擠、注水泥分析課件

擠、注水泥第一節(jié)油井水泥油井水泥是一種凝固很快、且在很短時(shí)間內(nèi)便有相當(dāng)高機(jī)械強(qiáng)度的硅酸鹽水泥，是石油工業(yè)的專用水泥，主要應(yīng)用在固井工程、各種保護(hù)工程和油、氣、水井大修工程上。在封竄工藝中，油井水泥質(zhì)量是封竄成敗的重要因素之一。一、油井水泥的配制油井水泥是用氧化鈣60％-70％、二氧化硅21％—24％、鋁釩土4％～7甲o(hù)、氧化鐵2％-7％配成生料。將生料放在高溫爐內(nèi)煅燒，獲得以硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2Ca0，Si02)、鋁酸三鈣(3CaO．Al203·Fe203)、鐵鋁酸四鈣(4CaO·A120，·Fe20，)為主的熟料，再在熟料中加入適量的石膏，研磨成細(xì)粉，制成油井水泥。油井水泥與水混合后，發(fā)生一系列的物理、化學(xué)作用，很快凝固形成一種具有很高機(jī)械強(qiáng)度的“水泥石”。油井水泥凝固受溫度影響很大，根據(jù)井的深淺不同分別采用熱井水泥與冷井水泥。二、油井水泥的物理性能對(duì)油井水泥的物理性能要求有下述幾點(diǎn)。(一)細(xì)度用4900孔／cm2的篩子過處理篩，篩余量不超過15％。(二)凝固時(shí)間按水泥質(zhì)量加水50％，所得水泥漿的凝固時(shí)間符合冷井水泥或熱井水泥規(guī)定的初凝和終凝時(shí)間。水泥漿從調(diào)配時(shí)起，到變稠開始凝結(jié)這段時(shí)間稱為初凝時(shí)間，從初凝起到凝固硬化這段時(shí)間稱為終凝時(shí)間。整個(gè)施工作業(yè)必須保證在水泥漿初凝以前完成，一般要求是小于初凝時(shí)間的75％。(三)流動(dòng)度水泥漿要有較好的流動(dòng)性，流動(dòng)性好，流動(dòng)阻力小，可提高水泥漿的擠注質(zhì)量。測量時(shí)，錐形圓環(huán)平放于具有環(huán)形刻度玻璃板的中心，將配好的水灰比為50％的水泥漿攪拌后倒入環(huán)內(nèi)，刮平表面，上提圓環(huán)，水泥漿在玻璃板上自由流散面積的最大、最小直徑的平均值，即為水泥漿的流動(dòng)度。

(四)體積安定性以標(biāo)準(zhǔn)稠度制成水泥試樣，用煮沸法試驗(yàn)，體積變化必須均勻。(五)失水水泥漿的大量失水將引起急劇稠化，降低流動(dòng)性，易在井壁形成水泥餅，嚴(yán)重者造成卡鉆和蹩泵，特別是在松軟和滲透性好的地層。低失水是優(yōu)質(zhì)水泥的一項(xiàng)重要指標(biāo)。(六)抗折強(qiáng)度抗折強(qiáng)度是指按水泥質(zhì)量加50％水，成型后養(yǎng)護(hù)48h的抗折強(qiáng)度。三、水泥凝固機(jī)理及影響因素水泥與水混合后發(fā)生的變化非常復(fù)雜。當(dāng)水泥與適量的水混合成水泥漿，先發(fā)生一系列的水泥顆粒和水泥礦物的化合及水化現(xiàn)象。其中最快的是水解作用，其變化過程為放熱反應(yīng)。由于水化作用，使水泥漿中產(chǎn)生以硅酸鈣為主要成分的膠體，隨著水化作用的進(jìn)行，膠體不斷增多并逐漸凝聚變稠。同時(shí)在膠體中產(chǎn)生形成水泥石的新化合物，逐漸在非晶質(zhì)膠體中開始呈現(xiàn)微粒晶體并逐漸硬化，使水泥漿失去流動(dòng)性。水泥的凝固過程，除受本身物理、化學(xué)因素影響外，也受到外部物理、化學(xué)因素的影響，主要是溫度、壓力和各種化學(xué)添加劑的影響。水泥的凝固時(shí)間隨著溫度的增加顯著縮短，初凝的時(shí)間也隨著壓力的增加明顯縮短。由于施工的特殊要求，有時(shí)需要在水泥漿中加入某些添加劑，如石膏、硫酸鐵、丹寧酸及表面活性劑等均能起到緩凝作用。加入泥漿，可配制成膠質(zhì)水泥，它的漏失量很小。若加入石棉纖維，可配制成纖維水泥漿，這種水泥漿對(duì)于封堵竄槽有很重要的作用。應(yīng)明確，不管使用哪種化學(xué)試劑和添加劑，均應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做好實(shí)驗(yàn)，取得優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后再用于現(xiàn)場施工。第二節(jié)擠水泥

