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固井作业

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1固 井概 述第一节 油井水泥第二节 油井水泥的物理性能第三节 油井水泥外加剂第四节 注水泥2概述1、 固井工程的概念为了加固井壁 , 保证继续钻进 , 封隔油 、 气和水层 , 保证勘探期间的分层试油及在整个开采中合理的油气生产 , 为此下入优质钢管 , 并在井筒与钢管环空充填好水泥的作业 , 称为 固井工程 。向井内下入套管 , 并向井眼和套管之间的环形空间注入水泥的施工作业称之为 固井 。 包括下套管和注水泥 。3概述2、 工艺介绍下套管注水泥候凝检测评价4概述3、 固井工程的步骤下套管 套管由接箍和本体组成 。 套管柱由单根套管 +浮箍 +引鞋图 7根套管示意图1—— 接箍 2—— 套管本体5概述3、 固井工程步骤 注水泥下完套管之后 , 把水泥浆泵入套管内 , 再用钻井液把水泥浆顶替到管外环形空间设计位置的作业称之为 注水泥 。水泥头:安装在套管柱的最上端 , 内装有上 、 下胶塞 。下胶塞的作用是与隔离液 ( 一种专门配制的液体 , 用以隔离钻井液与水泥浆 ) 一道 , 将水泥浆与钻井液隔离开 , 防止钻井液接触水泥浆后影响水泥浆的性能 。 下胶塞为中空 , 顶部有一层橡胶膜 , 该膜在压力作用下可压破上胶塞为实心 , 其作用是隔离顶替用的钻井液与水泥浆; 破膜:下胶塞坐落在浮箍上后 , 在压力作用下破膜6概述3、 固井工程步骤 碰压:当其坐落在已坐于浮箍上的下胶塞上之后 , 地面压力将很快上升一定值 ( 称为碰压 ) , 该信号说明水泥浆已顶替到位, 施工结束 。 侯凝: 注入井内的水泥浆要凝固并达到一定强度后才能进行后续的钻井施工或是其它施工 , 因此 , 注水泥施工结束后 , 要等待水泥浆在井内凝固 , 该过程称为 候凝 ; 候凝时间通常为 24小时或 48小时 , 也有 72小时或几小时的, 候凝时间的长短视水泥浆凝固及强度增长的快慢而定 。候凝期满后 。 测井进行固井质量检测和评价7概述( a) ( b) ( c) ( d) ( e)图 7注水泥工艺流程示意图( a)循环钻井液 ( b)注隔离液和水泥浆 ( c)替浆 ( d)替浆 ( e)碰压1—— 压力表 2—— 上胶塞 3—— 下胶塞 4—— 钻井液 5—— 浮箍 6—— 引鞋7—— 水泥浆 8—— 隔离液 9—— 钻井液8概述4、 固井目的封隔易塌 、 易漏等复杂地层 , 保证钻井顺利进行封隔油气水层 , 建立油气流出通道 , 防止产层间互窜进行增产措施安装井口9概述5、 固井内容套管与下套管水泥与注水泥10概述6、 对固井质量的要求套管有足够的强度能承受井下各种外力作用,抗腐蚀、不断、不裂、不变形水泥环有可靠的密封环空封固段不窜 、 不漏 、 胶结良好 , 能经受高压挤注的考验11概述7、 固井工程的特殊性(1)是一次性工程 ,如果质量不好 ,一般情况下难以补救 ;(2)是隐蔽性工程 ,主要流程在井下 ,施工时不能直接观察 ,质量控制往往决定于设计的准确性和准备工作的好坏 ,受多种因素的综合影响 ;(3)影响后续工程的进行 ;(4)是一项花钱多的工程 ;(5)施工时间短 ,工序内容多 ,作业量大 ,是技术强的工程 水 泥13一、油井水泥1. 