固井水泥设计理念分析.pdf

固井水泥设计的理念分析1一、油井水泥外加剂及其应用二、注水泥设计的基本概念三、水泥浆性能参数与固井作业的关系 四、固井设计的影响因素2油井水泥外加剂及其应用-(1)概念外加剂：W5%BW0C外掺料：5%BW0C作用：以其自身物理特性、化学特性改变水泥 浆或凝固水泥石的固有特性3油井水泥外加剂及其应用（2）分类减阻（分散、减水、增密）调凝（促凝、缓凝）降滤（降失水）比重调节（密度调节、加重、减轻）堵漏增强（热稳、抗衰）防污示踪（染色、萤光、放射）消泡（除泡、去泡、稳泡）特种（防窜、触变、延迟凝固、胶凝滞后）4油井水泥外加剂及其应用I(3)使用须知化学配伍性、协调性好种类少线性度好单调性强温度范围适当速溶系列化调节水泥浆主性能，对其它性能影响不大 易于运输、存储、有效期长性能、功能价格比合理5油井水泥外加剂及其应用（4）化学成份简述减阻（阴、阳及非离子表面活性剂有机物）调凝促凝：无机金属盐，有机物缓凝：有机酸，无机酸，高分子聚合物，纤维素衍生物）降滤（有机土，高分子聚合物，纤维素衍生物，有机聚合物）密度调节，堵漏，增强（普通无机矿物）消泡（有机脂、酸、酸等）特种（复合有机、有机化合物）示踪（放射性元素、有机化学物）6油井水泥外加剂及其应用减阻剂及其作用机理功 能：提高流动能力、降低摩阻，减少用水量副作用：起泡、降强（促强）、沉淀、缓凝、降滤、提切作用机理简述：吸附-分散理论、湿润-润滑作用 减摩-助滑作用,改变颗粒级配，表面电化学特性，增大比 表，极性结合，引力变斥力，电位差油井水泥外加剂及其应用减阻剂及其作用机理典型产品：奈及聚奈系：FDN,NF,UNF（芳香族化合物）M 系：木钙，木钠，FCLS（阴离予型）酮醛缩聚型：SXY,SAF,USZ替 换 物：SMC,SMK,SMT,SMP使用注意：加量：0.1-0.5%,为常规范围，W/C=0.44-0.5,加惰性外掺料，可提高用 量适用温度范围：90,SXY,FCLS,SMT等，上一温度段降至下一温度段,均可起缓凝作用析水控稠化曲线规整度强度无损8油井水泥外加剂及其应用缓凝剂及其作用机理功 用：延长可泵时间，确保施工安全 副 作 用：水质敏感性，降强，非单调性，加量指数变化，流变、降滤协调性与选择性作用机理：抑制水泥矿物组分水化速度，延缓结晶过程吸附理论 分子吸附于水化颗粒表面，阻止水的接触（屏蔽层）组合理论分子与液相中Ca2+离子整合，阻碍晶核生成（夺电子）晶核毒化理论分于吸附于最初生成的核晶表面，阻止晶体连生，难于 形成聚晶体沉淀理论 分子与Ca2+和（0H）-离子作用，沉淀于水化表面，阻止水向 肢体内部渗透，抑制水化。9油井水泥外加剂及其应用减阻剂及其作用机理典型产品：各种表面活性减阻剂部分带酸根的无机盐，羟基竣酸盐，有机磷酸盐，聚多糖，纤维素 等：如硼酸，氧化锌，硫酸亚铁，重铭酸钠等无机盐，酒石酸，柠 檬酸，水扬酸等果酸，CMC,HEC,CMHEC,葡钠，葡钙，蔗糖，葡 萄糖等。使用注意：单调性，线性度耐温范围对析水，流变性，强度的不良副作用对降失水剂的配伍选择性10油井水泥外加剂及其应用-降失水剂极其作用机理配伍要求：纤维素类：阴离于活性剂如：MG、MN、FCLS、无机酸、有机磷酸、碳酸钠共聚物类：果酸淀粉糖类：高聚物型如SXY等纤维素类胶 乳 类：无机金属盐，硫酸钠、氧化锌等但注意全程协调性及水质、水泥粒度及矿物成分、配 伍稀释顺序、缓凝化学特性在某一温度、压力条件下的响 应特性。11油井水泥外加剂及其应用-降失水剂及其作用机理典型产品：无机类：膨润土、微粒硅、碳酸盐、硅酸盐微粒（有机物质 沥青及树脂微粒）有机类：纤维素、聚胺物质、聚烯类、树脂类、多元共聚物（AMPS）的液体及固体粉未工程院S24 纤维素+惰性材料S27 纤维素+阴离子活性剂G60 胶乳（聚烯类）+交联剂、G6912油井水泥外加剂及其应用-降失水剂及其作用机理典型产品:新疆局 DS系列：纤维素+阴离子活性剂r XS系列：多元共聚物（聚胺类）西南院 HS系列：纤维素改性，接枝、LT系列：聚烯胶乳类胜利局 长庆局HN,G JS系列：聚酰胺类SK系列：聚酰胺类LW系列 