对固井质量的基本认知

1、中国石油中国石油2中国石油中国石油3一、水泥浆密度对固井质量的影响一、水泥浆密度对固井质量的影响 大家都知道水泥浆是由水泥和水经高能混合器混合后产生的浆体决定密度高低的两个因素就是水泥和水的比例多少，没有统一使API标准时水泥分为45度、75度、120度水泥，常用的水灰比是50：100，密度一般为1.85 g/cm3左右；现在按照API的标准，常用的G级水泥是44：100水灰比，密度在1.90 g/cm3左右，所以，那时在开施工交底会时不用说都知道水泥浆密度要求是1.85 g/cm3，但是，要求水泥浆密度1.85 g/cm3是怎么来的，依据是什么？中国石油中国石油4一、水泥浆密度对固井质量的影

2、响一、水泥浆密度对固井质量的影响我们都知道水泥浆密度的高低或多或少的会影响固井质量，一般情况下我们在施工设计上都要求水泥浆密度不得低于1.85g/cm3（不包括领浆），而且在尾桨要求达到1.88-1.90 g/cm3。水泥石的强度会随着密度的增加而有所增加，水泥石的体积会随着密度的降低而缩小，为什么会缩小？ 就是因为在密度低的水泥浆中含有部分不能被水泥颗粒完全吸收的自由水，这些多余的自由水在水泥浆的凝结过程中会慢慢的析出，使水泥石的体积减小；或聚集在一起形成水带，可能聚集在环空的某一层位。 如图：中国石油中国石油5一、水泥浆密度对固井质量的影响一、水泥浆密度对固井质量的影响中国石油中国石油6一

3、、水泥浆密度对固井质量的影响一、水泥浆密度对固井质量的影响产生这种现象的一个原因可能三个： 一是灰罐车下灰倒罐时操作手和下灰工没能配合默契； 二是由于水泥没有过滤好，水泥块堵在出灰口或阀门处使下灰不畅通； 三是施工中水泥车出现故障，停泵后重新开泵时，水泥浆没有达到合格的密度就开始泵注。严重的就会影响到固井质量。 中国石油中国石油7一、水泥浆密度对固井质量的影响一、水泥浆密度对固井质量的影响 以前，在西北项目部乌审旗时在苏十区块就遇到过这么一口井，封固段内声幅值全部在10%以内，就在气层以上50米处有30米的井段声幅值有50%，甲方找到我们，叫我们说清楚原因，我们也是百思不得其解，回来后找到施工

4、车组经过了解得知，在施工中途水泥车发生故障，中途换车后没有将水泥浆预混到设计密度就开始注灰经过推算，声幅质量差的井段正好是换车后开始注灰的那段水泥浆可见当时注入的水泥浆的密度实际是多少。中国石油中国石油8一、水泥浆密度对固井质量的影响一、水泥浆密度对固井质量的影响 从理论上讲，水泥浆的密度降低、稠度也会降低，流动性能越好，便于泵送，保证施工的安全性，同时能提高顶替效率；水泥浆的密度越高对固井质量来说应该是越好，但同时的副作用是水泥浆的稠度增高，流动性能变差，泵送的难度增加，给施工带来风险；单纯的靠加入外加剂来调节水泥浆的性能，又会增加成本；所以，如何选择合适密度的水泥浆，既能保证固井质量，又要

5、保证施工安全是要求我们技术人员必须要做到的。中国石油中国石油9一、水泥浆密度对固井质量的影响一、水泥浆密度对固井质量的影响 中国石油中国石油10一、水泥浆密度对固井质量的影响一、水泥浆密度对固井质量的影响 确定水泥浆密度的前提条件是首先要保证油层封固段的固井质量，水泥浆密度最低要达到1.85g/cm3，之所以要求不低于1.85g/cm3，是经过大量的室内试验得出的结论，这并不是说低于1.85g/cm3就一定不合格。当密度在达到1.85g/cm3时，它同时满足了流动性和水泥石强度这两个指标，既有较好的流动性，又有满足质量要求的水泥石强度。至于压稳地层保证固井质量是靠上部领浆或中间浆来完成的。中国

