第六章　固井（4）.ppt

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1、注水泥过程,第三节 注水泥,第六章 固井,20Mpa，1.5Mpa,第六章 固井,注水泥:候凝:检测评价:,注水泥的目的在于提供良好的环空封隔。问题：如何使环形空间充满水泥浆（顶替）；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（防窜）。,第三节 注水泥,第六章 固井,一、提高注水泥顶替效率的措施,有效地驱替钻井液，提高注水泥的顶替效率是清除钻井液窜槽、保证水泥胶结质量和水泥环密封效果的基本前提。,顶替效率概念环形水泥浆体积=（注水泥段） 环空体积,环形水泥浆面积=（某截面） 环空截面积,第三节注水泥,第六章 固井,研究概况 1940年，P.H.Jones和D.Berdine对

2、注水泥顶替机理进行了开创性的研究。提出：钻井液、水泥浆都是非牛顿液体，它们需要一定的压力降才能达到一定的流速。如果套管偏心，就极易在宽间隙处流动而窄间隙处形成窜槽。因此安装扶正套管是减少窜槽的有力措施。 1948年，G.C.Howard和J.B.Clark进行了注水泥顶替模拟实验。指出：降低钻井液粘度有利于提高注水泥顶替效率。,第三节注水泥,第六章 固井,1967年，R.H.Mclean等人提出了临界动切力的概念：水泥浆的动切力约为临界动切力的0.81.5倍时，注水泥顶替效率显著改善（偏心度愈大，临界动切力就愈大）。 1973年，C.R.Clark等人提出：活动套管有利于提高顶替效率。1979

3、年后，R.C.Haut和R.J Crook于提出钻井液不流动系数的概念：泥饼性能和最大静切力是影响顶替效率的两个最主要因素；同时还指出高的上返速率度，即使未达到紊流总比低返速下的顶替效率高。,第三节注水泥,第六章 固井,1983年，Keller等人通过实验指出：井眼下侧的岩屑床和井眼上侧的水泥浆游离液槽对大斜度固井质量有很大影响。 1991年，Jakobsen等人建立了荧光示踪法动态注水泥模拟实验装置，并进行了井斜角为60的注水泥模拟实验。研究的因素包括：套管偏心、液体粘度、紊流程度及浮力效应。,第三节注水泥,第六章 固井,1984年，西南石油学院在国内建立了环空顶替动态模拟实验装置，之后大庆

4、石油管理局钻井研究所也建立了注水泥顶替实验装置。 80年代后，随着水平井钻井技术的发展，国内外开始加强了大斜度及水平井注水泥顶替效率的研究。,第三节注水泥,第六章 固井,影响注水泥顶替效率的六种因素：（1）套管在井内的居中度；（2）液体在环空间的流动状态；（3）紊流时液体流过封隔层位所接触的时间（4）钻井液的触变性（静切力） ； （5）钻井液与水泥浆的流变性能；（6）水泥浆与钻井液的密度差。,第三节注水泥,第六章 固井,第三节注水泥,第六章 固井,加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度（提高套管的居中度）,第三节注水泥,第六章 固井,套管居中泥浆流动阻力： 流动阻力分布：各间隙一样！,Re=100

5、 Re=2100,套管偏心泥浆流动阻力：流动阻力分布：间隙小阻力大！,第三节注水泥,第六章 固井,2. 采用紊流或塞流流态注水泥,层流,塞流,紊流,第三节注水泥,第六章 固井,3. 注水泥时活动套管(1020r/min),旋转套管提高顶替效率示意图（a）套管不动 （b）套管开始转动 （c）钻井液将被替完1井眼 2套管 3流动的水泥浆 4钻井液,第三节注水泥,第六章 固井,使用注水泥前置液 前置液：冲洗液和隔离液。冲洗液主要起稀释钻井液、冲洗井壁与套管壁的作用（也能隔开钻井液与水泥浆），主要用于紊流注水泥。当与隔离液同时使用时，位于隔离液之前。隔离液的主要作用是隔离钻井液与水泥浆。有两种类型的隔

