现代固井技术讲座二

1、现代固井技术讲座Seminar on Modern Cementing Technology 张明深(中国海洋石油) 题目现代固井技术在现场的使用经验1现代固井技术的理论基础和现场经验第一部分 现代固井技术发展的理论基础第二部分 现代固井基础理论综合使用经验 第三部分 现代固井技术现场应用的保证 2现代固井技术讲座Seminar on Modern Cementing Technology 第二部分 现代固井基础理论的综合使用经验3现代固井基础理论的综合使用经验第一专题、高温高压井固井技术第二专题、气层固井防窜工艺技术第三专题、深井套管小间隙固井技术第四专题、简化井身结构的因素第五专题、大套盐

2、岩层固井技术要点4第一专题、高温高压井固井技术 何谓高温高压井 地层温度高于150180（大于300） 地层温度 180属于超高温井 地层孔隙压力大于69MPa(10000psi) 或地层孔隙压力系数1.80g/cm3 （南海地温梯度在3.74.4/100m，目前较深井深 4876m,BHST210,BHCT169,已有固井设计）5高温高压井固井技术一 应用的基础理论二 分析难点使用对策三 高温高压井固井设计应考虑的其它问题四 制定现场施工措施6一、 应用的基础理论高温高压对水泥和套管的腐蚀理论高密度水泥浆不稳定性理论高温水泥浆体系混合水延迟失效理论稠化时间突变理论7二 分析难点使用对策 高温

3、高压井固井的技术难点高温高压对水泥和套管的腐蚀与破坏井底循环温度对水泥浆设计的影响井漏和小间隙固井是高温高压井必然产物高温高压对水泥浆的严重影响高密度水泥浆不稳定长尾管上下温差过大窄压力窗口（易漏易喷）是高温高压井固井最棘手的问题气窜是高温高压井固井的重点问题之一高温高压井水泥浆体系检验新方法8通过模拟井况分析固井难点11-3/4”尾管作业上层套管：13-3/8”3000m破裂当量2.25，套管内径 12.515”11-3/4”尾管鞋：4000m，尾管顶部2800m井眼：14”钻井液：密度2.18，塑性粘度40mPa.s 静切力18Pa 泥浆气测值68%地温梯度：3.73/100m，BHST1

4、77，BHCT138气层在3200m，主气层3800m 91. 高温高压对水泥和套管的腐蚀与破坏 只要通过调查，邻井井下有硫酸盐水溶液。因此必须使用高抗硫酸盐G级水泥（HSR G）。 水泥加粗细硅粉各17.5%处理，防止水泥强度衰退。 10影响水泥石、套管寿命的因素 一般来说，影响水泥石、套管寿命的因素主要的是对水泥类型的选择，对地层水包括水泥浆滤液的预测、预防和控制的力度。这些在水泥浆设计中是容易做到的 更严重的是用化学废液处理CO2和H2S对水泥和套管的腐蚀。11CO2对固井质量的影响1. 含有CO2的地热盐水对水泥石的完好性具有特别的损坏作用。充入CO2的水可破坏波特兰水泥石结构的完整性

5、。下面是说明这一过程的化学反应： CO2+H2OH2COH+ HCO- 3 Ca（OH）2 + H+ HCO- 3 CaCO3 +2H2O C-S-H凝胶+ H+ HCO- 3 CaCO3 +非晶质硅胶 离解的碳酸离子与氢氧化钙和C-S-H凝胶自由反应。12CO2对固井质量的影响由于充满CO2 的水连续侵入水泥机体，从而建立平衡 CO2+H2O+ CaCO3 Ca（HCO3）2 Ca（HCO3）2 +Ca（OH）2 2CaCO3+H2O 碳酸钙被转化成可溶于水的碳酸氢钙，它能从水泥机体中析出。溶解的碳酸氢钙可与氢氧化钙反应，生成碳酸钙和“淡水”，水将溶解更多的碳酸氢钙，最终结果是水泥孔隙度增高

6、抗压强度下降，水泥失去对套管的保护作用。2. 高温井热力会增强二氧化碳对波特兰水泥的腐蚀程度。13有CO2 如何固井?1. CO2是高温高压井产层存在的气体。2. 如果高温井出现高浓度的CO2 ，用国外最新的研究成果配制抗高温和抗CO2的水泥浆体系。可将硅粉的含量从原来的35%减少到20%，可提高水泥的抗CO2的以防水泥的衰变和破裂。加少了，将会产生松软的渗透性更高硅酸钙水化物3. 国外专家对高温下能保持稳定的聚合物进行了研究发明了有基硅环氧烷聚合物水泥。14如何应对H2S对套管的腐蚀问题 H2 S是高温高压产层中存在的腐蚀气体考虑H2 S对套 管的腐蚀问题，我们采取如下对策：1）使用防硫套管

7、。这些套管如H-40， J-55，C-75，C-90，X-55，K-55，L80 和非 API 标准的ss-95。我们经常使用的 NK-AC95 系列就是防硫套管。一般地说，钢级高的套管不一定 是防硫套管，如P-110 就不是防硫套管。2) 全井封固，不存在自由套管，只要无盐层，不存在套管弯曲问题，还可以减少H2 S 和C2 O对套管和水泥的腐蚀。但要计算裸眼井底、薄弱层的承载能力，井漏即便是渗漏都可能会影响产能，最好是采用双级注水泥技术。3）产层不能光下尾管，而应采用回接尾管技术。 15分析难点，使用对策2.井底循环温度对水泥浆设计的影响1）井底循环温度（BHCT）十分重要： 根据BHCT对

8、选用的水泥浆配方进行试验； 对添加剂进行选择。2）准确的计算或预计BHCT可通过测井、测循环温度的 探测头和对循环温度的数学模拟等方法。 API新 标准可作粗略查对，但最实用的方法是国外服 务公司的数学计算模拟，我们将要第三部分“现代固 井技术现场应用的保证”中介绍 Halliburton等计算模式，对于高温高压井是相当吻 合的。16注水泥温度梯度的计算方法获得准确井温的方法：通过邻井测试作业资 料或本井测井资料，获得井底温度， 根据1990年 API规范10的要求，注水泥温度梯度G应该按如下公 式计算 G=(BHT-TS)/（TD/100） 其中：TS地面温度，取80或27 TD井的垂直深度

