水平井固井技术

失量<100ml/30min。并通过在实验室使用防气窜评价仪进行防窜
能力评价。
（2）水泥浆体系设计
双效防窜水泥浆凝结过程的失重曲线图
图1 凝结时间较短
图2 凝结时间较长
（2）水泥浆体系设计
水泥浆凝结过程的气窜曲线图
一般水泥浆体系，其防窜能力较 低，如下图只有11.8kPa.
双效防窜水泥浆，凝结过程中，易发 生气窜的危险时刻，浆体已具有较强的 抗气体侵入的能力，如上图为30kPa。
水泥石的耐冲击性能：水平井的造斜段和水平段， 较大井斜变化率和井斜角的存在，套管不易居中而 往往偏向井眼下侧，使得井壁下侧水泥环薄，从而 严重影响水泥环抵抗后续作业工具的冲击和震动的 能力，也影响生产井强化改造措施的实施及其实施 的效果。
套管扶正器的选择与安放
套管扶正器类型
套管扶正器安放
固生产套管水泥浆体系及性能
提高驱替钻井液效率的技术措施
钻井液性能要求及其调整
钻井液屈服值要求 ：在一定倾角下，钻井液屈服值 有一个临界值，小于这个值，环空下侧就会出现连 续的钻井液窜槽，且随井斜角的增加，防止钻井液 窜槽所需要的屈服值随之增大。井斜角与屈服值之 间的关系 见下表:
提高驱替钻井液效率的技术措施
循环钻井液
对于水平井而言，在固井前，循环时间至少 是3倍于井筒的钻井液体积循环所需时间， 或者循环到进出口钻井液性能达到平衡为止 。如果可能，循环时钻井液流态应达到紊流 ，以帮助消除岩屑或钻井液固相沉淀。另外 ，注水泥前或注水泥期间必须避免井内钻井 液较长时间处于静止状态，务必使其保持最 充分的循环，以免岩屑或钻井液固相颗粒迅 速沉淀并堆积在井眼下侧。
水平井固井存在的主要问题
钻井液窜槽
钻井液流变性能的影响:钻井液屈服值和静切力较高 的，顶替效率也较高；反之，静切力太低，易造成 固相颗粒沉淀，则对钻井液的顶替效率是不利的， 因此，在水平井固井中，要获得好的顶替效率，就 要把钻井液的屈服值和静切力提到适当值，以防止 固相沉淀。
井斜角的影响：在其它条件相同的情况下，井斜角 越小，窜槽程度也小，如在60倾角的试验中，钻 井液窜槽要比85倾角的试验明显小得多，因为， 在60倾角时颗粒沉降速率比85倾角时小，所以， 窜槽程度也小。
水泥浆体系
适应凝结温度范围的稳定性好的水泥浆体系 。水泥浆 体系的稳定性主要通过浆体自由水量和凝结硬化形成 水泥石柱的纵向密度分布来评价。
自由水测量方法 ① 将配置好的水泥浆置于加温加压稠化仪浆杯中 ，模拟井下压力和升温至井底循环温度下养护 20min； ② 缓慢释放压力后，取出水泥浆，注入250ml的量 筒内并密封好量筒口； ③ 将量筒置于倾角为45和模拟井下温度条件下， 测量水泥浆静止2h的自由水量。倾角模拟最好有实 际井眼最大井斜角和垂直状态的对比值。
固生产套管水泥浆体系及性能
性能要求
用上述方法测得的自由水和沉降稳定性，要 求45倾角的自由水近于0，顶部水泥石密度 下的强度满足封隔地层的要求，一般要求水 泥石的上下密度差小于0.1g/cm3为宜。
固生产套管水泥浆体系及性能
适应地质特点的防窜水泥浆体系
水泥浆防气窜的原理有两类，一是补偿水泥 浆凝结失重压力降低，二是增加浆体气窜阻 力。由此形成目前常用的可压缩水泥浆体系 和非渗透型或胶乳型水泥浆体系，以及新发 展出的既能补偿失重压力降，又能增加气窜 阻力的双效防窜水泥浆体系。
（2）水泥浆体系设计
• 水泥浆的室内试验测试评价，应在准确估算实际的井温条件下进 行。
• 防窜评价要求
使用A值（
A
1.82
t100 BC
1
2
t 30 BC
1 2
）评价水泥浆性能。
A<0.110 为 极 好 防 窜 能 力 ； A=0.1100.125 为 较 好 防 窜 能 力 ；
