桩西老168区块固井技术研究成果报告

1、.课题编号胜利石油管理局科技项目研究报告桩西老168区块固井技术研究及应用胜利石油管理局渤海钻井总公司二00九年十一月桩西老168区块固井技术研究及应用 项目名称：桩西老168区块固井技术研究及应用研究起止时间：2009年 1月 2009年12月负责人：报告编写人：王轶斌主要研究人员：王轶斌 等审核人：审定人：目 录前言1一、课题来源、研究的内容2（一）课题来源2（二）研究内容2二、课题调研3（一）课题调研的意义3（二）常规水泥浆的性能缺失3（三）水泥石抗冲击韧性机理研究4（四）纤维水泥浆体系防窜性能研究5（五）晶格膨胀剂体系的成熟11（六）微硅对水泥浆水泥石的改善作用12三、研究的目的意义与

2、方法步骤15（一）研究的目的意义15（二）水泥浆方案设计、选择15（三）室内试验21四、现场应用情况29（一）配套工艺措施29（二）现场应用情况30五、综合评测33（一）综合效益分析33（二）存在和需要解决的问题33（三）结论和建议33（四）推广意见33（五）项目创新点33；34前 言伴随着胜利油田投入开发四十多年的步伐，胜利油田可采、易采石油储量不断减少。为尽量保持胜利油田稳产高产的局面，水平井、定向大位移井不断增多，石油勘探开发的重心也由陆上逐渐向海上转移，近年来摊浅海钻井及海油陆采井已经成为胜利油田油气产量新的重要增长点。随着海上油田开发的需求和发展，随着大位移井，水平井钻井技术的不断发

3、展，甚至多底井、多分支井的不断应用，对固井技术的发展提出了更高更快的要求以跟上钻井技术前进的脚步。老168区块为2009年局重点开发区块，该区块地层复杂，油埋藏深度浅，地层压力属正常压力范畴，钻井液密度为1.10-1.15g/cm3，个别油井地层压力较高。但是井下动态干扰较明显，地层孔隙大，渗透性强，固井作业时既可能发生井漏，又可能因水泥浆的失重而引起油、气窜，影响水泥环的胶结质量；该地区井下地层水发育，往往是油层上下均存在不同的水层，在固井过程中，由于水层的干扰，造成水窜影响水泥石的强度，严重影响固井质量。因此，急需针对该地区地质特征和固井难点，开展固井技术研究，研制开发适合老168区块的低

4、渗透塑性微膨胀水泥浆体系，制定出一套较完善现场施工工艺技术措施，有效地解决老168区块复杂的固井工艺问题，为在老油区复杂区块的完井提供有效的技术支持。本项目的研究内容所涉及的内容推广前景非常广阔，因此开展本项目的研究有着非常深远的意义。一、课题来源、研究的内容（一） 课题来源老168区块为2009年局重点开发区块，位于老河口油田的北部，其南与桩106块相邻，东部为老163块，区域构造位于埕东凸起北部缓坡带上。该地区地层发育比较齐全，自下而上钻遇了前第三系中生界、下第三系沙河街组、东营组及上第三系馆陶组、明化镇组、第四系平原组地层，根据油藏特点制定的开发方案有两个，第一方案55口井，其中水平井1

5、4口，定向井41口。第二方案49口井，其中水平井12口，定向井37口。本地区绝大部分井只钻到馆上段，岩性主要为棕红色、浅灰色泥岩与细砂岩、粉砂岩间互层，地层厚度一般在8001000m。实测油层温度为5762，地温梯度平均为2.8/100m，属常温系统。老168区块方案所设定的井位全部为定向井（水平井），井位靶点水平位移离人工岛2062465m，方案一水平位移1000m以内的18口，10001500m的13口，15002000m的12口，2000m以上的12口，方案二水平位移1000m以内的18口，10001500m的13口，15002000m的10口，2000m的以上8口，最大垂位比达1.70

6、，存在大位移井的固井技术难题。根据老168块4口井的地层水分析化验资料，馆上段地层水总矿化度平均3464mg/L，氯离子平均含量为1672mg/L，重碳酸根含量平均为511mg/L，水型为NaHCO3。(二) 研究内容根据胜利石油管理局重点科研项目的要求，以现场施工情况和钻井固井理论为基础，收集国内外大斜度井固井以及低渗透水泥浆体系等相关技术现状的相关资料，学习相关的固井工艺、技术；通过对资料的筛选、分析、总结，提出适合应用于桩西老168区块固井技术的研究方案，通过大量的室内研究，并开展现场试验应用，为进一步完善低渗透微膨胀塑性体系以及适应老168区块的配套固井工艺措施。二、课题调研（一）课题

7、调研的意义油井水泥浆及水泥石的性能与固井作业的质量有着直接的关系，是固井设计、安全施工、保证固井质量的关键指标。为了使固井工作顺利进行，不断提高固井质量，必须要求水泥浆和水泥石具有良好的性能。尤其是随着固井技术的进步，深井、超深井、大位移井、疑难井越来越多，对水泥浆性能要求越来越高。近年来，国外对多种特种水泥的研究运用已相当成熟，防窜、非渗透、微硅水泥，为防气、水窜提供了多种有效途径；膨胀水泥，特别是弹性膨胀材料，为第一、第二界面胶结的改善创造了好的基础；抗腐蚀水泥为保护套管、延长油井寿命起着重要作用。国内在特种水泥浆体系方面也逐步向国际看齐，但因为起步较晚，差距还是明显的。为此我们在基础固井