9、ft或m BHT井底温度或173. 井漏和小间隙固井是高温高压井必然产物1） 高温高压井由于多压力体系而需要多套管层次，因此小间隙固井是必然的产物，正由于小间隙的存在，井漏同样是必然的结果。从前面的井例列表可以发现小间隙对固井的影响。小间隙一般出现在技术尾管。18多层套管小间隙尾管层序 13-3/8”11-3/4”9-5/8”7”单边间隙mm19.069.7114.5619.45环形容积L/m21.69.4411.8412.1819井漏和小间隙固井是高温高压井必然产物2） 存在狭窄套管重叠段小间隙。属于非常规套管结构 固井后出现两种可能情况：裸眼混浆严重或者套管 鞋发生井漏。如果以套管重迭段设

10、计安全返速，那 么裸眼处由于返速太低严重混浆；如果以裸眼段设 计安全返速，那么会造成重叠段返速太高，重叠段 返速是裸眼段的3.1倍以上，套管鞋处激动压力过 大，井漏不可避免；拟用等容量换浆法固井技术。20井漏和小间隙固井是高温高压井必然产物3） 防漏是高温高压固井的关键。 除了小间隙，裸眼返速受到限制，下套管允许的激 动压力范围 小。由于套管下入井中引起一定深处压 力升高，这个升高的压力我们称为激动压力，相反 方向引起压力降低值就称为抽吸压力。激动压力在 一定的井眼中，它的大小与泥浆的塑性粘度有关， 塑性粘度越大激动压力就越大。 我们可以通过即将介绍的固井特殊 计算模式来计算套管的 下放速度，

11、以前面的模拟井 例计算套管允许的下放速度是6min/std(每柱用6分钟）21井漏和小间隙固井是高温高压井必然产物4. 小间隙造成井漏是因为套管下放速度失控，顶替速度不科学造成的。然而下完套管后开泵循环也会因为破坏泥浆凝胶结构增加压力而压破地层，井漏。看井例中的泥浆静切力（18Pa),按照现代固井技术特殊计算如下：22井漏和小间隙固井是高温高压井必然产物 开始循环破坏泥浆凝胶结构所增加的激动压力0.163398psi/ft，因此可计算出 上层套管鞋的当量密度为2.31，稍大于套管鞋的破裂压力当量2.25，不采取其它措施，一开泵就会把地层压破。 处理办法： 1）开泵前先活动套管 2）调整泥浆性能

12、，适当降低静切力。23固井防漏对泥浆性能的基本要求 在井眼准备的计划中应包括对泥浆性能的要求 1）提高泥浆的润滑性 2）定量地提出降低泥浆塑性粘度，提高套管 下放速度。如前面井例，可提出将塑性粘 度降到35mPa.s左右；定量地提出将泥浆的 静切力降到15Pa左右。但需要经过计算后 在保证井眼安全条件下提出。244. 高温高压对水泥浆的严重影响 一般地说，循环温度越高，波特兰水泥对水泥浆配料的微化学和物理变化反应越敏感。只要施工中所用的水、水泥和添加剂稍有变化；循环温度只要有少量（如5之差）变化，稠化时间突变，混合水延迟使用实效。因此根据现代固井理论，高温高压井固井必须做如下试验： 水泥浆稠化

13、时间突变试验（BHCT 5） 水泥浆延迟试验。 高温高压深井固井要求水泥浆试验的材料包括水泥、添加剂、水都要从现场取样。 255. 高密度水泥浆不稳定是最大的难点 水泥浆中加入大量的加重材料沉积作用成为主要问题。现代固井理论指出，谋求水泥浆悬浮能力的材料与配浆工艺是攻克高温高压深井高密度水泥浆不稳定性的关键。 抗水泥浆沉积的方法有如下几种： 1）加膨润土 2）加纤维素衍生物，如羧甲基纤维素 3）海水 4）硅酸钠 5）锰矿粉（a hausmannite ore ,Halliburton 的商 品代号是micromax)26锰矿粉的应用是目前的重要发现从此高密水泥浆不稳定的问题便迎刃而解1）锰矿粉

14、密度4.9g/cm3,颗粒直径5微米，它既能加重又有分散悬浮功能；它可以和水泥干混合又可直接加入混合水中保持它的悬浮性，对混合水具有可调作用，但需要缓凝剂和分散剂。2） 使水泥浆有增稠和加重作用3） 适用温度80500（27260）4） 浓度：根据水泥浆密度要求。27高密度水泥浆稳定性检验1. 采用BP稳定试验法。它分高低温两种方法。 例如方法之一： 水泥浆在高温稠度仪里加热到BHCT，1.5h后将冷却到200,将其转移到预热的试管里在养护斧里养护16h，养护温度185 ,完全硬固后锯下上下各1”,测密度,前面井例水泥配方，原浆密度2.4g/cm3，试验结果，上下水泥石密度都是2.46g/cm

15、3稳定性优良。BPBritain Petroleum28高密度水泥浆稳定性检验2. 停泵安全试验 注水泥过程突然因设备井口装置发生故障或井上其他问题发生，需暂时停止泵注，时间一般是10min,20min或者更长，恢复泵注是否正常。水泥浆安全试验资料就能够给出答案，方法是： 当水泥浆稠化时间试验加温到达井底循环温度时中断试验2030min，这就意味着突然停泵需要抢修，恢复试验后观察稠化曲线的变化，无大的变化可认为是安全的。固井工程师利用这个试验资料施工就有安全感了。（在讲座的第三部分将详细介绍以BP安定试验为核心的8项水泥浆检验体系，它体现了现代固井技术的先进性）29水泥浆稳定性试验的意义 一个