6、石油中国石油11一、水泥浆密度对固井质量的影响一、水泥浆密度对固井质量的影响 在固井研究机构的实验室里，有实验表明水泥石的密度并不是均匀的，而是自上而下密度在逐渐升高，这说明水泥浆液体在候凝过程中还存在逐渐沉积的过程，如果密度较低结果会更明显。另外，从有关的固井资料上也了解到，水泥石的水化过程也是一个漫长的过程，不是强度达到一定数值后就完成了，特别是低密度水泥或加入其它材料的特种水泥，强度上升的慢，水化过程会更长。中国石油中国石油12一、水泥浆密度对固井质量的影响一、水泥浆密度对固井质量的影响经验： 1、条件允许的前提下，水泥浆密度最好适当的高一些，特别是油层段，灵活掌握水泥浆密度的现场实际情

7、况，调整密度要稳不要急。 2、在注灰后期如果出现密度低不符合设计要求的时候，如果条件允许就尽量多注几方水泥浆，尽量让密度低的水泥浆避开油层段，因为密度低的水泥浆对质量确实有影响。 3、施工中要注意水泥浆密度的变化，不要轻易相信别人，要亲自查看。中国石油中国石油13二、对水泥浆顶替效率的理解二、对水泥浆顶替效率的理解 大家都知道，影响水泥环封固质量的首要因素是提高顶替效率，没有良好的顶替效率，其它任何措施都不会对固井质量起到很好作用，但顶替效率是固井施工过程中最难控制的因素，受到井眼条件、钻井液性能、水泥浆性能、浆体结构设计、施工参数、前置液接触时间等因素的影响。 中国石油中国石油14二、对水泥

8、浆顶替效率的理解二、对水泥浆顶替效率的理解提高顶替效率的措施： 1、下入套管扶正器； 2、井径大的井段下入紊流发生器 ； 3、活动套管等措施 4、流体流态达到紊流 5、水泥浆与泥浆有一定的密度差 以上技术措施的理论基础都是保持两相流界面的平整，普遍的共识是紊流顶替固井效果最好。 实际上，由于受井眼条件、固井设备等因素的制约，层流顶替在固井施工中最多，并且同样获得了很好的施工效果，说明除了公认的紊流顶替之外还有更重要的因素影响顶替效率。 中国石油中国石油15二、对水泥浆顶替效率的理解二、对水泥浆顶替效率的理解 保证环形空间的密封质量，首先需要考虑的是如何使环空充满水泥浆。充满的过程，实际上是水泥

9、浆顶替钻井液的过程。水泥浆与钻井液的顶替质量应满足以下2个基本要求：1、注水泥浆井段的环形空间，钻井液应全部被水泥浆顶替干净，无窜槽现象存在； 2、水泥浆返高和套管内水泥塞的高度必须符合设计要求，过高、过低或因套管偏心引起的不同间隙处的返高差异都是不允许的。中国石油中国石油16三、几点认识三、几点认识 1、影响顶替效率的因素、影响顶替效率的因素 2、水泥浆的环空流态、水泥浆的环空流态 3、水泥浆流动的璧面剪应力、水泥浆流动的璧面剪应力 中国石油中国石油17三、几点认识三、几点认识1、影响顶替效率的因素： 有效地驱替钻井液，提高注水泥的顶替效率是清除钻井液窜槽、保证水泥胶结质量和水泥环密封效果的

10、基本前提。通过研究发现影响注水泥顶替效率因素主要有如下六种因素： a、套管在井内的居中度； b、液体在环空间的流动状态； c、紊流时液体流过封隔层位所接触的时间； d、钻井液的触变性； e、钻井液与水泥浆的流变性能； f、水泥浆与钻井液的密度差。中国石油中国石油18三、几点认识三、几点认识2、水泥浆的环空流态： 以紊流顶替技术为基础一般要求水泥浆的性能为：流性指数在0.60.8之间，稠度系数在0.10.3之间，不同尺寸的井眼与套管，在不同排量下水泥浆流态如下表：中国石油中国石油19三、几点认识三、几点认识钻头尺寸 mm套管尺寸 mm注水泥排量 m3/minRePL RePL1 RePL2 水泥

11、浆流态 241.3241.3241.3241.3177.8177.8177.8177.82.01.81.51.03237-37732793-33252164-26721642-12262560-23302560-23302560-23302560-23303460-32303460-32303460-32303460-3230紊流过度层流层流215.9139.72.02735-3619 2560-2330 3460-3230 过渡215.9139.71.82360-3189 2560-23303460-3230过渡215.9139.71.51828-2562 2560-23303460-323

