4-2深井超深井固井注水泥有关设计方法和应用技术

1硕士2002级现代完井工程固井新技术(一)2第一部分深井超深井固井注水泥有关设计方法和应用技术第二部分提高复杂井固井质量技术3第一部分深井超深井固井注水泥有关设计方法和应用技术4固井注水泥的目的之一原油和天然气有序地从井眼中流到地面，必须建立密封性能良好的井眼通道。建立该良好通道必须有良好的固井质量和防止套管外壁腐蚀。套管水泥环顶替液地层井眼密封良好井眼固结良好井眼密封良好5固井质量不好带来的主要问题之一油气在井下地层之间窜流，造成部分油气资源散失，导致流到地面的油气产量减少。油气有序流入井内油气在地下散失油气正常流入井内水泥浆与泥浆的混浆油气有序流向地面水泥环低压地层6现场及室内研究表明，提高油气井固井质量所涉及的问题很多，如水泥浆特性、水泥浆流动规律、压力平衡、井身质量、套管居中及水泥浆与泥浆流变性能的合理配合等方面。如何把这些因素作为一项系统工程有机地结合起来，是当前提高固井质量的主要方向。现场将这些问题归纳为压稳、居中、替净和密封的八字方针。7具体要求解决的问题有4个方面：(1)水泥浆注替和凝结过程，必须保证浆柱当量压力与地层压力的平衡关系，作到水泥浆不漏，油气水不因水泥浆失重而造成窜流问题；(2)清除和替净环空泥浆，提高水泥浆的顶替效率和水泥环的胶结质量；(3)提高水泥石的密封质量，无局部水槽、横向水带和窜槽现象，满足后继工程的要求；(4)保证油气井的正常生产寿命。8需要具备的主要技术有：环空窜流预测方法适合井况要求的水泥浆体系小间隙环空注水泥流动计算方法防止套管外壁腐蚀的水泥浆体系9一、环空气窜预测方法现场容易于操作的气窜预测评价方法。101、发生气窜的原因及影响因素原因生产实践和研究表明，高压油气井固井后环空发生油气水窜或井口冒油冒气问题，其主要原因是水泥浆失重所致，具体表现为以下4个方面：(1)水泥浆在凝结过程中，其内部结构力不断增强，与井壁和套管的连接力(胶凝强度)不断增加，水泥环重量逐步悬挂在套管和井壁上，降低了对地层的压力；(2)水泥浆在凝结过程中，由于水化作用，水泥石基体内部收缩形成微孔隙，同时外观也产生体积收缩，降低了孔隙压力和对地层的压力。一般水泥浆初凝时的收缩率为0.1%0.5%，终凝却大于2%；111、发生气窜的原因及影响因素原因(3)在水泥浆柱中，水泥浆内自由水的分离，形成了连通的轴向水槽(或水带)，降低了对地层的压力。这种现象在斜井中尤为明显，即在井壁上侧形成了一条明显的水槽，这是油、气、水窜的主要通道；(4)水泥浆失水一般较大，其自由水易渗入渗透性好的地层，在环形空间产生桥堵，阻碍了浆柱对桥堵以下段浆体的压力传递，造成了桥堵段下面地层的油气水互窜。121、发生气窜的原因及影响因素影响因素(1)水泥浆失水析水率(%)水泥浆配方(0.44W/C)API失水量（ml）标准测量长玻璃管水泥浆凝结情况抗气侵能力G级嘉华水泥16001.401.36水泥石内有间断，极细连通的自由水通道。极弱G级＋1％SXY＋1.2％B7001.001.80水泥石内有极细的自由水上窜通道。较弱G级＋1%HS-1＋0.7％SXY5000.600.50水泥石内有宽窄不均、连通的细水槽，槽宽约1～2mm。中等G级＋3％HS-1＋0.7%SXY2500.100.18水泥石凝结均匀，无连通的细水槽，仅在上部有宽约1mm的间断横向水带。G级＋4%HS-1＋0.7%SXY2000.000.00水泥石凝结均匀,无纵向和横向水槽。G级＋7%HS-1＋0.8%SXY1000.000.00水泥石凝结均匀,无纵向和横向水槽。较强5000.700.72水泥石上部有微细连通自由水通道。中等2500.350.27水泥石内凝结基本均匀，上部有间断的微细水槽。2000.080.05水泥石凝结均匀，无纵向和横向水槽。G级＋JR2＋SXY1000.000.00水泥石凝结均匀，无纵向和横向水槽。