油田油、氣水井在開發(fā)生產(chǎn)過程中，由于受油、氣、水運(yùn)移及各種應(yīng)力、腐蝕、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及施工措施諸因素的影響，一方面使新打井水泥返高不夠，固井質(zhì)量不合格；另一方面使生產(chǎn)井原固井水泥環(huán)遭到破壞，或造成油層竄通或地層膠結(jié)物被破壞，近井地帶形成空洞，或因地層出水，套管破漏使油水井不能正常生產(chǎn)，通過擠水泥工藝技術(shù)，可使固井質(zhì)量不合格井、竄槽井，套管破漏的油、氣、水井恢復(fù)正常生產(chǎn)。擠水泥工藝是利用液體壓力擠入一定規(guī)格、數(shù)量的水泥漿，使之進(jìn)入地層縫隙或多孔地帶，套管外空洞、破漏處等目的層，達(dá)到在地層或地層與套管之間形成密封帶，以承受各種應(yīng)力．滿足油、氣、水井注采需要及生產(chǎn)措施的一種工藝技術(shù)。一、擠水泥的目的方法及應(yīng)用范圍1．?dāng)D水泥的目的及作用

擠水泥目的是恢復(fù)油、氣、水井正常生產(chǎn)。

(1)對(duì)油、氣、水井封堵某一出水層位或高含水層，解決在生產(chǎn)過程中注水開：發(fā)形成的矛盾。

(2)對(duì)油、氣、水井層間竄通，油層與非油層竄通，生產(chǎn)井與鄰井竄通，通過擠水泥封竄槽。(3)通過擠水泥彌補(bǔ)油水井固套管破損不能承受各種應(yīng)力作用，填補(bǔ)地層虧空。

(4)封堵某井段漏失，保護(hù)油氣資源。

(5)對(duì)固井質(zhì)量不合格的油、氣、水井，通過擠水泥使其達(dá)到完井質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

(6)對(duì)油、氣、水井地層出砂井段，采用擠水泥及其添加劑實(shí)現(xiàn)人工井壁防砂。

(7)對(duì)某些因地質(zhì)、工程因素需暫閉井及油田井網(wǎng)，生產(chǎn)層調(diào)整需上返的油水井進(jìn)行擠封。2．?dāng)D水泥的方法及應(yīng)用范圍

擠入方法是擠水泥施工作業(yè)中采取相應(yīng)工藝，使水泥漿到達(dá)目的層的一種工藝措施。按擠入方法分有擠入法、循環(huán)擠入法、控制擠入法。按擠封結(jié)構(gòu)分有空井筒、鉆具(油管)、封隔器等。

1)擠入法

擠入法就是在井口處于控制狀態(tài)下，通過液體的一定擠入壓力將水泥漿替擠到目的層的方法。(1)平推法。平推法在井內(nèi)無任何結(jié)構(gòu)，利用原油、氣、水井套管作為擠水泥的通道，從井口直接擠水泥的方法。其優(yōu)點(diǎn)是施工簡單，安全可靠。不足點(diǎn)是不能分層作業(yè)，套管壁上易留水泥環(huán)。適用范圍多用于油、氣、水井上部套管損壞有漏失點(diǎn)，需封堵或因地質(zhì)工程因素報(bào)廢井的擠封。

(2)鉆具(油管)擠入法。鉆具擠入法就是將鉆具下到擠封井段設(shè)計(jì)位置，利用鉆具作擠入通道的一種擠入方法。其優(yōu)點(diǎn)是擠入過程不動(dòng)鉆具，施工較簡單且易反洗井，套管壁不會(huì)有大段殘留水泥環(huán)。不足的是不能擠封中間層段的封堵或竄槽。適用于中深井作業(yè)，多用于中深井堵漏，封堵頂部水層，或與填砂、注水泥塞相結(jié)合擠封油層頂部竄槽。(3)單封隔器擠水泥法。

單封隔器或與填砂、注水泥塞配合擠水泥法，井下結(jié)構(gòu)較簡單，擠水泥針對(duì)性強(qiáng)，使非擠封層得到較好保護(hù)，對(duì)上部套管破漏及非常規(guī)井避免了上部套管承受高壓，做到了有目的擠封。不足的是填砂或注水泥塞增大了作業(yè)量。單封隔器擠水泥適用擠封底部油層，與填砂注水泥塞相配合可擠封層問竄槽、擠封高含水層。采用電橋或橋塞擠水泥有利于簡化施工，提高井況適應(yīng)性及成功率。(4)雙封隔器擠水泥法。

雙封隔器擠水泥法其下封隔器還可采用電橋或橋塞替代底水泥塞或填砂作業(yè)，減少了作業(yè)量，利用雙封隔器擠水泥針對(duì)施工作業(yè)需要可分層作業(yè)，有利于保護(hù)非擠封層，不足的是雙封隔器擠水泥法對(duì)井況要求高。適用于油水井封竄及油層中部擠封作業(yè)。2)循環(huán)擠入法