8、理论及可能适用与老168区块的特殊水泥浆体系进行了一些列调研。（二）常规水泥浆的性能缺失：1、水泥浆体的体积收缩Sabins将水泥浆体的体积收缩(HVR)分为两部分：塑性体收缩和硬化体收缩。在养护120h后HVR超过5%，其中发生在初凝前的最大塑性收缩量小于0.15%，而硬化体收缩则占HVR的99.85%。HVR 的90%以上是在水泥浆的强度达到ASTM终凝值（0.14MPa）之后。水泥浆体体积的减少主要发生在过渡时间结束以后，即水泥浆体的收缩主要发生在终凝以后。水泥浆体的收缩伴随着水泥石孔隙率的增大，对于水泥石的渗透率（抗腐蚀能力）和抗压强度（胶结性能）均有不良的影响。模拟研究表明，水泥环界

9、面存在0.01mm的微间隙就可发生气窜；当微间隙为0.02mm时，在CBL测井中可能出现较大的振幅；微间隙为0.050.07mm时，则导致固井质量不合格。上述结果证实了Drecq的观点：“水泥浆体的收缩是造成地层流体窜流的核心，如不设法解决浆体的收缩问题，采取再多的工艺措施也是徒劳的”。2. 水泥石的脆性水泥石属于有先天微观缺陷的脆性材料，并存在固有的缺陷： 抗拉强度低，在0.691.38MPa之间（为抗压强度的1/71/12）； 抗破裂性能差，极限延伸率为0.02%0.06%； 抗冲击强度低，其断裂功为2080J/m2（结构钢为5×105 J/m2）； 弹性模量高（2.56.6GP

10、a），泊松比小（0.150.36）。在射孔作业时，瞬间产生的高温高压聚能射流作用到套管/泥环/岩体/复合体上，可产生高达4×1032×104MPa的冲击压力，造成冲击开裂，发生“二次窜流”，影响后续采油作业。国内外已有部分实践证实：射孔前CBL/VDL/SBT测井固井质量为优质，而射孔后CBL/VDL/SBT测井质量不合格。吉林油田三井次的CBL/VDL测井结果也证明了射孔对隔层封固质量的破坏。大庆油田统计了722口套损井的990个套损点，其中在射孔井段附近的套损点占56.0%，中原油田的764口套损井，有258口井在射孔段，占61.4%。（三）水泥石抗冲击韧性机理研究固井

11、施工中由于某些原因在水泥石中形成许多初始缺陷，在射孔和压裂等作业中产生的冲击载荷作用下，初始缺陷的裂纹尖端处会形成高度的应力集中。依断裂力学理论，随着应力水平的发展，一旦断裂强度因子大于材料的断裂韧性，裂纹将迅速扩展，继而产生宏观的裂纹、裂缝，造成油气层段窜槽，给射孔后开发和改造油层挖掘潜力等增产措施带来极大困难。水泥环的损伤主要有以下三方面的原因：水泥环与套管的弹性和变形能力存在较大差异，当受到由射孔等产生的动态冲击载荷作用时发生扩张引起水泥环径向断裂；高能射孔产生的应力波相互作用、相互叠加，在水泥环中形成拉、压高应变区，由于水泥石材料的抗拉、抗压强度相差很大，造成水泥石的内部断裂；射孔和压

12、裂等作业的冲击作用大于水泥石的破碎吸收能时，水泥环产生破碎。根据断裂力学理论，对于不含裂纹的材料，可以把材料的极限强度作为抵抗断裂的能力；对于象水泥石这样本身含有微裂纹或缺陷的材料，引入断裂韧性这一概念，即在水泥石发生脆断的情况下，确实存在一个临界应力强度因子，它只与材料的属性有关，而与试件的几何形状、尺寸以及外部载荷形式无关。这个l临界强度因子称为水泥石的断裂韧性，它是度量水泥石材料抵抗裂纹扩展能力的参数。要增强水泥石抵抗裂纹发展的能力，就要设法提高水泥石的动态断裂韧性。根据超混合材料原理及断裂力学理论，要改变水泥石的动态力学性能。可以通过在水泥浆中添加适当的外加剂。采用纤维增韧是一种较有效

13、的途径。纤维增韧的主要原理为：纤维本身具有较高的抗拉、抗折强度及延伸性；“纤维一水泥浆”体系具有较好的相容性和较高的粘附性，能形成具有各向异性的高韧性水泥石；纤维在水泥石中形成致密的网状结构，对水泥石缺陷处的裂纹尖端应力场形成屏蔽，从而提高水泥石的断裂韧性。实验发现，纤维对水泥的抗冲击断裂韧性的提高幅度取决于所用纤维的种类、长度和加量。（四） 纤维水泥浆体系防窜性能研究预测环空气窜和评价水泥浆防气窜性能的主要方法有：潜气窜因子（GFR）法、水泥浆性能响应系数（SRN）法、水泥浆性能系数（SPN）法、修正的水泥浆性能系数（SPNX）法等。一般，当水泥浆静胶凝强度达到240MPa时，水泥浆就有足够

14、的强度阻止气窜。潜气窜因子GFR即为初始过平衡压力与水泥浆静胶凝强度发展引起的压力损失的比值。0< GFR<3时发生环空气窜的潜在危险程度为轻度；3GFR <8时为中等；GFR8时为严重。水泥浆性能响应系数SRN为静胶凝强度增长速率与水泥浆滤失速率的比值。SRN实际上评价水泥浆综合防气窜性能。在现场应用时，应根据GFR值选择适当的防气窜水泥浆体系。一般GFR值分别为03，38，8时，对应的SRN值分别为70170，170230，230。水泥浆防气窜性能主要取决于水泥浆在顶替到位后，由液态转化为固态的过渡时间以及水泥浆孔隙压力下降的速率（可由水泥浆滤失速率描述）。水泥浆由液态转