A=0.1250.150为中等防窜能力。同时要求自由水<0.5%，API滤
水泥石形变能力不足
水泥浆在井下凝固后，由于井下条件反复变化，如 高温高压井多次停注开采等，致使井下压力复杂多 变，套管、水泥环及井壁的变形能力互异，水泥环 形变能力较差，其形变能力不足，水泥环的整体性 易受到破坏，从而导致层间封隔失效，甚至挤毁套 管。
脆性水泥石易碎裂
当水泥环作用力超过水泥石受力屈服极限，如受瞬 间的高能聚射流冲击射孔时，由于所受作用力时间 短，硬脆性水泥石还来不及进入塑性变形就发生脆 性断裂，造成孔眼周围水泥环大面积破碎，将会导 致水泥环薄间层层间封隔油、气、水效能失效。
固生产套管水泥浆体系及性能
有效增加水泥石抗冲击和震动能力的水泥 浆体系
赋予水泥环一定弹塑性，改善其在冲击载荷 下的形变能力，从而减小水泥石冲击破碎扩 散的程度，使水泥环在射孔、压裂及酸化等 高压作业条件下的层间封隔能力得到改善， 避免射孔及强化作业等导致水泥石严重碎裂 影响封隔效果
油井水泥石力学失效原因分析
提高驱替钻井液效率的技术措施
套管扶正
在水平井固井中，套管的扶正问题比垂直井更为重要 。试验表明，套管扶正器的使用对提高顶替效率效果 明显。因为在水平井中液柱压力对井眼水平段的顶替 过程不再产生作用，使得在井眼下侧的狭窄环空中的 胶凝钻井液产生流动较困难。
活动套管
在注水泥之前的循环过程，以及注水泥过程中，管柱 的运动，可产生一种促使钻井液流动的驱动力，同时 ，管柱的运动有助于打碎钻井液聚结的团块和聚积在 团块中的疏松岩屑。如果在套管本体上附加有钢丝井 壁清洁器，能更好提高钻井液的顶替效率。
根据超混复合材料的原理，在水泥浆配比中增加适当类型 和特性的填料，可以改变水泥石的动态力学性能，不仅能 增加水泥石的抗弯、抗剪强度，增加水泥石的弹性，而且 能提高增韧和止裂效果。如在配比中增加纤维，可对裂纹 尖端应力场形成屏蔽，大大提高材料的断裂韧性；在配比 中加入圆形颗粒或产生气孔，使裂纹在此处止裂，可提高 材料的止裂韧性。
水平井固井存在的主要问题
水窜槽
温度越高，水泥浆中自由水含量越高，自由水可能 是由水泥浆的密度、水泥的研磨细度、添加剂浓度 或类型的变化而引起的。因此，可通过适当的水泥 浆设计和混合来控制倾斜井的水窜槽程度。
套管不易居中
套管不易居中是水平井固井质量不高的原因之一， 因为水平井的井斜角大，故在重力作用下套管柱往 往偏向下井壁。因此，使得注水泥后，在井壁下侧 形成的水泥环薄，甚至有些地方没有形成水泥环， 严重影响封固质量。
油井水泥石力学失效原因分析
硬化水泥石内部存在缺陷
硬化后的油井水泥石包含一些未被水化的水 泥颗粒、存在孔隙及夹杂部分泥饼，客观上 为微裂纹的形成创造了条件。因此，就水泥 环的原始状态而言，即使良好的固井所形成 的水泥石，其本身就是一个“先天”地带有 大量微裂纹和缺陷的脆性材料，容易引起缺 陷随着应变率或应力水平的增加而发展。因 为内部缺陷的存在在高能射孔时易造成局部 应力集中，导致油井水泥石破裂 。
二元复合增塑
综合利用纤维增塑的减少应力集中和延缓缺陷扩展 的阻裂效应；聚合物乳液增塑膜可吸收缺陷与微裂 缝进一步扩展的断裂能的作用；不水容弹性颗粒的 可吸收振动能和够约束微裂缝的产生和扩展的作用 。
固生产套管水泥浆体系及性能
不收缩的微膨胀水泥浆体系
在水泥浆中加入适当类型和加量的膨胀剂， 使水泥浆凝结过程中无体积收缩或有微膨胀 ，达到防止由于水化体积收缩形成的微环隙 和提高水泥环与地层及套管之间的胶结强度 的目的。在水平井固井中，由于大斜度段和 水平段的存在，较直井更容易产生微环隙（ 主要在井眼的上侧），因此，推荐使用具有 一定膨胀性能的水泥浆体系封固大斜度段和 水平井段。Leabharlann 提高水泥石耐冲击的技术原理
