水平井固井技術

水平井固井技術水平井固井存在的主要問題鉆井液竄槽:環(huán)空底部存在鉆井液竄槽是導致水平井固井失敗的主要原因之一，而產(chǎn)生鉆井液竄槽的主要因素有如下幾種：鉆井液固相沉淀的影響：固相的沉淀，引起環(huán)空下部的鉆井液很難被頂替出來，同時引起固井水泥漿的污染，最終導致鉆井液竄槽。固相沉淀與鉆井液懸浮固相的能力有關，而鉆井液懸浮固相的能力通常與鉆井液的切力有關，但由于水平井的井斜角很大，在重力作用下固相沉淀不可避免，但如何減少固相沉淀，到目前為止，除增加鉆井液粘度和切力外還沒有很好的解決辦法。水平井固井存在的主要問題鉆井液竄槽鉆井液流變性能的影響:鉆井液屈服值和靜切力較高的，頂替效率也較高；反之，靜切力太低，易造成固相顆粒沉淀，則對鉆井液的頂替效率是不利的，因此，在水平井固井中，要獲得好的頂替效率，就要把鉆井液的屈服值和靜切力提到適當值，以防止固相沉淀。井斜角的影響：在其它條件相同的情況下，井斜角越小，竄槽程度也小，如在60

傾角的試驗中，鉆井液竄槽要比85

傾角的試驗明顯小得多，因為，在60

傾角時顆粒沉降速率比85

傾角時小，所以，竄槽程度也小。水平井固井存在的主要問題水竄槽

溫度越高，水泥漿中自由水含量越高，自由水可能是由水泥漿的密度、水泥的研磨細度、添加劑濃度或類型的變化而引起的。因此，可通過適當?shù)乃酀{設計和混合來控制傾斜井的水竄槽程度。套管不易居中

套管不易居中是水平井固井質(zhì)量不高的原因之一，因為水平井的井斜角大，故在重力作用下套管柱往往偏向下井壁。因此，使得注水泥后，在井壁下側(cè)形成的水泥環(huán)薄，甚至有些地方?jīng)]有形成水泥環(huán)，嚴重影響封固質(zhì)量。

水平井固井存在的主要問題水泥漿體系的性能

水泥漿的穩(wěn)定性：包括自由液和固相顆粒沉降。在水平段，一方面，自由液的存在會造成井眼上側(cè)形成水槽或水帶而無膠結；另一方面，即使無自由液，水泥固相的沉降會導致井眼上側(cè)水泥漿的實際密度降低，水泥石強度也降低，膠結減弱或無膠結。因此，這兩種情況都使水平段上側(cè)無膠結或膠結減弱，從而影響水平段的封隔。水泥石的耐沖擊性能：水平井的造斜段和水平段，較大井斜變化率和井斜角的存在，套管不易居中而往往偏向井眼下側(cè)，使得井壁下側(cè)水泥環(huán)薄，從而嚴重影響水泥環(huán)抵抗后續(xù)作業(yè)工具的沖擊和震動的能力，也影響生產(chǎn)井強化改造措施的實施及其實施的效果。

套管扶正器的選擇與安放

套管扶正器類型

套管扶正器安放

固生產(chǎn)套管水泥漿體系及性能

水泥漿體系

適應凝結溫度范圍的穩(wěn)定性好的水泥漿體系。水泥漿體系的穩(wěn)定性主要通過漿體自由水量和凝結硬化形成水泥石柱的縱向密度分布來評價。自由水測量方法①

將配置好的水泥漿置于加溫加壓稠化儀漿杯中，模擬井下壓力和升溫至井底循環(huán)溫度下養(yǎng)護20min；②

緩慢釋放壓力后，取出水泥漿，注入250ml的量筒內(nèi)并密封好量筒口；③將量筒置于傾角為45

和模擬井下溫度條件下，測量水泥漿靜止2h的自由水量。傾角模擬最好有實際井眼最大井斜角和垂直狀態(tài)的對比值。

固生產(chǎn)套管水泥漿體系及性能水泥漿體系沉降穩(wěn)定性測量方法①

將配置好的水泥漿注入BP實驗漿杯中（或自制帶底塞和頂蓋的易拆取水泥石的容器），并置于強度養(yǎng)護釜內(nèi)；②

模擬井下實際靜止溫度和和壓力養(yǎng)護24h；③

取出水泥石試件，將水泥石試件沿縱向從底部至頂部均勻切成至少3段；④

測量各段水泥石的密度。固生產(chǎn)套管水泥漿體系及性能性能要求

用上述方法測得的自由水和沉降穩(wěn)定性，要求45

傾角的自由水近于0，頂部水泥石密度下的強度滿足封隔地層的要求，一般要求水泥石的上下密度差小于0.1g/cm3為宜。

固生產(chǎn)套管水泥漿體系及性能適應地質(zhì)特點的防竄水泥漿體系

水泥漿防氣竄的原理有兩類，一是補償水泥漿凝結失重壓力降低，二是增加漿體氣竄阻力。由此形成目前常用的可壓縮水泥漿體系和非滲透型或膠乳型水泥漿體系，以及新發(fā)展出的既能補償失重壓力降，又能增加氣竄阻力的雙效防竄水泥漿體系。

