钻井工程-固井工艺与质量检测

水化速度加快 水化速度很慢 放出热量最大 放出热量变少
持续时间极长
放热量由大到小： C3A、 C3S、、C4AF、 C222S
B.胶凝失重
水泥浆胶凝强度发展曲线
Sabins,F.L. 失重公式：
4L
P Dh Dp
水泥浆柱压力降落曲线
试验时间（min）
水泥浆柱有效压力和胶凝强度 与试验时间的关系 23
C3A,C4AFCSH2 H25～11℃ 0 AFtA, FmC, H
12～ 0 20℃ 0 AFmC, H C3S,C2SH25～70℃CSHC, H 80～11℃ 0 CSHC,2SH2,CH12～ 0 20℃ 0 C2SHC, H C3S,C2SHS25～70℃CSHC, HS, 80～11℃ 0 CSHC,2SH2,CHS,12～ 0 15℃ 0 C5S6H5,C2SHC, H 15～ 0 20℃ 0 C6S6H,C2SHC, H
固井的目的是保护地表水、封隔地层和支撑 套管柱。
4
2001 2000
2002 1997
5
第一节 固井工艺
一、固井地面设备 二、常规固井工艺 三、特殊固井工艺
6
一、固井地面设备
7
8
9
二、常规固井工艺
循环钻井液 注前置液和水泥浆 压胶塞
替钻井液
碰压 10
钻井固井过程（Drilling-Cementing Process）
36
水化伴随现象 与固井工程的关系
可能造成的后果
放出水化热
形成微环隙
二界面胶结质量差，环空气窜
胶凝失重
环空压力系统失衡 环空气窜，甚至失控而井喷
失水与析水 “闪凝”，水化不充分 固井问题多，污染油层，窜槽
体积减缩 形成微环隙，水泥面下移 二界面胶结质量差，环空气窜
“闪凝”
蹩泵
固井事故
“假凝”
泵压升高
50 40
浆柱有效压力(KPa)
30
20
10
0
s
0
50
100
150
200
胶凝强度(Pa)
水泥浆柱有效压力与胶凝强度的关系 24
水泥浆柱有效压力在初凝前降至水柱压力。
测出水泥浆在初凝时的胶凝强度(该值约为
1650Pa)，即得水泥浆在初凝前浆柱有效压
力的计算公式：
当τ≤τs 时： 当τ＞τs 时：
Pce c gL P
51
一、提高对钻井液的顶替效率
尽管固井顶替机理的研究历史已60余年，但鉴于其 复杂性，目前仍不十分深入。主要体现在
实验方面：按照动力学相似原理要求，室内模拟的 参数需要与相应的现场数值相匹配，但难度很大。
理论方面：难以建立一套准确描述任意井下条件的 动态模型和定量分析法。
实用方面：现场施工参数很难同室内测量参数相吻 合。
Pce
(c
w )gL
1595
Ps
(1650 )
w gL
Ps
4 s L
Dh Dp
25
公式 Pce c g的L推 导P－土壤力学理论
假定：水泥浆发生明显水化之前，水泥浆就象尚未沉积 的土壤；胶凝过程中的水泥浆柱与土壤层具有相似的固 结过程。
用Terzaghi 定律来描述水泥浆内的应力状态：
11
12
三、特殊固井工艺－双级固井
13
14
三、特殊固井工艺－尾管固井
尾管悬挂示意图
机械式尾管悬挂器
15
16
第二节 油井水泥
一、油井水泥的制造方法 二、油井水泥水化机理 三、油井水泥水化伴随现象 四、油井水泥性能与测量 五、影响油井水泥性能的因素
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一、油井水泥的制造方法（干法和湿法）
石灰石 粘土 铝矾土 按比例混合 硅石 铁粉 荧石等
固
钻源自文库
井
井
是
是
钻
勘
井
探
工
开
程
发
的
的
临
必
门
由
一
之
脚
路
1
第八章 固井工艺与质量检测
第一节 固井工艺 第二节 油井水泥 第三节 前置液与外加剂 第四节 固井质量检测 第五节 提高固井质量的技术
2
何为固井？
Well Cementing
3
固井就是将水泥注入井壁与套管之间环空的 过程。固井工程是指通井处理钻井液、下套管、 再循环处理钻井液、注水泥、候凝、封固质量检 测到装井口交井的全过程，是涉及多学科多专业 （石油工程、化学工程、硅酸盐科学、高分子科 学、流变学等）的一个系统工程，核心是经济合 理地设计套管柱和安全优质地注入水泥浆。
（a）无水泥的自由套管密度测井 （b）注有水泥段套管密度测井
变密度测井图解释
47
48