纤维素复合物华北局MS系列 聚烯复合物13油井水泥外加剂及其应用-降失水剂及其作用机理典型产品：CT系列：改性淀粉类 四川局,H系列：乙氧基缩聚物改性 r fc系列：共聚物类 研究院B52系列：纤维素+惰性物类 PA系列聚烯胶乳类14油井水泥外加剂及其应用-降失水剂及其作用机理使用注意：配伍性，离子浓度敏感性及配伍种类 速溶性，均匀度对温度及混配程度要求 浓度变化引起的性能差异与泥浆中化学物的兼容性（非但不强调与其外加剂相容,反而严格限定）、配套性、系列性流动性及悬浮稳定性，早强影响程度 耐温能力及范围15油井水泥外加剂及其应用-降失水剂及其作用机理外加剂使用难点：早强剂、缓凝剂、降滤失剂多为数种化学物质的复合 物或改性物，化学成分复杂，各种成分对应用环境因素 响应特性不同，一种主剂难于调整全部工程性能，故对 各外加剂中有机及高分子材料与水泥浆性能的协调稳定 性应予充分注意，在研究人员指导下探索使用经验，切 忌随意选择配伍剂，防止施工以外。16注水泥设计基本概念质量要求层间隔绝，密封，无窜流满足开采工艺，延长生产寿命支撑返高符合设计 保护套管目的足够的强度与耐腐蚀能力J17注水泥设计基本概念主要质量问题平衡失控一漏失与窜流（1）Pmax 1 Ppmax 协串浙（2）Pmax+Sg+Sf 评价测井 下套管 放工理I_I 制方式用户控%（独立）很难保/主水泥_普量评价_户续作业 质量 服L公司L井与下公二控制（独立）（独立）20注水泥设计基本概念-水泥浆设计的系统工程概念举例例A：与表层套管注水泥质量有关的补救费用（美.海洋）问 题：出现机率 作业费用返高不足：35%5600管鞋出水：25%26100顶替窜槽：5%3000气 窜：5%25900单井修补费用:修补成本 1960 6525 150 1295 993021注水泥设计基本概念-水泥浆设计的系统工程概念举例例B：补救作业成本与基本注水泥作业费用关系（同上）作业类型：基本作业费补救作业费补救/基本费用表层固井:技套固井:尾管固井:产层固井:1810052200222002380099307600266001990055%15%120%84%22注水泥设计基本概念水泥浆设计的约束条件油藏特性要求：气、水、油流体性质，裸眼、射孔、筛管完井方式，酸化、压 裂、聚合物驱、注水、热采开发方式的要求，主要体现在尾浆性 能要求方面地质条件限制：岩性、埋深、井温、地层压力一孔隙压力，漏失压力，坍 塌压力，地层油、气、水的腐蚀性介质类型，钻井液条件，主 要体现在体系选型，结构和设计条件23注水泥设计基本概念水泥浆设计的约束条件工艺条件可行性：井眼几何条件，注水泥作业工艺方法，地面施工装备配 制及手段，水泥浆混配条件、方式、密度控制能力，钻井 液特性及处理能力，施工队伍素质，监控与事后评价技术,主要体现在环空流体组成结构和性能要求方面。24注水泥设计基本概念水泥浆设计的约束条件成本限制：陆地、海洋、钻机租用、资金占用及比例，投资回 报率及收回周期。地区矿业开采法规：主要是对地下水资源保护和海洋环保的要求25注水泥设计基本概念-固井作业对水泥浆的基本要求配制与注替过程中保持可控的流动能力在井下温度、压力条件下保持足够的可泵时间和体系稳定性静止后快速凝固并保持体积不变凝固水泥石强度高，致密性好，抗腐蚀有一定塑性，能抵抗射孔震动冲击26注水泥设计基本概念主要工程性能参数旧标准(GbI-206-78)：密 度：g/cm3流动度：cm凝结时间：hr.min初凝抗折强度：MPaAPI 规范：(APIspec.10)终凝27注水泥设计基本概念主要工程性能参数新标准(GB-10238-88)：密 度：g/cm3）析水率：%（自由水含量）流变性：曲线失 水量：ml/30min.7MPa r动态平衡体系稳定性液态 1泵压，排量及顶替流态设计性能波动r对套管保护能力 耐久性封隔能力、测井响应29注水泥设计基本概念主要设计内容、依据、要求注水泥设计内容：设计条件确定（井温、压力井眼几何条件）水泥浆容积计算（返高、段长、充填量、灰量、水量、造浆率）顶替液量（阻流环位置，套内容积）施工压力、排量及平衡校核（液体流变性、顶替流态、排量、压 