固井施工技术

1、固井施工技术21 水泥浆与固井 工程的关系3慨述 固井是怎个建井周期的重要环节，固井质量的好坏直接关系到油.气田的勘探与开发，一口井的成功与否，往往与工程设计和施工工艺技术有着密切的联系。 随着钻井技术的发展.深井.定向井.大斜度井.调整井是今后钻井发展的方向。因此对固井工程来讲，就面临着更大的挑战， 难度也就更大。 要想成功的固好一口井，就必须采用新的方法.新的工艺.新的技术。 固井工程是一个系统工程,固井质量的好坏，它与钻井到完井过程中所有技术的实施有着很重要的关系。因此，影响固井质量的原因是一个综合因素。为了能获得较好的.甚至优质的固井质量，就必须对影响固井质量的因素有一个较为全面的了解

2、，这样才能提出一个合理的设计方案。4一.固井质量的基本要求 1.保证良好的层间封隔，无窜流； 2.要有保证支撑套管、承受压裂的水泥石强度； 3.具有耐地层水腐蚀的能力。 目的：下次开钻能顺利进行满足开采工艺 延长生产寿命5二.影响固井质量的主要问题 1.顶替不完全 主要反映在：窜槽混浆 （声学特性差声幅值偏高） 2.漏失与窜流 液柱压力与地层压力达不到平衡 3.水泥浆体系设计不合理 超缓凝外加剂相溶性差 水泥浆与泥浆相溶性差6 出现上述质量问题所采取的补救措施往往需要花费大量的资金，根据美国在海洋钻井的统计数据可以说明： 表1 质量问题与补救费用问 题 出现机率 （%） 补救费用 （$）修补作

3、业费 （ $ ）返 高 不 足 35 5600 1960管 鞋 出 水 25 26100 6525顶 替 窜 槽 5 3000 150气 窜 5 25900 1295单井修补费 用 99307表2 补救作业成本与基本注水泥作业费用关系 作业类型 基本作业费 （$） 补救作业费 （$） 补救基本费 （%） 表 层 18100 9930 55 技 术 52200 7600 15 尾 管 22200 26600 120 产层 固井 23800 19900 848综上所述，要获得较好的固井质量，必须遵循以下两点：1.要有完善的水泥浆设计 包括: 体系， 性能 ， 浆柱结构。2.科学化的注水泥设计9三.

4、水泥浆设计1.水泥浆设计的约束条件 a.了解油藏特性（主要针对尾浆） 水泥浆所在位置深度的油，气，水流体性质； 完井开采方式。 裸眼，射孔，酸化，压裂，注水，热采等。 b.地质条件限制（主要针对体系的选择） 井深，岩性，井温； 10 地层压力，孔隙压力，漏失压力，坍塌 压力； 有无盐层或腐蚀性流体。c.施工条件的限制（主要针对注替工艺） 井眼几何尺寸，注水泥工艺方法； 混配方法，施工设备能力； 密度控制能力，完井液处理情况。112.固井作业对水泥浆的基本要求 配制和注替过程中,保持可控的流动能力; 在井下温度和压力条件下保持足够的可泵时间; 静止后应具有快速凝固和体系稳定的特性,并保持体 积不

5、变; 凝固后的水泥石强度满足施工要求,致密性好, 抗腐 蚀; 有一定塑性,能抵抗射孔的震动和冲击; 应具有一定的 防窜能力.123.水泥浆性能设计密度 硅酸盐水泥本身的密度波动范围是：3.053.20 g/cm3 其中： c3s 3.15 g/cm3 c2s 3.28 g/cm3 c3a 3,04 g/cm3 c4af 3.77 g/cm3 施工中水泥浆的密度主要与设计的水灰比，外掺料的密度及加量有关。 确定水泥浆密度的基本原则： 水泥浆密度下套管时完井液的密度 即: cm0.24 g/cm313 施工中若密度波动大则将导致水泥浆整体性能的改变： 如： 固化强度， 致密性， 水泥的收缩程度，

