固井水泥设计理念分析课件

1、 固井水泥设计的理念分析一、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 油井水泥外加剂及其应用 （1）概念外加剂：5BWOC外掺料：5BWOC 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（2）分类油井水泥外加剂及其应用减阻(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)（3）使用须知油井水泥外加剂及其应用化学配伍性、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

2、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（4）化学成份简述油井水泥外加剂及其应用减阻(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、醚、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)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减阻剂及其作用机理油井水泥外加剂及其应用改变颗粒级

3、配，表面电化学特性，增大比表，极性结合，引力变斥力，电位差典型产品：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.l0.5，为常规范围， W/C=0.440.5，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减阻剂及其作用机理油井水泥外加剂及其应用功 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

4、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(OH)-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。缓凝剂及其作用机理油井水泥外加剂及其应用典型产品：各种表面活性减阻剂部分带酸根的无机盐，羟基羧酸盐，有机磷酸盐，聚多糖，纤维素等：如硼酸，氧化锌，硫酸亚铁，重铬酸钠等无机盐，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

5、：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减阻剂及其作用机理油井水泥外加剂及其应用配伍要求：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。降失水剂极其作用机理油井水泥外加剂及其应用典型产品：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S2

6、4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G69降失水剂及其作用机理油井水泥外加剂及其应用工程院典型产品：DS系列：纤维素+阴离子活性剂XS系列：多元共聚物（聚胺类）HS系列：纤维素改性，接枝LT系列：聚烯胶乳类HN，GJS系列：聚酰胺类SK系列：聚酰胺类LW系列纤维素复合物MS系列聚烯复合物降失水剂及其作用机理油井水泥外加剂及其应用新疆局西南院华北局胜利局长庆局典型产品：CT系列：改性淀粉类H系列：乙氧基缩聚物改性FC系列：共聚物类B52系列：纤维素+惰性物类PA系列 聚烯胶乳类降失水剂及其作用机理油井水泥外加剂及其应用四川局大庆局研究院使用注意：配伍性，离子浓

7、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降失水剂及其作用机理油井水泥外加剂及其应用 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。降失水剂及其作用机理油井水泥外加剂及其应用 注水泥设计基本概念层间隔

8、绝，密封，无窜流返高符合设计 足够的强度与耐腐蚀能力质量要求满足开采工艺，延长生产寿命支撑 保护套管目的 注水泥设计基本概念平衡失控-漏失与窜流 （1） maxpmax 防窜流 （2） max+ Sg + Sf fmin 防井漏置换不良-顶替窜槽腐蚀解体-流体侵蚀溶解，自应力开裂，热应力崩溃主要质量问题 注水泥设计基本概念居中 、 替净 、压稳 、封严完善的水泥浆设计(体系 性能 浆柱结构)科学化注水泥设计(作业计划与合理施工参数)过程控制与系统优化(材质 装备 监控 评价 反馈)提高固井质量技术要求 注水泥设计基本概念矿场生产关系:钻井眼 评价测井 下套管 用户控制（独立） 注水泥 质量评价

9、 后续作业 服务公司 测井与井下公司控制 （独立） （独立） 提高固井质量技术要求水泥浆设计的系统工程概念独立控制方式很难保证固井质量 注水泥设计基本概念问 题：出现机率作业费用 修补成本返高不足： 35% 5600 1960管鞋出水： 25% 26100 6525顶替窜槽： 5% 3000 150气 窜： 5% 25900 1295单井修补费用： 9930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） 注水泥设计基本概念作业类型：基本作业费补救作业费 补救/基本费用表层固井： 18100 993055%技套固井： 52200 760015%尾管固井： 222

10、00 26600120%产层固井： 23800 1990084%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） 注水泥设计基本概念 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水泥浆设计的约束条件油藏特性要求：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 注水泥设计基本概念 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

11、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。水泥浆设计的约束条件工艺条件可行性： 注水泥设计基本概念 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。水泥浆设计的约束条件成本限制：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 注水泥设计基本概念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固井作业对水泥浆的基本要求 注水泥设计基本概念密 度： g/cm3流 动 度： cm凝结时间： hrmin 初凝

