现代固井技术理论基础

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1、现代固井技术讲座题目现代固井技术的理 论基础和现场经验 zms2007为什么固井技术有研究不完的课题 现代固井技术诠释世界上已经有103年的固井历史，在国内也有50多年了，为什 么固井有研究不完的课题？难道没有固定的模式吗？ 1. 从宏观来看，完钻后下套管用水泥固定的固井方法是不变 的，然而影响固井质量的因素如井眼条件，尤其是地层性质、井 的 类型、泥浆类型、甚至套管和水泥都是多变的。因此固井不断需 要 新方法。2. 从理论上讲，固井已经成为一门由多学科组成的科学。这 个 结论是不可否定的。它包含化学、地质、物理、石油、机械和电 工 学。每一门学科对实现固井目标都是很重要的。固井作业是一口 井

2、 整个施工中重要的组成部分，没有任何因素比固井质量对油井产 能 的影响更大，因此固井技术要更新观念。 zms2007为什么固井技术有研究不完的课题 现代固井技术诠释3. 从固井的发展史来看，固井中的重大问题是逐步被认识的。尽管在上世纪 40年代发现高温下水泥强度衰退，60年代发现固井后气窜等等，但都没有 得到完善的解释和彻底的解决办法。固井理论是在逐步发展，固井方法是 在逐步完善的。固井理论和工艺只有在实践中得到发展，也只有在实践中得到提高。因此固井技术有研究不完的课题。 4. 现代固井理论的应用和发展完善了对固井重大问题的解释，促进了现代固井技术中特别是高温高压深井固井、高压气层固井、特殊固

3、井、计算机应用、水泥浆设计和检验方法的发展和创新。这就是现代固井技术的含义。 5. 固井技术没有固定的模式。现代固井技术的理论基础和现场经验为固井工程师提供的是固井的新理念新方法、新概念发展和创新的思维。zms2007现代固井技术的理论基础和现场 经验第一部分 现代固井技术发展的理论基础第二部分 现代固井技术在现场的使用经 验第三部分 现代固井技术现场应用的技术保证zms2007第一部分 现代固井技术 发展的理论基 础zms2007第一部分 现代固井技术发展的理论基础一、API标准促进固井技术的进步与发展 二、波特兰水泥的应用改变固井落后面貌 三、专家、学者的重大发现，迅速发展现代固井技术 四

4、、钻井和勘探的纵深发展挑战着固井作业难题 五、现代固井技术在实践中形成的新观念进一步推动现 代固井技术的发展zms2007一、API标准促进固井的进步与发展1. API（American Petroleum Institute) 于1937年成立。 API 的成立标志着石油工业的发展与进步。API 标准已经成为国际范围的石油工业标准包含固井作业标准。 2. 在固井技术上研制了更多更好的波特兰水泥，现今已有8个级别，1984年 已规范了水泥的物理、化学性能标准和试验标准水泥添加剂在固井工艺的发展过程中起着重要的作用，为了 适当地使用各种级别的水泥而研制了多种添加剂以便调节水泥浆性能，据统计现今世

5、界上添加剂已发展到13类500多种 。zms2007API标准促进固井的进步与发展水泥浆设计技术得到显著的进步，早期的平均候凝 时间为10天最长的28天，直到1961年国际上平均 候凝时间仍达24小时。当然由于新技术的出现已缩 短短到8hr甚至6hr 1939年国际上研制成功了高温高压稠化仪 ，它是 用于水泥浆设计最突出的测试仪器 之一，50年代后 成为API规范10的部分标准。zms2007API标准促进固井的进步与发展固井前的井眼准备和调节的重要性得到认识和应用，提高固井质量的议题被提到议事日程上。注水泥施工和监测仪器得到很大的发展， 因而这就使施工人员能够及时地掌握施工情 况，并根据需要