6、稳定性等 因此，施工中控制水泥浆的密度变化范就显得尤为重要。14 水泥浆和泥浆均属非牛顿液体，它的流动规律与牛顿液体有很大的差别，掌握水泥浆的流变性主要用于： a.计算注水泥和替泥浆时的施工参数（排量，压力）选择相适应的施工设备； b.根据地层承压能力，确定水泥浆的上返速度，以及流态的确定；15 析水率的大小主要反映出浆体的稳定性。 水泥浆属于多相不稳定体系，根据斯托克司方程可计算出固相颗粒的下沉速度。 v = 2（s - w）g d2s / 9 公式中可以看出： a.下降速度与固相颗粒的直径成正比； b.与液相的粘度成反比。 因此，析水率的大小与外掺料颗粒直径的级配有很大的关系。 根据api

7、标准要求：析水率1.4%16 控制水泥浆的析水,其根本目的是保证水泥浆的稳定性。稳定性的好坏主要表现在浆体静止过程中浆柱密度的整体差异，若浆柱上下密度差值大，则水泥石的凝结特性将发生根本的改变，其后果将导致油、气、水窜。特别是对于定向井、大斜度井来讲，该项指标尤为重要。17 水泥浆滤失性能对注水泥施工和固井质量的影响一直是钻井界非常关心和有争议的问题。水泥浆的api失水量一般都很大，未进行失水控制的滤失量一般都在1000ml/30min以上，含自由水较多的水泥浆在井下环形空间流动和候凝时，自由水有可能进入地层，从而引起水泥浆性能发生变化，这些变化主要包括： 18 a.水灰比的变化、b.密度的变

8、化、c.流变性的变化、d.稠化时间缩短，e.甚至可能丧失流动性。19影响失水的主要因素a.水泥浆的性质 主要反映浆体本身的胶体性质，只有当水泥浆中分散的胶体离子数量足够多时，水泥浆的失水就能控制到较小数值；b.压差 压差也是影响水泥浆失水的重要因素之一，按api标准，水泥浆实验时的 压差值规定为7mpa，从大量的实验证明，水泥浆的失水量随压差值变化而变化；20表1-1不同压差下水泥浆的滤失速率 项目 条件无泥饼有泥饼api失水ml/30350250150350600150温度。c353535355575压差mpa0.70.70.7777平均失水速率ml/s5.33.71.121.58 10-2

9、7.0 10-22.1 10-2平均压降速率g/cm3.s0,9481.040.134.05 10-22.1 10-21.08 10-221c.水灰比 根据大量实验研究证明，水泥水化时所需水量是水泥重量的2025%。在固井施工中为了保证水泥浆的流动性，设计时水泥浆的水灰比一般都确定在0.5左右，有时甚至高达0.8以上。 由于施工的要求，水泥浆中存在大量的过剩自由水，它不但使失水量增加，同时也伴随着浆体的稳定性下降，它所带来的危害主要表现在： a.形成上下连通的水道； b.形成纵向或横向水袋； 这是造成油气水窜的根本原因。22d.地层的渗透性（或渗滤介质） 水泥浆失水量的大小不但与水泥浆的体系有

10、关，而且与地层的岩性以及渗滤介质有关。 api标准中给出了计算及： 其中： q30 30分钟的失水量， qt t分钟的失水量， t t分钟 （分钟） 公式在325目筛网，7mpa压差下通过实验结果进行计算获得，从计算结果分析，它并不代表真实的井下失水情况，仅能作为一个相对的衡量指标。那么水泥浆通过实验获得的失水量与井下实际的失水情况有什么关系。针对这个问题进行的研究表明：tqtq477.530 23表1-2 渗滤介质对水泥浆滤失量的影响降失水剂加量api失水ml/30minapi失水速率ml/s30-40md岩芯滤失速率ml/s30-40md岩芯有泥饼时滤失速率ml/s30-40md岩芯除去泥

