时，必须 认真考察它的使用温度界限，在温度接近它的使用限度时，就不能选用，否则将失去降 失水效果，造成同井作业失败。另外，同井环境的盐度大小对于降失水剂的作用效果也 有着显著影响。因此，如何提高降失水剂的抗温抗盐性已成为一个亟待解决的问题。 降失水剂作用机理： ( 1 ) 物理充填堵塞作用 用降失水剂配制的水泥浆，在一定压差作用下，分散在水泥浆中的降失水剂超细颗 粒进入滤饼微孔隙中，并堆积在水泥颗粒之间，形成可降低渗透性的水泥滤饼，控制水 泥浆中液体向渗透性地层漏失的速度，达到降低水泥浆失水的目的。 ( 2 ) 吸附和聚集作用 两安石油人学硕十学位论文 吸附和聚集双重作用是聚合物材料类降失水剂控制失水的主要作用机理。含有聚合 物的水泥浆，聚合物微小颗粒或吸附在水泥颗粒表面，或通过相互交联桥接作用形成胶 结的网状胶体聚集体，束缚更多的游离液，此水泥浆在一定的压差下，于滤饼和地层交 界处形成薄薄的一层非渗透性、韧性的膜或是薄而致密的非渗透性滤饼，阻止水泥浆中的 自由水向渗透性地层渗透，从而控制了水泥浆失水。 ( 3 ) 提高液相粘度 聚合物水溶液的粘度和聚合物浓度与其分子量大小有关。高分子聚合物通过增大游 离液相粘度来增大游离液向地层滤失的阻力，从而降低了水泥浆向渗透性地层失水，但 这种聚合物将导致水泥浆稠度大，很少单独使用。 降失水剂的作用机理因所加外加剂的类型不同而不同，当流体通过水泥颗粒形成滤 饼时，决定其失水量的直观因素主要有三点：一是水泥颗粒的几何形状和尺寸；二是流 体粘度；三是水泥浆颗粒和流动介质间的相对电荷。由较大比表面积和适度级配的水泥 浆颗粒，且流动粘度较大，水泥浆颗粒与流动介质间的相对电荷适度时，滤饼质量好， 失水量少，对于水溶性降失水剂其官能团与水结合形成吸附水，从而使水泥颗粒表面带 有结构吸附水层的外层。这种结构吸附水层在低速梯度下的粘度要比自由水的粘度高许 多倍，可阻止水泥颗粒聚结，保持颗粒大小的适当分布，它的线性分子的不同链节可以 在水泥颗粒上，通过这些颗粒的桥接，可形成布满整个体系的混合结构网，进一步阻止 颗粒的聚结，使固井水泥浆在注替过程中能保持适当的颗粒分散性，足以形成薄而致密 的滤饼。这样，通过改变聚合物的分子量及分布和它所带的电荷，可改善滤饼质量，使 失水量降到最低值。 2 3 4 膨胀剂 普通硅酸盐油井水泥硬化后，水泥石体积发生收缩，即产生“化学收缩”，收缩率 可达4 以上，使水泥与套管或水泥与地层之间形成微环隙，影响水泥与套管及地层间 的同结质量，可能导致油、气、水窜。而在水泥中添加膨胀剂，是封闭微环隙从而提高 固井质量的有效措施之一。在井内条件下，由于受到套管和地层的限制，掺有膨胀剂的 水泥水化后可产生轻度膨胀，可堵塞环空微环隙，改善水泥石内部结构，减小水泥石渗 透率，提高水泥石两界面的胶结质量。 膨胀剂作用机理： ( 1 ) 晶格膨胀剂的膨胀机理 晶格膨胀剂，可使油井水泥在高温高压下发生膨胀。这类膨胀剂由镁、钙的氧化物、 硫酸盐和碳酸盐以适当配比混合而成。这种膨胀剂在油井水泥中遇水水化后聚合而生成 镁羟基硫酸盐氯化物的无机多水混合物。所形成的水泥石在高温高压下具有高抗压强 度和稳定的膨胀率，可在一小时内完全溶于15 的盐酸。故掺入这种膨胀剂的水泥又被 1 2 第二章高压油气井同井理论基础 称为酸溶性镁氧水泥。由镁氧水泥的组成可以看出，其主要膨胀源为镁、钙的化合物， 辅助膨胀源为硫酸盐。这些结晶态物质在水化过程中生成水镁石、羟钙石和钙矾石( a f t ) ， 并伴随较大的体积膨胀，其膨胀量分别为水化反应前固体体积的2 1 9 倍、1 9 8 倍和2 2 9 倍。三种膨胀源的水化速度和水化达到最大膨胀量所需的温度和时间不同，使膨胀过程 从水泥与水混合后开始，一直延续到水泥凝固后的很长时期。硫酸盐的水化速度最快、 钙的化合物次之、镁的化合物则要慢一些，油井水泥在整个侯凝阶段和凝固后都能保持 稳定的膨胀。油井的温度随井深而增加，当全井注水泥时，井温低于7 5 的井段以钙的 化合物和硫酸盐的膨胀为主，而高温井段则以镁的化合物和钙的化合物膨胀为主( 此时已 没有a f t 生成) ，三种膨胀源的作用此消彼长，使水泥环的胶结性能改善。 膨胀水泥的膨胀动力分为吸水肿胀压和结晶压两大类。c a o 和m g o 的膨胀过程及 其作用机理相似：水泥浆的膨胀起因于膨胀剂水化产物( 晶体) 的生成和生长。这些晶体 在局部区域内生成，浆体膨胀主要取决于水化晶体生成的位置及尺寸。聚集在未水化膨 胀剂颗粒表面附近的细小的水化产物( 晶体) 能产生较大的膨胀，粗大的分散在未水化膨 胀剂颗粒周围较宽区域内的水化产物( 晶体) ，所引起的膨胀较小。膨胀的直接驱动力来 自于水化产物( 晶体) 的肿胀压和结晶压。在膨胀剂水化早期，水化产物的晶体很小，浆 体膨胀主要起因于肿胀压，随着水化产物的长大，晶体的结晶生长压变为膨胀的主要动 力。在油井水泥中，部分m 9 2 + 和c a 2 + 扩散到大孔中结晶，起充填孔隙的作用，部分m 矿+ 和c a 2 + 就地形成细小的氢氧化物晶体。在高温高压下g 级水泥石中大部分孔径小于氢氧 化物晶体尺寸，一旦氧化物水化膨胀就会造成水泥石的受限体积膨胀( a f t 早期形成，产 生塑性膨胀) ，从而压缩水泥石孔隙，产生预应力，起到改善界面胶结性能、防止气窜的 作用。 ( 2 ) s e p 型膨胀剂作用机理 s e p 型膨胀剂体系均含有钙、铝、镁氧化物和石膏，在水泥水化条件下能促使高硫 型硫酸铝钙( 即钙钒石) 的形成及生长。随着水化反应的进行，钙钒石结晶体不断长大， 并填补水泥石内孔隙结构。这种体积长大是在有限空间内进行，对套管和地层均产生预 应力，又称“化学预应力”，增加水泥石与套管、地层两界面的连接力；又由于向水泥石 孔隙内膨胀，使水泥石结构致密，提高了水泥石的抗压强度并降低了渗透率。 ( 3 ) 氮气膨胀剂发气防气窜机理 窜流形成的原因，一般认为有两种原因所致：一种是“失重”理论，即水泥浆进入 初凝状态时，不能有效传递液柱压力，导致水泥浆液柱压力小于地层压力，从而发生窜 流；另一种是微环隙一微裂缝理论，即水泥水化过程中