钻井工程-固井工艺与质量检测

固井是钻井工程的临门一脚,钻井是勘探开发的必由之路,第八章固井工艺与质量检测第一节固井工艺第二节油井水泥第三节前置液与外加剂第四节固井质量检测第五节提高固井质量的技术,何为固井？WellCementing,固井就是将水泥注入井壁与套管之间环空的过程。固井工程是指通井处理钻井液、下套管、再循环处理钻井液、注水泥、候凝、封固质量检测到装井口交井的全过程，是涉及多学科多专业（石油工程、化学工程、硅酸盐科学、高分子科学、流变学等）的一个系统工程，核心是经济合理地设计套管柱和安全优质地注入水泥浆。固井的目的是保护地表水、封隔地层和支撑套管柱。,2001,2002,2000,1997,第一节固井工艺一、固井地面设备二、常规固井工艺三、特殊固井工艺,一、固井地面设备,循环钻井液注前置液和水泥浆压胶塞替钻井液碰压,二、常规固井工艺,钻井固井过程（Drilling-CementingProcess）,三、特殊固井工艺双级固井,三、特殊固井工艺尾管固井,机械式尾管悬挂器,尾管悬挂示意图,第二节油井水泥一、油井水泥的制造方法二、油井水泥水化机理三、油井水泥水化伴随现象四、油井水泥性能与测量五、影响油井水泥性能的因素,一、油井水泥的制造方法（干法和湿法）,石灰石粘土铝矾土硅石铁粉荧石等,生料,按比例混合,1450,熟料,油井水泥（水硬性胶凝材料）,加石膏或外加剂，并研磨,分四个阶段：,（1）预热干燥300600，烧掉有机物质（2）石灰石分解900：CaCO3分解出CaO和CO2（3）高温化学反应1450，生成C2S、C3A、C4AF、C3S（4）冷却、出窑,磨细,油井水泥分级ABCDEFGH（J）,二、油井水泥水化机理,那么，油井水泥的水化产物是什么？这些产物有什么样的性质？高温水泥石强度退化的根源是什么？加砂又为什么能防止这种退化？下面我们就以国产APIG级油井水泥为例进行剖析。,三、油井水泥水化伴随现象放出水化热、胶凝失重、失水与析水、体积减缩、“闪凝”、“假凝”等。A.放出水化热井温测井、“微环隙”,起始期迟缓期凝结期硬化期（几分钟）（几十分钟几个小时）（几十分钟）（几天数年）,放热量由大到小：C3A、C3S、C4AF、C2S,B.胶凝失重Sabins,F.L.失重公式：,水泥浆柱有效压力在初凝前降至水柱压力。测出水泥浆在初凝时的胶凝强度(该值约为1650Pa)，即得水泥浆在初凝前浆柱有效压力的计算公式：当s时：当s时：,那么，是不是水泥浆柱压力低于地层压力就发生气窜呢？,水窜流量的变化规律,可以看出：水泥石水导率随水窜时间增加而降低，这说明在水侵时间内，水泥浆内部的水化仍在进行，仍在不断封闭着水运移的通道，提高自身的抗窜能力。,那么，为什么水泥浆柱压力低于地层压力还不会立即发生气窜呢？,气侵阻力水泥浆结构阻止地层流体进入浆体的能力,C.失水与析水失水的危害：（1）水泥浆“瞬凝”，导致固井失败。（2）水泥水化不充分，造成固井质量差。（3）水泥浆体积减少，诱发油气水窜。（4）水泥浆向产层失水，污染油气层。析水的危害：（1）水平井形成连续性水带窜槽。（2）垂直井形成横向水带和纵向水槽。,压力对水泥浆失水量的影响,注：试验水泥浆浆总量为38235ml。,D.体积减缩水泥内部体积减少：以真空微孔隙的形式分布于水泥石中，造成其孔隙压力下降。水泥表观体积收缩：,总的体积减缩分为两个部分：一部分是外部体积收缩，收缩率为46；另一部分是结构内部收缩，收缩率小于1。体积收缩顺序：C2S（1）C3SC4AFC3A（16）,水泥浆某时刻水化引起的总收缩率：,水泥浆某时刻失水引起的体积收缩值：,水泥浆某时刻水化引起的总体积收缩值：,E.“闪凝”闪凝是指把波特兰水泥熟料单独（即不加石膏）研磨后与水混合，C3A会迅速发生反应而发生不可逆转的稠化现象。产生的原因有两个：一是因研磨时未加入石膏，水泥中含的铝酸盐和硫酸盐相互作用而造成的。二是因水泥中石膏的含量和熟料的活性不匹配，在早期水化阶段C3A与水过多地反应（即C3A的溶解度大而C3S和石膏的溶解度小）而造成的。,F.“假凝”假凝是因水泥中存在的半水石膏或可溶性无水石膏的过量溶解，（有时也会因水泥与外加剂不相容造成絮凝而引起），使浆体液相成为过饱和硫酸盐溶液，导致石膏快速结晶析出针状二水石膏而形成网状结构.