15、化为固态的过渡过程，可以用水泥浆静胶凝强度发展速率来描述，还可以用稠化过渡时间（稠度变化速率）来描述。SPN值评价标准为：0SPN10时防气窜效果好；10<SPN21时防气窜效果中等；SPN>21时防气窜效果差。由于水泥浆性能系数SPN只是反映水泥浆的防气窜性能，而没有考虑水泥浆密度、井径、返深等因素的影响，为此国内学者引入了一个考虑现场实际因素的系数Fb对SPN进行修正。在环空气窜预测和防窜水泥浆性能评价的几种方法中，潜气窜因子法是一种简便易行的方法，但用其评价水泥浆的防窜性能时却与水泥浆自身的性能基本无关，这是不切合实际的。修正的水泥浆性能系数是在原性能系数的基础上考虑了水泥浆

16、密度、井径、返高等因素的影响，结果比较精确。1、 纤维水泥浆胶凝强度胶凝强度反映了水泥浆静态下的结构强度，通常把刚好破坏这种结构所需要的剪切应力叫做水泥浆的胶凝强度。测量水泥浆胶凝强度应在剪切速率趋于零的情况下进行，因为水泥浆完全丧失流动性之后的胶凝强度不易测得。测量一般从水泥浆配制开始至水泥浆初凝。因此水泥的胶凝强度的发展取决于水泥水化反应过程中塑性结构形成的快慢，并且又决定了防窜性能。为了了解纤维在水泥中的作用，进行了无纤维和加纤维两种条件下的水泥浆的胶凝强度实验。两种水泥浆的静胶凝强度、抗压强度随时间的变化曲线如图所示。可以得出，纤维水泥和无纤维水泥的静胶凝强度变化率分别为1.94Pa/

17、min、1.655Pa/min，表明纤维水泥浆保持液态传压能力的时间长，作用在井底的压力为整个浆柱的压力，能够平衡地层压力，阻止地层内的流体窜入井筒；且能够快速由液态形成具有一定承压能力的胶凝结构，起到有效防窜作用。水泥浆的静胶凝强度随静止时间的变化由下图可以看出，无纤维水泥和纤维水泥的静胶凝强度达到240Pa时，水泥石的抗压强度分别为255kPa和86kPa；达到实验静胶凝强度设定值576Pa时，两者的抗压强度分别为277kPa和119kPa，纤维水泥浆静胶凝强度达到一定值后，水泥的抗压强度会迅速增大，可有效地阻止气体窜流。水泥浆的抗压强度随静止时间的变化2、 纤维水泥浆稠化时间的直角特性1

18、 不同纤维长度的水泥浆稠化时间对无纤维水泥浆和纤维掺量为0.12%、长度不同的纤维水泥浆进行常压稠化时间的测定，结果见下图。通过水泥浆稠度值达到100BC时所需的时间对比发现，在相同掺量条件下，纤维水泥浆与无纤维水泥浆的稠化时间相差较小，但具有较明显的直角稠化性能。纤维长度对水泥浆常压稠化性能的影响2 不同纤维掺量的水泥浆稠化时间掺入纤维长1400m，对不同掺量条件下水泥浆的常温常压稠化时间进行测定，结果见下图。掺纤维与不掺纤维的水泥浆的稠化时间相差较小，但直角稠化性能理想。由于纤维长度远大于水泥颗粒粒径，具有在流动过程中阻力增大的一面；同时，纤维具有的润滑特性又有使水泥浆流动阻力减小的一面。

19、因此在低稠度条件下，纤维的加入基本不影响水泥浆的稠度。另外，纤维表面官能团的羟基减慢了水泥水化的过程，也会引起溶胶期的延长。两相反方面的共同作用，使得纤维水泥浆的前期稠度变化不大，基本与无纤维水泥浆的稠度变化相同。当水泥浆稠度达到一定值后，水泥浆开始凝结，网状结构开始搭接形成，此时纤维的存在有助于网状结构的形成，稠度迅速增大，缩短了凝结的时间，从而有效地防止了地层中气体的侵入。纤维掺量对水泥浆常压稠化性能的影响3、 纤维对水泥石收缩性的影响水泥石在常压、75条件下在养护箱内密闭养护48h，下图给出了不同纤维长度条件下纤维掺量对水泥石收缩性的影响曲线。试验结果表明：纤维加入后水泥石的体积收缩率降

20、低的幅度逐渐减小；同时纤维长度的不同使得水泥石体积收缩率降低的幅度不同。本试验条件下，纤维长度为800µm时，对水泥石的体积收缩率的抑制效果最好，体积收缩率最大可下降至2.53%，最大相对体积收缩率下降了38.3%。纤维掺量对水泥石收缩特性的影响4、 纤维水泥浆性能系数纤维长度对水泥浆防窜性能的影响在纤维掺量分别为0.12%和0.19%条件下改变纤维长度进行水泥浆失水、常压稠化实验。纤维掺量为0.12%时的实验数据见下表， 不同纤维长度水泥浆性能纤维长度对水泥浆性能系数的影响可以看出，定掺量条件下，随着纤维长度的增加，纤维水泥浆的防窜性能系数先降低后增加，说明纤维的长度增加到一定值后