16、是乎纠缠不清的问题：某井下完套管后开泵注水泥尚算顺利，可是停泵倒换阀门后开泵替泥浆却泵压直线上升，蹩泵了。是井壁跨塌？是环空沉砂堵塞？是水泥浆管内沉淀？没有说的清的答案。如果水泥浆做过稳定性试验，问题的答案就清晰了。某井下完套管后开泵注水泥尚算顺利，可是停泵倒换阀门30高密度水泥浆设计要求 抗高温，性能稳定，不沉淀，不分层 延迟胶凝结构形成，早期强度高 流变性能良好，具有停泵安全性 无自由水，失水量小于 50mL/30min. 7 MPa 稠化时间不突变 混合水延迟使用不老化 胶凝结构几乎没有渗透性 水泥浆的综合性能和防窜性能良好316.长尾管上下温差过大 如前面井例，尾管上下温差35。如果按

17、总井深来设计有充足的稠化时间的水泥浆，那么在尾管顶部需要很长时间水泥才能凝固。只有在水泥形成最低的抗压强度能承受钻具的震动，以后才能钻水泥塞。尾管顶部水泥浆的过渡缓凝是不利的。如果在尾管周围有高压气体或者水泥浆质量不好气侵的危险性就很大。32解决尾管上下温差的方法和探讨1）注水泥最初时刻要特别注意尾管顶部和重叠 段水泥 浆的设计密度，以保证水泥强度和没 有自由水。施工时，如果开始时刻水泥浆不能满足密度要求，不要急忙把水泥浆泵入井里。2）可使用双级注水泥技术，避免出现因温差水泥浆过度 缓凝问题。3）对尾管顶部水泥浆做8hr,12hr的强度试验，决定钻进。4）设计给尾管顶部留100150m的水泥塞

18、，防止回接套 水泥回落。33解决尾管上下温差的方法和探讨5） 此外国外有经验介绍，最好的办法是确 保水泥顶面的温度超过井底循环 温度， 但这需要攻关。347. 窄压力窗口（易漏易喷）是高温高压井固井最棘手的问题1）根据钻井设计的基本原则，为保证安全钻进，必须用 套管封住复杂井段，如易漏 、易跨塌、易缩径和易 卡钻井段。 对钻探多套压力系统的井，应采用多层套管程序，一 般的说，一 层套管封一个压力体系 探井必须进行地层压力预测和监测，做地层泄露和破 裂压力试验正就是为了实现这一目的，避免存在喷漏 同层。35上漏下喷是高温高压井的最棘手问题2） 井身结构与地层压力预测息息相关 前面井例虽未明确指出

19、井是在中国南海的高温高压地区，从其套管结构可以知道它已反映了高温高压深井地层的复杂情况，在这地区压力高，温度高，同一层 出现两个以上的压力系统，喷漏同层。井身结构的首要任务就是在充分掌握地层压力资料的情况下，用有限层次的套管有效的封隔和封固井下不同压力地层及复杂地层。可是往往由于地层压力预测的不准确不能达到这一目的。36上漏下喷是高温高压井的最棘手问题3） 对于高温高压深井来说，目的层都比较深，在目的层即高压产层前要下技术套管，这层技术套管必须封固高压层以上的低压层，然而由于地层压力预测这一功夫还不深，以致在处理下部溢流而压井时压漏上部地层，这就是“上漏下喷”，最后被迫弃井。当然预测技术如果还

20、赶不上变化的地层压力，仍然会有再次弃井，南海海域就是这么复杂。37上漏下喷处理又喷又漏要靠提高综合能力4） 在没预测到的高压地层，又把高压地 层钻开，压井 作业中出现又喷又漏复杂情况。，处理非常困难。5） 现场作业人员要有高温高压地层意识 * 掌握已钻裸眼承压强度和地层岩性* 控制钻入高压层深度，即当钻速突然增加，钻 11.5m就得停钻观察。发现异常马上压井；如无 异常，根据砂样和气测，决定下部作业。6） 对已出现又漏 又喷的情况，要进行风险分析和经济 消耗分析，决定是否弃井。一般地说，彻底成功的 把握是不大的。38处理又喷又漏要靠提高综合能力7）要有切实可靠的地质资料作为井身结构的设计基础8

21、）一般要求有应急套管。留一层套管作为对付意外复杂 情况时使用。9）正确确定套管的下入深度。技术套管必须封固目的层 以上各种低压、坍塌、漏失、压力过渡带等井段，保 证套管鞋以下能承受高压。10）在高温高压深井中泥浆密度接近地层压力的情况下 不宜管井求压，以免造成更严重的漏失。39处理又喷又漏要靠提高综合能力11）揭开高压气层，要注意多方面的监测，相应降低钻 速 循环速度，尽量少钻开高压层，最多钻进不超过1.5m。12）尝试用“先封漏后压喷”的技术： 用重晶石塞封漏，但成功率很低，需要耐心；用水泥 塞压喷， 但风险大。13）如果这种情况一旦出现，能有一点固井的机会，那 么就在确定 压力大小以后，最

22、好的 办法是用低密度水泥浆 固 井，首先低密度水泥浆体系可用于 处理各种漏失问题。它们具 有减少静 液柱压力的优点。但这种水泥浆密度不得低于下部气 层压力梯度。40处理又喷又漏要靠提高综合能力14）在高密度泥浆中注水泥不能使用低粘 度， 易稀释泥浆的液体作为预冲洗液 ，以免造 成泥浆中的重晶石沉淀，堵塞循环通道。15）高温高压不但对水泥对套管有影响，对套管 附件包括尾管装置的影响也不能忽视，一般 要求达到204。16）在高温高压深井中套管受温差的影响会产生 弯曲，导致钻具对套管的磨损。尽量提高水 泥面，减少自由套管段长度。418. 气窜是高温高压井固井的重点问题之一1）根据现代固井理论对于气窜

