注水泥技術(shù)(一)

第二章套管柱及注水泥設(shè)計第1節(jié)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計第2節(jié)生產(chǎn)套管尺寸確實定第3節(jié)套管柱設(shè)計第4節(jié)注水泥技術(shù)第5節(jié)復雜類型井套管柱設(shè)計和注水泥技術(shù)簡介第4節(jié)注水泥技術(shù)1、油井水泥 1.1、注水泥技術(shù)的內(nèi)容和要求 1.2、API油井水泥分級方法 1.3、水泥的水化反響 1.4、油井水泥的物理性能 1.5、油井水泥外加劑2、注水泥技術(shù) 2.1、提高注水泥頂替效率的措施 2.2、水泥漿在凝結(jié)過程中的失重與油、氣、水竄問題1、油井水泥1.1、注水泥技術(shù)的內(nèi)容和要求〔1〕主要內(nèi)容選擇水泥；設(shè)計水泥漿性能；選擇水泥外加劑〔或外摻料〕；井眼準備；注水泥工藝設(shè)計；1.1、注水泥技術(shù)的內(nèi)容和要求〔2〕根本要求水泥漿返高和套管內(nèi)水泥塞必須符合設(shè)計要求；注水泥段環(huán)空的泥漿應全部被水泥漿頂替干凈，不竄槽； 水泥環(huán)〔水泥石〕有足夠的連接強度和封固性能，不發(fā)生油氣水竄，能經(jīng)受住酸化、壓裂等；水泥石能抗〔油、氣、水的長期〕腐蝕。1.2、API油井水泥分級方法〔1〕分級鑒于油井水泥特殊的使用環(huán)境及對性能的要求，建立了專門的油井水泥分級方法。目前API水泥分A、B、C、D、E、F、G和H八個級別，每種水泥適用于不同的井況，此外還根據(jù)水泥抗硫酸鹽能力進行分類。分為：普通型〔O〕中抗硫型〔MSR〕高抗硫型〔HSR〕。1.2、API油井水泥分級方法油井水泥分級方法：過去API油井水泥分為A、B、C、D、E、F、G、H、J九種根本水泥；現(xiàn)在簡化成A、B、C、G、H五種，而且歸結(jié)為一類根本水泥。D、E、F級水泥，可由G、H級水泥加緩凝劑來實現(xiàn)。ISO〔世界標準化組織〕ISO/Dis10426-1明確取消了J級水泥。水泥的化學成分和物理性能分別見表1和表2。1.2、API油井水泥分級方法〔2〕適用范圍級別深度范圍（m）溫度（OC）說明A0～1830B0～1830C0～1830D1830～3050E3050～4270F3050～4880G、H0～24400～93為兩種基本水泥，分中抗硫酸鹽型和高抗硫酸鹽型。當加入促凝劑或緩凝劑時，能適應較大范圍的井深和溫度變化基本類型水泥1.3、水泥的水化反響(1)凝結(jié)過程〔硬化過程〕水泥與水混合后，迅速與水發(fā)生水化反響，生成各種水化產(chǎn)物，水泥漿也逐漸由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，并形成的四種礦物成分：硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣。硅酸三鈣：3CaOSiO2〔簡寫C3S〕。是水泥產(chǎn)生強度的主要化合物，它強度增長快，最后強度也大。硅酸二鈣：β型2CaOSiO2〔簡寫C2S〕。水化反響慢，強度增長慢，但能在長時間內(nèi)逐漸增大水泥的強度1.3、水泥的水化反響鋁酸三鈣：3CaOAl2O3〔簡寫C3A〕。水化反響速度最快，是決定水泥漿初凝時間和稠化時間的主要因素，對水泥漿的流變性也有很大影響。鋁酸三鈣對硫酸鹽類侵蝕最敏感，因此在抗硫水泥中對鋁酸三鈣含量有限制。中抗硫酸鹽型水泥中鋁酸三鈣的含量不能超過8%，高抗硫酸鹽型的水泥中鋁酸三鈣的含量不能超過3%。鐵鋁酸四鈣：4CaOAl2O3Fe2O3〔簡寫C4AF〕。水化速度僅次于鋁酸三鈣，早期強度增長快，硬化三天和28天的強度值差異不大，強度的絕對值也不大。1.3、水泥的水化反響〔2〕三類水化反響：C3A的水化反響