6、离液，一种是用于塞流注水泥的粘稠型隔离液，一种是用于紊流注水泥的紊流型隔离液。,第三节注水泥,第六章 固井,5. 注水泥前调整钻井液性能 调整钻井液性能（密度、流变性）的原则是，在保证井下安全的前提下，尽量降低钻井液的密度、粘度和触变性（静切力）。,第三节注水泥,第六章 固井,6. 增加紊流接触时间 紊流顶替最重要的是对钻井液的冲蚀、扰动、携带作用。显然，这种冲蚀、扰动、携带的顶替，需要一定的时间。一部分人认为4分钟的接触时间就够了，但目前为大部分人接受的观点是需要10分钟的接触时间才能达到有效的顶替。因此要合理设计前置液和水泥浆的用量。,第三节注水泥,第六章 固井,7. 顶替液与钻井液的密度

7、差(0.20.3) 一般要求钻井液、前置液、水泥浆的密度应逐级增大（所谓正密度差），因正密度差将对钻井液产生浮力作用，有利于顶替。但对冲洗液可以例外，因冲洗液所起的主要是稀释钻井液、冲洗井壁与套管壁的作用。,第三节注水泥,第六章 固井,油、气、水窜 油气井注水泥后，由于环形空间液柱压力与地层压力不平衡关系的变化，使地层中的液体进入环形空间，产生纵向流动，这种纵向流动的现象，称为流体窜流，简称环空窜流。,二、水泥浆在凝结过程中的失重与油、气、水窜问题,第三节注水泥,第六章 固井,注水泥后环空窜流带来的危害 （1）窜流导致环空井口冒油冒气，使大量的油气散失，降低了油气产量； （2）井下不同压力系统

8、在层间窜流，不仅降低了油气采收率，还影响了油气田的合理开发； （3）窜流降低了增产措施的效果，使油气产层得不到合理的开采； （4）窜流使套管遭受流体的侵蚀和腐蚀，降低了套管的强度和使用寿命。,第三节注水泥,第六章 固井,环空窜流的原因 窜流实际上是一个压力平衡问题。如水泥浆在候凝阶段，液柱压力始终保持水泥浆柱的原始压力，流体就不可能侵入环形空间。这就间接地说明，水泥浆凝固过程，作用在井内的静液压力在发生变化。,第三节注水泥,第六章 固井,环空水泥浆失重水泥浆在凝结过程中，对下部地层有效液柱压力逐渐降低的现象。,t,p,第三节注水泥,第六章 固井,失重原因胶凝：凝聚-结晶网的形成，使水泥浆柱的重

9、量部分悬挂在井壁和套管壁上。桥堵：沉降等原因形成“桥塞”，水泥发生体积收缩，上面压力不能传下去。,第三节注水泥,第六章 固井,防止环空油气水窜的措施从工艺上：限制水泥返高，防止失重过大；采用多种凝结时间的水泥浆体系；环空憋压候凝使用多级注水泥 从水泥浆设计上使用可压缩水泥（水泥孔隙的压力大于地层压力）使用不渗透水泥(桥堵剂和聚合物限制水泥孔隙的水移动）缩短水泥浆的过渡时间（胶凝强度从48Pa变化到240Pa的时间）,第三节注水泥,第六章 固井,三、注水泥基本设计和计算,1. 水泥用量与替浆量计算 水泥用量（1）水泥浆量,第三节注水泥,第六章 固井,(m3),根据电测井径,2）水泥用量3）配浆水

10、用量（2）替浆量,第三节注水泥,第六章 固井,WV,Ky=1.03,2. 注水泥流变学设计 （1）水泥浆流变参数计算(幂律流体）,第三节注水泥,第六章 固井,Pa.sn,（2）紊流临界排量设计水泥浆在环空中的雷诺数计算式为：,第三节注水泥,第六章 固井,临界环空流速 、临界排量 ：,第三节注水泥,第六章 固井,(m3),(m/s),（3）平衡压力固井基本概念 实现平衡压力固井，就是要求在整个施工过程中，井内的压力满足如下关系（即既不井涌也不井漏）： Pp Pa （静压动压） Pf,第三节注水泥,第六章 固井,例：某井油层套管固井，井深2600m，钻头直径215.9mm（8.5），上层套管下深4