23、原理的论述，气窜发生在固井后，气窜是由于水泥水化静压降低造成的，但更重要的论述是由于水泥孔隙不稳定的渗透性造成的。在高温高压井固井中两者都必须考虑，首先在水泥浆设计中使用能够降低水泥渗透率的乳胶水泥浆体系，其次在固井后使用候凝技术，候凝技术是根据水泥浆的水化规律，计算水泥浆静压降低速率施加回压补充压力降的方法。2）从模拟井例中知道，泥浆含气量较高，充分循环是必要的，一般将含气量降到油田规定的数值（如5%）后固井才能保证固井质量。429.高温高压井水泥浆体系检验新方法1. 水泥浆体系检验新方法是高温高压井固 井的需要，它的建立保证了水泥浆体系 的质量2. 水泥浆体系检验新方法将包含： 添加剂、混

24、合水科学混拌程序和水泥浆 的试验43高温高压井水泥浆应用体系（初步配方）材料材料密度用量性能G 3.15100密度：2.40最初稠度20Bc稠化时间：191minBP 沉淀试验：上部：2.46g/cm3下部： 2.46g/cm3SSA-12.6317.5SSA-22.6317.5MICR.4.950Hi-dens34.9550HR-25L1.21.705SCR-100L1.163.296Halad413L1.110.986Halad344L1.010.897Latex20000.9968.842434C1.063.255F/W138.17144材料说明材料代号物性特性SSA-1细目硅粉200目

25、，防强度衰退，可用于110371SSA-2粗目硅粉100目MICR.锰矿粉加重，保持悬浮性27260Hi-dens3赤铁矿加重，稍微影响其它添加剂稠化时间HR-25L缓凝剂和SCR100L一起用，单独用要增粘104221SCR100L缓凝剂非木质素，可用于饱和盐水和淡水121176Halad413L降失水剂有分散作用的降失水剂，用于盐水淡水浆与GASSTOP通用更耐高温27204Halad344L延迟胶凝延迟胶凝时间，可用16121Latex2000乳胶最好的降失水剂，悬浮性，不能与盐同用需要稳定剂和消泡剂 27193434C乳胶稳定剂要起泡，用D-AIR3消泡45检查添加剂相容性 高温水泥浆

26、稠化时间的突变理论和延迟使用失效理论指出，突变或延迟失效都和添加剂的相容性有关，因此必须对初步选定材料做相容性鉴定。 例如井例中提供的水泥浆配方中的 Halad344L是延迟胶凝时间，有增稠作用，与其它高含量的高温缓凝剂不相容。它不能用于含盐量超过18%的水泥浆体系。但在这个体系中起延迟胶凝的作用相当突出和重要。46混合水检验 高温高压水泥浆体系应是一非常纯的体系。添加剂要纯，混合水要纯。尽管水泥浆体系中大部分添加剂具有与盐水的相容性，但是个别添加剂不适合于含盐体系使用，因此对于水质的检验十分重要。淡水中如果含有Cl-、Ca+、Mg+等离子，都对水泥有速凝作用。现场对水质只检验它的Cl-含量。

27、用硝酸银滴定法。如果用淡水配制水泥浆， Cl-浓度超过1000mg/L应拒绝使用准备的淡水。 在固井工程师一口井中有详细计算47科学混配程序 混拌程序包括混合水和高密度水泥浆的混拌方法，特指对添加剂的加入顺序和搅拌速度的控制。它是保证混合水和水泥浆质量的科学方法。它是通过研究多次因混合水问题影响施工的教训积累起来的方法。现场混拌过程容易出现搅拌问题，往往归咎于添加剂失效或者水泥变质，殊不知与添加剂加入顺序与搅拌方法有关,于是一个科学混拌程序终于形成。48水泥浆科学混拌程序1.消泡剂比任何添加剂都先加（入混合水）；2.低密度比高密度的添加剂先加；3.活性材料比惰性材料先加；4.分散材料比粘稠材料

28、先加；5.易破乳材料用低速，高密度材料用高速；6.悬浮材料比加重材料先加；7.整体用中低速搅拌。49水泥浆试验新方法1. 混合水延迟试验2. 温差稠化时间试验3. BP沉淀稳定试验4. 停泵安全试验5. 水泥浆界面强度试验 6. 尾管顶部强度试验7. 水泥浆重复试验8. 现场混拌能力试验 501.混合水延迟试验 试验方法与参考值1） 将配制好的混合水的一部分先做稠化时 间试验，另一部分让其静置氧化到一定 时间后再做稠化时间实验，静置的时间 可根据现场决定。2） 一般认为老化实验的时间缩短 3060min是正常的512.温差稠化时间试验 实验方法与参考值1. 在高温下取实验温度的5C分别做 稠化

29、时间试验。2. 不出现稠化时间大幅度变化认为预先计 算的试验温度是准确的。一般 3060min是可以接受的523.BP沉淀稳定试验 方法之一 水泥浆在高温稠度仪里加热到BHCT，1.5h后将冷却到200,将其转移到预热的试管里在养护斧里养护16h，养护温度185 ,完全硬固后锯下上下各1“,测密度 要求 密度差在0.5ppg(0.06g/cm3)为合格53BP沉淀稳定试验 方法之二 先将水泥浆在稠化仪里加热到井底条件，然后从稠化仪取出装在一个玻璃量杯里（高203mm，ID25mm)在养护斧里养护知道硬化，最后锯出上、中、下三片测量密度并做比较544.停泵安全试验 方法与要求 当水泥浆稠化时间试

30、验加温到达井底循环温度时中断试验2030min，这就意味着突然停泵需要抢修，恢复试验后观察稠化曲线的变化，无大的变化可认为是安全的555.水泥浆界面强度试验 测定先导浆和尾随浆界面或双凝水泥浆界面的强度，从水泥的初期强度预测水泥胶结质量 了解固井作业是否满足地层的需要。566.尾管顶部强度试验 试验用途 由此试验预告允许钻开尾管顶部水泥塞的时间 给定尾管顶部的静止温度577.水泥浆重复试验 方法与用途1. 用中心化验室配方对现场材料做重 复试验。2. 及时调整获得现场使用的配方。588. 现场混拌能力试验 方法 在现场配制一定数量的混合水进行水泥浆实际配制和泵送操作。 现场混拌能力试验是对除了

