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1、泡沫水泥浆固井工艺技术唐登峰南步银（中原石油勘探局钻井三公司，河南濮阳457001摘要花土沟油田是青海石油管理局1个开发多年的主力油田，井深为1300m左右，现在所钻的井多为调整井，地层压力系数很低，仅为0.60. 8，油层分布特点是薄、散、多，且上部80150m还有浅气层，油层固井要求全井封固冰泥 返至地面。该区块原来油层固井合格率为92 %，优质率仅为48 %，固井质量严重影响了该油田的产能建设和合理开发。为了解决这一固井难题，对泡沫水泥浆固井技术进行了研究，并对5 口井进行了油层封固，固井施工顺利，未发现漏失现象，经声幅测井证实，5 口井水泥均返至地面，油层固井优质率高达100 %。实践
2、证明：这种 新型的低密度 化学泡沫水泥解决了低压易漏井、长封固段井和稠油热采井的固井难题 ，提高了固井质量，缩短了建井周期，节约了成本，经济效益十分显著。主题词花土沟油田固井泡沫水泥浆 低密度发气剂稳泡剂作者简介唐登峰，1963年生。1983年毕业于长庆石油学校钻井专业，现从事固井工作，工程师。南步银，1961年生。1983年毕业于长庆石油学校钻井专业 ，现从事固井工作，工程师。花土沟油田是青海石油管理局的主力油田，且是开发多年的老油田，该油田井深在1300m左右，现 在所 钻的井多为调整井，油层井身结构为？216mm钻头X?139 . 70mm套管或 216mm钻头X? 177 . 8 mm
3、套管。该区块地 层压力系数很低，仅为0.6 0. 8，要求钻井液密度小于 等于1. 1 0 g/ cm 。该油田油层分布特点是薄、散、多，且 上部80150m还有浅 气层，油层固井要求水泥返至地面, 全井封固。该区块近几年油层固井几乎都发生不同程度的 漏失 ，声 幅测井证实，发生井漏的井少则低返 100m左右侈 则低返500m左右，有些井需要射孔挤水泥补救。该油田 原来油层固井合格率为92 %，优质率仅为 48 %，固井质 量严重影响了油田的产能建设和合理 开发，为解决这一 固井难题，开展了泡沫水泥浆固井 工艺技术研究。一、影响固井质量的主要原因 通过对固井资料进行整理，结合声幅图和施工 情况
4、 进行了分析，找出了影响花土沟油田固井质量 的主要原 因。1. 地层易漏失 花土沟油田地层压力系数很低 （仅为0. 60. 8），封固段长，水泥量大，环空流动阻 力大，易诱发井漏。2 .水泥浆体系选择不当 花土沟油田地层很脆 弱，承压能力很低，钻进时要求钻井液密度小于等于 1. 10g/ cm3。以前米用常规水泥浆固井，水泥浆密度 为1. 851. 90g/ cm3，由于静压差太大和 “U型管”效 应的影响，固井漏失在所难免。3.固井易窜槽 花土沟油田浅气层埋深80150m，且异常活跃，固井候凝时，环空易窜槽。二、米取的技术措施1 .根据钻井时漏失量的大小，在下套管前要求 预堵 漏，保证井眼畅
5、通，井下安全。2. 下套管时严格控制下放速度，及时灌钻井液， 下 完套管后先灌满钻井液，单凡尔顶通，待返出、泵 压正 常逐渐增大循环排量，防止压力激动造成井漏 。3. 下完套管后充分循环钻井液洗井，确保井眼通畅，并在保证井下安全的前提下，调整钻井液性 能，使 其达到低粘度、低切力、低固相、低失水，且具 有良好 的流动性。4. 选择配浆量大的低密度新型泡沫水泥浆，既可以大幅度地降低水泥用量 ，又能降低静压差和流 动阻力，防止井漏。5. 由于花土沟油田的井未装封井器，所以固井前装好井口卡瓦，焊好接头管线，装好闸门，固井后 关好 闸门，防止油气上窜。6. 选用优质隔离液，提高顶替效率。对于漏失严重