21、，纤维的加入使水泥浆的防窜性能变差。2 、纤维掺量对水泥浆防窜性能的影响在纤维长度为1400m条件下，改变纤维掺量进行水泥浆失水、常压稠化实验，结果见下表：不同纤维掺量水泥浆性能纤维掺量对水泥浆性能系数的影响可以看出，定长度条件下，随着纤维掺量的增加，纤维水泥浆的防窜性能系数先降低后增加，即当纤维掺量增加到一定值后，纤维的加入使水泥浆的防窜性能变差。（五） 晶格膨胀剂水泥浆体系的成熟晶格膨胀剂是通过加入钙、镁化合物等碱金属化合物参与水泥水化反应生成膨胀性晶体钙矾石、氢氧化钙、氢氧化镁等，补偿了水泥水化后的体积收缩，且使水泥石产生微膨胀，主要分为单晶膨胀剂及双晶膨胀剂。1、晶格膨胀剂作用机理晶格

22、膨胀剂，可使油井水泥在高温高压下发生膨胀。这类膨胀剂由镁、钙的氧化物、硫酸盐和碳酸盐以适当配比混合而成。这种膨胀剂在油井水泥中遇水水化后聚合而生成镁-羟基-硫酸盐/氯化物的无机多水混合物。所形成的水泥石在高温高压下具有高抗压强度和稳定的膨胀率，可在一小时内完全溶于15%的盐酸。故掺入这种膨胀剂的水泥又被称为酸溶性镁氧水泥。这类油井水泥除用于固井外，还可用于钻井作业中的堵漏；由于抗污染能力很强，可用于盐岩地层的固井、挤水泥和打水泥塞；由于酸溶性优良，国外常用于修井作业。由镁氧水泥的组成可以看出，其主要膨胀源为镁、钙的化合物，辅助膨胀源为硫酸盐。这些结晶态物质在水化过程中生成水镁石、羟钙石和钙矾石

23、(AFt)，并伴随较大的体积膨胀，其膨胀量分别为水化反应前固体体积的2.19倍、1.98倍和2.29倍。三种膨胀源的水化速度和水化达到最大膨胀量所需的温度和时间不同，使膨胀过程从水泥与水混合后开始，一直延续到水泥凝固后的很长时期。硫酸盐的水化速度最快、钙的化合物次之、镁的化合物则要慢一些，油井水泥在整个侯凝阶段和凝固后都能保持稳定的膨胀。油井的温度随井深而增加，当全井注水泥时，井温低于75的井段以钙的化合物和硫酸盐的膨胀为主，而高温井段则以镁的化合物和钙的化合物膨胀为主(此时已没有AFt生成)，三种膨胀源的作用此消彼长，使水泥环的胶结性能改善。在油井水泥中，部分Mg2+和Ca2+扩散到大孔中结

24、晶，起充填孔隙的作用，部分Mg2+和Ca2+就地形成细小的氢氧化物晶体。在高温高压下G级水泥石中大部分孔径小于氢氧化物晶体尺寸，一旦氧化物水化膨胀就会造成水泥石的受限体积膨胀(AFt早期形成，产生塑性膨胀)，从而压缩水泥石孔隙，产生预应力，起到改善界面胶结性能、防止气窜的作用。（六） 微硅对水泥浆、水泥石的改善作用微硅是冶炼硅铁合金的副产品，其主要成分是非晶质的活性Si02，微硅的化学组成为：SiQ292.46%；A12O3 0.29%；Fe2O30.88%；CaO1.78%；MgO0.3%；P2O5 1.77% 。比表面约为152Om2g，是水泥的456O倍(水泥，0.33m2g)，由于颗粒

25、细小、比表面积大而具备良好的充填和吸水性能，同时，由于可在一定程度上参与并促进水泥的水化反应，因此，可改善水泥浆的凝结特性。微硅颗粒的粒径分布1、微硅对水泥流变性的影响微硅对水泥浆流变性的影响微硅对水泥浆流动度的影响 以上两表分别是干灰中掺不同比例微硅的水泥浆的流变性和流动度数据。可以看出，随着微硅量的增加，浆体的p先减小后增大，而0则单调大幅度增加，流动度则单调大幅度减小，表明：体系越来越趋向于非牛顿流体；触变性越来越强；越来越稠，配浆更为困难；因此，为兼顾体系的综合工程性能，应合理控制微硅的量。触变性水泥浆具有一定的自堵漏功能，因此，在低压易漏地层的固井中，可通过在水泥浆中掺人适当比例的微

26、硅而提高水泥浆体系的自堵漏功能，进而部分缓解地层承压能力低、平衡注水泥作业困难的固井技术难题。2、微硅对水泥浆失水的影响下表是掺不同比例微硅的水泥浆的滤失数据。可以看出，在未加微硅的水泥浆中，仅滤失5min左右，即脱水、穿气，而加了微硅的则要好得多，即使只加入5 的微硅，其7.5min的滤失量也可控制在80mL左右，且随着微硅加量的增加，体系的滤失量进一步减少，表明微硅对水泥浆体系的滤失控制能力有较好的微硅对水泥浆滤失量的影响在体系滤失量难以控制的情况下，如体系中含有大量自由水的低密度水泥浆，和用粗颗粒材料配制的水泥浆，即可通过在体系中掺人适当比例的微硅而提高体系的滤失控制能力。三、研究的目的

27、意义与方法步骤（一）、研究的目的意义老168区块地层压力比较活跃，井下动态干扰较明显，地层孔隙大、渗透性强，固井作业时既可能发生井漏，又可能因水泥浆的失重而引起油、气窜，影响水泥环的胶结质量；该地区井下地层水发育，往往是油层上下均存在不同的水层，在固井过程中，由于水层的干扰，造成水窜影响水泥石的强度，严重时影响固井质量；且该地区地层水矿化度较高，对油层套管及水泥石有较强的腐蚀作用。因此要想成功完成此类复杂地层的固井施工，就必须建立完善的低渗透抗窜塑性水泥浆体系和强胶凝水泥浆体系以及适用于该类型井的配套固井技术措施。为此，急需针对该地区地质特征和固井难点，开展对老168区块的固井技术研究，通过课

