對固井質(zhì)量的基本認(rèn)知

對固井質(zhì)量的基本認(rèn)知1水泥漿密度對固井質(zhì)量的影響提綱水泥漿頂替效率的理解幾點(diǎn)認(rèn)識結(jié)論2一、水泥漿密度對固井質(zhì)量的影響

大家都知道水泥漿是由水泥和水經(jīng)高能混合器混合后產(chǎn)生的漿體決定密度高低的兩個因素就是水泥和水的比例多少，沒有統(tǒng)一使API標(biāo)準(zhǔn)時水泥分為45度、75度、120度水泥，常用的水灰比是50：100，密度一般為1.85g/cm3左右；現(xiàn)在按照API的標(biāo)準(zhǔn)，常用的G級水泥是44：100水灰比，密度在1.90g/cm3左右，所以，那時在開施工交底會時不用說都知道水泥漿密度要求是1.85g/cm3，但是，要求水泥漿密度1.85g/cm3是怎么來的，依據(jù)是什么？3一、水泥漿密度對固井質(zhì)量的影響我們都知道水泥漿密度的高低或多或少的會影響固井質(zhì)量，一般情況下我們在施工設(shè)計(jì)上都要求水泥漿密度不得低于1.85g/cm3（不包括領(lǐng)漿），而且在尾槳要求達(dá)到1.88-1.90g/cm3。水泥石的強(qiáng)度會隨著密度的增加而有所增加，水泥石的體積會隨著密度的降低而縮小，為什么會縮??？就是因?yàn)樵诿芏鹊偷乃酀{中含有部分不能被水泥顆粒完全吸收的自由水，這些多余的自由水在水泥漿的凝結(jié)過程中會慢慢的析出，使水泥石的體積減?。换蚓奂谝黄鹦纬伤畮?，可能聚集在環(huán)空的某一層位。如圖：4一、水泥漿密度對固井質(zhì)量的影響5一、水泥漿密度對固井質(zhì)量的影響產(chǎn)生這種現(xiàn)象的一個原因可能三個：一是灰罐車下灰倒罐時操作手和下灰工沒能配合默契；二是由于水泥沒有過濾好，水泥塊堵在出灰口或閥門處使下灰不暢通；三是施工中水泥車出現(xiàn)故障，停泵后重新開泵時，水泥漿沒有達(dá)到合格的密度就開始泵注。嚴(yán)重的就會影響到固井質(zhì)量。6一、水泥漿密度對固井質(zhì)量的影響

以前，在西北項(xiàng)目部烏審旗時在蘇十區(qū)塊就遇到過這么一口井，封固段內(nèi)聲幅值全部在10%以內(nèi)，就在氣層以上50米處有30米的井段聲幅值有50%，甲方找到我們，叫我們說清楚原因，我們也是百思不得其解，回來后找到施工車組經(jīng)過了解得知，在施工中途水泥車發(fā)生故障，中途換車后沒有將水泥漿預(yù)混到設(shè)計(jì)密度就開始注灰經(jīng)過推算，聲幅質(zhì)量差的井段正好是換車后開始注灰的那段水泥漿可見當(dāng)時注入的水泥漿的密度實(shí)際是多少。7一、水泥漿密度對固井質(zhì)量的影響從理論上講，水泥漿的密度降低、稠度也會降低，流動性能越好，便于泵送，保證施工的安全性，同時能提高頂替效率；水泥漿的密度越高對固井質(zhì)量來說應(yīng)該是越好，但同時的副作用是水泥漿的稠度增高，流動性能變差，泵送的難度增加，給施工帶來風(fēng)險(xiǎn)；單純的靠加入外加劑來調(diào)節(jié)水泥漿的性能，又會增加成本；所以，如何選擇合適密度的水泥漿，既能保證固井質(zhì)量，又要保證施工安全是要求我們技術(shù)人員必須要做到的。8一、水泥漿密度對固井質(zhì)量的影響