6、改变施工措施以提高施工的 成功率。 zms2007API标准促进固井的进步与发展3. 固井作业标准：水泥等级标准 水泥检验方法水泥浆试验标准井底循环温度标准（1984年）水泥浆化验设备标准套管性能标准 水泥浆在套管内和环形空间流变性能 计算标 准 （1990年）等等。 zms2007二、波特兰水泥的应用改变固井落后面貌关于波特兰水泥从世界水泥的发展史知道，波特兰水泥是1824年由Joseph Aspdin 研制的。它是由石灰石和黏土混合后煅烧而 成的人造胶凝物，含有硅酸盐物质。Aspdin 称它为波特兰水 泥是因为它凝固后类似于从英国近海中波特兰岛上开采的石头 。波特兰水泥是最典型的常用的水硬

7、水泥，由于配制的水泥浆可泵性好，又容易在水下环境中硬化，因此是油井注水泥的理想 材料。1903年，波特兰水泥第一次用于油井封固水层。到1917年普遍用于油井固井。直到有了石油工业化标准后，波特兰水泥的生产更迅速，应用 更广泛。API标准出现以来所有的固井施工都使用波特兰水泥 。zms2007关于波特兰水泥1937年API学会标准化委员会成立以后将波特兰水泥 规范为8个级别：A B C D E F G H。其中A B C G H 级是常用水泥。G H级是基本水泥。zms2007波特兰水泥的主要特性1824年波特兰（Portland)水泥研制成功，1903年波特 兰水泥第一次用于油井封固水层。波特

8、兰水泥是硅酸 盐物质的人造胶凝物，是最典型的常用水硬水泥。在 波特兰水泥研制成功的前后，使用普通的 建筑水泥固 井必须候凝28天才能恢复钻进，而且稠化时间极短产生强度的 时间很长。使用波特兰水泥后固井面貌大为改观，虽 然也经历过24Hr的候凝时间近半个世纪，随着添加剂 的使用候凝时间大大地缩短了，当今固井后6Hr测固井 质量是普遍的，不候凝技术也正在应用。对波特兰水 泥的研究也在深入进行，由于它存在的特性已成为发 展高温高压井固井技术和气层固井防窜技术等的理论 基础。它最主要的特性如下：zms2007波特兰水泥的主要特性1. 波特兰水泥在水化过程静压降低2. 波特兰水泥在高温下强度衰退3. 高

9、密度水泥浆不稳定4. 高温水泥浆稠化时间突变。等等。zms20071. 波特兰水泥在水化过程静压降低根据试验，水泥浆水化1：00hr后，水泥浆柱 静压会变为混合水的静压。水化过程如果环空静压 总和小于地层压力就会造成气窜。固井后井口环空 施加回压正是为了解决静压下降问题。为发展防窜 工艺技术提供了依据。大量的现场经验形成了如下 的结论：固井全过程维持环空静压总和大于地层压 力是防窜的新理念。zms20072. 波特兰水泥在高温下强度衰退在高温下强度衰退是API波特兰水泥具有的特性 之一。这个特性是在1935年被发现的。波特兰水泥 强度衰退与如下原因有关：（1） 波特兰水泥的成分（2） 衰退的根

10、本原因（3） 衰退的主要特征（4） 解决的办法zms2007波特兰水泥由如下四种熟料组成1. 硅酸三钙- - 3CaO.SiO2简写C3S(强度） 2. 硅酸二钙- 2CaO.SiO2简写C2S （缓凝，稠化时间） 3. 铝酸三钙- 3CaO.Al2O3简写C3A （早强） 4. 铁铝酸四钙-4CaO. Al2O3 Fe2O3简写C4AFzms2007波特兰水泥强度衰退波特兰水泥实质上是硅酸钙材料。通常占材料总量 的80%，主要成分是C3S和C2S。这两种化合物的水 化物都是硅酸钙(CS)的水化物和氢氧化钙(CH)，即2 C3S+6H C3S2H3+3CH 2 C2S+4H C2S3H3+CH

11、通常称为“CSH凝胶”（硅酸钙钙凝胶）在常温下稳稳定，在高温下变质变质 ，强度下降渗透率增大。这这 种现现象称作“强度衰退”（Strength retrogression)波特兰水泥强度衰退的临界温度是110（230 ）zms2007水泥强度衰退的根本原因水泥水化后硅酸钙水合物结构发生变化高温转化3CaO22SiO23H2O-（-C2SH）-硅酸二钙水合物结构强度降低和对水渗透 率增加。 （油井水泥对水的渗透率应小于0.1md,但G级 水泥在一个月内，其渗透率增加10100倍。 ）zms2007强度衰退的主要特征a 强度降低Class H cement 290(143)4400psi/24hr