28、题研究，研制开发适合老168区块的低渗透塑性水泥浆体系，制定出一套较完善现场施工工艺技术措施，有效地解决老168区块复杂的固井工艺问题，为在老油区复杂区块的完井提供有效的技术支持。本项目的研究内容所涉及的内容推广前景非常广阔，因此开展本项目的研究有着非常深远的意义。（二）、水泥浆方案设计、选择：1、老168区块固井难点：以老168区块的基本情况为依据，我们分析老168区块固井施工面临的主要难点有以下几点：井斜角较大，位移较大，对水泥浆性能要求较高由于地层疏软和井径不规则，在保证套管安全下入的前提下，使扶正器下入数量受到限制，难以保证居中度大于67%。岩屑和钻井液固相沉积，形成固井沉积带，而沉积

29、带很难被完全清楚干净，从而影响界面胶结质量。地层水矿化度高，对油井套管及水泥环的腐蚀性强地层流体较活跃，动态干扰严重，影响水泥环的胶结质量。针对上述老168区块面临的固井难点，我们反复分析研究后决定采用低渗透微膨胀塑性水泥浆进行施工，因此我们首先在理论层面上对水泥浆渗透性及油气窜流原因进行了分析。2、渗透性原因分析：绝大多数有害的地下水、流动水、溶液、气体等介质，都是从水泥浆体或水泥石的空缝渗入的。当液相介质进入固结体一类的多孔材料时，开始的渗透速率取决于水压以及毛细管力的大小。待固结体达到水饱和，使毛细管力不再存在以后，就达到了一个稳定流动的状态，其渗水速率可用已知公式表示为：dq/dt=K

30、*A*(h/L)式中：dq/dt渗水速率，mm3/s； A试件的横截面积，mm； h作用于试件两侧的压力差，mm； L试件的厚度，mm； K渗率系数，mm/s；K=C*(*2/);-总孔隙率；孔的水力半径；流体的粘度；C常数。可见当试件的尺寸和两侧压力差一定时，渗水速率和渗透系数成正比，而渗透系数K正比于孔隙半径的平方，与总孔隙率却只有一次方的正比关系，因此孔径的尺寸是影响渗透性的一个主要原因。3、高压流体窜原因分析：高压流体窜过程中的压力变化高压流体窜是指，固井过程中井下油、水、气窜入水泥浆体。为了详细了解固井过程中高压流体窜过程中的压力变化，我们进行了固井模拟实验。实验发现，当水泥浆刚处于

31、静止状态下，由于水泥浆仍处于液体状态，环空压力不变；而当水泥浆初凝前后，由于水泥浆胶凝强度的发展，在水化的水泥颗粒之间及它们与井壁与套管之间，相互搭接起来形成一种空间网架结构，随着环空水泥浆柱的内部结构力的不断增长即胶凝强度的增强，使水泥柱的部分重量悬挂在套管和井壁上，水泥浆具有了支撑自身重量，承拖托上覆压力的能力，因而也逐步消失传递压力的能力，形成“失重”，环空压力下降。下图为普通水泥浆在候凝过程中的压力变化曲线。普通水泥浆在候凝过程中的压力变化曲线 因此由于环空压力的缺失，当液柱压力小于地层水压力的时候，高压流体窜开始发生，环空压力也开始回升。取一定的上覆压力作出的水窜压力变化图如下：水泥

32、浆水窜试验压力变化图P1：水泥浆压力 P2：地层水压力 P3：初试上覆压力水窜流量的变化在实验中进行水窜流量测试，实验发现当水泥浆压力降到与地层水压力相等时，并未发生水窜，而是低于地层水压力一定值时才发生水窜，并且到达一定时间后，水窜流量开始逐渐减少。这说明水泥浆自身有一定的抗窜能力，虽然水侵开始，但是水泥浆内部的水化仍在进行，仍不断的封闭着水运移的通道，而水侵严重的时间正发生在水泥浆胶凝水化的过程中。下表是水泥浆在不同时间的水侵速率的数据表。水侵时间（min）104070100130160水侵速率(ml/min)0.81.23.30.90.220.11水泥浆在不同时间的水侵速率数据表水泥浆析

33、水量和井筒倾斜角对水泥浆气窜的影响倾斜井筒上侧水泥浆自由水槽的形成,是气体侵入的主要通道。在实验中我们观察到,当水泥浆API析水量为2.5mL,井筒内径为30mm,倾斜角为75°时,模拟井筒上井壁一侧,水泥浆会形成24 cm宽的、连通性能好的水槽。为了比较析水量不同的水泥浆在某一时刻抗气窜的差异,列出仅淅水量不同其余指标类似的三种水泥浆在胶凝强度为2700 dyn / cm2时发生气窜的压差(即气源压力-井底压力)数据。不同浆体在不同倾斜角井内的气窜压差(MPa)不同浆体在不同静置时刻的气窜压差(Mpa)比较上述两表内数据可知：在同一倾斜角度的井筒里,水泥浆不同时刻发生气窜的压差值随

34、水泥浆API析水量的增加而降低,即水泥浆中的自由水含量越高,抗气窜能力越低。零析水水泥浆抗气窜能力最好。零析水水泥浆在井壁上侧虽无自由水槽形成,但在井筒内壁上侧胶结质量并不理想,甚至有不连续的微间隙存在,为气体窜流提供了方便。如析水为2.5mL的原浆,在倾斜角大于10°的井筒里,凝固时间为65min,气窜压差为0.0148MPa。而零析水水泥浆,在倾斜角大于10°的井筒里,气窜压差却小于0.0148MPa,不超0.0101MPa。由此可知,仅采用零析水水泥浆,仍不能完全防止气窜,还需采用其它防气窜措施,比如使用膨胀水泥,就有助于弥补环形空间封固质量不理想的问题;同一种水泥浆