11、饼时滤失速率ml/s%193246.1310-3130 10-30.15 10-390 10-30.6%1734.13 10-366.810-30.19 10-31.54 10-31.0%561.34 10-31.24 10-30.20 10-30.33 10-324从表1-1，1-2的数据可以明显看出： 在不同降失水剂加量的情况下，尽管api的失水量差别很大，以及岩芯未被污染的条件下，水泥浆的失水有较大的差别；但是，当岩芯上存在泥饼后，水泥浆的失水量呈数量级下降； 在不同压差的情况下，岩芯上有泥饼和无泥饼的条件下，水泥浆的失水速率竟相差100倍。 这可以说明，在井下当井壁存在泥饼的状态下，滤

12、液向地层滤失的流动阻力大大增加，证明泥饼（内，外泥饼）对阻挡水泥浆滤液向地层滤失的作用不可忽视。25 实验数据证明了渗滤介质对失水的阻挡作用，这并不是说施工中可以不考虑水泥浆的失水问题。降失水剂不但可以起到控制水泥浆失水的作用，同时更重要的是可以保持水泥浆的稳定性；使水泥浆在凝结过程中将自由水均匀地束缚在水泥石的孔隙内，避免横向水带和纵向水槽的形成，为提高固井质量创造有利条件。 26 美国石油学会根据大量的固井资料和研究总结得出 水泥浆失水与控制固井质量的关系： 0200 ml/30min 容易控制 200 500ml/30min 中级控制 5001000 ml/30min 勉强控制 1000

13、 2000 ml/30min 不能控制27根据api规定：（定义） 水泥浆在温度和压力的作用下，通过稠度仪测定水泥浆达到100bc的时间称为稠化时间。 bc为力矩， 即100bc = 2080g cm （5.2 400g） 水泥浆的稠化时间是指导施工的重要参数之一，影响水泥浆稠化时间的因素是多方面的，其中仅实验中的搅拌方式的不同对稠化时间都有较大地影响。 28美国修斯公司实验证明： 用api搅拌器搅拌35秒 稠化时间 2:44 螺杆搅拌器搅拌5分钟 稠化时间 5:12 由此证明，水泥浆的稠化时间必须按api标准规定的实验方法进行，否则将会给施工带来不可挽回的损失。29 api标准对水泥浆稠化实

14、验有比较严格的程序，稠化实验中要确定的基本参数主要有：井深，地温梯度（井底静止温度或井底最高循环温度），完井时泥浆密度。在已知这三个基本参数后，可参照api标准给出的实验方案进行试验。30a.a.井深井深 api标准共给出11个井深范围即： 310，610，1830，2440，3050，3660， 4270，4880，5490，6100米。 b.b.地温梯度地温梯度 api标准共给出6个地温梯度范围即： 1.6, 2.0, 2.4, 2.7, 3.1, 3.5/100m31 值得注意的是，温度的确定必须根据井下实际的情况，不能人为的将它提高，这样会给水泥浆在井下候凝时带来不利影响。 确定 水泥

15、浆稠化时间的实验温度，应按照井底的最高循环温度来进行。根据美国在墨西哥湾对井底循环温度的统计可以看出，循环温度与井底静止温度的关系； 32 即： 1828米 静止温度 76.6 循环温度 46.6 3046米 静止温度 107.2 循环温度 60 比值： 0.608 (1828m) , 0.56(3046m) 在我国油田对循环温度的比值确定范围一般在0.75 0.85，显然比实际的比值要大得多。33c. 压力是指水泥浆流动过程中的循环阻力，它是由管内外的摩阻损失和浆体的静液柱压力组成，压力值的大小主要以完井时泥浆密度来确定，api标准中给出的压力值是不同井深其对应的压力不同，即： 1.2g/c