3CaOAl2O3+6H2O→3CaOAl2O36H2OC3S、C2S及C4AF的水化反響

2(3CaOSiO2)+6H2O→3CaO2SiO23H2O+3Ca(OH)2

2(2CaOSiO2)+4H2O→3CaO2SiO23H2O+Ca(OH)2

4CaOAl2O3Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O→3CaOAl2O36H2O+3CaOFe2O36H2O水化的C3A與二水石膏的水化反響

3CaOAl2O36H2O+3(CaSO42H2O)+20H2O→3CaOAl2O33CaSO432H2O1.3、水泥的水化反響〔3〕有關(guān)水化反響的說明水泥的水化反響是一個不斷進行的過程。隨著水化的不斷進行，水泥漿從凝膠態(tài)逐漸向結(jié)晶態(tài)開展，最后形成硬化的水泥石。水泥的水化反響是一放熱反響，在工程上可利用這一特點來探測水泥漿在環(huán)形空間內(nèi)的上返高度。另外，水泥在水化過程中要發(fā)生體積收縮〔水化后生成物的總體積小于水化前反響物的總體積〕，在一定條件下該體積收縮對固井質(zhì)量有著重要的影響。在油氣井固井中，水泥的水化反響是在井下一定的溫度壓力條件下進行的。溫度壓力對水泥的水化速度有很大的影響，一般隨溫度壓力的增加，水泥水化速度加快，其中溫度的影響更顯著。正因為如此，水泥漿的有關(guān)性能一般均是在模擬井下溫度壓力的情況下測定的。1.4、油井水泥的物理性能為了保證施工平安并提高固井質(zhì)量，水泥漿以及最終所形成的水泥石必須滿足一定的性能要求。性能包括：水泥漿密度水泥漿稠化時間水泥漿流變性水泥漿失水量水泥漿穩(wěn)定性水泥石抗壓強度水泥石滲透率其中常測定的是前六項性能1.4、油井水泥的物理性能〔1〕水泥漿密度作用：滿足平衡壓力要求保證獲得最好的水泥漿性能根本要求：注水泥期間既不井漏又不井噴測量：用泥漿密度計〔國外還有加壓密度計〕影響因素：水灰比；外摻料〔指密度調(diào)節(jié)劑〕用量1.4、油井水泥的物理性能〔1〕水泥漿密度水灰比是指配制水泥漿時配漿水的重量與干水泥的重量之比。水泥漿密度〔〕與水灰比〔m〕直接相關(guān)，關(guān)系為注意：干水泥的密度〔c〕為3.14g/cm3～3.15g/cm3，故當水泥漿的密度為1.85g/cm3～1.90g/cm3時，水灰比約為0.48～0.44。當干水泥中所混合的外加劑加量較大、尤其是為了調(diào)節(jié)水泥漿密度摻了加重劑或減輕劑〔又稱為外摻料〕時，上式中干水泥密度取水泥和這些外加劑及/或外摻料混合后的固相混合物平均密度。這時，m為水固比。1.4、油井水泥的物理性能〔2〕水泥漿的稠化時間定義：在井下溫度壓力條件下，從給水泥漿加溫加壓時起至水泥漿稠度達100Bc〔Bc為稠度單位〕所經(jīng)歷的時間稱為水泥漿的稠化時間。作用：保證施工平安。要求：整個注水泥施工作業(yè)能夠在稠化時間以內(nèi)完成，并包含一定的平安系數(shù)。一般：施工時間+1小時<稠化時間。測量：常壓稠度儀；高溫高壓稠度儀。測定“稠度-時間〞曲線，當稠度到達100Bc時的時間。Bc為稠度單位。影響因素：水灰比；溫度與壓力；外加劑；1.4、油井水泥的物理性能水泥漿的稠化時間

