固井注水泥技術(shù)

1、第四章、注水泥技術(shù),主要內(nèi)容,油井水泥水泥漿的物理性能前置液體系注水泥工藝及設(shè)備注水泥設(shè)計及計算提高固井注水泥質(zhì)量的措施,§4、注水泥技術(shù),油井水泥油井水泥的主要成分油井水泥的水化作用油井水泥的分類水泥漿的性能與固井工程的關(guān)系水泥漿性能與固井工程之間的關(guān)系水泥外添加劑特種水泥水泥漿性能的調(diào)節(jié)前置液體系沖洗液隔離液提高固井注水泥質(zhì)量的措施注水泥質(zhì)量的基本要求提高注水泥頂替效率凝固過程中油、

2、氣、水上竄的問題討論,主要內(nèi)容：,§4、注水泥技術(shù),目的與要求：,重點、難點：,提高固井注水泥質(zhì)量的措施,了解油井水泥的成分、水化作用、油井水泥的分類、水泥 外加劑及特種水泥；掌握注水泥的基本要求、水泥漿性能、前置液體系及提高 注水泥質(zhì)量的措施。,§4、注水泥技術(shù),注水泥：從井口經(jīng)過套管柱將水泥漿注入井壁與套管柱之間 的環(huán)空中，將套管柱和地層巖石固結(jié)起來的過程。,注水泥目的：固定套管、有

3、效封隔井內(nèi)的油氣水層。,注水泥內(nèi)容：選擇水泥、設(shè)計水泥漿性能、選擇水泥外加劑、井眼準備、注水泥工藝設(shè)計等。,§4、注水泥技術(shù),注水泥的基本要求：,（l）水泥漿返高和套管內(nèi)水泥塞高度必須符合設(shè)計要求； （2）注水泥井段環(huán)形空間內(nèi)的鉆井液全部被水泥漿替走，不存在殘留現(xiàn)象； （3）水泥石與套管及井壁巖石有足夠的膠結(jié)強度，能經(jīng)受住酸化壓裂及下井管柱的沖擊； （4）水泥凝固后管外不冒油、氣、水，環(huán)空內(nèi)各種壓力體系不能互竄； （5

4、）水泥石能經(jīng)受油、氣、水長期的侵蝕。,一、油井水泥,油井水泥是波特蘭水泥（硅酸鹽水泥）的一種。,油井水泥的基本要求：,（1）水泥能配成流動性良好的水泥漿，且在規(guī)定的時間 內(nèi)，能始終保持這種流動性。 （2）水泥漿在井下的溫度及壓力條件下保持性能穩(wěn)定； （3）水泥漿應(yīng)在規(guī)定的時間內(nèi)凝固并達到一定的強度； （4）水泥漿應(yīng)能和外加劑相配合，可調(diào)節(jié)各種性能； （5）形成的水泥石應(yīng)有很低的滲透性能等。,一、油井水泥,油井水泥的主

5、要成分:,(1)、硅酸三鈣3CaO·SiO2（簡稱C3S） 水泥的主要成份，一般的含量為40%～65%。 對水泥的強度，尤其是早期強度有較大的影響。 (2)、硅酸二鈣2CaO·SiO2（簡稱C2S） 含量一般在24%～30%之間； 水化反應(yīng)緩慢，強度增長慢；對水泥的最終強度有影響。,一、油井水泥,油井水泥的主要成分:,(3)、鋁酸三鈣3CaO·Al2O3（簡稱C3A）

6、 促進水泥快速水化； 其含量是決定水泥初凝和稠化時間的主要因素；對水泥漿的流變性及早期強度有較大影響；對硫酸鹽極為敏感；對于有較高早期強度的水泥，其含量可達15%。 (4)、鐵鋁酸四鈣4CaO2·Al2O3·Fe2O3（簡稱C4AF）， 對強度影響較小，水化速度僅次于C3A， 早期強度增長較快，含量為 8%～12%。,除了以上四種主要成份之外，還有石膏、堿金屬的氧化物等。,一、油井水泥