31、批量混合水泥浆以外的较高密度水泥浆的泵送试验，以便检验设备的能力和新用材料的性能以及操作能力。59第三 高温高压井固井设计应考虑的其它问题1. 钻井的成功率受诸多因素的影响：（1）技术套管下深不当是首要因素。地层压力大小和深 度预测不准，技术套管深度不合适，没有封住低压 层，钻遇未曾预料的高压层，出现又喷又漏局面, 无法钻进；(见示意图）（2）高温高压井固井质量保证不了，补救作用将花费很 多时间，影响钻井；60技术套管在高温高压井中的地位61第三 高温高压井固井设计应考虑的其它问题（3）泥浆性能影响钻井。高密度泥浆不稳定，固相含量 高，高密度抗污染能力差，水侵重晶石沉淀，甚至 用高密度泥浆钻低

32、压层，将大大影响钻进（4）钻井要成功，就必须用平衡压力钻井技术。不宜用 高密度钻井液钻完一个包含常压层、次高压层和高 压层，而应该增加套管层次，使用套管封隔低压地 层，这样既可使用平衡压力钻井技术，也可减少因 高密度泥浆造成井漏，压差卡钻等事故。62高温高压井固井设计应考虑的其它问题2. 影响固井质量的因素也很多：（1） 高密度泥浆，塑性粘度高，静切力大，固相含量 高 ，抗污染能力差，给下套管、开泵循环、泥浆 顶替和隔离液设计带来一系列的不利影响；（2） 由于井身结构不合理给水泥浆设计、替浆技术造 成严重影响。如某些井段出现常压地层，次高压层 和高压地层。高密度水泥浆能压住高压层，但在常 压层

33、就开始漏失。（如前面的技术套管图）（3）固井要成功就是一层套管封固一个压力层。63第三 高温高压井固井设计应考虑的其它问题3. 对井下情况的全面考虑。 如果有盐水层，要抓住地层可溶性和塑 性运动两大问题。除了检验水泥浆体系 的抗盐性能外还要考虑套管抗外挤强度 等等。4. 关于水泥化验问题。由于高温水泥对微 小的化学变化反应十分敏感所以室内试 验要采用现场施工所要用的水泥、添加 剂、和水。64高温高压井固井设计应考虑的其它问题 5. 高温材料的综合考虑（1）水泥：（HSR）API G级水泥（2）加重材料：钛铁矿或赤铁矿（3）缓凝材料：高温聚合物缓凝剂（4）高密度浆稳定材料：锰矿粉（5）降失水剂：

34、高温聚合物（6）防窜材料：乳胶（7）硅粉：粗细搭配（8) 浮动设备和尾管工具的耐温要求65高温高压井固井设计应考虑的其它问题6. 固井工艺的综合考虑： 套管允许的下放速度计算； 开泵循环压力计算； 水泥浆特殊检验方法以及科学混拌程序的应用； 小间隙固井方法包括等容量换浆法，三低固井技 术的应用； 水泥浆候凝方法应用等等。 66第四 制定现场施工计划1）要综合全部需要的井况；2）要综合和整理全部的难点分析资料；3）要体现固井过程的完整性；4）要有准确数据和严密措施，体现现代固 井技术的先进性；5）要有施工的应急措施。 由固井工程师编写。67第二专题 气层固井防窜工艺技术（一） 水泥浆气窜学说（二

35、） 水泥浆气窜预测法（三） 八项综合防窜工艺（四） 气层固井防窜理论的应用68（一）水泥浆气窜学说第一 水泥浆界面胶结学说： 微形间隙的存在影响胶结导致气窜第二 水泥浆失重学说： 水泥浆失水静压降低导致气窜第三 水泥浆胶凝结构学说： 水泥结构的渗透性导致气窜69水泥浆渗透率试验数据70防窜水泥浆设计途径1. 控制API失水量，减少体积收缩2. 延迟水泥浆胶凝形成，延长液态 非胶凝 时间3. 尽量使用粒度细的材料，提高水 泥石致密度，降低渗透率。71（二）水泥浆气窜预测法1）气窜潜在系数预测法2）水泥浆性能预测法3）水泥浆防窜能力初评721）气窜潜在系数预测法气窜潜在系数的基本概念 固井后水泥浆

36、在初凝期静压降低，气体开始侵入进正在凝固中的水泥浆体系，而胶凝结构的形成又阻止了气体入侵，实验表明，水泥浆静压降低越多，气侵程度就越大，因此气窜潜在系数可以这样定义：水泥浆的最大压力降与井下超平衡压力的比值可以衡量其侵程度73气窜潜在系数学表达式数学方法 GFP=MPR/OBPGFP-气窜潜在系数MPR-水泥浆最大压力降OBP-液柱静压与地层压力差74气窜潜在系数预测法等级划分GFP13.53.67.67.6程度轻微中等 严重75水泥浆性能预测法 水泥浆性能基本概念 水泥浆从液态到固态的转化初期的失水量假定与时间的平方根有线性关 系，用SPN表示。从稠度变化的时间来衡量，用初始稠度到30BC的

37、时间和稠度到100BC的时间作为计算标准。76水泥浆性能预测法数学表达式： SPN=API*（t100)1/2-(t30)1/2)/(30)1/2 SPN- 水泥浆性能系数 API- 水泥浆失水量 t100、t30- 稠度分别为100Bc和30Bc的 时间77水泥浆性能预测法防窜评价0SPN=4防窜能力特强4SPN6.5防窜能力差78水泥浆防窜能力初评水泥浆自由水是否为零失水量是否小于100ml水泥浆过度时间是否在7.6气窜等级等级轻微中等严重水泥类型类型低失水乳胶其他防窜能力SPN46.56.5自由水0.5%00API失水10010010080（三）八项综合防窜工艺1. 水泥浆防窜工艺2.

