CN102732237B

CN102732237B - 干井筒固井水泥浆

Info

Publication number: CN102732237B
Application number: CN201210163173.6A
Authority: CN
Inventors: 曹智; 卢德安; 孙庚�
Original assignee: CHENGDU OMAX OILFIELD TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Chengdu Polytron Technologies Inc
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: CN102732237A

Abstract

本发明公开了干井筒固井水泥浆，它包含以下组分，且各组分的重量比为：G级水泥100，降失水剂1～2，防窜剂2～3，抗盐缓凝剂0.5～1.5，消泡剂0.1～0.5，纤维0.1～0.5；降失水剂为AMPS聚合物、酮醛缩合类和PVA体系中的任意一种或多种，防窜剂为纤维粉和氧化硅，抗盐缓凝剂为AMPS聚合物，消泡剂为聚醚类。本发明的有益效果是：具有强防脱水性能、造壁性能、强封堵能力和良好的流动性能，且对密度、温度的变化不敏感；不仅避免了气液置换复杂情况的发生，而且保证了套管的安全下入、施工作业安全和固井质量，具有十分重要的现实意义和良好的社会效益及技术经济效益。

Description

干井筒固井水泥浆

技术领域

本发明涉及气体钻井完井工艺技术领域，特别是一种干井筒固井水泥浆。

背景技术

在空气钻井转换为泥浆固井中，常常因井壁不稳定出现垮塌、漏失，井壁易形成巨厚虚泥饼导致下套管困难，且需要较长时间转换泥浆和准备井眼，同时大尺寸套管常规固井本身就存在顶替效率较差的情况，这些因素导致固井准备时间长且固井质量较差，一定程度降低了空气钻井的效益。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种解决常规固井技术瓶颈难题和提高固井质量，缩短钻井周期，降低钻井成本，减少环境污染，进一步加快勘探速度的干井筒固井水泥浆。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：干井筒固井水泥浆，它包含以下组分，且各组分的重量比为：

G级水泥100，

降失水剂1.4，

防窜剂2.8，

抗盐缓凝剂1.0，

消泡剂0.2，

纤维0.2。

所述降失水剂为AMPS聚合物、酮醛缩合类和PVA体系中的任意一种或多种；所述防窜剂为纤维粉和氧化硅，且纤维粉和氧化硅的重量比为1∶3～5；所述抗盐缓凝剂为AMPS聚合物；所述消泡剂为聚醚类。

所述的防窜剂为纤维粉和氧化硅研磨成的粉末。

所述的纤维长度为3～7mm。

本发明具有以下优点：本发明具有强防脱水性能、造壁性能、强封堵能力和良好的流动性能，且对密度、温度的变化不敏感；本发明不仅避免了气液置换复杂情况的发生，而且保证了套管的安全下入、施工作业安全和固井质量，为欠平衡钻完井积累了丰富的经验和技术储备，并能很好地促进川渝地区欠平衡技术和空气钻井的发展，其间接经济效益不可估量。本发明是气体钻井技术的补充、延伸，它对于解决常规固井技术瓶颈难题和提高固井质量，缩短钻井周期，降低钻井成本，减少环境污染，进一步加快勘探速度和推动技术进步，具有十分重要的现实意义和良好的社会效益及技术经济效益。

下面结合现场实例进一步说明本发明的效果：

1.干井筒固井难点分析

干井筒固井必须具备的主要条件有：①在空气钻井井眼中实施；②所钻遇地层无油气水显示；③井眼基本稳定，无大量掉块、垮塌现象。在具备上述条件的情况下，干井筒固井主要须解决如下复杂情况：

（1）岩石吸水膨胀引起井壁水化失稳

由于气体钻井时井内流体柱压力极低，井眼周围地层岩石应力得到充分释放，加之钻头的震荡，在井壁横向形成更多的应力释放缝或加剧了井壁周围微裂缝的发育，即形成更多的应力释放缝，使得地层的连通性更好、渗透性得到了保持或增加。同时，气体钻井时无外来流体浸入，井壁周围地层的破碎程度加剧，加之地层干燥，没有井壁滤饼，无水化现象产生，在水泥浆出套管上返初期，水泥浆中的自由水迅速大量地进入地层，若地层中含的吸水性强的泥页岩矿物，它们会迅速吸水膨胀水化而引起井壁失稳。因此，气体钻井后下套管固井，极易引起井壁失稳和井漏复杂。

（2）形成厚水泥滤饼堵塞环空通道

在空气介质下下套管固井时，水泥浆出套管上返初期，由于水泥浆中的自由水迅速大量地进入地层，在渗透性极好的井壁上形成厚水泥滤饼使环空过流面积减小，循环阻力和压力激动增大，产生堵塞或高泵压复杂。