7、,,油井水泥的水化作用:,水泥與水混合成水泥漿后，與水發(fā)生化學反應(yīng)，生成各種水化產(chǎn)物。水泥漿逐漸由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，使水泥硬化和凝結(jié)，形成有一定強度的固體狀物質(zhì)――水泥石。,水泥的水化反應(yīng),3CaO·SiO2＋2H2O→2CaO·SiO2·H2O十Ca(OH)22CaO·SiO2＋H2O→2CaO·SiO2·H2O 3CaO·Al2O3＋6H2O→3CaO·

8、Al2O3·6H2O 4CaO·Al2O3＋Fe2O3＋6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O＋CaO·Fe2O3·H2O,除此之外還發(fā)生其他二次反應(yīng)，生成物中有大量的硅酸鹽水化產(chǎn)物及氫氧化鈣等。,一、油井水泥,水泥的凝結(jié)和硬化:,1)、溶膠期：水泥與水混合成膠體液，此時水與水泥成分開始產(chǎn)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物的濃度開始增加，達到飽和狀態(tài)時部分水化物以膠態(tài)或微晶體析出，形成膠

9、溶體系。此時水泥漿仍有流動性。2)、凝結(jié)期：水泥反應(yīng)由水泥顆粒表面向內(nèi)部深入，溶膠粒子及微晶體大量增加，晶體開始互相連接，逐漸絮凝成凝膠體系。水泥漿變稠，直到失去流動性。3)、硬化期：水泥的水化物形成晶體狀態(tài)，互相緊密連接成一個整體，強度增加，已經(jīng)硬化成為水泥石。,一、油井水泥,油井水泥的分類,1、API水泥使用范圍,一、油井水泥,油井水泥的分類,2、國產(chǎn)以溫度系列為標準的油井水泥,45℃水泥：用于表層及淺層，深度小于1500米；

10、75℃水泥：用于井深1500－3200m。當超過3500 m時應(yīng)加入緩凝劑。溫度超過110℃時，應(yīng)加入不少于28%的硅粉。95℃水泥：用于井深2500－3500 m。當溫度超過ll0℃時，應(yīng)加入不少于28%的硅粉。120℃水泥：用于井深3500－5000 m。當用于4500一5000 m時應(yīng)加入緩凝劑及降失水劑。,二、水泥漿性能與固井工程的關(guān)系,（一）、水泥漿性能,1、水泥漿的密度,干水泥密度3.05～3.20g/cm3；水泥完全

11、水化需要的水為水泥重量的20%左右；使水泥漿能流動加水量應(yīng)達到水泥重量的45%～50%；水泥漿密度1.80～1.90g/cm3之間；水灰比：水與干水泥重量之比。,二、水泥漿性能與固井工程的關(guān)系,（一）、水泥漿性能,2、水泥漿的稠化時間,水泥漿從配制開始到其稠度達到其規(guī)定值所用的時間；API標準：從開始混拌到水泥漿稠度達到100BC(水泥調(diào)度單位)所用的時間；API標準中規(guī)定在初始的15～30min時間內(nèi)，稠化值應(yīng)當小于30BC

12、。好的稠化情況是在現(xiàn)場總的施工時間內(nèi)，水泥漿的稠度在50BC以內(nèi)。,二、水泥漿性能與固井工程的關(guān)系,（一）、水泥漿性能,3、水泥漿的失水,定義：水泥漿中自由水通過井壁向地層滲入的現(xiàn)象。 一般用30分鐘的失水量表示。危害：1)、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。2)、水泥漿大量失水進入油氣層也將對油氣層產(chǎn)生損害。,二、水泥漿性能與固井工程的關(guān)系,從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的時間