6、减轻“U型管”效应。的井采用塞流顶替,控制环空返速小于等于 0 . 50m/ s，三、优选水泥浆配方 化学泡沫水泥是一种新型的低密度水泥，是靠化学反应形成的。化学剂主要由发气剂FCA、FCB和稳泡 剂FCF组成，其中FCA与FCB和水接触在常 温常压下就可 发生反应生成氮气。发气量的大小与 发气剂的配比和加 量有关。稳泡剂的加量主要受发 气量大小（即发气剂加 量）的影响。试验结果证明，FCA、FCB与FCF的最佳配比 为7 ：:。泡沫水泥浆成本和综合性能使发气剂FCA与 FCB的加量受到 一定限制。因此为了获得密度更低的水泥浆 ，必须 在水泥中加入减轻剂以降低水泥基浆密度 。经过筛 选，发现漂
7、珠具有密闭、粒细、质轻和活性等特点，且 只 需要用较少的水润湿其表面，就可使漂珠水泥浆 具有一 定的流动性，所以选择漂珠做为基浆的减轻 剂。为了提 高该新型泡沫水泥浆的综合性能，使其满足不同井的工程要求|，可加入适量的增强剂 FCP、 缓 凝剂FCR及降失水剂FCW,调节水泥浆的性能，使它具 有更广泛的用途。结合花土沟区块地下特征和具体情况,通过多 次室内试验,优选出的水泥 浆配方为：G级嘉华水泥+ 1 . 5 %FCA + 1 % FCB + 2 % FCF + 10 % PZ。试验条 件：水灰比0.6 ,40C/ 20MPa ,温度上升速度1 . 5C/min。试验结果：初始稠度8Bc，造
8、浆率68. 75L/袋；稠 化 时间：30Bc , 110min ; 50Bc , 127min ; 100Bc , 147min ; 流变性:40 C 时,n = 0. 77 , k = 0 . 18。抗压强度见表1 ,表中测定抗压强度p1为24h不控 制水泥浆失水；测定抗压强度炖为48h控制水 泥浆失水 量在100mL以下；空白表示未测。表1泡沫水泥浆的抗压强度密度P1 / MPap2/ MPa/ g -cm - 340 C70 C90 C70 C90 C120 C1.4810. 815. 220. 58. 89. 613. 21. 357. 610. 418. 06. 291.205.
9、88. 09. 26. 06. 11. 035. 27. 28. 65. 85. 90. 843. 54. 26. 55. 05. 3从优选出的水泥浆配方所 具有的性能可以看 出,该体系的水泥具备了以下条件:1.良好的流变 性;2.足 够的水泥石强度；3.可控的稠化时间；4.较 低的失水。因 而该体系的水泥浆完全满足现场施工 的要求。四、水泥外加剂作用机理探讨化学充氮新型泡沫水泥是利用化学剂在水泥浆 中发 生化学反应形成的。它与机械充气泡沫水泥不 同,化学 泡沫水泥 是以化学外加剂，主要由发气剂FCA与FCB在 水泥浆中反应产生氮气,并加入表面 活性剂（稳泡剂 FCF）稳定气泡形成一种均匀稳定
10、的泡沫水泥浆。漂珠是 从火电厂燃煤炉排出的粉煤灰 中分选出来的微珠，大部 分为实心，少量为空心，颗 粒直径为1080m,密度为 0.61.20g/ cm ,主要化 学成份是SiO2和AI2O3 ,另外还有 少量的FqO3。由于漂珠本身具有密封 、粒细、质轻和活性等特点 ，且 只需要用较少的水润湿其表面 ，就可使漂珠水泥浆 具有一定的流动性，所以选择漂珠作为基浆的减轻 剂。 利用化学剂发气制备泡沫水泥时，由于发气剂和稳泡剂分别预先混匀于水泥和水中，所以产生的泡沫比较均匀，在常压下，泡沫在水泥浆中分布得非 常均 匀，呈球状，大小基本相等，均为163m,而且泡沫之间相 互独立，密封性好。泡沫水泥的这