油井水泥级别和类型目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥,是由水硬性硅酸钙为主要成分,加入适量石膏和助磨剂(或是加入适量的石膏或石膏和水),磨细制成的产品 。水泥浆:干水泥与水(经常还要加入外加剂)混合而成的浆体称为。水泥石:水泥浆凝结硬化后形成水泥环:在井下环形空间中的水泥石14一、油井水泥1. 油井水泥级别和类型目前国内外使用的油井水泥主要是硅酸盐水泥,是由水硬性硅酸钙为主要成分,加入适量石膏和助磨剂(或是加入适量的石膏或石膏和水),磨细制成的产品。水泥浆:干水泥与水(经常还要加入外加剂)混合而成的浆体称为。水泥石:水泥浆凝结硬化后形成水泥环:在井下环形空间中的水泥石一、油井水泥1. 油井水泥级别和类型水泥级别:适应不同井深的需要和防止地层流体中硫酸盐对水泥石的腐蚀,有多种级别、类型的油井水泥可供选用。美国石油学会( 定了 8种级别的油井水泥,我国也参照 7 型 备注普通型 中抗硫酸盐型 高抗硫酸盐型A √ — — 普通水泥B — √ √ 抗硫水泥C √ √ √ 具有高早期强度D — √ √ 适于中温条件E — √ √ 适于高温条件F — √ √ 适于超高温条件G — √ √ 基本油井水泥H — √ √ 基本油井水泥16一、油井水泥2. 水泥的水化反应凝结过程(硬化过程):水泥与水混合后,迅速与水发生水化反应,生成各种水化产物,水泥浆也逐渐由液态转变为固态的过程,并形成的四种矿物成分:硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。硅酸三钙: 3写 是水泥产生强度的主要化合物,它强度增长快,最后强度也大。硅酸二钙: β 型 2写 水化反应慢,强度增长慢,但能在长时间内逐渐增大水泥的强度17一、油井水泥2. 水泥的水化反应铝酸三钙: 3写 水化反应速度最快,是决定水泥浆初凝时间和稠化时间的主要因素,对水泥浆的流变性也有很大影响。铝酸三钙对硫酸盐类侵蚀最敏感,因此在抗硫水泥中对铝酸三钙含量有限制。中抗硫酸盐型水泥中铝酸三钙的含量不能超过 8%,高抗硫酸盐型的水泥中铝酸三钙的含量不能超过 3%。铁铝酸四钙: 4写 水化速度仅次于铝酸三钙,早期强度增长快,硬化三天和 28天的强度值差别不大,强度的绝对值也不大。18一、油井水泥2. 水泥的水化反应三类水化反应: 1) 6 3 2) 4+ 6 3 3H)22(2+ 4 3 H)24 2H)2 + 10 3 3 3)水化的 3(+ 20 329一、油井水泥2. 水泥的水化反应有关水化反应的说明:水泥的水化反应是一个不断进行的过程。随着水化的不断进行,水泥浆从凝胶态逐渐向结晶态发展,最后形成硬化的水泥石。水泥的水化反应是一放热反应,在工程上可利用这一特点来探测水泥浆在环形空间内的上返高度。另外,水泥在水化过程中要发生体积收缩(水化后生成物的总体积小于水化前反应物的总体积),在一定条件下该体积收缩对固井质量有着重要的影响20一、油井水泥2. 水泥的水化反应有关水化反应的说明:在油气井固井中,水泥的水化反应是在井下一定的温度压力条件下进行的。温度压力对水泥的水化速度有很大的影响,一般随温度压力的增加,水泥水化速度加快,其中温度的影响更显著。正因为如此,水泥浆的有关性能一般均是在模拟井下温度压力的情况下测定的。21一、油井水泥2. 水泥的水化反应水化反应产物氢氧化钙 、 水化硅酸钙凝胶 、 水化铝酸钙 、 水化铁酸钙 、 水化硫铝酸钙 。