较强13表中数据说明，30min失水量大于500ml水泥浆的抗气窜能力比小于250ml的水泥浆弱得多，而低于250ml失水量的水泥浆，抗气窜能力虽有差别，但并不明显。实际上，这些浆体的抗气窜能力，主要表现在稳定性和低析水。142、双凝水泥模拟装置水泥浆类型速凝(缓凝)段长水泥浆柱压力(MPa)气层压力(MPa)压差比(%)气侵情况单凝(6.5)0.1170.088(0.071)3.52气窜到顶。1双凝1.5(5)0.1170.08825.0未气侵。单凝(2)0.03337.52.05h气窜到顶。双凝0.03337.5未气侵。双凝0.03425.0未气侵。2双凝0.66(1.37)0.0360.03454.16下部速凝段有气侵，未穿透。单凝(2)0.0360.0315(0.0295)12.52.8h气窜到顶。3双凝0.66(1.37)0.0315未气侵。备注括弧中的数值为开始气侵时浆柱的压力。12.5压差比用(Pc-Pf)/Pc表示，Pc，Pf分别为水泥浆柱原始压力和气层压力。15从表可知：(a)双凝水泥浆的防气窜效果明显优于单凝水泥浆。在相同条件下，单凝水泥浆发生了气窜，而双凝水泥浆却阻止了气体进入井筒。(b)随着气层压力的增加和压差比减少，双凝水泥浆防止气窜的效果，同样有一定的限制。从序号2的实验可以看出，当压差减少了2.5%后，防气窜仍然有效，当压差比进一步减小到4.16%时，气体同样侵入速凝水泥段，气体虽未穿过该井段，却在下部形成明显的气斑。16(c)水泥浆的缓凝段与速凝段长度比，一般选用2∶1的关系，可得到较好的防气窜效果。因此，应用双凝水泥浆不仅要考虑两种水泥浆的封隔长度、初凝时间的差值，还要考虑水泥浆失重、浆柱压力、气层压力以及气侵压力的平衡关系。17(3)环空憋回压憋回压效果比较序号总液柱压力(MPa)充气压力(MPa）压差比(%)憋回压值(MPa)失水处理情况气侵情况10.1180.0885250.00未放失水气窜到顶20.1200.0900250.02未放失水未侵30.1170.0880250.00放失水气窜到顶40.1180.0885250.02放失水未侵憋回压的合理时间井底压力(MPa)序号憋压开始时间憋压值(MPa)憋压前憋压后增加值传压率(%)50∶20(初注入)0.01800.1130.1300.0179465∶22(初凝)0.05550.0640.0780.0132318由以上试验结果可见：(a)两种处理失水方法的试验都说明，井口憋回压对防止气侵有一定效果，在放失水情况下要憋较大的回压才能防止气侵。(b)传压率随水泥凝结而不断下降。因此，在地层许可条件下，憋压越早，效果越好。一般可选择水泥浆候凝60min前进行憋压。192、气窜预测方法水泥浆阻力系数法A值法A值越小，过渡时间越短，防窜效果越好；评价标准：0～0.110防窜效果极好0.110～0.125防窜效果中等0.125～0.15防窜效果较差较好的反映了水泥浆的实际抗气窜能力。)tt0.182(A30BC100BC20防窜对水泥浆性能的要求高防窜要求A0.110，中等防窜要求A=0.110～0.125；自由水量0.50%；API失水100ml。21二、适合井况要求的水泥浆体系22为适应各种井况固井的要求，水泥浆体系可按如下分类：按密度分：高密度、超高密度水泥浆体系低密度、超低密度水泥浆体系按特定功能分：防窜水泥浆体系、抗盐水泥浆体系、抗腐蚀水泥浆体系、增塑抗冲击水泥浆体系等。231水泥浆体系研究的根本原则满足具体要封固井的地质和工程要求；综合工程性能的协调。242水泥浆体系研究的具体原则(1)提高顶替效率原则：合理的切力与粘度：pmompsospcocητητητppscocospρρg4dDdDπdD41ττmspspmρρg4dDdDπdD41ττo0oc、osp、om分别为水泥浆、隔离液及泥浆的动切力；oc、osp、om分别为水泥浆、隔离液及泥浆的塑性粘度；oc、osp、om分别为水泥浆、隔离液及泥浆的密度。