9一、水泥漿密度對固井質(zhì)量的影響

確定水泥漿密度的前提條件是首先要保證油層封固段的固井質(zhì)量，水泥漿密度最低要達(dá)到1.85g/cm3，之所以要求不低于1.85g/cm3，是經(jīng)過大量的室內(nèi)試驗(yàn)得出的結(jié)論，這并不是說低于1.85g/cm3就一定不合格。當(dāng)密度在達(dá)到1.85g/cm3時，它同時滿足了流動性和水泥石強(qiáng)度這兩個指標(biāo)，既有較好的流動性，又有滿足質(zhì)量要求的水泥石強(qiáng)度。至于壓穩(wěn)地層保證固井質(zhì)量是靠上部領(lǐng)漿或中間漿來完成的。10一、水泥漿密度對固井質(zhì)量的影響在固井研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室里，有實(shí)驗(yàn)表明水泥石的密度并不是均勻的，而是自上而下密度在逐漸升高，這說明水泥漿液體在候凝過程中還存在逐漸沉積的過程，如果密度較低結(jié)果會更明顯。另外，從有關(guān)的固井資料上也了解到，水泥石的水化過程也是一個漫長的過程，不是強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值后就完成了，特別是低密度水泥或加入其它材料的特種水泥，強(qiáng)度上升的慢，水化過程會更長。11一、水泥漿密度對固井質(zhì)量的影響經(jīng)驗(yàn)：1、條件允許的前提下，水泥漿密度最好適當(dāng)?shù)母咭恍貏e是油層段，靈活掌握水泥漿密度的現(xiàn)場實(shí)際情況，調(diào)整密度要穩(wěn)不要急。2、在注灰后期如果出現(xiàn)密度低不符合設(shè)計(jì)要求的時候，如果條件允許就盡量多注幾方水泥漿，盡量讓密度低的水泥漿避開油層段，因?yàn)槊芏鹊偷乃酀{對質(zhì)量確實(shí)有影響。3、施工中要注意水泥漿密度的變化，不要輕易相信別人，要親自查看。12二、對水泥漿頂替效率的理解大家都知道，影響水泥環(huán)封固質(zhì)量的首要因素是提高頂替效率，沒有良好的頂替效率，其它任何措施都不會對固井質(zhì)量起到很好作用，但頂替效率是固井施工過程中最難控制的因素，受到井眼條件、鉆井液性能、水泥漿性能、漿體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工參數(shù)、前置液接觸時間等因素的影響。13二、對水泥漿頂替效率的理解提高頂替效率的措施：

1、下入套管扶正器；2、井徑大的井段下入紊流發(fā)生器；

3、活動套管等措施

4、流體流態(tài)達(dá)到紊流

5、水泥漿與泥漿有一定的密度差以上技術(shù)措施的理論基礎(chǔ)都是保持兩相流界面的平整，普遍的共識是紊流頂替固井效果最好。實(shí)際上，由于受井眼條件、固井設(shè)備等因素的制約，層流頂替在固井施工中最多，并且同樣獲得了很好的施工效果，說明除了公認(rèn)的紊流頂替之外還有更重要的因素影響頂替效率。14二、對水泥漿頂替效率的理解保證環(huán)形空間的密封質(zhì)量，首先需要考慮的是如何使環(huán)空充滿水泥漿。充滿的過程，實(shí)際上是水泥漿頂替鉆井液的過程。水泥漿與鉆井液的頂替質(zhì)量應(yīng)滿足以下2個基本要求：1、注水泥漿井段的環(huán)形空間，鉆井液應(yīng)全部被水泥漿頂替干凈，無竄槽現(xiàn)象存在；2、水泥漿返高和套管內(nèi)水泥塞的高度必須符合設(shè)計(jì)要求，過高、過低或因套管偏心引起的不同間隙處的返高差異都是不允許的。15三、幾點(diǎn)認(rèn)識1、影響頂替效率的因素2、水泥漿的環(huán)空流態(tài)3、水泥漿流動的璧面剪應(yīng)力

16三、幾點(diǎn)認(rèn)識1、影響頂替效率的因素：有效地驅(qū)替鉆井液，提高注水泥的頂替效率是清除鉆井液竄槽、保證水泥膠結(jié)質(zhì)量和水泥環(huán)密封效果的基本前提。通過研究發(fā)現(xiàn)影響注水泥頂替效率因素主要有如下六種因素：a、套管在井內(nèi)的居中度；b、液體在環(huán)空間的流動狀態(tài)；c、紊流時液體流過封隔層位所接觸的時間；d、鉆井液的觸變性；e、鉆井液與水泥漿的流變性能；f、水泥漿與鉆井液的密度差。17三、幾點(diǎn)認(rèn)識2、水泥漿的環(huán)空流態(tài)：

以紊流頂替技術(shù)為基礎(chǔ)一般要求水泥漿的性能為：流性指數(shù)在0.6～0.8之間，稠度系數(shù)在0.1～0.3之間，不同尺寸的井眼與套管，在不同排量下水泥漿流態(tài)如下表：18三、幾點(diǎn)認(rèn)識鉆頭尺寸mm套管尺寸mm注水泥排量m3/minRePLRePL1RePL2水泥漿流態(tài)241.3241.3241.3241.3177.8177.8177.8177.82.01.81.51.03237-37732793-33252164-26721642-12262560-23302560-23302560-23302560-23303460-32303460-32303460-32303460-3230紊流過度層流層流215.9139.72.02735-36192560-23303460-3230過渡215.9139.71.82360-31892560-23303460-3230過渡215.9139.71.51828-25622560-23303460-3230層流215.9139.71.01036-15752560-23303460-3230層流215.9177.82.04732-47952560-23303460-3230紊流215.9177.81.84138-41702560-23303460-3230紊流215.9177.81.53250-33512560-23303460-3230紊流215.9177.81.02060-27252560-23303460-3230過度19三、幾點(diǎn)認(rèn)識2、水泥漿的環(huán)空流態(tài)：