（3）形成“砂堵”憋泵

气体钻井时，所钻开的地层没有液柱压力的支撑和平衡地应力，井壁更容易发生应力失稳，有的井在空气钻井时井径扩大率较大，形成“葫芦状”井眼，水泥浆进入裸眼段后，在破碎带、裂隙发育的地层，渗入的自由水洗涤了破碎物接触面之间的粘结，减小了摩擦阻力，破碎物易滑入井眼内，加上水泥浆强的携砂能力，易造成井壁坍塌、“砂堵”憋泵等事故。

（4）井漏

在气体钻井时，由于流体柱压力低，在钻井过程中不会表现出井漏问题，注水泥浆过程中，井下压力持续增加，引发低压漏失层发生井漏。水泥浆中的自由水通过地层孔隙、裂缝或微裂缝大量而迅速地进入地层，加速地层诱导裂缝的形成，进一步扩张地层裂缝导致井漏。

（5）套管下不到位

空气介质下下套管若遇阻，其处理手段受限，只能上下活动或适当拨转管柱，无法采取开泵方式冲开砂桥或沉砂。

（6）水泥浆浆体的稳定性和水化性能

气体条件下干燥井壁的润湿性需求，水泥浆中自由水的大量渗透会影响水泥浆的稳定性和水化性能，从而影响固井胶结质量。井壁地层的孔隙、裂隙是水泥浆失水的通道条件，它的大小和密集情况是由地层岩土性质客观决定的。除了较大的裂隙和空隙外，一般地层的孔隙、裂隙较小，只允许自由水通过，而粘土颗粒周围的吸附水随着粘土颗粒及其他固相附着在井壁上构成泥皮，不再渗入地层。

（7）“U”型管效应

大尺寸套管在气体条件下固井，其施工作业量较大，施工时间较长，固井注水泥过程中由于管内为水泥浆，管外为空气，这种密度差使得管内外压差进一步加大，就会出现所谓的“U”型管效应，即当管内液柱压力大于环空压力时，返出排量将大于井口注入排量，井在管内井口处出现真空段。之后，若环空液柱压力逐渐大于管内压力，则真空段逐渐减小直至完全消失，此时返出排量又等于注入排量。这种客观存在的“U”型管效应可能给固井施工带来一系列危害。若环空返速过大，所增加的环空摩阻压降有可能使套管下部附近的薄弱地层发生破裂，影响井壁稳定性，岩屑掉块可能发生环空堵塞。

2.干法固井工艺与技术措施

2.1确保空气介质条件下固井套管安全下入

充分有效地做好井眼准备工作，是确保套管成功下至设计井深的关键。通井的主要目的是扩划井壁、破除台肩、消除井壁阻点。通井钻具结构应充分考虑所钻井井眼轨迹和入井管柱的特殊性，通过计算下部钻柱和入井无接箍套管的刚性，对比分析其尺寸、刚性和长度因素，综合考虑该井与其它井的井眼准备情况，设计通井钻具结构进行通井作业。对全井复杂井段、重点井段充分做好井眼准备工作，对起下钻过程中的摩阻大小应分井段记录好相关数据，所有通井作业都必须注意摩阻变化，严格区分和掌握摩阻与遇阻吨位，不能猛提猛放，严防阻卡，确保通井安全；每次通井在重点及复杂井段若不能顺利通过，则进行划眼并反复多次上下提放钻柱，以修整井壁、破除台肩、消除井壁阻点，最终实现井眼光滑、通畅、无沉砂、无阻卡等的目的。对出入井的所有通井工具应丈量和记录好其尺寸。最后一次通井到底后，充分循环将井底岩屑和沉砂彻底携带干净。

2.2井眼净化

由于气体本身没有悬浮能力且携带能力差，因此通井过程中应加强井筒内的砂屑清扫和对大的井壁掉块进行碎化后清除，可采取短起下钻方式探砂面和反复吹扫井筒，以确保下套管前井眼得到充分的清洁净化。

空气介质条件下不替泥浆固井最关键的问题就是确保气体流动速率足以满足清洁井眼的需要，如果通井时和注水泥施工前井底钻屑颗粒不能从井眼带走，就会危及施工安全。井眼净化程度对注水泥施工的顺利进行有着非常重要的作用。