12、终凝抗折强度：MPaAPI 规范：(APIspec.10)主要工程性能参数旧标准（GB-206-78）： 注水泥设计基本概念密 度：g/cm3动态平衡析 水 率：%（自由水含量）体系稳定性 液态泵压，排量及顶替流态流 变 性：曲线设计性能波动失 水 量：ml/30min.7MPa安全施工主要工程性能参数新标准（GB-10238-88）： 注水泥设计基本概念稠化时间：hrmin对套管保护能力 耐久性 抗压强度：MPa 固态封隔能力渗 透 率：md测井响应主要工程性能参数新标准（GB-10238-88）： 注水泥设计基本概念设计条件确定(井温、压力井眼几何条件)水泥浆容积计算(返高、段长、充填量、

13、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)主要设计内容、依据、要求注水泥设计内容： 注水泥设计基本概念 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 ISO-9001推荐方法：Recommended Practice压力资料由测井方法，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

14、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计算机模拟器主要设计内容、依据、要求注水泥设计依据： 注水泥设计基本概念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。 主要设计内容、依据、要求注水泥设计要求： 水泥浆性能参数与固

15、井作业关系地层压力平衡防漏与防窜如c取0。24f cm；固化强度支撑、保护套管能力，剪切固结强度(公认标准)；IMpa增产措施有效程度、水力固结强度(非标准指标)致密性层间隔跳钠。(0， l 10o3以外观收缩程度声波测井胶结指数。 106cm 用水量与稳定性固相体积分数 0.350.8。 （1）密度 注水泥设计基本概念顶替流态要求 达到设计流态下的临界排量降低循环压耗 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 好的流变性使配浆更容易核心要求：n0.650.8K1.52Pa调控原则：BHCT下无沉降现象，500S-1 剪切速率下粘度计读值300（2）流变性 注水泥设计基本

16、概念体系悬浮稳定性多相不稳定体系中固相受阻沉降。体系均匀程度上、下密度差，水化反应前后体积差别，回落程度强度一致性整体水泥柱的支撑与卸载能力内部缺陷测井声波响应一致性核心要求：BP沉降系数1 或 Kl.4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（3）析水率 水泥浆性能参数与固井作业关系控制过剩自由水能力超过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

17、浆量影响挤水泥效果核心要求：100150ml/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（4）失水量 水泥浆性能参数与固井作业关系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30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

18、力梯度与压耗梯度总和计算（5）稠化时间 水泥浆性能参数与固井作业关系加固套管柱的支撑载荷能力降低轴向载荷，提高径向承载能力钻进与射孔时保护套管 高强度与适当韧性吸收振动冲击能量压裂时限制压力区域扩展 使压裂能量在环空损失减小，提高压 裂效能测井声波传播速度 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 11Mpa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：51/2 7 75/8 85/8 95/8 103/4 113/8 悬挂长度(米) 198 130 117 103 85

19、82 63325 228 190 163 141 141 95（6）抗压强度 水泥浆性能参数与固井作业关系致密性 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，使用超细堵孔材料（7）渗透率 水泥浆性能参数与固井作业关系井场水泥样品井场外加剂井场水样品 核实密度流变性要求 失水控制要求 稠化时间要求 抗压强度要求（8）配方设计程序步骤析水要求满足不满足 水泥浆性能参数与固井作业关系流变性：紊流顶替：PV100mpa.SYP10 15Pa结构组成：冲洗液+隔离液+领浆+尾浆+压塞液（9）体

20、系结构组成设计计划 目的要求 井眼条件 作业类型 体系基材选择 注替计划 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固井水泥浆设计固井水泥浆设计影响因素总体框架：目的与要求固井水泥浆设计影响因素充填（表层、技术）层间隔绝（产层）目的与要求 复杂事故处理（堵漏、侧钻、回填）补救（封窜、补高）返高、保护密封、防窜、防腐、热稳风险性、经济性套管完整性、修井作业单层与合 层井眼条件固井水泥浆设计影响因素井眼条件压力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

21、热稳定性、循环温度安全可泵段长温差候凝时间与强度岩性井深安全窗口、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井眼条件固井水泥浆设计影响因素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作业类型 套管注水泥 尾管注水泥 注水泥塞 挤水泥单级 分级 延迟 反循环井底 悬空 套内 钻井 开采 套内 裸眼 修井 废弃井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作业类型固井水泥浆设计影响因素体系基材选择固井水泥浆设计影响因素体系基材选择高密度防漏特殊要求矿渣、膨润土、硅藻土、硬沥青珍珠岩、微硅、微珠重晶石、赤铁矿、钛铁矿方铅矿、重质盐塞璐珞、柴油般土石膏、纤维酸溶热稳防腐防窜油层保护低密度触变石灰硅石树脂材料气密材料暂堵材料固井水泥浆设计影响因素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