16、m3 310，610，1220，1830，2440m； 1.4g/cm3 3050m； 1.7g/cm3 3660m； 1.9g/cm3 4270m； 2.0g/cm3 4880m； 2.2g/cm3 5490m ； 2.3g/cm3 6100m。 由此可以看出，若严格按api标准来确定这三个实验条件，则完全可以保证施工的安全。34稠化时间的确定 稠化时间 = 施工时间 + 12小时安全因子； 安全因子 深井（5000m）一般取23小时； 分级注水泥 实验中还必须有1小时或更长的停机时间 ； 对于符合要求的稠化曲线其过渡时间的稠度应30min 35 水泥石的抗压强度是指抵抗外力破坏的能力，根据

17、固井工程的要求应满足以下几点：a.支撑和悬挂套管 经研究表明，水泥环支撑套管的能力：36抗压强度为0.35mpa时每米水泥环的支撑能力套管外径（英寸）悬挂长度（m）51983257130228711919081031639851411082141116895套管外径（英寸）悬挂长度（m）5198325713022871191908103163985141108214111689537 由表中数据可以明显看出，仅仅从水泥环支撑套管的能力是完全能满足施工的要求。但是，若套管或井壁存在影响水泥石胶结的因素，则这种支撑的能力将大大削弱。(a)套管的表面状况 套管表面状况与胶结强度的关系表面状况剪切力（

18、磅/吋） 水力压力（磅/吋）新的(带漆)47200250新的（去漆）104300400新的（有锈）141500700新的（喷砂或树脂）2001100120038（b）与井壁的泥饼状况有关 井壁的泥饼状况是指附着于井壁表面泥饼质量的好坏，也就是说不能存在大量的虚泥饼，这不但影响水泥的胶结，同时在水泥凝结过程中泥饼的干缩会造成油，气，水窜的隐患。（b）应具有一定的塑性 由资料介绍和实验证明，当水泥石的强度值增加，连接强度也增加，但水泥石的脆性就越大，其带来的危害主要表现在： （a）承受由钻进时产生的冲击载荷能力减弱， （b）射孔时容易发生裂缝，特别是小井眼更为重要。39（b）满足施工要求的抗压强度

19、 根据大量的实践和室内研究证明：（a）对表层，技术套管的固井，要满足下次作业，即二次开钻前的钻水泥塞，换装井口，倒换钻具等， 水泥石的强度 3.5mpa；（b）对射孔，酸化压裂等作业， 水泥石的最小强度 13.5mpa。40 在井下水泥石被腐蚀主要表现有三种形式： 淡水腐蚀，离子交换腐蚀，硫酸盐腐蚀 在这三种腐蚀中，硫酸盐腐蚀最为普遍。 经研究证明，温度与腐蚀有着密切的关系，在2749这个范围，硫酸盐的腐蚀最严重。因此温度较低的浅井比深井更容易被腐蚀。如何提高水泥石的耐腐蚀性， 一般采用的方法有：41（a）控制水泥的矿物成分 api规定，严格控制c3a（3cao al2o3 6h2o）的含量。

20、 c3a（3cao al2o3 6h2o） 6% 普通水泥同时满足c4af（4cao al2o3 fe2o3）+ c3a 22%42（b）加入外掺料减少水泥水化物ca(oh)2晶体 水泥水化后生成的水化物ca(oh)2晶体最容易被腐蚀，因此要防止该类腐蚀，可加入与ca(oh)2产生反应的外掺料，同时还应保证不影响水泥石的强度。（c）防止水泥石在高温下的衰退 c3s2h3 c2sh （a型片状低强度结晶） c3s2h3 14mpa c2sh 1.9mpa c3s2h3+sio2 csh （b型低碱性高强度结晶） csh 32mpa 加量的确定： 必须在30 40%的范围 43（c）防止水泥石在高