在这些水化产物中, 氢氧化钙 析出为巨大的晶体, 水化硫铝酸钙 为较小晶体,水化铝酸钙为更小晶体状态, 含水硅酸钙和含水铁酸钙 为无定形体呈胶体状态。 水化硅酸钙凝胶 为纤维状薄片,从矿物颗粒上向外伸展出去,逐渐形成一连续的网状结构,与水化硫铝酸钙、氢氧化钙等晶体互相穿插,填充于水泥颗粒的空间,增加它们之间的粘结,使水泥强度不断提高。22二、油井水泥的物理性能为了保证施工安全并提高固井质量,水泥浆以及最终所形成的水泥石必须满足一定的性能要求。性能包括:水泥浆密度水泥浆稠化时间水泥浆流变性水泥浆失水量水泥浆稳定性水泥石抗压强度水泥石渗透率其中常测定的是前六项性能23二、油井水泥的物理性能1. 水泥浆密度作用: 满足平衡压力要求 保证获得最好的水泥浆性能基本要求: 注水泥期间既不井漏又不井喷测 量: 用泥浆密度计(国外还有加压密度计)影响因素: 水灰比;外掺料(指密度调节剂)用量24二、水泥浆性能与固井工程的关系1. 水泥浆密度水灰比 指的是配制水泥浆时配浆水的重量与干水泥的重量之比。水泥浆密度与水灰比 直接相关, 关系为注意:干水泥的密度为 g/g/当水泥浆的密度为 灰比约为 当干水泥中所混合的外加剂加量较大、尤其是为了调节水泥浆密度掺了 加重剂或减轻剂 (又称为外掺料)时,上式中干水泥密度 或外掺料混合后的固相混合物平均密度。这时,  )1(25二、油井水泥的物理性能2. 水泥浆的稠化时间定义 :在井下温度压力条件下,从给水泥浆加温加压时起至水泥浆稠度达 100经历的时间称为水泥浆的稠化时间 。作用 :保证施工安全。要求 :整个注水泥施工作业能够在稠化时间以内完成,并包含一定的安全系数。一般:施工时间 +1小时 < 稠化时间。测量 :常压稠度仪;高温高压稠度仪测定“稠度 线,当稠度达到 100影响因素: 水灰比;温度与压力;外加剂26二、油井水泥的物理性能水泥浆的稠化时间稠度时间27二、油井水泥的物理性能3. 水泥浆失水概念: 水泥浆中自由水通过井壁向地层渗入的现象危害:水泥浆大量失水将造成水泥浆急剧变稠,大大影响其流动性,从而不利于水泥浆对钻井液的顶替。水泥浆大量失水进入油气层也将对油气层产生损害。作用: 保证水泥浆的稳定性 保证施工安全、防止桥堵 有利于防气窜28二、油井水泥的物理性能3. 水泥浆失水要求: 根据不同的井况和施工条件规定。水泥浆失水量 指的是水泥浆失水的快慢程度,失水量大小用 30分钟内的失水总体积表示。原则上说,水泥浆失水量越小越好,但控制水泥浆失水的外加剂通常对水泥浆的流变性、稠化时间、抗压强度等有影响,因此应权衡考虑。一般套管注水泥 100 0200 0水泥或尾管注水泥 50 0150 0气窜 20 0400密度水泥应低于 50 0量: 失水仪,(常温与高温、 730响因素: 水灰比;压差;地层的渗透性;外加剂;泥浆的泥29二、油井水泥的物理性能4. 水泥浆流变性概念: 水泥浆在外加剪切应力作用下流动变形的特性。作用: 计算流动阻力,选择施工装置和设备,防止井压漏,保证施工安全 实现紊流或塞流顶替,提高顶替效率要求: 有利于提高顶替效率测量: 旋转粘度计、高温高压流变仪(模拟井下温度压力测定)计算: 流变参数;临界流速,用流变参数衡量影响因素: 水灰比;温度与压力;外加剂30二、油井水泥的物理性能5. 水泥浆稳定性水泥浆的稳定性测试包括 自由水含量测试 和 沉降稳定性测试,目前现场常测试的是自由水含量。