耗、井口压力）作业时间与设备配置要求及注替顺序水泥配方（外掺料、外加剂、工程性能参数指标）30注水泥设计基本概念主要设计内容、依据、要求注水泥设计依据:API规范（材质要求，试验手段与方法，标准测试项目）规 范：Specification公 告：Bulletin推荐方法：Recommended Practice压力资料ISO9001由测井方法，试油作业，开发测试，钻井液使用等获得的孔隙压力 由破压预测，漏失试验，钻井液使用获得的破裂或漏失压力 由钻井液使用，井壁稳定性观察，岩性实验获得的坍塌压力 温度资料API规范表及计算公式实测完钻，开发井井温梯度及井底温度地区经验注水泥设计基本概念主要设计内容、依据、要求注水泥设计要求：外加剂资料与使用规则保持原浆水泥基本物理性能，达到需改善的性能指标，复配外加剂间相容性良 好；设计水灰比下，体系不发生离析与沉降初始稠度控制在1530BC内；具有干混湿混能力，干混在规定储存期内不失效；湿混易溶于水，不产生气泡,陈化混合液体对设计性能无明显影响；有一定加量可控范围，加入量，浓度波动时，处理效能不与设计方向相反；指明适应水泥级别，成本合理；对人身，环境无毒害，不腐蚀套管。32水泥浆性能参数与固井作业关系-（1）密度地层压力平衡-防漏与防窜如c取0。24f/cm；固化强度 标准）;准指标）-支撑、保护套管能力，剪切固结强度（公认 IMpa增产措施有效程度、水力固结强度（非标致密性外观收缩程度一声波测井胶结指数。106cm用水量与稳定性-固相体积分数0.35-0.8o33注水泥设计基本概念-(2)流变性顶替流态要求-达到设计流态下的临界排量降低循环压耗 一受地层承压能力限制的流动阻力、泵注当量循环密度地面施工密度控制一好的流变性使配浆更容易核心要求：n20.650.8 KWL 52Pa调控原则：BHCT下无沉降现象，500S-1剪切速率下粘度计读值W30034注水泥设计基本概念(3)析水率体系悬浮稳定性-多相不稳定体系中固相受阻沉降。7“20-Pw)gd：9rl体系均匀程度 强度一致性 内部缺陷-上、下密度差，水化反应前后体积差别，回落程度-整体水泥柱的支撑与卸载能力-测井声波响应一致性核心要求：BP沉降系数W1%或KWL4%调控原则：增大液相粘度，增大固相比表面，合理外掺料粒度级配35水泥浆性能参数与固井作业关系(4)失水量控制过剩自由水能力一超过25%水泥重量的自由水在水泥浆中运移引起的相 态分离，凝固后的内部缺陷动、静滤失造成设计性能改变一液相损失，使原设计性能产生变化，流变性 变差，稠化时间缩短，顶替流态改变安全可泵性降低水泥饼致密性变化一液相体积减少引起的回落高度，进入产层引起的原始渗 透降低水泥瘤形成-进入地层缝隙的水泥浆量影响挤水泥效果核心要求：100-150ml/30Mn.7Mpa 保持必要流变性调控原则：与减阻剂或非增粘缓凝剂配伍使用，改善颗粒级级配，形成表面 护叫胶膜，依靠惰性材料合理级配堵孔，利用比表面电性吸附自由水36水泥浆性能参数与固井作业关系-(5)稠化时间BHCT下可泵性变化-安全可泵时间长短，作业安全性因子12小时油井水泥基材质量-净水泥浆基本物理性能是否符合要求外加剂影响与可耀性-单独或复配使用加量，浓度范围，单调性与反向异常 检验配方合理性检验-曲线规整度反映水化特性优劣核心要求：过渡时间W30分钟，厂字型或直角稠化调控原则：按套管、尾管、挤水泥规程确定升温速率，BHCT尽可能接近作，BHP按泥浆压力梯度与压耗梯度总和计算37水泥浆性能参数与固井作业关系(6)抗压强度加固套管柱的支撑载荷能力 钻进与射孔时保护套管 压裂时限制压力区域扩展测井声波传播速度一降低轴向载荷，提高径向承载能力 一高强度与适当韧性吸收振动冲击能量 一使压裂能量在环空损失减小，提高压裂效能高强度，使声波返射能减小，衷减率 大，测井响应好核心要求：规定WOC时间内,抗压强度 HMpa调控原则：准确确定顶界BHCT,合理使用早强剂和缓凝剂例：抗压强度0.35MPa时支撑能力（每米水泥环）套管 尺寸：5V2 7 75/8 85/8 95/8 10V4 11V8悬挂长度（米）198 130 117 103 85 82 63325 228 190 163 141 141 9538水泥浆性能参数与固井作业关系-(7)渗透率致密性-渗流通过能力服从达西定律，限制流体通过能力孔隙封闭程度-抗渗透，抗润湿特性，提高抗腐蚀能力核心要求：1.4MPa不渗透调控原则：降低用水量，总化学收缩量小，使用超细堵孔材39水泥浆性能参数与固井作业关系(8)配方设计程序步骤井场水逅样品 井场外加剂 井场水样品1-.