C.井温测井
主要用途：确定水泥返 高，作为水泥充填程度 的补充解释。 测井时间：固井后12～ 24hr内，过早或过晚都 会影响测量结果。
H
t
井温曲线 水泥面
49
D.水泥胶结评价测井（CET）
CET在360°圆周上每隔45°共安排了8 个换 能器，并呈螺旋分布排列，这8个换能器既是发射 器又是接收器。
C-S-H凝胶层
起始期——迟缓期——凝结期——硬化期
（几分钟） （几十分钟～几个小时） （几十分钟） （几天～数年）
大量放热 水化速度变慢 水化加速 晶体析出 液态特征 流动性能稳定 不再流动 强度增20加
那么，油井水泥的水化产物是什么？这些产物有什
么样的性质？高温水泥石强度退化的根源是什么？加 砂又为什么能防止这种退化？下面我们就以国产 API G级油井水泥为例进行剖析。
0～1830m 1830～4880m
0～2440m
A级－普通水泥（0.46） B级－中热水泥（0.46） C级－早强水泥（0.56）
D级－缓凝水泥（3050m） E级－缓凝水泥（4270m） F级－缓凝水泥（4880m）
G级－基础水泥（0.44） H级－基础水泥（0.38）
19
二、油井水泥水化机理
b
地层压力 d c 水泥浆柱压力
0
1
2
3
t(hr)
a-b段：起始期 迟缓期 b-c段：进入凝结期 27
那么，为什么水泥浆柱压力低于地层 压力还不会立即发生气窜呢？
水窜流量的变化规律
水窜时间（min)
10 60 120 200
水侵速率（ml/min) 3.3 0.9 0.22 0.11
水导率（×10-4μm2) 20.7 7.55 1.38 0.69
29
C.失水与析水
失水的危害： （1）水泥浆“瞬凝”，导致固井失败。 （2）水泥水化不充分，造成固井质量差。 （3）水泥浆体积减少，诱发油气水窜。 （4）水泥浆向产层失水，污染油气层。
析水的危害： （1）水平井－形成连续性水带窜槽。 （2）垂直井－形成横向水带和纵向水槽。
30
压力对水泥浆失水量的影响
35
F. “假凝”
假凝是因水泥中存在的半水石膏或可溶性无水石膏 的过量溶解，（有时也会因水泥与外加剂不相容造成 絮凝而引起），使浆体液相成为过饱和硫酸盐溶液， 导致石膏快速结晶析出针状二水石膏而形成网状结构.
假凝使浆体刚性迅速增加，但无大量热放出；立即 搅拌，刚性消除，塑性又恢复。
解决的方法有：降低粉磨温度、控制产品质量、调 整水泥外加剂品种和加量等。
可以看出：水泥石水导率随水窜时间增加而
降低，这说明在水侵时间内，水泥浆内部的水化 仍在进行，仍在不断封闭着水运移的通道，提高 自身的抗窜能力。
28
气侵阻力－－水泥浆结构阻止地层流 体进入浆体的能力
Pr a b
Pr m Lc n Pr Lc f
i Dh Dp
Pr ( 21)(17 18c )
声幅＞40%，为固井质量不合格
典型声幅测井图示
45
B.
发射声脉冲速率：
变
10-12脉冲/s
密
度
3ft
测 5ft
井
（VDL）
发射器
接收器 （CBL）
接收器 （VDL）
地层 水泥环 套管
固井一界面胶结好，二界面胶结差，则套管波信号弱，地 层波信号也弱；一二界面胶结都好，则套管波信号弱，地层 波信号强。一界面胶结差，则很难判断二界面的胶结情况46。
21
三、油井水泥水化伴随现象
放出水化热、胶凝失重、失水与析 水、体积减缩、“闪凝”、“假凝”等。
A.放出水化热－井温测井、“微环隙”
起始期——迟缓期——凝结期——硬化期
（几分钟） （几十分钟～几个小时） （几十分钟） （几天～数年）
水化速度较快 水化速度变慢 放出热量较大 放出热量很少 持续时间较短
33
7 6
5
总收缩率(％)
4 3
2
1
0
0
5
10
50 100
时间(h)
水泥总收缩率与时间的关系 34
E. “闪凝”
闪凝是指把波特兰水泥熟料单独（即不加石膏）
研磨后与水混合，C3A 会迅速发生反应而发生不可 逆转的稠化现象。
产生的原因有两个： 一是因研磨时未加入石膏，水泥中含的铝酸盐和 硫酸盐相互作用而造成的。 二是因水泥中石膏的含量和熟料的活性不匹配， 在早期水化阶段 C3A与水过多地反应（即C3A 的溶 解度大而 C3S 和石膏的溶解度小）而造成的。
31
D.体积减缩
水泥内部体积减少：以真空微孔隙的形式分布 于水泥石中，造成其孔隙压力下降。