2.3固井工艺的选择

由于该井较深，使用插入固井可能引起密封头密封不严，即使插入头成功插入密封，注水泥之前需先往套管与钻杆之间的环空灌入适量钻井液，在注水泥过程中还需同时往套管与钻杆之间的环空灌入钻井液，施工较复杂，并且施工结束后还会增大回压凡尔的反作用力和底部套管所受的外挤力。采用常规单级单胶塞固井，设计管串结构为：浮鞋+套管2根+浮箍+套管2根+浮箍+阻流环+套管至井口。

2.4浆柱结构设计

干法固井在注水泥施工过程中，注入浆体结构并不适宜采用前置液，其主要原因是注替过程大多处于非连续相造成的。由于重力和压差的存在，若施工前期注入药水或钻井液，随后注入的水泥浆将与之发生严重的窜混，从而严重影响水泥浆性能并大大降低水泥浆的胶结强度。一般采用稀水泥浆作领浆（其密度低于尾浆0.1g/cm³，用量占环空100-300m高度为宜）先行，以润湿干燥井筒和填充岩石天然孔缝，以利于尾浆保持良好的流动性能。

2.5固井水泥浆设计

干井筒固井水泥浆性能要求：

（1）水泥浆必须具有强防脱水性能

因气体钻井后的井壁物性特点短期内无法阻止水泥浆及滤液的浸入，而地层又是强亲水性的，势必造成干燥井壁短时间的大量吸水，这样引起水泥浆脱水形成巨厚滤饼堵塞通道或提前凝固。因此要科学选取水泥浆体系防止出现大量脱水。

（2）水泥浆具有造壁性能

与水泥浆接触地层始终会吸水发生垮塌，因此，在正压差较小的情况下，为有效地保护井壁稳定，水泥浆必须在井壁表面快速形成致密滤饼，尽可能降低滤失量和减小水泥浆的侵入深度。水泥浆必须能够在井壁周围瞬间形成屏蔽带，在井壁形成薄而密韧的滤饼达到封堵不同微裂缝并稳定井壁的目的。

（3）水泥浆必须具有强封堵能力

要减少水泥浆的漏失量，必须尽快在井壁周围形成屏蔽带，这就要求水泥浆中必须含有一定数量的固相细颗粒，以一定的粒子级配，能在井壁形成薄而密韧的滤饼达到封堵不同微裂缝的目的。因此，在该井水泥浆中加入一定量的纤维，不仅可以减少滤液进入地层尽量少，还有利于井壁稳定。

（4）水泥浆必须具有良好的流动性能

水泥浆流动性能良好可保证脱去部分水后仍具有流动性。空气固井水泥浆到井底后前期以自重推动，流量小。水泥浆要在静止微动下易被推动。

（5）水泥浆必须具有对密度、温度的变化不敏感性

水泥浆脱水后密度增加，空气钻井后井下温度变化与常规固井不同，现无法确定，因此水泥浆必须对温度、密度变化不敏感。

（6）建立新的水泥浆性能评价方法

干法固井井下条件变化与常规固井不同，因此必须根据井下条件变化建立新的评价方法，确保水泥浆性能满足干法固井需求。水泥浆的滤失实验一般采用6.9MPa的压差，而空气介质下的固井实际情况往往并非如此，即使在同一口井中，压力随深度及顶替速率变化而变化，而且不同地层，压力也不同，因此压力差更是变化不定。水泥浆的性能要求如表1所示。

表1水泥浆性能要求

对干井筒固井水泥浆性能特殊评价方法见表2。

表2水泥浆性能特殊评价方法

2.6固井工具附件要求

空气介质下不替泥浆固井套管内外压差比泥浆条件下固井压差要大得多，因此它对固井工具（尤其是浮箍）性能要求比泥浆条件下要求更高、更为严格。采用常规单胶塞固井工具注水泥时，隔离水泥浆和泥浆，防止水泥浆中渗入泥浆影响固井质量。另外，由于套管内为气体，在注水泥浆结束后，底部套管所受的挤压力大，必须效核套管和工具附件的抗挤安全系数，并根据安全系数调整浆柱结构或注浆工艺。使用带止退装置和盘根密封的碰压塞和碰压座，防止因为水泥浆少返造成替空。

现场应用实例：

1、元陆5井基本情况

元陆5井地层为大段的泥岩地层及与砂岩交互层段，粘土矿物含量较高；该类泥岩具有强的水敏性，属易水化膨胀型泥页岩。原干燥的泥岩遇水之后会发生大量吸水及水化膨胀，严重增加地层孔隙压力和降低岩石强度，从而导致井壁失稳、缩径、剥落、坍塌，在泥岩与砂岩的交界面垮塌更加严重。因此，气体钻井后不替泥浆直接下套管固井容易导致井壁失稳。由于元坝区块上沙溪庙组部分井含有小水层或气层，且底部存在区域垮塌层。