循環(huán)擠入法是將一定數(shù)量的符合性能要求的水泥漿循環(huán)到設(shè)計(jì)位置，然后上提工具柱后，施加一定液體壓力使水泥漿進(jìn)入目的層的施工工藝。采用循環(huán)擠入法重點(diǎn)解決兩方面的問題第一，對(duì)擠封層段多，易單層突進(jìn)的油、氣、水層采用循環(huán)擠入法能使水泥漿較均勻進(jìn)入各擠封層，從而提高擠封效果：第二，對(duì)吸收量小，擠入壓力高的層段，采用循環(huán)擠入法一方面能有效控制擠入壓力，另一方面節(jié)約了水泥漿并可達(dá)到擠封目的。

針對(duì)上述循環(huán)擠入法所解決的兩方面的問題，其施工方法基本一致。不同的是第一種將一定水泥漿循環(huán)到設(shè)計(jì)位置不替置，緊接著再擠水泥漿后替置，其用水泥量大，多適用于多層同時(shí)擠封。第二種將一定量地面配制的水泥漿循環(huán)到設(shè)計(jì)位置，上提鉆具擠入，其用水泥量少，適用于單層擠封。3)控制擠入法

上述擠入中，循環(huán)擠入法多適用于井況較好，井筒內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的油水井作業(yè)。但隨著油田開發(fā)時(shí)間的增長，油水井井況日趨復(fù)雜，出水出砂口益嚴(yán)重，對(duì)于油、氣、水相對(duì)活躍，甚至采用高密度修井液壓不住井的油、氣、水井采用上述兩種方法擠水泥，由于井內(nèi)穩(wěn)定性差，易吐噴，極易造成施工失敗。原采用井口封井器及井下結(jié)構(gòu)的不吐噴施工作業(yè)法取得了一定的成效，但施工較復(fù)雜且承壓能力低。隨著井下作業(yè)井控配套工藝技術(shù)的完善，控制擠入法工藝進(jìn)一步發(fā)展?？刂茢D入法是在井口采用井控裝置與井下結(jié)構(gòu)配套，使擠水泥前后即使活動(dòng)鉆具的情況下，井口、環(huán)形空間均處于受控狀態(tài)下的一種擠水泥工藝。采用控制擠入法擴(kuò)展了擠水泥工藝技術(shù)，特別對(duì)高壓出砂、出水層擠封效果較好。由于井口、環(huán)形空間均受控，特別對(duì)地層壓力較高，砂埋油層的油水井可沖開出砂層后，有的放矢地進(jìn)行防砂作業(yè)，從而進(jìn)一步提高了擠封效果。1．?dāng)D水泥施工方法的確定擠水泥的工藝方法較多，在確定具體施工方法時(shí)應(yīng)綜合考慮油層物性，擠封層段、位置，套管完好情況，井況等諸因素，有針對(duì)性的選擇擠入法。二、擠水泥過程有關(guān)問題探討(1)套管平推擠水泥法：適用于堵漏、封層、封竄、防砂等。使用條件：封堵井段以上套管完好，封堵深度小于500m，封堵長度不大于5m。(2)光管柱擠水泥法：適用于堵漏、封層、封竄、防砂等。使用條件：封堵井段以上套管完好，封堵長度不大于5m。(3)封隔器擠水泥法：適用于封竄、封層、防砂等。使用條件：封堵層位以上套管完好程度差(低于擠入壓力有滲漏)，或套管使用時(shí)間較長但可順利通井的油水井。

(4)循環(huán)擠入法：適用于封層、防砂或吸收量低于200L／min，擠入壓力高的孔、洞、縫型破漏井的封堵，使用條件：井內(nèi)穩(wěn)定，封層、防砂時(shí)封堵層厚度大于5m的油水井。

(5)控制擠入法：適用于井內(nèi)不穩(wěn)定，出砂、礫較嚴(yán)重的井。

2．?dāng)D水泥時(shí)的水泥用量

擠水泥時(shí)需用的水泥量與地層物性、生產(chǎn)歷史、擠封目的、各種擠封井況等有關(guān)，應(yīng)綜合考慮。

1)擠封射孔井段(防砂)時(shí)

V=(3.8--4.7)R2Φh(15—1)

式中V——水泥漿用量，m3；

R--擠封半徑，m；

Φ--有效孔隙度，％；

h--封堵層厚度，m。

2）封竄時(shí)

V=(3.8--4.7)(R2-r2)h

(15—2)

式中V--水泥漿用量，m3；

R——原裸眼半徑，m；

r--套管半徑，m；

h--封竄段長度，m。

3)堵漏時(shí)

V=KV1

(15—3)

式巾V--水泥漿用量，m3；

K--系數(shù)，l--4；

Vl--水泥漿基數(shù)(2.4m3)。針對(duì)上述不同擠水泥目的計(jì)算出水泥漿用量后按下式計(jì)算干水泥用量

t=1.465V(r水泥漿-1)(15—4)

