钻井工程-固井工艺与质量检测

固井是钻井工程的临门一脚钻井是勘探开发的必由之路第八章固井工艺与质量检测第一节固井工艺第二节油井水泥第三节前置液与外加剂第四节固井质量检测第五节提高固井质量的技术何为固井？WellCementing固井就是将水泥注入井壁与套管之间环空的过程。固井工程是指通井处理钻井液、下套管、再循环处理钻井液、注水泥、候凝、封固质量检测到装井口交井的全过程，是涉及多学科多专业（石油工程、化学工程、硅酸盐科学、高分子科学、流变学等）的一个系统工程，核心是经济合理地设计套管柱和安全优质地注入水泥浆。固井的目的是保护地表水、封隔地层和支撑套管柱。2001200220001997第一节固井工艺一、固井地面设备二、常规固井工艺三、特殊固井工艺一、固井地面设备循环钻井液注前置液和水泥浆压胶塞替钻井液碰压二、常规固井工艺钻井固井过程（Drilling-CementingProcess）三、特殊固井工艺－双级固井三、特殊固井工艺－尾管固井机械式尾管悬挂器尾管悬挂示意图第二节油井水泥一、油井水泥的制造方法二、油井水泥水化机理三、油井水泥水化伴随现象四、油井水泥性能与测量五、影响油井水泥性能的因素一、油井水泥的制造方法（干法和湿法）石灰石粘土铝矾土硅石铁粉荧石等生料按比例混合1450℃熟料油井水泥（水硬性胶凝材料）加石膏或外加剂，并研磨分四个阶段：（1）预热干燥－300～600℃，烧掉有机物质（2）石灰石分解－900℃：CaCO3分解出CaO和CO2（3）高温化学反应－1450℃，生成C2S、C3A、C4AF、C3S（4）冷却、出窑磨细油井水泥分级ABCDEFGH（J）0～1830mA级－普通水泥（0.46）C级－早强水泥（0.56）B级－中热水泥（0.46）1830～4880mD级－缓凝水泥（3050m）F级－缓凝水泥（4880m）E级－缓凝水泥（4270m）0～2440mG级－基础水泥（0.44）H级－基础水泥（0.38）二、油井水泥水化机理起始期——迟缓期——凝结期——硬化期（几分钟）（几十分钟～几个小时）（几十分钟）（几天～数年）大量放热液态特征水化速度变慢流动性能稳定水化加速不再流动晶体析出强度增加C-S-H凝胶层那么，油井水泥的水化产物是什么？这些产物有什么样的性质？高温水泥石强度退化的根源是什么？加砂又为什么能防止这种退化？下面我们就以国产APIG级油井水泥为例进行剖析。CHSH,CH,SC200150CHSH,C,HSC150120SCH,,SHCCSH,11080SCH,CSH,7025,CHSH,C200120CH,SHCCSH,11080CHCSH,7025,CHAFm,200120CHAFm,AFt,11025,2662565222322223243℃～℃～℃～℃～℃～℃～℃～℃～℃～SHSCSCHSCSCHHSCAFCAC三、油井水泥水化伴随现象放出水化热、胶凝失重、失水与析水、体积减缩、“闪凝”、“假凝”等。A.放出水化热－井温测井、“微环隙”起始期——迟缓期——凝结期——硬化期（几分钟）（几十分钟～几个小时）（几十分钟）（几天～数年）水化速度较快放出热量较大持续时间较短水化速度变慢放出热量很少水化速度加快放出热量最大水化速度很慢放出热量变少持续时间极长放热量由大到小：C3A、C3S、、C4AF、C2SB.胶凝失重Sabins,F.L.失重公式：phDDLP4水泥浆柱压力降落曲线水泥浆胶凝强度发展曲线试验时间（min）水泥浆柱有效压力和胶凝强度与试验时间的关系水泥浆柱有效压力与胶凝强度的关系胶凝强度(Pa)浆柱有效压力(KPa)05010015020001020304050s水泥浆柱有效压力在初凝前降至水柱压力。测出水泥浆在初凝时的胶凝强度(该值约为1650Pa)，即得水泥浆在初凝前浆柱有效压力的计算公式：当τ≤τs时：当τ＞τs时：PgLPccegLPgLPwswcce)1650(1595)(phssDDLP4PgLPcce公式的推导－土壤力学理论假定：水泥浆发生明显水化之前，水泥浆就象尚未沉积的土壤；胶凝过程中的水泥浆柱与土壤层具有相似的固结过程。