21、温下的衰退c3s2h3 c2sh （a型片状低强度结晶） c3s2h3 14mpa c2sh 1.9mpa c3s2h3+sio2 csh （b型低碱性高强度结晶） csh 32mpa 加量的确定： 必须在30 40%的范围 44 水泥石渗透率的大小与水泥浆的体系有关，正常密度的水泥石基本可满足施工的要求，但加有外掺料的水泥浆体系则应考虑渗透率是否符合要求。 api标准规定： 水泥石在1.4mpa的压差下不渗透。452 注水泥技术 及施工保证措施46 固井工程要求水泥浆具有良好的性能，从固井质量和固井施工来讲它主要包括两个方面： 1.静态特性 2.动态特性 静态特性 凝结特性、稳定性、滤失性、

22、防窜性、以及抗压强度等； 动态特性 水泥浆的 流变性、稠化时间、施工参数（上返速度、排量等）。47 前者是保证水泥浆凝固质量和封固质量的主要因素，后者是保证水泥浆施工安全和提高顶替效率的主要因素。 通过不同特性水泥浆外加剂和外掺料的优选，设计出适应于井下条件、综合性能优良的水泥浆，是固井工程所要求的期望值。 注水泥施工方案是否合理，是关系到能否提高环空顶替效率的主要因素；从环空顶替效率主要因素的研究和大量的实践证明，一般应该遵循：48应遵循的基本原则之：保证套管在井内有足够的居中度；注水泥之前应充分循环泥浆，调整好完井液的各项性能，使之满足水泥顶替的基本要求；有条件的情况下，尽可能保证使水泥浆

23、达到紊流顶替；顶替液要有足够的环空紊流接触时间。49 如何利用现有条件,采用什么方法满足这些基本原则,是实际施工中必须认真考虑的问题。尽管设计出了比较好的水泥浆体系，施工中没有相应的技术保障和技术措施的落实，同样不可能获得好固井质量。 固工程是一项系统工程，它与许多因素有关，同时相互之间又有很密切的内在联系，因此施工技术措施的制定和落实就显得非常重要。50一 平衡压力注水泥技 国内外在研究水泥浆顶替机理方面，都认为紊流流态顶替是提高环空顶替效率的最佳流型。要使水泥浆在环空达到紊流状态，一般采用的方法是调整水泥浆的流变性能或在施工中提高顶替排量，但是在注水泥施工中不仅要求流态满足设计要求，同时还

24、应考虑注水泥时浆柱压力和动压与地层压力的平衡关系，这样就提出了平衡压力注水泥技术。平衡压力固井技术所要解决的问题有以几个方面：51 做到地层和地层流体,不因流动压力或水泥浆失重引起的地层破漏和油、气、水窜槽; 即:保证水泥浆在注替过程及水泥浆在凝结过程中的压力平衡关系: pppf pf0 pp地层孔隙压力, pf注替压力和水泥浆柱压力, pf0地层破漏压力。52 优选水泥浆、隔离液的顶替流态及合理的流变性能,提高裸眼段的顶替效率。 要做到环空顶替时的压力平衡关系,就必须控制水泥浆的流变性能和它的上返速度,使之保持地层压力允许的范围。这就是注水泥施工要求的流变学设计。531.水泥浆流变模式的选择

25、 根据中石油颁布的注水泥流变学设计标准,流变模式的选择应根据水泥浆的剪切速率与剪切应的吻合程度来确定,其判别的标准为: f = (200 100)/(300 100) 当f =0.50.003时,选用宾汉模式,反之则选用幂律模式。式中 “”后面的数值表示被测液体在旋转粘度计上的读值。542.水泥浆流变性能设计 水泥浆流变能的设计，主要根据地层破裂压力（或漏失压力）与水泥浆柱的 压力平衡关系，从限制水泥浆在环空的最高上返速度来确定水泥浆流变性的合理范围。根据上述原则，水泥浆的上返速度和流变性应满足以下要求：宾汉液体： vc s 0s 幂律液体： vc n 0.6 k lddppsewhafb)(