式中t____干水泥用量，t；

V—水泥漿用量，m3；

r水泥漿—設(shè)計(jì)水泥漿密度，g／cm3；3．?dāng)D水泥施工在確定擠入方法，擠水泥用量后擠水泥施工直接關(guān)系到擠封的成敗。

1)施工前準(zhǔn)備

(1)地面設(shè)備：擠水泥前檢查好動(dòng)力、絞車、傳動(dòng)起升系統(tǒng)，做到起下鉆具不發(fā)生任何故障。水泥車(組)工作可靠。(2)井眼準(zhǔn)備：井眼應(yīng)暢通，井內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，所下工具達(dá)到設(shè)計(jì)要求。(3)工具及材料準(zhǔn)備①井下結(jié)構(gòu)：下入結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)，上扣達(dá)到上扣力矩，如下雙封隔器，中間篩管接在下封隔器頂部位置。尾管不宜太長，且底部不帶絲堵。采用封隔器時(shí)應(yīng)在室內(nèi)組裝試壓合格后方可下人。②材料準(zhǔn)備：應(yīng)備有合乎性能的壓井液、水泥、添加劑、清水等。2)擠水泥施工

(1)洗井暢通，如下封隔器井待洗凈后再座封。

(2)試擠：求出擠封前地層吸收情況，進(jìn)一步核定施工設(shè)計(jì)。試擠以壓力平穩(wěn)計(jì)時(shí)，時(shí)間不得低于5min，試擠的目的是即可觀察擠入量，確定用水泥漿量，又可清洗擠封段通道。(3)擠水泥施工。

①套管內(nèi)平椎擠水泥。從井口直接推擠水泥漿，頂替壓井液，候凝。②光鉆具擠水泥。擠封管柱管腳下至欲擠封井段以上lOOm左右，試擠后擠水泥漿、頂替、控壓反洗、憋壓候凝。③封隔器擠水泥:按設(shè)計(jì)量擠入水泥漿，按設(shè)汁量替置壓井液，擴(kuò)壓，上提擠水泥管柱至擠封段頂部以上30m反洗，反洗量應(yīng)大于擠封管柱內(nèi)容積3倍，起出井內(nèi)結(jié)構(gòu)，灌滿壓井液，候凝。④控制擠入法：其擠水泥方法與光鉆具擠水泥同，但擠水泥或活動(dòng)管柱必須在井口及環(huán)形空間受控狀態(tài)下進(jìn)行。

3)擠水泥施工要求

(1)擠水泥過程中，最高壓力不得超過套管抗擠強(qiáng)度的70％。

(2)整個(gè)施工時(shí)間不得超過水泥漿初凝時(shí)間的70％。

(3)擠水泥后需留水泥塞時(shí)應(yīng)高于封堵井段30--50m或達(dá)到設(shè)計(jì)位置。

(4)候凝時(shí)間24～48h。4．?dāng)D水泥注意事項(xiàng)

為了避免擠水泥過程中造成井下管柱固封及其他井下事故，所以在擠水泥作業(yè)中應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

(1)擠水泥前必須對(duì)射孔井段以上的套管進(jìn)行試壓，試壓不合格則需下封隔器對(duì)上部套管進(jìn)行保護(hù)。個(gè)別井因井況不能進(jìn)行試壓，則擠水泥后必須起出井內(nèi)結(jié)構(gòu)。(2)入井結(jié)構(gòu)應(yīng)有詳細(xì)記錄，數(shù)據(jù)齊、全、準(zhǔn)，且管柱絲扣達(dá)到上扣力矩，防掉。(3)在高密度壓井液中下入管柱，擠封前應(yīng)活動(dòng)鉆具。所下封隔器必須在施工時(shí)座封,防止井口落物掉入井內(nèi)。(4)擠水泥施工過程必須保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常。井口承受擠入壓力和關(guān)井憋壓候凝不刺不漏。(5)根據(jù)施工要求加入一定比例添加劑。(6)發(fā)現(xiàn)擠水泥后掉落鉆具事故，應(yīng)立即下鉆，先沖洗后打撈。如反洗不通則正洗，如不能循環(huán)，可采用擠清水措施，將水泥漿稀釋推遠(yuǎn)。特殊井?dāng)D水泥必須考慮特殊井的特殊性。

1．薄壁套管擠水泥薄壁套管由于多為有縫管，承受壓力低加之注采過程油水的運(yùn)移，受各種應(yīng)力的影響極易變形破漏，因此薄壁套管擠水泥，解決擠封過程中套管承壓問題是一個(gè)關(guān)鍵。三、特殊井?dāng)D水泥為了解決承壓問題，對(duì)在薄壁套管進(jìn)行擠水泥作業(yè)，應(yīng)在擠封段以下注水泥，上部用封隔器保護(hù)上部套管或用雙封隔器卡出擠封段。施工中采用低壓擠注或循環(huán)擠入法，水泥漿中加入一定添加劑，提高水泥漿流動(dòng)性，降低水泥漿密度，以控制施工壓力。一般壓力控制在10MPa左右，施工完畢不能長時(shí)間憋壓應(yīng)及時(shí)活動(dòng)井內(nèi)結(jié)構(gòu)并起出。2．高壓高含水，嚴(yán)重出砂井?dāng)D水泥