35、,抗气窜能力随井斜角的增加而减小,井筒倾角为45°时,由于水泥浆失重速度比其它倾斜角时快,浆体抗气窜能力最差;对零析水水泥浆来说,气窜压差随凝固时间的增加而增大,即随着水泥水化和胶凝的发展,抗气窜能力提高;对原浆来说,气窜压差却不随凝固时间的增加而增大,当井筒倾斜角为10°时,100min和118min时,水泥浆胶凝强度增加了950dyn/cm2,而气窜压差值几乎一样;当井筒倾斜角为45°时,2min、65min、110min和118min的气窜压差几乎一样;当井筒倾斜角为75°面三个时刻的气窜压差同样变化不大。上述分析可以形成以下三个观点:在非常规井中

36、,水泥浆胶凝强度的发展,对非零析水水泥浆的抗气窜能力的影响,已不如直井那么重要了,特别在井筒倾斜角较大的时侯;而水泥浆的析水量的多少则成为与气窜有直接关系的因素;井筒倾斜角对气窜有明显的影响,倾斜角为45°时气窜容易发生,是气体窜流的危险位置。水泥浆在深入水化过程，过多的配浆水的析出，分布于环状水泥柱体（在两个交界面上），聚集成无数细小水流，因重力差，水流会沿轴向方向向上流动，不断聚集成更大的水流即水带，这水流的槽缝和水带为水窜创造了先期条件，使它们降低了对地层的压力，从而引发地层水流窜。水泥浆固结后的体积变化实验完成后，打开实验模具，发现内侧有极少量的水存在，测量对比水泥浆与水泥石

37、的体积，有4.48%的差值，这是因为水泥浆在凝结硬化过程中，虽然固相体积在不断增多，但由于失水和自由水的析出，失去的液相体积比增加的固相还要多，因而，总体积的绝对体积是减少的。水泥浆这种固结后体积收缩的特性也为地层高压流体窜提供了一定的通道。水泥浆顶替效率因素固井施工过程中如果水泥浆顶替效率低将会形成水泥浆夹带的窜槽，因而造成环空水泥与套管或地层胶结面质量差，产生环隙空间，这些环缝隙会导致环空地层高压流体窜的发生。4、老168区块水泥浆性能要求：针对上述施工难点及水泥浆渗透性及高压流体窜原因分析，我们要求用于168区块施工的水泥浆体系具备以下性能：1）水泥浆的游离液较少。可以有效的防止大位移水

38、平井高边出现自由水带窜槽。2）水泥浆浆体具有良好的稳定性。否则在大斜井段或水平井段的垂直剖面上易形成上稀下稠，井眼高边强度偏低，渗透性偏高的水泥封隔截面，易产生高渗透性封隔带窜槽。 3）API失水50ml/30min；在大位移水平井中，油气层裸眼段长，水泥浆与油层接触面积大，由于水泥浆失水，不仅会加大油气层污染，而且会导致水泥浆变稠，流动阻力增大，影响顶替效率。因此，应严格控制水泥浆失水，要求水泥浆API失水量50ml。4）具有一定的微膨胀特性。用微膨胀水泥浆体系封固大位移水平井，可有效控制由于水泥体积收缩带来的负面效应。有利于有效封隔地层，防止层间窜流。5）水泥浆应具备低渗透特性，从液态转变

39、为固态的过渡期内，能够减少水泥浆的透气性和降低水泥石的渗透率。防止地层动态干扰对水泥石胶结的影响并有效减少地层流体对水泥石的腐蚀。6）水泥浆具有防窜性能。大位移水平井固井，由于井斜角大，在水泥浆凝结过程中，容易形成较大的自由水和产生体系沉降，井眼高边易形成油气窜流的通道。因此，对水泥浆体系的防窜特性要求更高。 7）形成的水泥石可抗Cl-、SO42-、HCO3-等离子含量较高地层水的腐蚀。8）水泥石具有一定的韧性。大位移水平井，套管难于居中，往往存在偏向于井眼低边，则此时的低边水泥环较薄，在后续各种工况作业时易于导致其碎裂。因此，提高用于封固大位移水平井固井水泥浆体系水泥石的抗冲击韧性，有利于提

40、高油气井在大斜度及水平井段的封隔完整性和正常生产寿命。5、方案选择：根据上述水泥浆性能要求，采用胶乳水泥浆体系及以纤维塑性剂和膨胀剂为主要添加剂的低渗透塑性微膨胀体系都可满足要求。我们就俩种体系进行了比较：增韧材料特点及存在问题材料类型作用特点存在问题纤维掺量小（0.5%2%）；增加韧性、提高弹性和抗压强度；改善水泥环与地层的胶结；兼有防漏功能混拌要求高（需吹混46次）；施工设备要求高（需要气垫式灰罐车）胶乳降低弹性模量、提高弹性；兼有降滤失作用；有利于水泥环胶结掺量大（8%15%）；价格昂贵；抗压强度损失大；不能改善抗冲击性能 且胶乳体系现在我公司掌握还不够成熟，胶乳加量到6%以上稳定性即不