用Terzaghi定律来描述水泥浆内的应力状态：PgLPPPgLPdzzzgPPPPPPTTccceccLcccececa0)(cos)(0因此，可得：，则得：＝若＝对于水泥浆：对于土壤：初始浆柱压力地层压力水泥浆柱压力3.57.0t(hr)abcd2130a-b段：起始期迟缓期b-c段：进入凝结期那么，是不是水泥浆柱压力低于地层压力就发生气窜呢？水窜流量的变化规律水窜时间（min)1060120200水侵速率（ml/min)3.30.90.220.11水导率（×10-4μm2)20.77.551.380.69可以看出：水泥石水导率随水窜时间增加而降低，这说明在水侵时间内，水泥浆内部的水化仍在进行，仍在不断封闭着水运移的通道，提高自身的抗窜能力。那么，为什么水泥浆柱压力低于地层压力还不会立即发生气窜呢？气侵阻力－－水泥浆结构阻止地层流体进入浆体的能力fDDLcnLcmbaiphcPr)1817)(21(PrPrPrC.失水与析水失水的危害：（1）水泥浆“瞬凝”，导致固井失败。（2）水泥水化不充分，造成固井质量差。（3）水泥浆体积减少，诱发油气水窜。（4）水泥浆向产层失水，污染油气层。析水的危害：（1）水平井－形成连续性水带窜槽。（2）垂直井－形成横向水带和纵向水槽。序号浆柱压力（MPa）地层压力（MPa）压差（MPa）失水量（ml）24h声幅值（％）13.521.5560026.04.01580039.07.030600410.58.550503511.59.5650013613.011.0780029压力对水泥浆失水量的影响注：试验水泥浆浆总量为38235ml。D.体积减缩水泥内部体积减少：以真空微孔隙的形式分布于水泥石中，造成其孔隙压力下降。水泥表观体积收缩：膨胀率（％）时间（d）膨胀率（％）时间（d）水泥表观体积水泥绝对体积总的体积减缩分为两个部分：一部分是外部体积收缩，收缩率为4％～6％；另一部分是结构内部收缩，收缩率小于1％。体积收缩顺序：C2S（1％）C3SC4AFC3A（16％）cxxhFlxchxphHyxhxLtvDVLSDDVAFCdACcSCbSCaS)(4][][][][224323水泥浆某时刻水化引起的总收缩率：水泥浆某时刻失水引起的体积收缩值：水泥浆某时刻水化引起的总体积收缩值：水泥总收缩率与时间的关系时间(h)总收缩率(％)05105010001234765E.“闪凝”闪凝是指把波特兰水泥熟料单独（即不加石膏）研磨后与水混合，C3A会迅速发生反应而发生不可逆转的稠化现象。产生的原因有两个：一是因研磨时未加入石膏，水泥中含的铝酸盐和硫酸盐相互作用而造成的。二是因水泥中石膏的含量和熟料的活性不匹配，在早期水化阶段C3A与水过多地反应（即C3A的溶解度大而C3S和石膏的溶解度小）而造成的。F.“假凝”假凝是因水泥中存在的半水石膏或可溶性无水石膏的过量溶解，（有时也会因水泥与外加剂不相容造成絮凝而引起），使浆体液相成为过饱和硫酸盐溶液，导致石膏快速结晶析出针状二水石膏而形成网状结构.假凝使浆体刚性迅速增加，但无大量热放出；立即搅拌，刚性消除，塑性又恢复。解决的方法有：降低粉磨温度、控制产品质量、调整水泥外加剂品种和加量等。水化伴随现象与固井工程的关系可能造成的后果放出水化热形成微环隙二界面胶结质量差，环空气窜胶凝失重环空压力系统失衡环空气窜，甚至失控而井喷失水与析水“闪凝”，水化不充分固井问题多，污染油层，窜槽体积减缩形成微环隙，水泥面下移二界面胶结质量差，环空气窜“闪凝”蹩泵固井事故“假凝”泵压升高固井事故四、油井水泥性能与测量◣密度◣流动性能◣稠化时间◣强度◣失水量◣自由水◣抗腐蚀能力◣渗透率五、影响油井水泥性能的因素◣矿物组分◣水泥细度◣水灰比◣温度◣压力一、前置液二、外加剂第三节前置液与外加剂前置液水基钻井液前置液油基钻井液前置液冲洗液隔离液粘性紊流型化学型研磨型粘滞型粘弹型一、前置液二、外加剂缓凝剂速凝剂早强剂分散剂降失水剂加重剂减轻剂膨胀剂热稳定剂增韧剂第四节固井质量检测目前的固井质量检测方法：★声幅测井（CBL）★变密度测井（VDL★井温测井★水泥胶结评价测井（CET）A.