11、种结构， 有利于提高泡 沫的稳定性，增加强度，减少渗透率, 防止气窜。基浆中 加入漂珠后，气泡在高压条件下变得很小，存在于水泥颗粒之间的空隙中 。部分漂 珠破 碎严重，水泥颗粒进入了漂珠内。这是由于制 备水泥浆 时高速搅拌和漂珠有限的承压能力所致因此在井底压力大于 60MPa时，单纯靠加漂珠来降 低水泥浆密度，是非常有限的，再加入泡沫，是一项有效 的补充措施。研究还发现，泡沫水泥是一种低 渗透性水 泥，可以有效地防止地层腐蚀性流体侵蚀 套管，且泡沫水 泥具有一定的保温性，水泥石的导热 系数随水泥浆密度 降低而降低，随孔隙度增大而降低，提高了稠油热采井的热采效率，泡沫水泥室内密度计算及施工密度的
12、控制都是在地面条件下进行的,计算公式为p = H0m - （ H- H） p/ （ H0 - H）式中,p 为环空 中泡沫水泥浆平均密度,g/ cm 3 H0为漏失层底界深度,m ; m为固井前钻井液密度，g/ cm3 ; H为泡沫水泥返高,m ; H 为前置液返高（也是钻井液的高度），m p为前置液密 度，g/ cm3。由公式求出泡沫水泥浆在井下的实际平均密度 后， 可根据密度随压力变化的曲线推算出泡沫剂的 加量，即 基浆配方。根据花土沟油田的实际情况 ，通过在基浆中加 入漂珠，发气剂FCA、FCB和稳泡剂FCF的联合作 用，经过调节加量，泡沫水泥浆地面密度最低可达 0 . 68g/ cm3
13、,当密度为0. 84g/ cm3 ,24h抗压强度可达3. 5MPa完全可 以满足固井施工要求。实际上，花土沟油 田要求的泡沫水泥浆地面密度为1. 03g/ cm3即可满足井下要求。五、现场应用及效果 根据室内试验优选的配方,并采取上述措施,在 花 土沟油田共固油井5 口，井号分别为：XN6 - 4井、QN7 -3 井、XS2 - 4 井、XN3 -21 - 1 井、XN3 -21 - 3 井， 这5 口井在钻井时都存在不同程度的漏失，特别是QN7 - 3井和XN6 - 4井，钻井时漏失钻井液多达333760m （钻井液密度分别为1. 06g/ cm、1. 08g/ cm）, 其 余3 口井漏
14、失钻井液也在100m3以上。当米用泡沫水泥浆固井技术后,5 口井固井施工顺利，未发现漏失 现象，经声幅测井证实，水泥均返至地面，固井质量全优。5 口井采用的泡沫水泥浆体系的配方 为：G级 水泥+ 10 %漂珠+ 60 %水+ 1 . 5 %FCA + 1 % FCB +2 %FCF。现场应用结果表明，采用新型泡沫水泥固井技术，可提高低压易漏井、长封固段井的固 井 质量，解决水泥返高不足的问题，减少不必要的挤 水泥作 业或其它补救措施，并通过1次常规固井工 艺实现全井 封固，从而简化了施工工艺，节约了大量 资金，经济效益 和社会效益十分显著。现场施工应注意以下几点 ：1 .发气剂FCA和漂珠按优
15、选的配方比例干混 于水泥中，倒罐3 4次，混拌均匀后装车上井 。施 工前将发气剂FCB、稳泡剂FCF按配方比例倒入注 泡沫剂 水泥车上的水柜中，并加水至设计注入总量， 搅拌使其均 匀。2 .发气剂FCA和FCB与水会立即发生化学反 应生成 氮气，为避免气泡对泵上水和下灰速度产生 影响，施工工 序可分为2部分。一路注水泥，可采用 单打单抽或双打 双抽，由于水泥中只含有发气剂FCA，打水泥时不会产生氮气，如同打纯水泥一样；另一 路注泡沫剂，内含发气剂FCB和稳泡剂FCF。两路均经过 管汇车或三通后混合入井，这样发气剂在管内反应的同时，注入井内，形成泡沫水泥浆。3 .注剂车水柜中泡沫中含有发气剂FCB和稳 泡剂FCF，其注剂排量直接关系到泡沫水泥浆发气 量的大小，泡沫水泥浆密度和水灰比。排量太小，入井泡 沫水泥浆密度偏高；排量太大，入井泡沫水泥浆密度低，影响水泥环的强度。因此，注剂车的排量控 制至 关重要。4 .泡沫水泥的施工工艺技术 ，除与一般注水泥工序有所不同外，还在于地面注入量的控制。5 .为了测试泡沫水泥浆密度 ，可以在井口接旁 通管取样。六、认识与结论1.优选出的泡沫水泥浆配方