41、易控制，有时会出现破乳现象，如胶乳加量不足，防窜性能就无法满足设计要求。因此我们决定选用已纤维材料为主要增韧剂的低渗透塑性微膨胀水泥浆体系。（三）室内试验1、水泥浆试验因为老168区块大部分井井斜超过了50°，根据我们上述对窜流发生原因的分析，水泥浆淅水及稳定性就成了控制该区块油气窜流的最重要因素。且这时API自由水试验已经不适用，因此大位移水平井固井水泥浆的游离液测定及浆体稳定性测定应将水泥浆置于井下循环温度条件下并倾斜至井下实际井斜或45°测试。为此我们订制了专门的铜质沉降筒于增压养护釜或恒温养护箱中进行试样养护。试验步骤试验准备。先将测试简两半管扣合部位的密封面及顶盖

42、、底盖连接处涂上密封脂，再在管内壁表面及顶盖、底盖表面均匀涂上一层润滑脂，以避免脱模粘连导致脱模损坏试块和易于清洗沉降筒。扣紧俩半管，并拧紧连接两半管的螺钉，以防此处漏浆。水泥浆制备。根据API规范5.9制备水泥浆，后倒入Waring搅拌器浆杯中，低速(400O±200r/min)搅拌15s，高速(12000±510 r/min)搅拌35s。将搅拌后的水泥浆倒入1000 mL的烧杯中，在搅拌棒的不断搅拌下快速注入沉降筒中，并不断敲击筒壁，排出浆体中的气泡，直至水泥浆注满沉降筒，再分别搅拌30次，使水泥浆填满沉降筒的边角处。盖好盖板，冲洗掉挤出的多余水泥浆并擦洗干净。将沉降筒

43、置于铁质支架上，调整好角度后置于恒温水浴箱中，养护24h。并在23h时停止加热并中断电源，使沉降筒在24 h时降温至90以下，取出测试总成，脱模，置于常温水浴中养护5h以释放热应力。测量水泥石柱长度，其实测高度与浆筒长度之差即为“自由液”高度。取出水泥石，将水泥石柱自上而下切割制成若干试块(通常水泥石柱上、下部应多分几块，以便于更好地观察该部分的沉降)。按顺序排号，测各试块的质量m1(精确至0.01g)，并分别记录在专门设计的表格中。切割好的试块准确称完质量后放入蜡已完全熔化的蜡锅中，使其薄薄地浸上一层蜡(蜡的密度事先已测出为0.945g/cm3)。按编号依序再次用电子天平准确称量浸蜡试块的质

44、量m2 (精确至0.01g)，并记录在表格中，计算求得蜡膜质量（m2-m1）和蜡膜体积v蜡（2-1）/0.945。.在量筒内注入50ml水，然后将侵蜡试块全部侵入量筒内，用吸管吸出50ml刻度线以上液体，测量其体积即为侵蜡试块体积v总，可求得水泥试块体积为v总-v蜡。.通过计算可求得试块密度= m1/(v总-v蜡)。.根据所有切割试块的密度数据及自由液数据，作密度分布平面图，也可以作密度分布对高度曲线图。根据密度分布平面图及曲线图，就可知道水泥石中自由液的量及密度分布梯度。水泥浆自由液越少，密度变化越小，则表明水泥浆稳定性越好。水泥浆设计方案：根据老168区块对水泥浆性能的要求，我们进行了用于

45、168区块固井施工的水泥浆体系的设计：a、水泥浆体系由缓凝领浆和短侯凝尾浆两部分组成。缓凝领浆应具备良好的流变性能、稠化时间较长等特点，起到提高顶替效率和压稳地层的作用；短侯凝尾浆应具有稠化过渡时间短、低失水、微膨胀的特点。尾浆用量控制在超过油层150-200m之间，与领浆的初凝时间差为1小时以上。b、为确保地层流体不向封固段水泥浆内部入侵，应在水泥浆中加入适当的外加剂，当水泥浆在水化过程中形成凝胶结构开始失去传递静液柱压力的能力后，能迅速形成胶凝强度并快速增长，且能在水泥孔隙形成不渗透的聚结物屏障，堵住地层水运移的通道，以更有效的防止流体侵的发生同时组织水泥颗粒在浆体内的沉降已经自由水通道的

46、形成。因此应在水泥浆中加入适当的外加剂，使水泥浆在凝固前一直能保持低的稠度，而在凝胶结构开始形成的几分钟内，水泥浆的稠度能突然增加到100Bc。c、领浆尾浆都应保证浆体稳定，尤其尾浆的游离液量控制需更为严格,水泥石高低边密度差应较小。防止上部水泥石强度不够，渗透率过高。d、为防止水泥浆固结后留下地层流体窜流的通道，加入水泥浆中的外加剂应能改善水泥浆固结后体积收缩的特性，使固结后的水泥石产生微膨胀，弥补因过多的液相体积失去而造成的体积减少，并提高第一、二界面的胶结性能，封闭窜流通道，防止地层流体发生界面窜流。普通硅酸盐水泥凝固后体积收缩率一般在4%-5%，因此外加剂的加量应确保水泥浆固结后有4.