對(duì)高壓高含水，嚴(yán)重出砂井?dāng)D水泥，除保證水泥漿進(jìn)入目的層外，關(guān)鍵應(yīng)有一個(gè)使水泥漿相對(duì)穩(wěn)定的凝結(jié)固化環(huán)境。由于受注水開發(fā)的影響，高壓出水層有一個(gè)源遠(yuǎn)流長的水源。油層由于受水沖刷膠結(jié)物被破壞又造成地層坍塌，嚴(yán)重出砂，地層虧空。因此擠水泥工藝多采用控制擠入法且考慮地層虧空擠水泥前在管外填砂，墊稠泥漿或先擠部分水玻璃。在井控裝置及管柱止回閥的配合下，滿足了水泥有相對(duì)穩(wěn)定的凝結(jié)硬化環(huán)境的條件，從而提高施工成功率。但應(yīng)考慮施工過程中有止回閥不能反洗井的因素，并考慮擠入過程由于環(huán)形空間密封鉆具上頂?shù)姆理敶胧?/p>

3．低漏失井?dāng)D水泥

對(duì)地層致密，吸收量較小的漏失段擠封，一般采用循環(huán)擠入法，既要保證水泥漿有效地進(jìn)入地層，又要防止擠入壓力過高擠毀套管。施工作業(yè)中將水泥漿密度控制在1.7g／cm3左右(根據(jù)井深淺選擇水泥類型，可采用低密度水泥)且加入部分減阻劑，將配制好的泥漿循環(huán)到目的層頂替后．在一定泵壓下擠入，漏失井段應(yīng)留有水泥塞。

第三節(jié)注水泥一、注水泥機(jī)理及其應(yīng)用

1．注水泥機(jī)理

1)注水泥的目的新鉆油水井固井，老區(qū)油水外巾于生產(chǎn)層位凋整，大修井下襯、尾管后均需注水泥。注水泥工藝技術(shù)應(yīng)用于油氣水井井內(nèi)形成新的人工井底，應(yīng)用于固套管，襯、尾管形成能密封油、氣、水層及隔層的人工井壁，從而滿足注采需要。2)注水泥的方法

注水泥的方法很多，根據(jù)不同的井況采用不同的方法。

(1)常規(guī)注水泥。常規(guī)注水泥是注水泥的基本方法，其他注水泥工藝均在此基礎(chǔ)上發(fā)展衍生。所謂常規(guī)注水泥是將一定量水泥漿頂替到目的位置(井段)至管外預(yù)定的環(huán)形空間的一種施工工藝。其優(yōu)點(diǎn)是施工簡單，容易掌握。

(2)多級(jí)注水泥。對(duì)于深井熱采井及部分漏失等特殊層，為滿足注采需要，往往采用多級(jí)注水泥工藝。多級(jí)注水泥工藝是根據(jù)不同的井段(層位)分別添加一定數(shù)量的添加劑，以提高注水泥效果，滿足注采需要。

(3)環(huán)隙法注水泥。在井眼與套管環(huán)形空間下小直徑管柱進(jìn)行注水泥稱為環(huán)隙法注水泥，多用在管外出油氣水而與井內(nèi)不連通的油水井及水源井，使水泥返高到地面，封閉表層。(4)襯(尾)管注水泥。油水井大修過程中，下襯(尾)管固井后由于上部需倒開且喇叭口處要試壓從而形成了襯(尾)管注水泥工藝技術(shù)。由于襯(尾)管與井眼環(huán)形間隙小，注水泥一方面要保證質(zhì)量達(dá)到試壓標(biāo)準(zhǔn)，另一方面上部鉆具要起出，井筒內(nèi)要不留或少留水泥漿，采用雙掛鉤膠塞成功地滿足了襯(尾)管注水泥工藝的需要。3)注水泥機(jī)理

各種不同注水泥的目的，方法歸納起來，就是根據(jù)不同井徑及套管、襯(尾)管尺寸，通過計(jì)算將一定量的水泥漿通過循環(huán)的方式頂替出壓井液(鉆井液)，使水泥漿在環(huán)形空間(或井筒內(nèi))一定高度與地層(或井壁)通過一定時(shí)間有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境逐步膠凝、凝固，使其凝結(jié)固化，封閉油水層及隔層達(dá)到適應(yīng)注采需要的目的。實(shí)質(zhì)上注水泥的過程就是用水泥漿頂替井內(nèi)壓井液的過程.