稠度時間1.4、油井水泥的物理性能〔3〕水泥漿失水概念：水泥漿中自由水通過井壁向地層滲入的現(xiàn)象；危害：水泥漿大量失水將造成水泥漿急劇變稠，大大影響其流動性，從而不利于水泥漿對鉆井液的頂替；如果自由水不能進入地層，可能留在水泥石中，形成孔道，水泥石分隔性、強度降低，導致竄槽；水泥漿大量失水進入油氣層也將對油氣層產(chǎn)生損害。1.4、油井水泥的物理性能〔3〕水泥漿失水要求：根據(jù)不同的井況和施工條件規(guī)定。水泥漿失水量指的是水泥漿失水的快慢程度，失水量大小用30分鐘內(nèi)的失水總體積表示。原那么上說，水泥漿失水量越小越好，但控制水泥漿失水的外加劑通常對水泥漿的流變性、稠化時間、抗壓強度等有影響，因此應權(quán)衡考慮。一般套管注水泥100ml/30min～200ml/30min；擠水泥或尾管注水泥50ml/30min～150ml/30min；防氣竄20ml/30min～40ml/30min；高密度水泥應低于50ml/30min。測量：失水儀，〔常溫與高溫、7MPa,30min〕影響因素：水灰比；壓差；地層的滲透性；外加劑；泥漿的泥餅1.4、油井水泥的物理性能〔4〕水泥漿流變性概念：水泥漿在外加剪切應力作用下流動變形的特性。作用：計算流動阻力，選擇施工裝置和設(shè)備，防止井壓漏，保證施工平安實現(xiàn)紊流或塞流頂替，提高頂替效率要求：有利于提高頂替效率測量：旋轉(zhuǎn)粘度計、高溫高壓流變儀〔模擬井下溫度壓力測定〕計算：流變參數(shù)；臨界流速，用流變參數(shù)衡量影響因素：水灰比；溫度與壓力；外加劑1.4、油井水泥的物理性能〔5〕水泥石抗壓強度概念：水泥石在壓力作用下到達破壞前單位面積上所能承受的載荷稱為水泥石的抗壓強度。要求：1〕能支承住井內(nèi)的套管；2〕能承受住鉆進時的沖擊載荷；3〕能承受酸化、壓裂等操作；注水泥井段在承受酸化壓裂時的壓力的最薄弱環(huán)節(jié)不是水泥石本身，而應是水泥環(huán)與井壁膠結(jié)處〔或水泥環(huán)與套管膠結(jié)處〕，水泥石強度遠大于水泥環(huán)與井壁的膠結(jié)強度。影響因素：水灰比；溫度與壓力；外加劑1.4、油井水泥的物理性能〔6〕水泥石滲透率概念：水泥石的滲透率指的是在一定壓差下，水泥石允許流體通過的能力。要求：盡可能低影響因素：水灰比；溫度與壓力；外加劑為實現(xiàn)封隔，水泥石的滲透率越低越好，水泥環(huán)基體〔即水泥石〕可實現(xiàn)層間封隔；但如果水泥環(huán)與套管或水泥環(huán)與井壁間存在微環(huán)隙、或膠結(jié)強度不夠高，那么對層間封隔有嚴重影響。1.5、油井水泥外加劑為了滿足不同情況下固井施工和固井質(zhì)量的要求，注水泥時在水泥漿中一般均加有各種外加劑來調(diào)節(jié)水泥漿的性能。常規(guī)的水泥外加劑有緩凝劑、速凝劑、減阻劑、降失水劑、減輕劑、加重劑等。緩凝劑和速凝劑用來調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時間，有的速凝劑還能提高水泥石的早期強度。參加減阻劑的目的是為了改善水泥漿的流動性能、降低流動摩阻降失水劑的作用是降低水泥漿的失水量，防止水泥漿脫水。在井下有低壓易漏失層時，為了防止注水泥時發(fā)生井漏，常參加本身密度低的減輕劑〔如硅藻土、漂珠〕以降低水泥漿的密度。當?shù)貙訅毫Ω叩揭欢ㄖ禃r，需要參加密度大的加重劑〔如鐵礦粉〕提高水泥漿的密度以平衡地層壓力。2、注水泥技術(shù)注水泥的目的在于提供良好的環(huán)空封隔。為實現(xiàn)這一目的，要解決以下二個方面的的問題：〔一〕如何使環(huán)形空間充滿水泥漿；〔二〕如何使水泥漿在凝結(jié)過程中壓穩(wěn)油、氣、水層和封隔好油、氣、水層。

頂替效率概念：水泥漿在環(huán)形空間頂替鉆井液的程度，用η表示

注水泥段： 環(huán)形水泥漿體積

=——————————

環(huán)空體積注水泥漿段任一截面積： 環(huán)形水泥漿面積

=——————————

環(huán)空截面積2.1、提高注水泥頂替效率的措施η等于1〔即100%〕時，水泥漿全部頂替走了鉆井液；當η小于1時鉆井液沒有被水泥漿完全替走，稱為發(fā)生了鉆井液竄槽；η值越大，頂替效率越高。為提高頂替效率，所采取的主要措施有：加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度、注水泥時活動套管、采用紊流或塞流流態(tài)注水泥、采用前置液、注水泥前調(diào)整鉆井液性能、增加紊流接觸時間等。1.加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度