47、5%的膨胀率。e、在领浆尾浆中都加入增强剂，以提高水泥石的致密性，一方面提高水泥石强度，另一方面尽量降低地层水渗入水泥石毛细孔的几率，减少腐蚀性离子与水泥石的接触面积，延缓腐蚀速度。f、在尾浆中加入塑性剂，提高水泥石的抗拉、抗剪和抗冲击性能。g、在尾浆中加入早强剂，提高水泥石的早期强度，一方面拉开领浆、尾浆的稠化时间差距，以压稳油层，一方面提高浆体的稳定性。.配方试验：为了取得最佳水泥浆体系，减少工作量，采用正交实验设计对反应条件进行优选。用正交实验能在多种试验条件中选出代表性强的少数试验条件，并结合评价指标进行分析，推断出最好的组合条件。要进行正交试验，首先要选定试验中需要考察的结果作为指标

48、，把对实验结果可能产生影响的因素作为因子，这些因素的不同条件称为试验的水平，其次根据因子及水平的个数选定正交表，尽量使试验次数最少，再根据正交表的不同组合，进行试验，最后对实验结果进行指标或极差的分析，推断出最好的组合条件。 .领浆配方：根据前期水泥浆设计对领浆性能的要求，经过反复的室内试验，确定配方如下：G高+10%低密高强剂+3%增韧剂+2.0%G302+0.75%USZ+（55%-65%）水不同水灰比下水泥浆性能变化如下表：水灰比密度(g/cm3)实验温度流变性能600/300/200/100稠化时间45×30min×12MPa游离液24h×45。API失水

49、（ml）55%1.8445154/89/61/41221min3.4%3860%1.7945137/82/57/37246min4.1%4365%1.7445108/75/52/33288min6.8%49不同水灰比水泥石性能如下表：水灰比渗透率7d（10-3µm2）抗压强度24h（MPa）沉降稳定性24h（g/cm3）上部上中中部中下下部55%1.0220.21.821.821.831.841.8660%1.3818.51.761.791.791.801.8265%1.7816.11.711.731.741.741.77由试验数据可看出领浆尽管水灰比较大，依然较好的控制了游离液比例

50、，API失水也完全符合设计要求，水泥石具有较高的抗压强度，在管线水中养护7d后渗透率尚可，在45°斜度下养护24h后水泥石依然呈现出较好稳定性，高低边水泥石密度差控制在0.06g/cm3。但是为了提高水泥浆的稳定性及降低水泥石渗透率，水泥浆的流动性受到影响。 .尾浆配方：根据前期水泥浆设计对领浆性能的要求，经过反复的室内试验，确定配方如下：G高+10%增强剂+5%增韧剂+2.0%ZQJ+2.0%G302+0.5%USZ+2%膨胀剂+（44%-50%）水试验所采用的水泥及外加剂见下表：材料名称性能与作用G级水泥适合浅、中深井和抗硫地层流体污染。USZ可调节水泥浆流变性,降低水泥浆稠度，

51、并具有一定的降失水、缓凝效果。G302适用于循环温度为40120的油气井中，可有效控制水泥浆液相向地层滤失。消泡剂具有抑泡、消泡、防气窜功能，消泡迅速。利于控制水泥浆密度。ZQJ减少水泥浆稠化时间，提高水泥浆早期强度，并可改善水泥石晶体结构，提高水泥石抗压强度。增强剂可增大水泥浆液相移动阻力，提高水泥石致密度，降低水泥石渗透率，提高水泥石对地层的封隔能力，同时提高水泥石抗腐蚀性能。增韧剂主要由纤维材料组成，可进行干混，对水泥环的抗拉强度、抗压强度、抗冲击强度都有所提高。膨胀剂改变水泥石晶体结构，补偿了水泥水化后的体积收缩，且使水泥石产生微膨胀。外加剂功能表水泥浆性能如下表：水灰比密度(g/cm

52、3)实验温度流变性能600/300/200/100稠化时间70×30min×18MPa游离液24h×45。API失水（ml）50%1.9370221/182/151/98104min0.8%15.2由试验可看出尾浆置于45°模拟井下环境下24h游离液几乎为0，因此可用其胶凝强度发展的时间来判断浆体的防窜性能。稠化时间曲线如下:用SPN值来评定水泥浆的防窜系数，SPN值计算如下：SPN0.1826QAPI（）=0.1826×15.1×（-）=0.8评价标准中SPN值为03时，防窜性能好，说明该体系防窜性能极好。水泥石性能与原浆水泥石性能

53、对比类别渗透率（10-3µm2）体积膨胀率沉降稳定性24h（g/cm3）上部上中中部中下下部A0.12-4.5%1.811.861.881.901.95B0.021.3%1.921.921.931.931.94类别抗压强度48h（MPa）抗折强度48h（Mpa）抗冲击功48h（J）弹性模量48h(Gpa)A25.18.780.0424.32B29.212.80.0683.58由上表可看出该配方水泥浆形成的水泥石抗压强度、抗折强度、抗冲击功较原浆水泥石分别提高了16.33%、45.79%、61.91%，弹性模量降低了17.13%，机械性能大幅攀升，具备了较强的韧性。且渗透率大幅降低，浆

54、体稳定，上下部密度差仅有0.02g/cm3。我们又用水泥浆失重气窜测试仪，测定70条件下水泥原浆、低渗透塑性微膨胀水泥浆的气窜阻力变化情况。数据如下图：气窜阻力KPa胶凝时间 min水泥浆凝结气窜阻力变化图由图可知试验水泥浆较原浆的气窜阻力明显增加，结合渗透率试验可证明试验配方所致水泥浆具有良好的防气窜能力。由于大斜度井必须优先考虑水泥浆稳定性及水泥石的渗透率等性能，因此不论领浆还是尾浆的流动性都较差，即使不考虑套管偏心因素，也无法达到紊流顶替钻井液，因此需要在注水泥前注入足量高性能前置隔离液，通过隔离液达到紊流顶替钻井液的目的。2、 前置液试验：前置液设计：根据替净的要求，前置液分为冲洗液与隔离液俩部分，针对套管居中度差、井壁岩屑清除困难的特点，采取了加大冲洗液、隔离液的用量，提高冲洗液、隔离液浓度等措施。前置液的数量，按照紊流接触时间7min10min计算，冲洗液和隔离液的比例为1:1，控制环空高度计算约为200m500m。隔离液密度大于钻井液密度0