2．注水泥計(jì)算

所有注水泥工藝均應(yīng)通過計(jì)算，才能準(zhǔn)確地將一定量的水泥注到目的層。襯(尾)管固井是油層套管固井方法的一種，它只下入全井長度的一部分套管，套管與鉆桿通過正反扣接頭連接下人井內(nèi)，然后注水泥。下面結(jié)合襯(尾)管固井，計(jì)算注水泥用量。

1)水泥漿用量V=(15—5)

式中V--水泥漿體積，m3；

D--井眼平均直徑，m：

dl--襯(尾)管外徑，m；

d2--襯(尾)管內(nèi)徑，m；

H--襯(尾)管環(huán)形空間高度，m；

h1--水泥塞高度，m；

h2--喇叭口以上水泥返高．n、；

Kl--附加系數(shù)(1．2—1．5)2)干水泥用量

t=1.465V(r水泥漿-1)(15—4)

式中t____干水泥用量，t；

V——水泥漿用量，m3；

r水泥漿——設(shè)計(jì)水泥漿密度，g／cm3；頂替壓井液量

V壓井液=(15—6)

式中V壓井液—頂替壓井液量，m3H1—鉆具頂替壓井液長度，m；

H2—襯(尾)管頂替壓井液長度，m；

d1—鉆具內(nèi)徑，m；

d2—襯(尾)管內(nèi)徑，m。二、注水泥的過程有關(guān)問題探討1．注水泥的基本要求注水泥過程中除按要求作出施工設(shè)計(jì)并對(duì)施工井有關(guān)資料、數(shù)據(jù)收集準(zhǔn)確、齊全外還應(yīng)做到：

(1)用合乎性能要求的壓井液充分洗井，保證井內(nèi)穩(wěn)定、不噴、不漏、不塌。

(2)用合乎性能的水泥漿及添加劑，使水泥返高達(dá)到設(shè)計(jì)位置。

(3)水泥漿性能好，與井壁、套管能很好凝結(jié)，不竄漏。2．影響注水泥質(zhì)量的原因?qū)嵺`證明：注水泥過程中水泥漿的竄槽往往是影響注水泥質(zhì)量的主要及普通原因。為了保證注水泥過程中水泥漿不竄槽，這就要求有較好的頂替效率。頂替效率就是要求的水泥返高位置的環(huán)空水泥漿體積與其環(huán)形空間體積之比值?，F(xiàn)場施工中注入水泥漿量與替出壓井液量大致相等(留水泥塞部分除外)，即頂替效率接近1時(shí)，才能保證有較好的注水泥質(zhì)量。影響注水泥質(zhì)量的原因在于：1)套管是否居中注水泥漿過程中存在壓井液的流動(dòng)阻力，壓井液推動(dòng)水泥漿驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)所下套(襯、尾)管居中時(shí)，環(huán)形空間阻力無變化、截面上流速均等．且壓井液與水泥漿二者之間存在壓力差，使ΔP/L>4τ0／(D-d)，即壓力梯度大于阻力梯度，這樣不存在水泥漿竄槽。當(dāng)套管不居中時(shí)；如圖15—1所示：

(1)套管活動(dòng)產(chǎn)生剪切力。

(2)接觸面的牽引力。

(3)上下壓力差引起的向上推力及密度差產(chǎn)生的浮力。產(chǎn)生間隙差．窄間隙處流動(dòng)阻力大使流速變小。寬間隙處流動(dòng)阻力小，流速增大，當(dāng)水泥漿的驅(qū)動(dòng)力小于流動(dòng)阻力時(shí)，小間隙處壓井液靜止不動(dòng)，極易形成竄槽。2)流型、流態(tài)的影響鉆井(修井)液，水泥漿均屆非牛頓流體，按其流動(dòng)形態(tài)分為不流、塞流、紊流等五種，如圖15—2所示。通過水泥漿流型圖可看出，注水泥過程中不同流態(tài)對(duì)頂替效率影響是較大的。雖然塞流時(shí)(即雷諾數(shù)Re=64時(shí))無殘留壓井液，但其流速小，壓力梯度小，推進(jìn)力小，因而頂替效率也較低。處于層流時(shí)，其流速是中間高兩邊低，壓力梯度、推進(jìn)力均屬中等，其頂替效率是最差的。當(dāng)雷諾數(shù)Re=2100～3000時(shí)，即處于紊流狀態(tài)時(shí)，其流速大，壓力梯度大，推進(jìn)力大，因而頂替效率最高。據(jù)國外有關(guān)資料介紹，注水泥達(dá)到紊流時(shí)，由于增加了推動(dòng)力，所以套管居中與否都有效果。3)水泥漿、壓井液性能對(duì)頂替效率的影響

(])粘度、切力的影響。當(dāng)套管不居中，如果壓井液粘度、切力高，使其推動(dòng)阻力增加，頂替困難而頂替率不高。如果水泥漿的粘度、切力高，相應(yīng)的推動(dòng)力也大，頂替效率好。(2)失水量的影響。