水泥表观体积收缩：
水泥表观体积
水泥绝对体积
膨胀率（％） 膨胀率（％）
时间（d）
时间（d） 32
总的体积减缩分为两个部分：一部分是外部 体积收缩，收缩率为4％～6％；另一部分是结构 内部收缩，收缩率小于1％。体积收缩顺序：
C2S（1％） C3S C4AF C3A（16％）
水泥浆某时刻水化引起的总收缩率：
Shx a[C3S ] b[C2 S ] c[C3 A] d[C4 AF ]
水泥浆某时刻水化引起的总体积收缩值：
VHyx
4
( Dh 2
D p 2 )Shx Lc
水泥浆某时刻失水引起的体积收缩值：
VFlx Dh vxtx Lc
磨细
1450℃
生料
熟料
加石膏或外加剂，并研磨
分四个阶段：
油井水泥（水硬性胶凝材料）
（1）预热干燥－300～600℃，烧掉有机物质
（2）石灰石分解－900℃：CaCO3分解出CaO和CO2 （3）高温化学反应－1450℃，生成C2S、C3A、C4AF、C3S （4）冷却、出窑
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油井水泥分级
A B C D E F G H （J）
52
钻井液
（d）
A.顶替效率：
出口
Z=L
Vc V
100
0 0
（c） （b）
无量纲顶替时间：
t * ＝tQ/V
入口
（a）
Z=0
水泥浆
顶替界面变化情况 53
B.顶替时的作用力与反作用力
钻井液的阻力和水泥浆的驱动力是保证两相 流体顶替效果的基本因素。
钻井液本身的粘度、切力
阻
套管和井壁对钻井液的粘附力
冲洗液
化学型 研磨型
隔离液
紊流型 粘滞型
粘性 粘弹型
41
缓凝剂
速凝剂
早强剂
分散剂
二、外加剂
降失水剂 加重剂
减轻剂
膨胀剂
热稳定剂
增韧剂
42
第四节 固井质量检测
目前的固井质量检测方法： ★声幅测井（CBL） ★变密度测井（VDL ★井温测井 ★水泥胶结评价测井（CET）
43
A.声幅测井（CBL）
发射20kHz声 波脉冲信号
对于土壤：T T a
对于水泥浆：Pc Pce P＝Pce P
L
Pc g 0c (z) cos (z)dz
若＝0，则得：Pc c gL
因此，可得：Pce Pc P c gL P
26
那么，是不是水泥浆柱压力低于 地层压力就发生气窜呢？
P(MPa)
7.0 a 3.5
初始浆柱压力
固井事故
37
四、油井水泥性能与测量
◣密度 ◣流动性能 ◣稠化时间 ◣强度 ◣失水量 ◣自由水 ◣抗腐蚀能力 ◣渗透率
38
五、影响油井水泥性能的因素
◣矿物组分 ◣水泥细度 ◣水灰比 ◣温度 ◣压力
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第三节 前置液与外加剂
一、前置液 二、外加剂
40
一、前置液
水基钻井液前置液 前 置 液
油基钻井液前置液
声波脉冲的衰减率取决于环空介质的声阻抗： 套管外为钻井液时，其声阻抗小，衰减很慢；套管 外为水泥浆时，其声阻抗较大，衰减很快；而且， 水泥石的强度越高，其声阻抗越大，声波能量衰减 越快，即衰减能反映水泥石的强度。
50
第五节 提高固井质量的技术
提高固井质量主要应从三个方面入手： 一是提高对钻井液的顶替效率 二是防止固井后油气水外窜 三是提高水泥环界面胶结与密封质量
序号
浆柱压力 （MPa）
地层压力 压差 失水量 （MPa） （MPa） （ml）
24h声幅值 （％）
1
3.5
1.5 560
0
2
6.0
4.0 1580
0
3
9.0
7.0 3060
0
2
4 10.5
8.5 5050
3
5 11.5
9.5 6500
13
6 13.0
11.0 7800
29
注：试验水泥浆浆总量为38235ml。
力
钻井液本身的重力
泵的压力
驱
水泥浆对钻井液的浮力
动 力
流动的水泥浆对钻井液的粘滞力
活动套管引起的牵引力
54
发射器
3ft
地层 水泥环
接收器
套管
胶结好，声幅小；胶结差，声幅大。 44
水泥浆密度为1.75～2.10g/cm3
声幅(15%,30%],为固井质量合格
声幅≤15％，为固井质量优质
声幅＞30％，为固井质量不合格
深
度
水泥浆密度＜1.75g/cm3
m
声幅(20%,40%],为固井质量合格
声幅≤20%，为固井质量优质