套管在井眼中不居中的現(xiàn)象稱為套管偏心。注水泥頂替效率與套管在井眼中的偏心程度密切相關(guān)。在定向井和水平井中，由于套管的自重，管柱將偏向井眼下側(cè)，形成偏心。就是直井，由于實際所鉆成的井眼不可能是一個完全垂直的井眼，因此也存在套管偏心的情況。2.1、提高注水泥頂替效率的措施1.加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度在水泥漿頂替鉆井液的過程中，水泥漿在寬間隙處頂替鉆井液的速度快一些，而在窄間隙處的頂替速度那么較慢，導致寬窄間隙水泥漿返高不一致。假設(shè)套管偏心嚴重，那么可能出現(xiàn)窄間隙的鉆井液根本不能被頂走而滯留在原處的竄槽現(xiàn)象。因此要盡量降低套管在井眼中的偏心程度。目前所采取的措施是在套管上安裝套管扶正器。2.1、提高注水泥頂替效率的措施2.注水泥時活動套管在注水泥過程中，旋轉(zhuǎn)或上下活動套管是提高頂替效率的有效措施。機理：當環(huán)空窄間隙處有滯留〔或流動較慢〕的鉆井液時，旋轉(zhuǎn)套管可依靠套管壁拖弋力將鉆井液帶入進環(huán)空的較寬間隙處，從而被流動的水泥漿頂替走。結(jié)論：一般認為旋轉(zhuǎn)效果較好；上下活動套管可能在上提套管后發(fā)生卡套管從而使套管不能下放到設(shè)計放置，給安裝井口造成困難。2.1、提高注水泥頂替效率的措施〔a〕〔b〕〔c〕旋轉(zhuǎn)套管提高頂替效率示意圖〔a〕套管不動〔b〕套管開始轉(zhuǎn)動〔c〕鉆井液將被替完1——井眼2——套管3——流動的水泥漿4——鉆井液2.1、提高注水泥頂替效率的措施3.采用紊流或塞流流態(tài)注水泥在層流流態(tài)，斷面流速分布呈尖峰形態(tài)；在紊流和塞流流態(tài)，斷面流速分布相對平緩，因而有利于水泥漿均勻推進頂替鉆井液。在偏心環(huán)空中，當采用塞流流態(tài)時，雖然在本間隙內(nèi)水泥漿可均勻推進，由于在周向上流速分布不均，可能存在周向上嚴重推進不均的后果。2.1、提高注水泥頂替效率的措施〔a〕塞流〔b〕層流〔c〕紊流不同流態(tài)時流速分布示意圖2.1、提高注水泥頂替效率的措施頂替過程中的流態(tài)影響層流塞流紊流2.1、提高注水泥頂替效率的措施3.采用紊流或塞流流態(tài)注水泥紊流頂替機理：紊流頂替斷面流速分布比較均勻；紊流頂替液中的紊流旋渦在頂替液與鉆井液的交界面上可產(chǎn)生沖蝕、擾動、攜帶的作用，從而有利于對鉆井液的頂替。在偏心環(huán)空中，這種沖蝕、擾動、攜帶作用可逐漸頂替走窄間隙處的鉆井液。在偏心環(huán)空中，紊流時周向上的流速分布不均的程度也要大大低于層流時的流速分布不均程度〔塞流本質(zhì)上也屬于層流〕，實驗中曾測量到可降低27%～76%，因而有利于對窄間隙的頂替。另外，紊流時，單位長度上的摩阻壓降大，該摩阻壓降對滯留鉆井液而言是驅(qū)使其流動的動力，因此也有利于頂替。結(jié)論：只要井下條件許可〔不會壓漏地層〕，人們首選紊流頂替。2.1、提高注水泥頂替效率的措施4.使用注水泥前置液不用前置液的危害：由于水泥漿與鉆井液的化學成分不同，當用水泥漿直接頂替鉆井液時，在二者交界面附近鉆井液要與水泥漿混合。水泥漿和鉆井液混合的后果：一方面，鉆井液與水泥漿混合后，可能使水泥漿增稠，導致環(huán)空流動摩阻增大，嚴重時造成井漏，或造成泵送不動而導致不能把水泥漿全部從套管內(nèi)替出的嚴重后果。另一方面，鉆井液與水泥漿相互混合形成的混合物可能很稠，不容易被隨后的水泥漿所頂替，造成這種混合物竄槽，影響注水泥質(zhì)量。不管是哪種情況，均稱鉆井液與水泥漿不相容。2.1、提高注水泥頂替效率的措施4.使用注水泥前置液解決措施：在水泥漿前面通常要注入一段或幾段與鉆井液及水泥漿均相容的特殊配制的液體，這些液體稱為注水泥前置液〔簡稱前置液〕。前置液分為兩種：沖洗液。