26、95. 0(16.435)(101224ewddsslddppsewhafb)(95. 0(2 .681snewncddv)(57. 02300)(scewvdd56式中： vc考虑平衡压力固井时环空允许的最大上返速 度；m/s s塑性粘度 ； pa.s o_ 动切应力 ； pa dw_平均井径 ； de_套管外径 ； n流性指数 ； k稠度系数 ； pa.sn pfb地层破裂压力；mp pha环空静液柱压力； mp l 井深； m 根据上述约束条件，计算出相应的vc、n、k值3.顶替参数设计（1）水泥浆在环空的临界雷诺数 nrec3470-1370nn2.092 lg(300/ 100) k

27、0.511(300/511n) (2)水泥浆在环空的实际上返速度vc1nnewnscddnnkn221re)(48()83. 0(3)临界排量qc 通过对水泥浆顶替参数的计算，要使水泥浆在环空达到紊流，计算结果可能出现两种情况： 计算结果满足约束条件； 计算结果不能满足约束条件，或者计算出的施工参数根本无法实现。40)(22ewcddv59 那么出现后一种情况时,就必须调整水泥浆的流变参数，或降低顶替排量。往往通过调整的水泥浆和降低排量后，水泥浆在环空的流速基本上都属于层流范围，那么在这种流态下如何保证环空的顶替效率，是设计人员在设计中必须考虑的问题。604.紊流注水泥技术 在水泥浆设计中，为

28、了保证水泥浆（石）符合工程设计的要求，一般在设计和调整方案时应考虑以下几个方面的问题： （1）设计出的水泥浆必须保持良好的稳定性，无自由水析出； （2）在设计温度下具有良好的早强性能； （3）具有一定的防窜性和触变性。61 由上述三点的设计准则可以看出，在确定水泥浆的性能时，主要考虑水泥浆在静止状态下的物理化学性能。提高环空的顶替效率，其目的是为水泥浆提供良好的凝结条件，那么如何在现有的地层条件和设备能力下获得良好的固井质量，使水泥浆在井下保持室内实验应具有的性能。 过份追求水泥浆在环空流动时达到紊流状态，将受到诸多因素的限制，改善水泥浆性能时要综合考虑其它性能的变化，特别是浆体的稳定性和早强

29、性。624.1使用紊流冲洗液和紊流隔离液 要使水泥浆在环空达到紊流流态，是所有参与固井施工的工程技术员所期望的，也是大家公认的一种提高顶替效率的手段。但是往往受到许多条件的限制，而真正使水泥浆达到紊流顶替的并不多见。有时在施工中排量和流变性（水泥浆）似乎都很好，施工也连续，未出现任何异常现象，但最终施工结果令人不满意，甚至还可能出现不合格。63表2.1紊流顶替排量对比井号实际施工排量m2/min紊流临界返速需要的排量领浆(m2/min)尾浆(m2/min)文141.34.646.135.967.19鲜41.253.725.913.125.79鲜51.133.147.2510.5747.67鲜6

30、1.453.497.4117.0526.0264 由表中数据对比,实际的施工排量在18.824l/s,但是与达到紊流的临界排量相差甚远，而水泥浆在环空的流态经计算获得属低速层流。 鉴于上述情况，为了提高顶替效率，避免水泥浆在顶替时，由于施工排量达不到紊流而可能出现的尖峰型层流；在实际施工中对原完井液进行了处理，使完井液具有较低的粘度和切力，使它能在低上返速度下达到紊流。（见表2.2）65表2.2 完井液、冲洗液性能井号类别漏斗粘度(s)密度(g/3)初切10s终切10min泥饼滤失mlpvpa.syppa文14原井浆1281.1833460.320.4252.5稀释后301.0811.50.480.0050鲜4原井浆331.074.5100.570.0118.18稀释后171.0411.50.5120.0040.51鲜5原井浆291.07130.460.0174.59稀释后18.51.03000.4110.0090.15鲜6原井浆481.070.540.470.0185.1166 从表2.2的数据可以看出,稀释后的完井液在顶替时有以下几个方面的优点: (1)能在低返速下(低排量)完井液可达到较高 的紊流速度,即所需要的临界排量小(见表2.3)； （2）对泥浆的顶替效果好，