11、00m，裸眼段平均井径扩大率3%。套管尺寸139.7mm（5.5），套管柱由二段不同壁厚的套管组成，01200m：套管内径125.7mm，1200m2600m：套管内径124.3mm，浮箍位置（井深）2589m，设计水泥返深1800m。固井时钻井液密度1.50g/cm3，计划使用密度1.05的前置液10m3，水泥浆密度1.90g/cm3（水灰比0.44），水泥浆流变性测量数据为：300=186格，200=127格，100=68格，6=14格，3=12格。试设计和计算：1）水泥用量；2）替浆量；3）注水泥紊流临界排量；4）计算前置液全返出套管鞋时和顶替终了时环空井底静液压力。,第三节注水泥,第六

12、章 固井,解：因平均井径扩大率为3%，所以裸眼段平均井径为： Dh = 21.591.03 = 22.24（cm） 水泥返深为1800m，故水泥封固段高度为： h = 2600 1800 = 800（m） 浮箍位置为2589m，所以水泥塞高度：h p = 2600 2589 = 11（m）,第三节注水泥,第六章 固井,（1）水泥用量,第三节注水泥,第六章 固井,（2）替浆量 （ 3）注水泥紊流临界排量,第三节注水泥,第六章 固井,临界环空流速 、临界排量 ：,第三节注水泥,第六章 固井,4）前置液全返出套管鞋时和顶替终了时环空井底静液压力裸眼段环空面积为： 前置液计划用量为10m3，在环空所占

13、高度为：100.02352=425（m）,第三节注水泥,第六章 固井,当前置液全返出套管鞋时环空井底静液压力为： 0.0098 1.5( 2600425 ) + 1.05425 = 36.34（MPa） 顶替终了时环空井底静液压力为 0.0098 1.5( 2600425800 ) + 1.05425 + 1.90800 = 39.48（MPa） 原来全为钻井液时，井底静液压力为： 0.00981.52600 = 38.22（MPa） 可见，与固井前相比，当前置液全返出套管鞋时，环空井底静液压力降低了1.88MPa；顶替终了时环空井底静液压力增加了1.26MPa。,第三节注水泥,第六章 固井,

14、第四节 固井质量检测和评价,一、注水泥的质量要求 1. 水泥返高、水泥塞长度和人工井底的规定 （1）油气层固井，设计水泥返高应超过油气层顶界150米，实际封过油气层顶部不少于50米。其中要求合格的水泥环段，对于浅于2000米的井不少于10米，深于2000米的井不少于20米。 （2）为了保证套管鞋封固质量，油层套管采用双塞固井时，阻流环距套管鞋长度不少于10米，技术套管（或先期完成井）一般为20米，套管鞋位置应尽量靠近井底。保证套管鞋附近的封固质量。 （3）油气层底界距人工井底（管内水泥面）不少于15米。满足采油要求。,第六章 固井,二、水泥环质量检测和评价1.井温测井 水泥的水化反应是一放热反

15、应，其凝结过程中所放出的热量通过套管传给套管内流体，可使井内温度上升一定数值，如622。而环空中没有水泥的井段，井内温度为正常温度。利用这一特性，可以测定水泥浆在环空中的返高位置（即水泥顶部深度）。,第四节固井质量检验和评价,第六章 固井,2.声幅测井（水泥胶结测井CBL）,声幅测井示意图 1电缆 2发射器 3接收器 4套管 5水泥环 6地层,第四节固井质量检验和评价,第六章 固井,记录：最先到达的套管首波幅度。传播过程有能量损失，如果管外水泥与套管胶结好，声幅就小；若管外全是泥浆则声幅就大。,相对幅度（目的段声幅曲线幅度自由套管段声幅曲线幅度）100% 。,第一界面,声幅相对值在15%（油田现场有的也采用10%）以内为优等； 声幅相对值在15% 30%为合格； 声幅超过30%的井段则视为水泥封固不合格。,图声幅测井曲线示意图,第四节固井质量检验和评价,第六章 固井,3.声波变密度测井VDL 变密度测井因为能够测量记录地层波，因此能够反映出水泥与地层（俗称第二界面）的胶结情况。将VDL与CBL同测，可以更全面地评价水泥环质量。,水泥胶结变密度测井示意图1电缆 2发射器3CBL接收器 4VDL接收器5套管 6水泥环 7地层,第四节固井质量检验和评价,第六章 固井,