纤维增塑
在水泥浆中加入一定量的均匀分散的纤维材料，可 使硬化水泥石中原有缺陷的端部的应力集中减少， 延缓缺陷的扩展，即阻裂效应（纤维称作阻裂体） 。
聚合物乳液增塑
聚合物乳液均匀分散于水泥浆中，一般情况下，乳 液与水泥浆并不发生化学作用，水泥水化可吸收乳 液颗粒中的水分，失水后的乳液颗粒可凝聚成膜分 布在整个水泥石机体中，这些丝状膜层横跨水泥石 的缺陷与微裂缝。
提高驱替钻井液效率的技术措施
延长紊流接触时间与增大紊流程度
施工作业的重要环节和措施
下套管作业中，特别强调突出的重要5个环 节：循环清洁井眼，调整钻井液性能，套 管适当漂浮，管柱合理居中，套管弯曲校 核，以确保套管一次下入成功。
固井作业中，特别强调5个技术重点：优化 水泥浆配方，优化前置液性能及注入量， 注重提高顶替效率，注替动态套管漂浮技 术，环空动态模拟。以保证水平井固井质 量。
提高水泥石耐冲击的技术原理
非水容惰性弹性颗粒
非水容惰性弹性颗粒，加入水泥浆中，在井下高压 下具有高的可压缩弹塑性，在水泥浆凝结过程中随 水泥水化的收缩，由于其弹塑性特点，会逐渐释放 部分压缩能和填充孔隙，从而改善水泥石内部微观 界面状况，形成吸收应变能的结构变形中心，可吸 收震动能，并能够约束微裂缝的产生和扩展，提高 油井水泥石的抗冲击破碎的性能。
水平井固井存在的主要问题
水泥浆体系的性能
水泥浆的稳定性 ：包括自由液和固相颗粒沉降。在 水平段，一方面，自由液的存在会造成井眼上侧形 成水槽或水带而无胶结；另一方面，即使无自由液 ，水泥固相的沉降会导致井眼上侧水泥浆的实际密 度降低，水泥石强度也降低，胶结减弱或无胶结。 因此，这两种情况都使水平段上侧无胶结或胶结减 弱，从而影响水平段的封隔。
固生产套管水泥浆体系及性能
水泥浆体系
沉降稳定性测量方法 ① 将配置好的水泥浆注入BP实验浆杯中 （或自制带底塞和顶盖的易拆取水泥石的 容器），并置于强度养护釜内； ② 模拟井下实际静止温度和和压力养护 24h； ③ 取出水泥石试件，将水泥石试件沿纵 向从底部至顶部均匀切成至少3段； ④ 测量各段水泥石的密度。
改善油井水泥石力学变形能力的理论基础
材料的塑性具有减缓应力集中的作用。在短时强载荷作用 下的弹塑性体，能量的吸收主要由其塑性变形所吸收。因 此，增加油井水泥石抗冲击破坏的能力，主要是增加油井 水泥石的塑性。
降低弹性模量有利于增加油井水泥石在弹性限度内的的变 形量，从而提高水泥环在复杂工况下的形变能力，有利于 保证水泥环的完整性。而提高油井水泥石的塑性变形量， 则有利于减缓应力集中，增加油井水泥石抗冲击能力。
提高驱替钻井液效率的技术措施
前置液及其设计
前置液设计
① 表面活性剂选择与前置液设计； ② 前置液的用量设计； ③ 前置液的流速设计。
提高驱替钻井液效率的技术措施
顶替流态与接触时间
在偏心环空顶替中，紊流顶替是最好的流态；当不 能实现紊流顶替，选择高速层流顶替，也是提高顶 替效的一种可行措施。
水平井固井技术
水平井固井存在的主要问题
钻井液窜槽:环空底部存在钻井液窜槽是导致水平 井固井失败的主要原因之一，而产生钻井液窜槽 的主要因素有如下几种：
钻井液固相沉淀的影响 ：固相的沉淀，引起环空下 部的钻井液很难被顶替出来，同时引起固井水泥浆 的污染，最终导致钻井液窜槽。固相沉淀与钻井液 悬浮固相的能力有关，而钻井液悬浮固相的能力通 常与钻井液的切力有关，但由于水平井的井斜角很 大，在重力作用下固相沉淀不可避免，但如何减少 固相沉淀，到目前为止，除增加钻井液粘度和切力 外还没有很好的解决办法。