13、；初凝時間：自水泥與水混合時開始至水泥漿部分失去塑性的時間間隔；終凝時間：自水泥與水混合時開始至能承受一定壓力的硬化程度所經(jīng)歷的時間。一般取初凝時間的75%為注水泥的施工時間。 對于封固表層及技術(shù)套管來講，希望水泥能有早期較高的強度。以便于盡快開始下一道工序。通常希望固完井候凝8h左右，水泥漿開始凝結(jié)成水泥石，其抗壓強度可達2.3MPa以上即可開始下一次開鉆。,（一）、水泥漿性能,4、水泥漿的凝結(jié)時間,二、水泥漿性能與固井工程

14、的關(guān)系,（一）、水泥漿性能,5、水泥石的強度,(1)支撐和加強套管 ；(2)應(yīng)能承受鉆柱的沖擊載荷；(3)應(yīng)能承受酸化、壓裂等增產(chǎn)措施作業(yè)的壓力。,6、水泥石的抗蝕性,應(yīng)能抗各種流體的腐蝕，主要應(yīng)抗硫酸鹽腐蝕。 在水泥成分中控制C3A及C4AF的含量為C3A≤3%，C4AF+2C3A≤24%，可使水泥抗硫性提高。也可加入礦渣、石英砂等提高抗硫能力。,二、水泥漿性能與固井工程的關(guān)系,（二）、水泥的外加劑,（1）加重劑：重晶石、赤鐵粉

15、等?？墒顾酀{密度達到 2.3 g／cm3。 （2）減輕劑：硅藻土、粘土粉、瀝青粉、玻璃微珠、火山灰等。可使水泥漿的密度降到l.45 g／m3。 （3）緩凝劑：丹寧酸鈉、酒石酸、硼酸、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、羧甲基羥乙基纖維素等，保證有足夠的注水泥作業(yè)時間。 （4）促凝劑：氯化鈣、硅酸鈉、氯化鉀等。 （5）減阻劑：?—奈磺酸甲醛的縮合物、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、木質(zhì)素磺化鈉等，改善水泥漿的流動性能。（6）降失水劑：羧甲基羥乙基纖維素、丙烯

16、酸胺、粘土等。 （7）防漏失劑：瀝青粒、纖維材料等。,二、水泥漿性能與固井工程的關(guān)系,（三）、特種水泥,1、觸變性水泥：當水泥漿靜止時，形成膠凝狀態(tài)，但在流動時，膠凝 狀態(tài)被破壞，它的流動性是良好的。 2、膨脹水泥：水泥漿凝固時，體積略有膨脹。一般用于高壓氣井。 3、防凍水泥：用于地表溫度較低地區(qū)的表層套管固井。4、抗鹽水泥：大段含鹽層的固井；大段泥、頁巖和膨脹性地層的固井。5、抗高溫水泥：在水泥中加入石英砂或鋁酸鹽，用于高溫

17、條件固井。 6、輕質(zhì)水泥：主要應(yīng)用于低壓井固井等場合。,三、前置液體系,將水泥漿與鉆井液隔開，起到隔離、緩沖、清洗的作用，可提高固井質(zhì)量。,（一）、沖洗液沖洗液：低粘度、低剪切速率、低密度。用于有效沖洗井壁及套管壁，清洗殘存的鉆井液及泥餅。作用：①、稀釋和分散鉆井液，防止鉆井液的膠凝和絮凝，有效沖洗井壁及套管壁，清洗殘存的鉆井液及泥餅；②、在水泥漿及鉆井液之間起緩沖作用，有利于提高固井質(zhì)量。 要求：①、具有接近水的低密度，

18、可在1.03g/cm3左右。②、有很低的塑性粘度，有良好的流動性能，具有低剪切速率、低流動阻力，能在低速下達到紊流的流動特性，其紊流的臨界流速在0.3～0.5m/s左右。③、能與水泥漿及鉆井液都有良好的相容性。,三、前置液體系,（二）、隔離液有效隔開鉆井液與水泥漿，以便形成平面推進型的頂替效果。通常為粘稠液體。作用：①、能有效地隔開鉆井液與水泥漿；能形成平面推進型的頂替效果；②、對低壓、漏失層可起到緩沖作用；③、具有較高的