声幅测井（CBL）发射器接收器3ft地层水泥环套管发射20kHz声波脉冲信号胶结好，声幅小；胶结差，声幅大。典型声幅测井图示深度m水泥浆密度为1.75～2.10g/cm3声幅(15%,30%],为固井质量合格声幅≤15％，为固井质量优质声幅＞30％，为固井质量不合格水泥浆密度＜1.75g/cm3声幅(20%,40%],为固井质量合格声幅≤20%，为固井质量优质声幅＞40%，为固井质量不合格B.变密度测井发射器接收器（CBL）接收器（VDL）5ft3ft地层水泥环套管发射声脉冲速率：10-12脉冲/s固井一界面胶结好，二界面胶结差，则套管波信号弱，地层波信号也弱；一二界面胶结都好，则套管波信号弱，地层波信号强。一界面胶结差，则很难判断二界面的胶结情况。（VDL）变密度测井图解释（a）无水泥的自由套管密度测井（b）注有水泥段套管密度测井C.井温测井tH井温曲线水泥面主要用途：确定水泥返高，作为水泥充填程度的补充解释。测井时间：固井后12～24hr内，过早或过晚都会影响测量结果。D.水泥胶结评价测井（CET）CET在360°圆周上每隔45°共安排了8个换能器，并呈螺旋分布排列，这8个换能器既是发射器又是接收器。声波脉冲的衰减率取决于环空介质的声阻抗：套管外为钻井液时，其声阻抗小，衰减很慢；套管外为水泥浆时，其声阻抗较大，衰减很快；而且，水泥石的强度越高，其声阻抗越大，声波能量衰减越快，即衰减能反映水泥石的强度。第五节提高固井质量的技术提高固井质量主要应从三个方面入手：一是提高对钻井液的顶替效率二是防止固井后油气水外窜三是提高水泥环界面胶结与密封质量尽管固井顶替机理的研究历史已60余年，但鉴于其复杂性，目前仍不十分深入。主要体现在实验方面：按照动力学相似原理要求，室内模拟的参数需要与相应的现场数值相匹配，但难度很大。理论方面：难以建立一套准确描述任意井下条件的动态模型和定量分析法。实用方面：现场施工参数很难同室内测量参数相吻合。一、提高对钻井液的顶替效率A.顶替效率：00100VVc无量纲顶替时间：t*＝tQ/V钻井液（d）（c）（b）（a）水泥浆顶替界面变化情况Z=LZ=0入口出口B.顶替时的作用力与反作用力钻井液的阻力和水泥浆的驱动力是保证两相流体顶替效果的基本因素。钻井液本身的粘度、切力套管和井壁对钻井液的粘附力钻井液本身的重力泵的压力水泥浆对钻井液的浮力流动的水泥浆对钻井液的粘滞力活动套管引起的牵引力驱动力阻力塞流层流紊流流态示意图C.顶替流态120°钻井液水泥环套管窄隙处钻井液窜槽示意图S=50%时，窄隙处的钻井液窜槽占整个圆周的1/3，测井声幅值高达36%。%100rRSD.套管偏心度的影响套管偏心度：E.井径扩大的影响00100zzcDDDk顶替模拟实验发现：当k＝15%时，切开井筒断面可见由井径小到井径大的扩大处，形成钻井液、前置液、水泥浆相互混掺的滞留区，水泥浆凝固后的强度很低，两个界面的密封性能也很差。影响顶替效率的因素还有：●顶替时间和紊流接触时间●流变性能●密度差●活动套管与否●泥饼、胶凝物和固相沉积●“死泥浆”的影响提高顶替效率的方法：◣井眼状况◣套管居中◣流变设计◣活动套管二、防止固井后油气水窜◣提高固井后水泥浆柱压力◣环空加回压◣控制水泥返高◣采用防气窜水泥固井三、提高水泥环界面胶结与密封质量第一类是常用的物理或机械方法。为解决油气井环空胶结质量问题，国内外学者先后研究并提出了紊流顶替、壁面剪切、活动套管、膨胀挤