水泥漿中如果失水量大，大量自由水滲透到地層，形成水帶、水道，使其頂替效率降低。

4)水泥漿失重的影響

根據(jù)固井模擬試驗(yàn)認(rèn)為，水泥漿注入模擬井筒靜止后立即發(fā)生失重現(xiàn)象，使水泥漿的有效液柱壓力不斷下降，在終凝以后，有的壓力可降至零，甚至出現(xiàn)負(fù)壓。試驗(yàn)證明管外環(huán)形空間大，失重速度慢；水泥漿密度小，失重速度慢：同一性能水泥漿溫度高者失重快，加速凝劑的水泥漿失重速度快，加緩凝劑的失重慢。因?yàn)樗酀{失重，水泥漿液柱壓力降至低于地層中油氣水層壓力某一值時(shí)，地層的油氣水就可能浸入，造成水泥漿竄槽。綜上所述，頂替效率直接影響水泥漿是否竄槽，而竄槽與否又直接關(guān)系到固井質(zhì)量，所以為了保證固井質(zhì)量，必須提高頂替效率。3．提高頂替效率，保證固井質(zhì)量的技術(shù)措施

1)盡量采用紊流注水泥工藝技術(shù)根據(jù)對(duì)油井水泥漿性能的測定，常用的水泥漿當(dāng)雷諾數(shù)小于100時(shí)表現(xiàn)為塞流，超過1200時(shí)呈紊流。水泥漿在紊流時(shí)，由于各質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)烈地互相混合，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不規(guī)則，除了有沿液流總方向的運(yùn)動(dòng)外，還有橫向運(yùn)動(dòng)，有旋渦，使整個(gè)液體都均勻推進(jìn)。因此水泥漿上返時(shí)呈紊流狀態(tài)能大大地提高對(duì)窄邊壓井液的牽引力，而且流速高，泵壓也高，因而增加了壓力梯度。采用紊流狀態(tài)注水泥關(guān)鍵問題是提高上返速度，一般上返速度要求達(dá)到1．5—2m／s，才能達(dá)到紊流時(shí)的臨界流速。同時(shí)應(yīng)注意的是，由于套管(襯、尾管)與井眼的環(huán)形空間比鉆井時(shí)鉆柱與井眼間隙小很多，因而在相同排量下，即使泵壓比鉆進(jìn)時(shí)低得多，也可能造成對(duì)地層很大的壓力而壓漏地層。所以靠增加排量的方法提高上返速度達(dá)到紊流，往往受到地層條件的限制，對(duì)于低壓易漏失地層，可采用塞流注水泥工藝。

根據(jù)設(shè)備能力(400型水泥車)，要達(dá)到紊流注水泥的臨界流速是有一定困難的，但使用紊流引導(dǎo)劑(水泥減阻劑)是實(shí)現(xiàn)低速紊流的有效途徑。采用水泥減阻劑可為小井眼固井注水泥提供條件：可降低水灰，比改善流動(dòng)性；降低泵壓達(dá)到減阻作用。其減阻劑類型有：木質(zhì)素類磺酸鹽、芳香族茶磺酸鹽、樹脂磺酸鹽，三聚氰胺磺酸鹽等。2)調(diào)整壓井液與水泥漿性能

(1)壓井液盡量降低切力(τm)、粘度(ηm)、密度(γm)，使水泥漿能很好頂替。(2)提高水泥漿的切力(τc)、粘度(ηc)、密度(rc)，使ηc>ηm、τc>τm，在此前提下，rc與rm的差值在0.2～0.3較好。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，ηc與ηm差值大，頂替效率好，如ηc=70，ηm=38，其差值在32時(shí)，頂替效率可達(dá)95％左右。3)注水泥前注入隔離液注水泥前注入隔離液，其目的在于防止壓井液和水泥漿摻混，另外可沖刷井壁、泥餅和泥垢，提高頂替效率，但要求其隔離液應(yīng)有一定的粘度和切力。隔離液粘度太高適用于塞流，一般中粘度即可滿足施工需要，可加入CMC或褐煤等。在ηm、τm<η隔、τ隔<ηcτc時(shí)，其效果最好。4)注水泥時(shí)活動(dòng)套管注水泥時(shí)活動(dòng)套管能顯著的提高頂替效率，特別是旋轉(zhuǎn)套管能產(chǎn)生周向牽引力，把窄邊間隙處的壓井液頂替掉，如圖15—3。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)介紹，旋轉(zhuǎn)速度以10—20r／rim為宜，上下活動(dòng)一般采取2min活動(dòng)一次，行程4．5--6m。為了減少水泥漿‘‘失重”對(duì)固井質(zhì)量的影響，可采用兩凝水泥。即在油氣層或高壓水層段注入速凝水泥，在油層卜段注人緩凝水泥盡量縮短油氣層部位的凝固時(shí)間，以減少油氣水的竄入。一般還可采用在環(huán)形空間憋回壓的方法，減輕水泥漿的失重影響。實(shí)踐證明，注水泥時(shí)，環(huán)空壓力高于管內(nèi)的壓力是提高水泥與套管固結(jié)力的一種方法．為了提高頂替效率，保證固井質(zhì)量，除采取以上工藝技術(shù)外，還可采用套管上加扶正器扶正套管及改進(jìn)注水泥的方法等措施。