38、合理水泥段长设计3. 双凝水泥浆段设计4. 双级注水泥技术81综合防窜工艺5. 井口环空加回压6. 钻井液密度调整法7. 尾管顶部留水泥塞8. 循环后凝法821.水泥浆防窜工艺 一种获得无自由水、低失水、胶凝结构非渗透性的理想水泥浆体系的方法 乳胶水泥浆体系的应用满足了防窜机理的三大要求：即 无自由水 低失水 胶凝状态只有极低的渗透率，凝固后无渗透率 83乳胶是一种特殊的防窜材料 乳胶，它是一种乳化球状聚合物，其直径为200500 纳米。当加到波特兰水泥中时，常常用表面活性剂来稳定，以提高抗冻结和抗融化的能力并防止絮凝。大多数乳胶悬浮液含有50%的固相。大量的单体聚合物，包括醋酸乙烯、氯化乙烯

39、、聚丙烯、乙烯、苯乙烯和丁二烯等等，经乳化聚合配制成工业乳胶。 在改性的乳胶水泥体系中乳胶颗粒聚结在一起形成塑性胶膜，将C-S-H 凝胶包裹起来。由于乳胶具有弹性和较高的固结强度，它将桥堵微裂缝，并抑制微裂缝的扩散，结果水泥石的抗拉强度得到提高，渗透率下降。 84乳胶是一种特殊的防窜材料 国外1958年乳胶开始用于油井水泥，并获得专利。 国内用于固井的也是近几年的事，在对外合作中开发的。 乳胶水泥浆的应用使固井防窜技术取得了突破性的进展。85乳胶是化工产品 乳胶在进口产品中的代号是Latex-2000 实际上它是聚乙烯、 醋酸乙烯脂和苯 乙烯、丁二烯树脂。存放 环境不得 大 于35，在高速搅拌

40、下容易 破乳。它还需要稳 定剂（如FDP-C485等 ）配合使用86乳胶的特性1. 好的降失水剂，密度0.997g/cm32. 可溶于水3. 适用温度 80380（27193）4. 使用量：0.53gal/sk87乳胶水泥浆体系性能1. 乳胶水泥浆无自由水;2. API失水量50mL;3. 在胶凝结构开始形成时就显示了低的渗透率;4. 凝固后水泥的渗透率等于0;5. 在亲油表面和亲水表面的固结质量都较好;6 . 射孔时水泥环的破裂度较低;7. 防泥浆污染能力得到提高。882. 合理的水泥段长设计Lc3.5(Dh-DP)POBP/(1.67*0.05745)-(m) Dh-DP-井径和套管外径(

41、cm) POBP-液柱-静压与地层压差-(MPa)893.双凝水泥浆段设计 缓、速段长比=2:1 稠化时间缓、速相差 2:002:30904. 双级注水泥（DV） 技术的应用缩短水泥浆段长，明显降低气窜潜 在系数GFP915.井口环空加回压1.计算水泥浆每分钟的失重效率2.根据碰压后到可施加回压时间长短施加不同的压力3.蹩压时间812hr926.提高泥浆密度1.在要求使用低于泥浆密度的清洗液的情况下，需要提高部分或全部泥浆密度2. 必须计算薄弱层和井底压力梯度，不压漏地层。93“提高泥浆密度防窜法”的成功应用井例 井况数据1. 钻井深度：2583.5m2. 尾管下深：2583m3. 泥浆密度：

42、2.0g/cm34. 气层深度：2534m5. 气层压力：48.9MPa6. 气层当量：1.97g/cm37. 井底破裂当量：2.58g/cm394“提高泥浆密度防窜法”的成功应用井例 固井设计1. 水泥浆密度：2.1g/cm32. 提高部分泥浆密度：2.3g/cm3 提高量：21.5m33. 固井后环空加压：2.0MPa4. 清水冲洗液5.0m3（占环形容积424m）5. 隔离液5m3（2.10g/cm3）95“提高泥浆密度防窜法”的成功应用井例967.尾管顶部留水泥塞（1） 设计长度 50150m（2） 对小间隙固井 尤为重要,防止水泥回落。978.循环候凝法 这是井口回压的另一种形式，更

43、方便，更安全计算水泥浆失重效率，循环泵压等于水泥浆失重压力加摩阻。984.气层固井防窜理论的应用 防窜理论的核心1. 水泥浆结构渗透理论是对气窜原理的圆满解释 2. 水泥浆既是气窜主要原因又是防窜工艺主要内容 3. 防窜工艺的核心是 固井全过程维持环空 对地层的超平衡压力，它的原理适用于任何套管固井。4. 防窜工艺的综合应用才能取得最好的防窜效果99现场应用1）循环过程将气测值降到油田规定的最低 限度（如5%）2）不用或少用低密度清洗液，非用不可， 需提高部分或全部钻井液密度，要满 足固井全过程维持环形空间对地层的 超平衡 压力的原则3）水泥浆段设计要合理4）候凝初期要补充环空静压100第三专

44、题深井套管小间隙固井技术 1. 套管小间隙出现的原因 2. 固井难点分析 3. 套管小间隙固井方法101套管非常规结构存在的原因 非常规套管结构是高温高压深井钻井的必然结果。根据钻井原则，对钻探多套压力系统的井，应采用多层套管程序，一般地说，一 层套管封一个压力体系。 对于高温高压深井来说，由于 地层存在多压力体系，不得不使用多层次的套管结构。因此出现了非常规小间隙，给固井作用带来极大的困难。102深井套管层序套管非常规结构举例：如某井设计井深4800m，套管结构如下： 30”- 20”- 16”- 13-3/8”-11-3/4”- 9-5/8”- 7”- 5”共8层。103某井设计套管结构1