沖洗液主要起稀釋鉆井液、沖洗井壁與套管壁的作用〔也能隔開鉆井液與水泥漿〕，主要用于紊流注水泥。當與隔離液同時使用時，位于隔離液之前。隔離液：隔離液的主要作用是隔離鉆井液與水泥漿。有兩種類型的隔離液，一種是用于塞流注水泥的粘稠型隔離液，一種是用于紊流注水泥的紊流型隔離液。2.1、提高注水泥頂替效率的措施4.使用注水泥前置液施工措施：在注水泥過程中，實際頂替鉆井液的是前置液。顯然，如果水泥漿的流變性能能調(diào)節(jié)到滿足紊流或塞流的要求那么更好。但由于調(diào)整水泥漿的流變性能時，往往對水泥漿的其它性能有影響，所以在很多情況下水泥漿的流變性能不能調(diào)整到要求值〔尤其是紊流要求〕。因此，現(xiàn)場上實際使用的常常是前置液紊流或塞流的注水泥頂替技術(shù)。關(guān)于紊流、塞流的注水泥流變性設(shè)計，我國相關(guān)標準中給出了有關(guān)設(shè)計理論與方法。2.1、提高注水泥頂替效率的措施5.注水泥前調(diào)整鉆井液性能鉆井中鉆井液的性能是為了滿足鉆井作業(yè)的需要，但從提高注水泥頂替效率方面來看，這些性能往往是不適宜的。因此，在注水泥前，一般都要對鉆井液的性能進行調(diào)整。這一點非常重要。調(diào)整鉆井液性能〔密度、流變性〕的原那么是，在保證井下平安的前提下，盡量降低鉆井液的密度、粘度和觸變性〔靜切力〕。理論和實驗研究均說明，其中降低觸變性尤為重要，因觸變性太強，鉆井液的內(nèi)部結(jié)構(gòu)力大，非常不利于頂替。2.1、提高注水泥頂替效率的措施6.增加紊流接觸時間紊流頂替最重要的是對鉆井液的沖蝕、擾動、攜帶作用。顯然，這種沖蝕、擾動、攜帶的頂替，需要一定的時間。一局部人認為4分鐘的接觸時間就夠了，但目前為大局部人接受的觀點是需要10分鐘的接觸時間才能到達有效的頂替。因此要合理設(shè)計前置液和水泥漿的用量。2.1、提高注水泥頂替效率的措施7.頂替液與鉆井液的密度差一般要求鉆井液、前置液、水泥漿的密度應逐級增大〔所謂正密度差〕，因正密度差將對鉆井液產(chǎn)生浮力作用，有利于頂替。但對沖洗液可以例外，因沖洗液所起的主要是稀釋鉆井液、沖洗井壁與套管壁的作用。2.1、提高注水泥頂替效率的措施〔1〕問題的出現(xiàn)注水泥剛結(jié)束時，水泥漿還是液態(tài)，這時環(huán)空內(nèi)液體對地層作用的壓力為作用點以上各漿柱的靜液壓力之和；因為水泥漿密度一般大于鉆井液的密度，因此能夠起到壓住地層的作用。失重：由于一定的原因，水泥漿柱在凝結(jié)過程中對其下部或地層所作用的壓力將逐漸降低，就好象失掉了一局部重量一樣。這種現(xiàn)象稱為水泥漿在凝結(jié)過程中的失重〔簡稱失重〕。失重的后果：當漿柱的壓力失重到低于油、氣、水層的壓力時，地層中的油、氣、水就竄入環(huán)空內(nèi)，繼而或是發(fā)生層間互竄或是沿環(huán)空竄至井口。在有高壓油、氣、水層或?qū)娱g壓差大〔如注水開發(fā)井網(wǎng)〕的井內(nèi)，這種竄的可能性更大。2.2、水泥漿在凝結(jié)過程中的失重與油、氣、水竄問題〔2〕失重的種類1〕水泥漿膠凝引起的失重膠凝直接結(jié)果：凝聚-結(jié)晶網(wǎng)的形成，使水泥漿柱的重量局部懸掛在井壁和套管壁上〔其與水泥漿性能、井眼尺寸和溫度等有關(guān)〕。水泥漿在水化凝結(jié)的過程中，在水泥顆粒之間及它們與井壁和套管之間要形成具有一定膠凝強度的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；當下部漿柱由于水泥水化體積收縮和失水而發(fā)生體積減小時，水泥漿柱要向下移動以彌補下部的體積減小從而向下傳遞壓力，但水泥漿中的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)