第四節(jié)注水泥塞一、注水泥塞的目的用途及方法

注水泥塞既是根據(jù)設(shè)汁要求，將一定量的水泥漿循環(huán)替至到套管或井眼的某一部位，使其形成滿足注采需要的新的人工井底或滿足工藝過程的臨時(shí)封閉某井段的工藝技術(shù)。1．注水泥塞的目的及用途在油田井下作業(yè)中注水泥塞是常用的工藝技術(shù)之一。按其注水泥塞位置來分有底水泥塞及懸空水泥塞兩種。注水泥塞的目的及用途主要有以下幾種：

(1)在新開發(fā)區(qū)處理鉆井過程中的井漏。

(2)在開發(fā)井為了進(jìn)行回采、找堵漏、找封竄、上部套管試壓等隔開封閉某一層段

(3)堵塞報(bào)廢井及回填枯竭層位；

(4)提供薄壁套管等特殊井測試上具的承座基礎(chǔ)。2．注水泥塞的方法及施工步驟

1)注水泥塞方法

(1)平衡塞法。這是常用的方法：所謂平衡塞法既將鉆具(或油管)下至設(shè)計(jì)水泥塞深度底部，將一定數(shù)量的水泥漿循環(huán)；替至設(shè)汁深度，套管內(nèi)留夠水泥漿容積的工藝方法。(2)傾筒法。傾筒法利用傾卸筒等工具將一定量水泥漿裝入傾卸筒內(nèi)，由電纜或鋼繩送至注水泥深度，通過電流法和機(jī)械方法使傾筒開關(guān)打開，上提傾卸筒使水泥漿留在設(shè)計(jì)深度的工藝方法。

(3)雙塞法。雙塞法與一次注水泥的雙塞法固井相似，不同的是雙塞在鉆桿內(nèi)，水泥漿在兩塞之間，利用井口泵壓突增判斷水泥漿是否頂替出的工藝方法稱雙塞法，其優(yōu)點(diǎn)是可控制水泥漿回流。另外根據(jù)井內(nèi)壓力及施工工藝又分為循環(huán)注水泥塞和擠水泥塞及循環(huán)擠注水泥塞三種方法—2)注水泥塞施工步驟

(1)循環(huán)注水泥塞操作程序。

①將注水泥管柱下至預(yù)計(jì)水泥塞底部以下o．5--2m并循環(huán)洗井到井內(nèi)穩(wěn)定。②按設(shè)計(jì)配制好水泥漿后按清洗液，水泥漿、隔離液、替置液順序注入井內(nèi)。③替置到注水泥漿管內(nèi)外液壓平衡、亡提管腳至設(shè)汁水泥面以上2～3m反循環(huán)洗井，反洗出多余水泥漿。④起出部分或全部管柱、灌滿壓井液、候凝。

(2)擠注水泥塞操作程序①將管柱或封隔器下至設(shè)計(jì)—位置。②充分洗井后座井口或座封封隔器。③用清水試擠吸收性以壓力穩(wěn)定后計(jì)算，時(shí)間不低于5min，擠入量不小于1．5m3。④按設(shè)計(jì)要求，擠入水泥漿量及替置量，并上提至反洗位置。⑤反洗井或正(反)推入設(shè)計(jì)壓井液、候凝。

(3)循環(huán)擠水泥塞操作程序。

①將管柱下至設(shè)計(jì)要求位置。②洗井保持井內(nèi)穩(wěn)定(井內(nèi)不穩(wěn)定要用井控裝置配合)。③按設(shè)計(jì)循環(huán)注入水泥漿后，推擠部分水泥漿及頂替量。④上提管腳至要求位置反洗井或正、反推擠后、關(guān)井候凝。二、注水泥塞計(jì)算

1．水泥漿體積的計(jì)算式中V--水泥漿用量，m3；

D--套管內(nèi)徑，m；

H--水泥塞長度，m；

K--附加系數(shù)(1.5--4)，其取值原則是井深多取，井淺少取，井徑小多取，井徑大少取，水泥塞短多取，水泥塞長少取。

2.干水泥量計(jì)算

式中V--水泥漿用量，m3；

n--干水泥數(shù)量，袋；

r水泥漿—配置水泥漿密度，g／cm3？3．清水用量計(jì)算式中Q——清水用量，L；

r水泥漿—水泥漿密度，g／cm3；

n—干水泥數(shù)量，袋。

三、注水泥塞有關(guān)工藝探討

1．怎樣注好水泥塞

(1)注水泥塞過程中，注水泥管柱類型選擇，下