12、0层流215.9139.71.01036-1575 2560-23303460-3230层流215.9177.82.04732-4795 2560-23303460-3230紊流215.9177.81.84138-4170 2560-23303460-3230紊流215.9177.81.53250-3351 2560-23303460-3230紊流215.9177.81.02060-2725 2560-23303460-3230过度中国石油中国石油20三、几点认识三、几点认识2、水泥浆的环空流态： 从表中可以看出，在不考虑井眼扩大的情况下，不同排量情况下的水泥浆流态。241.3mm井眼下177

13、.8mm套管和215.9mm井眼下 139.7mm套管，水泥浆在环空中多以层流或过渡状态存在，排量只有接近2.0 m3/min时才能达到紊流状态；215.9mm井眼下177.8mm套管，水泥浆在环空中以紊流状态或过渡状态存在，当替浆排量降低至1.0 m3/min左右时，水泥浆的流动状态以层流和过渡状态出现。215.9mm井眼下139.7mm套管，排量从1.0m3/min升至2.0m3/min，水泥浆的流动状态是层流或过渡流态。可以看出，环空容积越大，达到紊流需要的排量越大。中国石油中国石油21三、几点认识三、几点认识3、水泥浆流动的壁面剪应力： 在同心环形空间内，紊流顶替技术已经比较成熟，但是

14、在实际固井施工中，由于钻井目的层愈来愈深，定向井、水平井愈来愈多，油气层固井中套管居中度、循环压耗和环空间隙等因素的影响，水泥浆在环空中的返速受到很大限制，难以达到紊流顶替。 通过研究证明，在井下条件确定的情况下，水泥浆环空流动的壁面剪应力在提高水泥浆顶替效率方面起着决定性的作用。中国石油中国石油22三、几点认识三、几点认识3、水泥浆流动的壁面剪应力：关于环空流动的壁面剪应力有如下公式： w0.00025(DhDc)P/L 其中，w环空流动的壁面剪应力，Pa Dh井眼内径，mm； Dc套管外径，mm。 P水泥浆流动的摩擦阻力，Pa L水泥浆封固段长度，m 从公式可以看出，w是与水泥浆密度、环空

15、流速和摩阻系数密切相关的。中国石油中国石油23三、几点认识三、几点认识3、水泥浆流动的壁面剪应力：从理论上讲，当水泥浆的w大于钻井液的胶凝强度时，就可以有效清除胶凝钻井液。 从公式中也不难得出以下几点重要推论：在井眼几何条件一定的情况下，w是一个与流动速度和水泥浆流变参数有关的量，降低钻井液粘切对于提高顶替效率非常重要；当w与钻井液胶凝强度接近时，接触时间对清除泥饼至关重要；用前置液稀释钻井液，对提高顶替效率非常有益。中国石油中国石油24三、几点认识三、几点认识3、水泥浆流动的壁面剪应力： 把流动的壁面剪应力作为影响顶替效率的主要因素，是基于以下原因：、只有流动才能产生直接作用于井壁并清除胶凝

16、钻井液的动力：流动的壁面剪应力。、由于摩擦阻力与流动速度的平方成正比，所以，紊流流动时，流动的壁面剪应力在一般情况下大于其他流态。但是，从流动计算的相关公式可以知道，同样大小的壁面剪应力也可以通过增加流体的塑性粘度和屈服值获得。、从力学的角度来看，要清除附着在井壁上的胶凝钻井液，必须要有一定的力，从受力分析来看，这个力主要是壁面剪应力，即水泥浆顶替过程中的动力。中国石油中国石油25三、几点认识三、几点认识3、水泥浆流动的壁面剪应力：根据专业研究院、所通过对固井资料的分析，获得的以下结论： 、壁面剪应力是影响固井顶替效率的关键因素，只要保证环空水泥浆流动的壁面剪应力大于30Pa，就能够保证顶替效果。 、壁面剪应力设计方法，从理论上把塞流顶替、低速顶替以及紊流顶替技术统一了起来。对流变参数不再做特殊要求，只要结合环空返速，使摩阻大于一定数值即可。 、保证顶替效率的固井施工最低返速，是要求水泥浆流动的环空壁面剪应力不低于最小壁面剪应力。中国石油中国石油26四、结论四、结论 在提高水泥浆顶替效率方面还必须精心设计入井流体，才能很好解决顶替效率问题。适量增加冲洗