45、04某井设计套管结构小间隙105常规套管结构及其间隙值套管结构9-5/8” 13-3/8”53.5Lb/ft 61Lb/ft7” 9-5/8”35Lb/ft 53.5Lb/ft间隙值mm36.719.5106非常规套管间隙 套管结构(内层外层)11-3/4” 13-3/8”11-3/4”尾管回接筒与13-3/8”9-5/8” 11-3/4”9-5/8”尾管回接筒与11-3/4”间隙值mm9.716.5414.565.04107典型的非常规套管间隙值尾管层序11-3/4”与13.3/8”11-3/4”回接筒9-5/8”与11.3/4”9-5/8”回接筒单边间隙mm9.716.5414.565.0

46、4是常规间隙的%51347626与外层环形容积9.44L/m6.40L/m11.84L/m4.26L/m裸眼环形容积29.3729.3729.0929.09裸眼环容与间隙环容的%比311%458%246%682%裸眼返速与间隙返速比24%16.5%44%16%108非常规套管小间隙的特点1. 小间隙值都出现在技术尾管。 如11-3/4”/13-3/8”的间隙为9.71mm 在回接套处只有 6.54mm 9-5/9”/11-3/4”的间隙为11.56mm 在回接套处只有 5.04mm 这些小间隙都小于公认的间隙值 19.05mm（3/4”)109非常规套管小间隙的特点小间隙值都出现在技术尾管尾管

47、与尾管in.尾管重叠段间隙mm回接套与外层间隙mm裸眼返速与重叠段返速比%11-3/4”与13-3/8”9.716.5424%与16.5%9-5/8”与11-3/4”11.565.0444%与16%110深井套管小间隙固井难点分析1. 井漏随时发生，漏失位置在上层套管鞋： 套管下放速度受到限制，稍微失控，激 动压力增大，把地层压漏； 下完套管开泵循环可能因破坏泥浆凝胶 结构压力增加，压破地层，造成井漏； 替浆泵压过大，压漏地层等 111深井套管小间隙固井难点分析2. 固井结果可能严重混浆 裸眼环形容积是小间隙处的3.11倍至 6.82倍。正如在分析高温高压深井固井难题时指出：如果以套管重迭段设

48、计安全返速，那么裸眼处由于返速太低严重混浆；如果以裸眼段设计安全返速，那么会造成重叠段返速太高，重叠段返速是裸眼段的3.1倍以上，套管鞋处激动压力过大，井漏不可避免112非常规套管小间隙固井方法等容量换浆法 注水泥前用塞流或低泵速泵入超大容积的低密度水泥浆或改性隔离液换掉裸眼的泥浆量。泵入量相当于裸眼容积的1.5倍，低密度水泥浆要加降失水剂，在批量混合罐中预先配好，水泥浆要做稳定试验。改性隔离液要做泥浆相容性试验，曾经用过的隔离液是Halliburton 的产品，叫Dual Spacer.113非常规套管小间隙固井方法 2. 超低固井技术 下套管低下放速度 允许的激动压力范围内下放套管 循环泥

49、浆低泵速 安全返速或塞流速度 低密度水泥浆 用安全返速或塞流速度 注水泥、替浆低泵速 安全返速或塞流速度114固井技术超低泵速设计1. 开泵循环泵速计划：井例钻铤周围返速 的30%，即1.1330%=0.35m/s2. 下套管后的循环： 低速0.45m/s3. 替浆泵速： 低速0.45m/s注：根据国外经验低替速90ft/min计算。 （World Oils Cementing Handbook gulf publishing company 1977) 115第四专题简化井身结构的因素（一）国外井身结构设计方法（二）简化井身结构的因素（三）井身结构设计实例系列116（一）国外井身结构设计方法

50、 利用地质资料 设计套管层次和套管鞋深度117井身结构设计依据 基础数据1. 地质资料 钻井数据(钻井工艺技术水平数据)118地质资料1. 下部地层孔隙压力当量密度曲线2. 全井井段的破裂压力当量密度曲线119钻井数据-体现钻井工艺技术水平的数据1. 抽吸压力的允许值（Sb） 一般产生在起钻过程2. 激动压力允许值（ Sg ） 一般产生在下钻过程和 开泵循环3. 地层破裂安全增值（ Sf） 为防止预测的地层破裂压力 偏低而定的安全余量120钻井数据-体现钻井工艺技术水平的数据4. 井涌条件允许增值（ SK） 按井涌的大小而定5. 压差允许值（Pn Pa ） 钻井液液柱压力与地层孔隙 压力的最大

51、压 差允许值.121钻井数据设计-体现钻井工艺技术水平的数据1. 抽吸压力的允许值 Sb= 0.040.06 g/cm32. 激动压力的允许值 Sg = 0.040.06 g/cm33. 地层破裂安全增值 Sf =0.03 g/cm34. 井涌条件允许增值 SK =0.060.1 g/cm35. 压差允许值 ：正常井段 Pn=11.716.5MPa 异常井段 Pa=14.521.4MPa122应用公式1. Wf3ik=Wpmax+ Sb + Sf+ (Hpmax/H3i) SK 根据压力曲线图，计算所设计的中间套管以下裸眼在发生井涌时上部裸眼应有的破裂压力当量Wf3ik。 Wpmax-中间套管

52、以下裸眼预计最大地层孔隙压力当量 Sb-抽吸压力当量 Sf-地层破裂安全增值 Hpmax-发生井涌时最大地层孔隙压力所在井深 H3i-中间套管初选深度 SK-井涌条件允许值123应用公式2. P3i= 0.0098*Hmm(W3i+ Sb Wmin) P3i-中间套管井段实际最大压差 Hmm-最小孔隙压力所在的深度 Wai-初选下入深度孔隙压力当量密度 Wmin-中间套管井段最小孔隙压力当量密度 用正常压力地层的压差允许值判断： 当P3i Pn时，则可能发生压差卡钻。这时下 深应浅于初选的。用下式计算在井深Hmm处压力差 Pn时，允许的最大地层孔隙压力当量密度值 Wpper124应用公式3.