核实密度-1满 I足 流变性要求-令!析水 满-稠化网间要求-，抗压强度要求-水泥浆性能参数与固井作业关系(9)体系结构组成流变性：紊流顶替：PV100mpa.S YPN10 15Pa结构组成：冲洗液+隔离液+领浆+尾浆+压塞液41固井水泥浆设计影响因素-固井水泥浆设计总体框架：设为计划 T J J T 1目穗求井眼益件作业美型体系建材选择注售计划配方设计设备选择与施工计划各部分相互关联、影响设计方按决定、影响最终结果（好的计划是成功的前提）施工计划的科学依据42固井水泥浆设计影响因素目的与要求（充填（表层、技术）一 返高、保护的与层间隔绝（产层）一A密封、防窜、防腐、热稳复杂事故处理（堵漏、侧钻、回填）风险性、经济性套管完整性、修井作业补救（封窜、补高）-.一人单层与合层43固井水泥浆设计影响因素-井眼条件一眼条件（岩性 井深压温度 泥浆性能致密性失水、完整性诱裂流体特性腐蚀、敏感性储层保护孔隙压力防窜、漏失压力防漏地应力特征防止套管变形静止温度热稳定性、循环温度安全可泵 段长温差候凝时间与强度安全窗口、水泥浆密度、浆柱结构 再处理能力与顶替要求 井壁稳定性密度与失水控制范围井底净化流变性可调范围固井水泥浆设计影响因素-井眼条件井深与井温决定水泥选型（级别、特性）岩性与压力决定体系特征要求（密度、外掺料选择）决定设计实验参数（压力与温度）决定水泥浆性能要求45固井水泥浆设计影响因素-作业类型作业类型套管注水泥 尾管注水泥注水泥塞挤汞泥1级分晟壮迟反福环存底县空屋内套内裸眼修井废弃井d井 异采作业目的与质量要求相关 质量要求与体系选型相关 体系选型与作业类型相关46,系基材选择低密度 高定U度防漏Z/固井水泥浆设计影响因素体系基材选择 矿渣、膨润土、硅藻土、硬沥青1 珍珠岩、微硅、微珠重晶石、赤铁矿、钛铁矿 方铅矿、重质盐 塞璐珞、柴油般土I 触变1 石膏、纤维 J特殊要求酸溶-后灰热稳-A碎石 树脂材料防窜 气密材料油层保护-暂堵材料固井水泥浆设计影响因素体系基材选择各种外掺料配成不同体系各种体系中外掺料有最佳配比要求外掺料合理搭配可提供最优性能合理使用外掺料可降低成本外掺料物化性能与外加剂使用密切相关外掺料理化性能需严格控制48固井水泥浆设计影响因素注替计划r浆柱结构A注替计J注替顺序!划I I泵压排量JC压力平衡控制防污隔离控制顶替流态要求L安全作业时间49固井水泥浆设计影响因素-配方设计外掺料配比r需水、重量比、稳定性与收缩L强度可控范围外加剂选择 减阻、调凝、降失水一方设计合理实验条件合理性能指标BHST、BHCT、BHP-WOCf密度、自由水、流变性、滤 失量、稠化时间、抗压强度施工可行性 r 湿法、干法、混配能力及设备要求|密度可控性50固井水泥浆设计影响因素-配方设计外掺料对凝固水泥石特性影响（强度、致密性、均匀性）外掺料对外加剂吸附降效影响减轻料漂浮、增密影响，加重料沉降影响（密度波动引起可泵时间变化）外加剂协调性与化学配伍性凝固水泥特性（段顶与段底强度）混配对水泥浆可泵能力、密度波动响应，可空波动能力影响51固井水泥浆设计影响因素设各要求设求水源写水质混配特点混配看自力 疝一千布飞匀 混 混混续组化 能能再循环设M布置存水组 罐 配 群 置泥藏应井场容量实时篮控 前累 度力量计 量曾注替计划是作业指南设计参数是施工依据设备配置是计划实施保证监控手段是反馈信息和改进设计的依据52系统外部输入注水设计系统内部输入,_A_(材料人员设备操作者对注水 泥作业的需求材料与设备53信任曲线经营者：油公司生产者：钻井人员作业者：固井服务公司作业成功率54