12、.-2600psi/7day b 渗透率增加Class H cement 320(160)0.031md/3day-4.58md/28dayzms2007水泥强度衰退解决办法在水泥中加硅粉处理硅粉在高温下参与化学反应，生成硅酸一钙水化物，阻止 （-C2SH）生成，保持水泥强度。常规密度（1.90g/mL) 用200目35% (BWOC)高密度浆(1.90g/mL) 用100目35% (BWOC)高温水泥浆设计的新举措在同一个水泥浆体系中：细目硅粉17.5%（BWOC）粗目硅粉17.5%（BWOCzms20073. 高密度水泥浆不稳定1） 高密度（密度大于1.90g/cm3，需要加进加重材料 )

13、水泥浆不稳定是高温高压深井固井的最大难题，是 波特兰水泥的特殊性之一 2） 高密度材料缺乏自身和对其它材料的悬浮作用 3） 谋求水泥浆悬浮能力的材料与配浆工艺是攻克高 温高压深井的关键zms20074. 高温水泥浆稠化时间突变 原因分析1）只有在高温条件下稠化时间可能出现突变，突变的 规律是 温度升高，稠化时间缩短。其根本原因是“ 提高温度加快水泥的水化速度”。因此温度的变化是稠化时间突变的直接原因。 2）井底循环温度（BHCT）超过120稠化时间有突变的可能，可以认为它是稠化时间突变的临界温度。 3）从临界温度起井底循环温度每5的变化，稠化时 间将有大幅的变化。 4）因为耐高温水泥对微小的化

14、学变化反应敏感多数的添加剂在高温下不稳定。zms2007高温水泥浆稠化时间突变 （突变典型例子）水泥浆组浆组 成稠化时间时间 （min)150156161膨润润土加缓缓凝剂剂725460250尾随浆浆加缓缓凝剂剂500368179zms2007高温水泥浆稠化时间突变的预防1. 正确选用合适的添加剂，添加剂的选择主要决定于境 地 循环温度（BHCT）如果BHCT估算不准确将会影响对缓凝剂的正确选择使用API标准，可是旧的API标准受地区影响，误差 过大（020），因此不能使 用使用经验计算公式，却不符合井底实际情况 2. 四种鲜为人知的 BHCT 计算模式，它将结束固井工程 师设计中的苦恼。 3

15、. 高温水泥浆设计必须使用以BP为核心的水泥浆质量检 验体系检验稠化时间突变。zms2007波特兰水泥的特性对添加剂发展的激化作用 国际上水泥添加剂的发展概况1. 高温井向波特兰水泥提出了设计挑战课题。油井水泥的物理与化学性能随温度与压力的升高而 变 化。 2. 复杂地层对水泥浆性能提出挑战性课题。除了温度与压力因素与水泥接触的地层的物理与化 学 性质也重要的因素，固井水泥还要能够对付疏松地 层、多孔隙地层及腐蚀性液体和高压地层流体，但是如果不精心改进波特兰水泥设计方案，水泥石就要 失 去强度，而产生渗透率，结果使地层封隔失败。3. 要调节波特兰水泥性能必须开发添加剂。zms2007国际上水泥添加剂的发展概况 （当今已发展到13种，124类型）1. 速凝剂：如氯化钠、氯化钙、硅酸钠等 2. 充填剂：膨润土、天然火山灰、硅烟等 3. 防强度衰退材料：硅粉等 4. 分散剂：柠檬酸、聚奈黄酸盐、聚合物 5.提高胶结力材料：乳胶等 6.缓凝剂：木质素磺酸盐等 7. 降失水剂：乳胶、高温聚合物等zms2007国际上水泥添加剂的发展概况 （当今已发展到13种，124类型）8. 防气窜添加剂：乳胶型苯乙烯和丁二烯共聚物、乳 胶型聚丙烯和硅烟等 9. 防炮和消泡剂：高分子量醇、聚醇、硅酮等 10. 防漏剂：柴油般土、硅酸钠溶液等 11. 加