假凝使浆体刚性迅速增加，但无大量热放出；立即搅拌，刚性消除，塑性又恢复。解决的方法有：降低粉磨温度、控制产品质量、调整水泥外加剂品种和加量等。,四、油井水泥性能与测量,密度流动性能稠化时间强度失水量自由水抗腐蚀能力渗透率,五、影响油井水泥性能的因素,矿物组分水泥细度水灰比温度压力,一、前置液二、外加剂,第三节前置液与外加剂,一、前置液,二、外加剂,缓凝剂速凝剂早强剂分散剂降失水剂加重剂减轻剂膨胀剂热稳定剂增韧剂,第四节固井质量检测,目前的固井质量检测方法：声幅测井（CBL）变密度测井（VDL井温测井水泥胶结评价测井（CET）,A.声幅测井（CBL）,胶结好，声幅小；胶结差，声幅大。,典型声幅测井图示,深度m,水泥浆密度为1.752.10g/cm3声幅(15%,30%,为固井质量合格声幅15，为固井质量优质声幅30，为固井质量不合格,水泥浆密度1.75g/cm3声幅(20%,40%,为固井质量合格声幅20%，为固井质量优质声幅40%，为固井质量不合格,B.变密度测井,固井一界面胶结好，二界面胶结差，则套管波信号弱，地层波信号也弱；一二界面胶结都好，则套管波信号弱，地层波信号强。一界面胶结差，则很难判断二界面的胶结情况。,（VDL）,变密度测井图解释,（a）无水泥的自由套管密度测井（b）注有水泥段套管密度测井,C.井温测井,主要用途：确定水泥返高，作为水泥充填程度的补充解释。测井时间：固井后1224hr内，过早或过晚都会影响测量结果。,D.水泥胶结评价测井（CET）CET在360圆周上每隔45共安排了8个换能器，并呈螺旋分布排列，这8个换能器既是发射器又是接收器。声波脉冲的衰减率取决于环空介质的声阻抗：套管外为钻井液时，其声阻抗小，衰减很慢；套管外为水泥浆时，其声阻抗较大，衰减很快；而且，水泥石的强度越高，其声阻抗越大，声波能量衰减越快，即衰减能反映水泥石的强度。,第五节提高固井质量的技术提高固井质量主要应从三个方面入手：一是提高对钻井液的顶替效率二是防止固井后油气水外窜三是提高水泥环界面胶结与密封质量,尽管固井顶替机理的研究历史已60余年，但鉴于其复杂性，目前仍不十分深入。主要体现在实验方面：按照动力学相似原理要求，室内模拟的参数需要与相应的现场数值相匹配，但难度很大。理论方面：难以建立一套准确描述任意井下条件的动态模型和定量分析法。实用方面：现场施工参数很难同室内测量参数相吻合。,一、提高对钻井液的顶替效率,A.顶替效率：,无量纲顶替时间：t*tQ/V,钻井液,（d）,（c）,（b）,（a）,水泥浆,顶替界面变化情况,Z=L,Z=0,入口,出口,B.顶替时的作用力与反作用力钻井液的阻力和水泥浆的驱动力是保证两相流体顶替效果的基本因素。,C.顶替流态,窄隙处钻井液窜槽示意图,S=50%时，窄隙处的钻井液窜槽占整个圆周的1/3，测井声幅值高达36%。,D.套管偏心度的影响,套管偏心度：,E.井径扩大的影响,顶替模拟实验发现：当k15%时，切开井筒断面可见由井径小到井径大的扩大处，形成钻井液、前置液、水泥浆相互混掺的滞留区，水泥浆凝固后的强度很低，两个界面的密封性能也很差。,影响顶替效率的因素还有：,顶替时间和紊流接触时间流变性能密度差活动套管与否泥饼、胶凝物和固相沉积“死泥浆”的影响,提高顶替效率的方法：井眼状况套管居中流变设计活动套管,二、防止固井后油气水窜提高固井后水泥浆柱压力环空加回压控制水泥返高采用防气窜水泥固井,三、提高水泥环界面胶结与密封质量,第一类是常用的物理或机械方法。为解决油气井环空胶结质量问题，国内外学者先后研究并提出了紊流顶替、壁面剪切、活动套管、膨胀挤压、纤维增韧、用刮泥器等固井技术方法。这些方法的出现对油气井环空封隔无疑是十分有益的，但鉴于固井二界面问题的复杂性和现场施工条件的局限性，面对我国油气井泥饼质量差和井径不规则这两大客观事实，它们各自所能达到的效果是比较有限的，表现为目前国内固井一界面胶结良好而固井二界面胶结质量问题依然较为突出。,第二类是特殊的MTC方法。MTC是一项20世纪90年代世界前沿的固井技术，它解决了钻井液与水泥浆的相容性问题。事实上，若采用目前国内采用的一般钻井液法，因钻井时仍用常规钻井液，对解决固井二界面封隔问题显然不会有明显作用；若采用全部钻井液或部分钻井液法（