在静止过程中,水泥浆中的自由水自水泥浆中析出而形成连续水相的现象称为 析水 。单位体积水泥浆所析出的自由水体积即为水泥浆自由水含量(也称 析水量 ),为百分数。沉降稳定性 指的是在静止状态下,由于颗粒沉降而导致水泥浆上下密度不一致的现象。31二、油井水泥的物理性能5. 水泥浆稳定性析水和沉降稳定性的关系:水泥浆有析水实际上就有沉降稳定性问题,但水泥浆无析水不一定沉降稳定性就好。危害:水泥浆析水量过大和沉降稳定性不好 ,将导致水泥浆密度分布不均,所形成的水泥石强度不一致,影响对地层的封隔。如果在井下,由于析水而形成纵向水槽,将影响环空的封隔在定向井、水平井中,如果不控制析水,容易在环空的上侧形成连续水槽,严重影响封固质量。要求:原则上 析水越小越好 、 沉降稳定性中水泥浆上下密度的差别越小越好 ,在定向井和水平井中要使用零析水水泥浆。32二、油井水泥的物理性能6. 水泥石抗压强度目前是通过测试水泥石的抗压强度来检验水泥石的力学性能。概念: 水泥石在压力作用下达到破坏前单位面积上所能承受的力称为水泥石的 抗压强度 。要求:1)能支承住井内的套管2)能承受住钻进时的冲击载荷3)能承受酸化压裂:注水泥井段在承受酸化压裂时的压力的最薄弱环节不是水泥石本身,而应是水泥环与井壁胶结处(或水泥环与套管胶结处),水泥石强度远大于水泥环与井壁的胶结强度。测量: 国内:抗折强度 —— 抗折试验机压强度 —— 万能材料试验机影响因素: 水灰比;温度与压力;外加剂33二、油井水泥的物理性能7. 水泥石渗透率概念: 水泥石的渗透率指的是在一定压差下,水泥石允许流体通过的能力。要求: 尽可能低测量: 水泥渗透率仪注意该指标有时间性影响因素: 水灰比;温度与压力;外加剂注意:为实现封隔,水泥石的渗透率越低越好,而水泥石的渗透率都低于 1× 10此水泥环基体(即水泥石)可实现层间封隔;但如果水泥环与套管或水泥环与井壁间存在 微环隙、或胶结强度不够高 ,则对层间封隔有严重影响。问题又回到了水泥与套管和水泥与井壁的胶结上。34第三节油 井 水 泥 外 加 剂35三、油井水泥外加剂为了满足不同情况下固井施工和固井质量的要求,注水泥时在水泥浆中一般均加有各种外加剂来调节水泥浆的性能。常规的水泥外加剂有缓凝剂、速凝剂、减阻剂、降失水剂、减轻剂、加重剂。缓凝剂 和 速凝剂 用来调节水泥浆的稠化时间,有的速凝剂还能提高水泥石的早期强度。加入 减阻剂 的目的是为了改善水泥浆的流动性能、降低流动摩阻降失水剂 的作用是降低水泥浆的失水量,防止水泥浆脱水。在井下有低压易漏失层时,为了防止注水泥时发生井漏,常加入本身密度低的减轻材料(如硅藻土、漂珠)以降低水泥浆的密度。当地层压力高到一定值时,需要加入密度大的添加剂(如铁矿粉)提高水泥浆的密度以平衡地层压力。36第四节注 水 泥37注水泥的目的在于提供良好的环空封隔。为实现这一目的,要解决以下二个方面的的问题:一是如何使环形空间充满水泥浆;二是如何使水泥浆在凝结过程中压稳油、气、水层和封隔好油、气、水层。四、注水泥38注水泥质量要求:水泥浆返高和套管内水泥塞必须符合设计要求;注水泥段环空的泥浆应全部被水泥浆顶替干净,不窜槽;水泥环有足够的连接强度和封固性能,不发生油气水窜,能经受住酸化压裂;水泥石能抗腐蚀。四、注水泥
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