19、浮力及拖曳力，以加強頂替效果。隔離液通常為粘稠的液體。它的粘度較沖洗液要大，密度稍高，靜切力應(yīng)稍大。它的使用是在沖洗液之后注入，隔離液注完之后再注水泥漿。性能要求：密度應(yīng)比鉆井液大0.06～0.123g/cm3；粘度較高，切力值應(yīng)在(40～80)mPa·s；失水量在50mL/30min左右。,四、提高注水泥質(zhì)量的措施,（一）、注水泥質(zhì)量的基本要求,1、固井質(zhì)量的基本要求：①、依照地質(zhì)及工程設(shè)計要求，套管的下入深度、水泥

20、漿返高和套管內(nèi)水泥塞高度 符合要求； ②、注水泥井段環(huán)形空間內(nèi)的鉆井液全部被水泥漿替走，不存在殘留現(xiàn)象； ③、水泥環(huán)與套管和井壁巖石之間的連接良好； ④、水泥石能抵抗油、氣、水長期的侵蝕。2、固井中常出現(xiàn)的固井質(zhì)量問題①、井口有冒油、氣、水現(xiàn)象；②、不能有效的封隔各種層位，開采時各種壓力互竄，影響井的生產(chǎn)；③、因固結(jié)質(zhì)量不良在生產(chǎn)中引起套管變形，使井報廢等。,四、提高注水泥質(zhì)量的措施,（二）、影響注水泥質(zhì)量的因

21、素,1、頂替效率低，產(chǎn)生竄槽,注水泥段：,注水泥漿段任一截面積：,頂替效率：水泥漿在環(huán)形空間頂替鉆井液的程度，用η表示。,四、提高注水泥質(zhì)量的措施,1、頂替效率低，產(chǎn)生竄槽,竄槽：在注水泥過程中，由于水泥漿不能將環(huán)空中的鉆井液完全替走，使環(huán)形空間局部出現(xiàn)未被水泥漿封固住的現(xiàn)象。竄槽危害：會引起封固質(zhì)量的下降，使套管失去水泥石的保護，受到巖石側(cè)向變形的擠壓，引起套管損壞；使水泥石中形成連通的通道，喪失封隔不同壓力體系地層的作用，使套管外

22、冒油、氣、水或使地下壓力竄通。這是一種常見的注水泥質(zhì)量缺陷。形成竄槽的原因： ①、套管的居中不好。 ②、井眼不規(guī)則。 ③、水泥漿性能及頂替措施不當。,四、提高注水泥質(zhì)量的措施,2、水泥漿凝結(jié)過程中油氣水上竄,引起油氣水上竄的原因：①、水泥漿失重：水泥漿柱在凝結(jié)過程中對其下部地層所作用的壓力逐漸減小的現(xiàn)象；②、橋堵引起失重：③、水泥漿凝結(jié)后體積收縮：收縮率小于0.2%；④、套管內(nèi)原來有壓力，放壓后使套管收縮；⑤、泥餅的存

23、在，影響地層—水泥間（第二界面）的膠結(jié)。,四、提高注水泥質(zhì)量的措施,3、提高注水泥質(zhì)量的措施,（1）、提高頂替效率，防止竄槽,①、加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度；②、注水泥時活動套管；③、采用紊流或塞流流態(tài)注水泥；④、采用前置液；⑤、注水泥前調(diào)整鉆井液性能；⑥、增加紊流接觸時間等。,（2）、防止油氣水上竄,①、注完水泥后及時使套管內(nèi)卸壓，并在環(huán)空內(nèi)加壓；②、使用膨脹性水泥，防止水泥石收縮；③、采用多級注水泥技術(shù)或采用兩

24、種凝速的水泥；④、使用刮泥器，清除井壁泥餅。,,,①、加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度,套管居中,套管偏心,四、提高注水泥質(zhì)量的措施,（1）、提高頂替效率，防止竄槽,,,,（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、注水泥時活動套管,四、提高注水泥