從表中可以看出，在不考慮井眼擴(kuò)大的情況下，不同排量情況下的水泥漿流態(tài)。①Φ241.3mm井眼下Φ177.8mm套管和Φ215.9mm井眼下Φ139.7mm套管，水泥漿在環(huán)空中多以層流或過渡狀態(tài)存在，排量只有接近2.0m3/min時才能達(dá)到紊流狀態(tài)；②Φ215.9mm井眼下Φ177.8mm套管，水泥漿在環(huán)空中以紊流狀態(tài)或過渡狀態(tài)存在，當(dāng)替漿排量降低至1.0m3/min左右時，水泥漿的流動狀態(tài)以層流和過渡狀態(tài)出現(xiàn)。③Φ215.9mm井眼下Φ139.7mm套管，排量從1.0m3/min升至2.0m3/min，水泥漿的流動狀態(tài)是層流或過渡流態(tài)。可以看出，環(huán)空容積越大，達(dá)到紊流需要的排量越大。20三、幾點(diǎn)認(rèn)識3、水泥漿流動的壁面剪應(yīng)力：

在同心環(huán)形空間內(nèi)，紊流頂替技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是在實(shí)際固井施工中，由于鉆井目的層愈來愈深，定向井、水平井愈來愈多，油氣層固井中套管居中度、循環(huán)壓耗和環(huán)空間隙等因素的影響，水泥漿在環(huán)空中的返速受到很大限制，難以達(dá)到紊流頂替。通過研究證明，在井下條件確定的情況下，水泥漿環(huán)空流動的壁面剪應(yīng)力在提高水泥漿頂替效率方面起著決定性的作用。21三、幾點(diǎn)認(rèn)識3、水泥漿流動的壁面剪應(yīng)力：關(guān)于環(huán)空流動的壁面剪應(yīng)力有如下公式：τw＝0.00025(Dh－Dc)ΔP/L其中，τw——環(huán)空流動的壁面剪應(yīng)力，PaDh——井眼內(nèi)徑，mm；

Dc——套管外徑，mm。

ΔP——水泥漿流動的摩擦阻力，PaL——水泥漿封固段長度，m從公式可以看出，τw是與水泥漿密度、環(huán)空流速和摩阻系數(shù)密切相關(guān)的。22三、幾點(diǎn)認(rèn)識3、水泥漿流動的壁面剪應(yīng)力：從理論上講，當(dāng)水泥漿的τw大于鉆井液的膠凝強(qiáng)度時，就可以有效清除膠凝鉆井液。從公式中也不難得出以下幾點(diǎn)重要推論：在井眼幾何條件一定的情況下，τw是一個與流動速度和水泥漿流變參數(shù)有關(guān)的量，降低鉆井液粘切對于提高頂替效率非常重要；當(dāng)τw與鉆井液膠凝強(qiáng)度接近時，接觸時間對清除泥餅至關(guān)重要；用前置液稀釋鉆井液，對提高頂替效率非常有益。23三、幾點(diǎn)認(rèn)識3、水泥漿流動的壁面剪應(yīng)力：把流動的壁面剪應(yīng)力作為影響頂替效率的主要因素，是基于以下原因：①、只有流動才能產(chǎn)生直接作用于井壁并清除膠凝鉆井液的動力：流動的壁面剪應(yīng)力。②、由于摩擦阻力與流動速度的平方成正比，所以，紊流流動時，流動的壁面剪應(yīng)力在一般情況下大于其他流態(tài)。但是，從流動計(jì)算的相關(guān)公式可以知道，同樣大小的壁面剪應(yīng)力也可以通過增加流體的塑性粘度和屈服值獲得。③、從力學(xué)的角度來看，要清除附著在井壁上的膠凝鉆井液，必須要有一定的力，從受力分析來看，這個力主要是壁面剪應(yīng)力，即水泥漿頂替過程中的動力。24三、幾點(diǎn)認(rèn)識3、水泥漿流動的壁面剪應(yīng)力：根據(jù)專業(yè)研究院、所通過對固井資料的分析，獲得的以下結(jié)論：①、壁面剪應(yīng)力是影響固井頂替效率的關(guān)鍵因素，只要保證環(huán)空水泥漿流動的壁面剪應(yīng)力大于30Pa，就能夠保證頂替效果。②、壁面剪應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，從理論上把塞流頂替、低速頂替以及紊流頂替技術(shù)統(tǒng)一了起來。對流變參數(shù)不再做特殊要求，只要結(jié)合環(huán)空返速，使摩阻大于一定數(shù)值即可。③、保證頂替效率的固井施工最低返速，是要求水泥漿流動的環(huán)空壁面剪應(yīng)力不低于最小壁面剪應(yīng)力。25四、結(jié)論

在提高水泥漿頂替效率方面還必須精心設(shè)計(jì)入井流體，才能很好解決頂替效率問題。①適量增加