252水泥浆体系研究的具体原则(2)特殊功能原则：防窜水泥浆：水泥浆凝结过程中，浆柱的有效当量压力（有效液柱压力+气侵阻力），应不低于地层压力；低密度、高密度水泥浆：根据固相颗粒的粒度级配原理，优选减轻料或加重料的类型和颗粒尺寸的配合；26平衡固井水泥浆：优选水泥浆触变外加剂，使浆体在注替和候凝过程满足平衡：防漏有效当量压力(有效液柱压力-触变当量压力)不高于漏失压力。防窜有效当量压力(有效液柱压力+气窜阻力)不低于溢流压力。273几种水泥浆体系(1)高密度、超高密度水泥浆体系(a)超高密度水泥浆——2.60g/cm3设计实例加重料优选：铁矿粉应经精选，以减少其粘度效应。密度：4.90g/cm3，不低于4.70g/cm3。粒度分布：应有宽的分布。试验表明由适当比例的80120目，160180目，200325目等铁矿粉组成能获得性能较好的高密度水泥浆。外加剂优选：对水泥石早期强度发展影响小、稠化时间易于调整。同时，应注意控制降失水剂的加量，使水泥浆具有良好的可泵性。28(1)高密度水泥浆的典型配方及性能典型配方Fe2O3，%序号密度g/cm3一次加重二次加重降失水剂分散剂缓凝剂稳定剂12.52120200目7080120目25ST200S1.8%SXY-21%ST200R0.3%WG2%22.54120200目7880120目52ST200S1.8%SXY-20.9%ST200R0.03%WG1%32.62130——ST200S1.8%SXY-20.8%ST200R0.02%——42.46120200目7080120目10D60012%D6042.5%D8010.56%D1351.1%52.60120200目10080120目10D60016%D6043.7%——D1350.9%29典型配方的性能序号密度g/cm3流动度cm析水%API失水ml/30min稠化时间min/℃抗压强度MPa/℃/hrs12.5221456/8022.542311.2240/6032.62220.816315/6029.1/70/4842.46576/6552.60160/8019/90/2430(b)抗盐高密度水泥浆s=2.30g/cm3中温外加剂及加量(%)稠化时间序号铁矿粉(%)D80AD158D80113L901流动度(cm)API失水(ml)Cmin11404.02.00.2/0.222809516821404.02.00.3/0.2229535231404.02.00.4/0.2239546741003.01.5//0.222808512051003.01.50.1/0.2228520061003.01.50.2/0.2228530271403.53.0/0.223609027581402.53.00.50.2沉降91402.54.00.20.22219090101202.53.00.50.2227223390111203.03.00.50.2232629031(b)抗盐高密度水泥浆s=2.30g/cm3高温外加剂及加量(%)序号铁矿粉(%)硅砂(%)D80AFL13L2LD149901流动度(cm)失水(ml)120℃95Mpa稠化时间,min114036/3.50.81.20.10.218860/214036/4.00.81.20.050.221800/3140361.22.00.8/0.1/222552784140361.23.00.8/0.10.2221083105140361.23.00.8/0.080.223603056140361.23.00.9/0.080.223403307140361.02.01.0/0.050.222883908140361.02.00.6/0.1/21801839120361.02.00.8/0.1/218824010120361