2、本发明固井水泥浆性能

项目	水泥试验数据	项目	水泥试验数据
				试验温度（℃）	65	失水量（ml/30min）	46
试验压力（MPa）	35	初始稠度（BC）	11
				水泥浆密度（g/cm³）	1.85	稠化时间（min）	266
水灰比	0.44	初凝时间（min）	302
				流动度（cm）	22	终凝时间（min）	410
自由水含量（%）	0	24小时强（MPa）	17.2

稠化曲线如图1所示。

3、固井质量

本井电测声幅值均在10%以内，固井质量优质。

4、单井成本对比分析

空气钻井后采用常规固井方式进行固井，钻井周期相对干法固井至少增加10天时间，计100万左右；替换泥浆时产生的泥浆费用，估算比干法固井增加300方左右，计15万左右；替换泥浆后井下容易出现井漏、井塌等其他复杂情况，进一步增加了钻井成本；需要多返水泥浆以达到良好封固，所产生的水泥浆费用和多返出水泥浆的排污费用，计15万左右（环境污染无法得出准确费用）；固井质量和环空水泥环的连续封隔无法保证，影响油气井寿命。若采用干法固井，相对于常规固井在所用水泥浆方面增加了30万左右，但能确保固井质量，达到真正意义上的全井封固，延长油气井寿命，且对环境保护非常有利，其单井次所节约的费用至少在100万以上。

附图说明

图1为本发明的稠化曲线图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的描述：

实施例1：该实施例为本发明的最佳实施例。

干井筒固井水泥浆，它包含以下组分，且各组分的重量比为：

G级水泥 100，

降失水剂 1.4，

防窜剂 2.8，

抗盐缓凝剂 1.0，

消泡剂 0.2，

纤维 0.2；

所述降失水剂为AMPS聚合物、酮醛缩合类和PVA体系中的任意一种或多种；所述防窜剂为纤维粉和氧化硅，且纤维粉和氧化硅的重量比为1∶3；所述抗盐缓凝剂为AMPS聚合物；所述消泡剂为聚醚类。

所述的防窜剂为纤维粉和氧化硅研磨成的粉末。

所述的纤维长度为5mm。

实施例2：

G级水泥 100，

降失水剂 1，

防窜剂 2，

抗盐缓凝剂 1.5，

消泡剂 0.5，

纤维 0.5；

所述降失水剂为AMPS聚合物、酮醛缩合类和PVA体系中的任意一种或多种；所述防窜剂为纤维粉和氧化硅，且纤维粉和氧化硅的重量比为1∶4；所述抗盐缓凝剂为AMPS聚合物；所述消泡剂为聚醚类。

所述的防窜剂为纤维粉和氧化硅研磨成的粉末。

所述的纤维长度为3mm。

实施例3：

G级水泥 100，

降失水剂 2，

防窜剂 3，

抗盐缓凝剂 0.5，

消泡剂 0.1，

纤维 0.1；

所述降失水剂为AMPS聚合物、酮醛缩合类和PVA体系中的任意一种或多种；所述防窜剂为纤维粉和氧化硅，且纤维粉和氧化硅的重量比为1∶5；所述抗盐缓凝剂为AMPS聚合物；所述消泡剂为聚醚类。

所述的防窜剂为纤维粉和氧化硅研磨成的粉末。

所述的纤维长度为7mm。

Claims

1.干井筒固井水泥浆，它包含以下组分，且各组分的重量比为：

G级水泥 100，

降失水剂 1～2，

防窜剂 2～3，

抗盐缓凝剂 0.5～1.5，

消泡剂 0.1～0.5，

纤维 0.1～0.5；

其特征在于：所述的防窜剂为纤维粉和氧化硅，且纤维粉和氧化硅的重量比为1:3～5。

2.根据权利要求1所述的干井筒固井水泥浆，其特征在于：所述的降失水剂为AMPS聚合物、酮醛缩合类和PVA体系中的任意一种或多种。

3.根据权利要求1所述的干井筒固井水泥浆，其特征在于：所述的抗盐缓凝剂为AMPS聚合物。

4.根据权利要求1所述的干井筒固井水泥浆，其特征在于：所述的消泡剂为聚醚类。

5.根据权利要求1所述的干井筒固井水泥浆，其特征在于：所述的纤维长度为3～7mm。

6. 根据权利要求1所述的干井筒固井水泥浆，其特征在于：所述的防窜剂为纤维粉和氧化硅研磨成的粉末。