53、Wpper= Pn 0.0098*Hmm+ Wmin- Sb 当中间套管下入深度因压差大而浅于初选深度（H3H3i),中间套管下面还要一层套管H2。由中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度Wf 3,可求得允许的最大孔隙压力当量密度Wpper。125应用公式4. Wpper= Wf 3 -Sb- Sf-（ H2iH3)*SK Wpper-由中间套管鞋破裂压力当量求 允许的地层孔隙压力当量. Wf 3- 中间套管鞋破裂压力当量 H3- 中间套管鞋深度 H2i- 设计的中间套管下面的套管深度. SK- 井涌条件允许值126设计步骤 根据地质设计和油气层位置以及岩性确定生产层套管，即第一层下入深度H1利用

54、压力曲线图最大孔隙压力和应有的地层破裂压力，初选中间套管下入深度H3；经自下而上的压差卡钻校核确定下入深度；利用中间套管鞋处地层破裂压力求最大的地层孔隙压力，初选下层套管下入深度H2，自上而下压差卡钻校核与破裂压力校核；127设计步骤根据中间套管鞋地层孔隙压力确定上层套管的下入深度H4；5 根据钻井特点确定表层套管和导管H5、H6；128设计方法及其意义先按井内压力系统平衡设计出各层套管 的下入深度，然后再针对影响钻进的复杂情况作适当调整；设计由下而上进行，第一层套管下入深 度取决于地质要求；3. 设计步骤从第二层套管(中间套管)开始4. 套管下深用地层孔隙压力做校核，检查套管下入深度有无压差

55、卡钻危险；129设计方法及其意义5. 以压力剖面为依据。 即根据预先提供的地层孔隙压力和破裂 压力当量泥浆密度6. 以井内压力系统平衡为基础。因此可以 不压漏地层，不发生压差卡钻、卡套管， 达到安全钻进的目的。130中间套管下入深度H3的设计方法根据曲线图最大孔隙压力，用试算法试取H3i 代入应用公式1，初选中间套管下入深度H3 Wf3ik=Wpmax+ Sb + Sf+ (Hpmax/H3i) SK 如果Wf3ik略小于实际值，则初选值合适，否则应另选计算，直到满足为止。 131中间套管下入深度H3的设计方法校核中间套管下到初选点有无压差卡钻危险。用应用公式2即 P3i= 0.0098*Hm

56、m(Wai+ Sb Wmin)求出最大钻井液与最小地层孔隙压力密度的压差P3i 当P3i Pn时，则可能发生压差卡钻。这时下深应浅于初选的。 如果中间套管下如深度因为压差大而浅于初选深度时，在油气层套管与中间套管之间还要下一层套管，即 H2，以下就是中间套管下面一层套管的确定方法。132中间套管下面一层套管的设计方法由中间套管鞋处的地层破裂压力当量密度 Wf 3,可求得允许的最大孔隙压力当量密度 Wpper。可用应用公式4： Wpper= Wf 3 -Sb- Sf-（ H2iH3)*SK 当选定H2i代入上式，求得的Wpper大于实际的地层孔隙压力当量密度时， H2i就是初选深度133中间套管

57、下面一层套管的设计方法2. 校核H2i是否卡钻。 适用的公式是应用公式2，即P2i= 0.0098*Hmm(W2i+ Sb Wmin) 当P2i Pn时，则可能发生压差卡钻。这时下深应浅于初选的134（二）简化井身结构的因素1. 简化井身结构的主要因素是地层压力预测的 准确性，减少对套管结构的调整变化。2. 钻井因素： 根据起钻产生抽吸压力的原理，井身结构设 计中要 把 吸压力减少到最低限度的途径就是 缓慢起钻，不 抢 速度，并定时灌泥浆； 下套管严格按计算的下放速度进行，减少激动压力；3. 泥浆密度设计与地层压力预测息息相关，泥浆密度随 预测的地层压力逐步调整。135简化井身结构的因素4.

58、在没有浅地层气的情况下，可以不下20”表层套管。5. 在常压地层，可用13-3/8”套管作表层和技术套管，封隔疏松地质表层、水层。6. 如果13-3/8”下部仍然没有高压产层，9-5/8”下到底（一般井深25003000m)136井身结构设计举例已知条件: 抽吸压力当量密度值Sb=0.05g/cm3 井涌条件允许值SK=0.07 地层破裂压力增值Sf=0.03 压差允许值Pa=21.4兆帕； 正常压差允许值Pn =15.7兆帕 设计井深TD=3400m,水深98m， 入泥45m，海拔25m。 预告的地层孔隙压力和地层破裂压力当 量密度在下图表示137地质资料（由地质提供的孔隙压力和破裂压力当量

59、密度曲线）138设计套管下入深度设计第一层套管. 第一层下到井底，即H1=3400m2. 确定中间套管下入深度H3 （1）查图初选H31=2650m，下部裸眼最大孔隙压力当量 Wpmax=1.7 (2) 校核 井涌时的安全破裂当量 Wf31k=Wpma+Sb+Sf+Hpmax/H31*SK=1.87 (3) 井深2650m处破裂压力当量Wf2650=1.88 所以H31=2650m可以被确定。 139设计套管下入深度(4) 校核有无压差卡钻危险 由图上查WP31=1.36, Hmm=1600m,Wmin=1.07。 P31=0.0098*Hmm*（WP31+Sb-Wmin）=5.33兆帕 所以

60、 H3 = H31 =2650m (5)确定中间套管下面一层套管的下入深度H2 因为H3 = H31 ，所以不必再下一层套管H2140设计套管下入深度3. 确定中间套管上面一层套管H4 由公式： Wf41k=Wpmax+Sb+Sf+Hpmax/H41*SK 此时，Wpmax=WP3=1.36 Hpmax=H3=2650 代入 Wf41k =1.36+0.05+0.03+2650/H41*0.07 如选H41=1600m，计算Wf41k =1.556 由图查得1600m处的破裂当量为1.56 因此 H4 = H41=1600m。141设计套管下入深度4. 确定表层和导管 （a）表层H5，根据岩性