固生產(chǎn)套管水泥漿體系及性能有效增加水泥石抗沖擊和震動能力的水泥漿體系

賦予水泥環(huán)一定彈塑性，改善其在沖擊載荷下的形變能力，從而減小水泥石沖擊破碎擴散的程度，使水泥環(huán)在射孔、壓裂及酸化等高壓作業(yè)條件下的層間封隔能力得到改善，避免射孔及強化作業(yè)等導致水泥石嚴重碎裂影響封隔效果

油井水泥石力學失效原因分析

水泥石形變能力不足

水泥漿在井下凝固后，由于井下條件反復變化，如高溫高壓井多次停注開采等，致使井下壓力復雜多變，套管、水泥環(huán)及井壁的變形能力互異，水泥環(huán)形變能力較差，其形變能力不足，水泥環(huán)的整體性易受到破壞，從而導致層間封隔失效，甚至擠毀套管。

脆性水泥石易碎裂

當水泥環(huán)作用力超過水泥石受力屈服極限，如受瞬間的高能聚射流沖擊射孔時，由于所受作用力時間短，硬脆性水泥石還來不及進入塑性變形就發(fā)生脆性斷裂，造成孔眼周圍水泥環(huán)大面積破碎，將會導致水泥環(huán)薄間層層間封隔油、氣、水效能失效。油井水泥石力學失效原因分析硬化水泥石內(nèi)部存在缺陷

硬化后的油井水泥石包含一些未被水化的水泥顆粒、存在孔隙及夾雜部分泥餅，客觀上為微裂紋的形成創(chuàng)造了條件。因此，就水泥環(huán)的原始狀態(tài)而言，即使良好的固井所形成的水泥石，其本身就是一個“先天”地帶有大量微裂紋和缺陷的脆性材料，容易引起缺陷隨著應變率或應力水平的增加而發(fā)展。因為內(nèi)部缺陷的存在在高能射孔時易造成局部應力集中，導致油井水泥石破裂。改善油井水泥石力學變形能力的理論基礎

材料的塑性具有減緩應力集中的作用。在短時強載荷作用下的彈塑性體，能量的吸收主要由其塑性變形所吸收。因此，增加油井水泥石抗沖擊破壞的能力，主要是增加油井水泥石的塑性。

降低彈性模量有利于增加油井水泥石在彈性限度內(nèi)的的變形量，從而提高水泥環(huán)在復雜工況下的形變能力，有利于保證水泥環(huán)的完整性。而提高油井水泥石的塑性變形量，則有利于減緩應力集中，增加油井水泥石抗沖擊能力。

根據(jù)超混復合材料的原理，在水泥漿配比中增加適當類型和特性的填料，可以改變水泥石的動態(tài)力學性能，不僅能增加水泥石的抗彎、抗剪強度，增加水泥石的彈性，而且能提高增韌和止裂效果。如在配比中增加纖維，可對裂紋尖端應力場形成屏蔽，大大提高材料的斷裂韌性；在配比中加入圓形顆?；虍a(chǎn)生氣孔，使裂紋在此處止裂，可提高材料的止裂韌性。

提高水泥石耐沖擊的技術原理

纖維增塑

在水泥漿中加入一定量的均勻分散的纖維材料，可使硬化水泥石中原有缺陷的端部的應力集中減少，延緩缺陷的擴展，即阻裂效應（纖維稱作阻裂體）。

聚合物乳液增塑

聚合物乳液均勻分散于水泥漿中，一般情況下，乳液與水泥漿并不發(fā)生化學作用，水泥水化可吸收乳液顆粒中的水分，失水后的乳液顆粒可凝聚成膜分布在整個水泥石機體中，這些絲狀膜層橫跨水泥石的缺陷與微裂縫。

提高水泥石耐沖擊的技術原理非水容惰性彈性顆粒

非水容惰性彈性顆粒，加入水泥漿中，在井下高壓下具有高的可壓縮彈塑性，在水泥漿凝結過程中隨水泥水化的收縮，由于其彈塑性特點，會逐漸釋放部分壓縮能和填充孔隙，從而改善水泥石內(nèi)部微觀界面狀況，形成吸收應變能的結構變形中心，可吸收震動能，并能夠約束微裂縫的產(chǎn)生和擴展，提高油井水泥石的抗沖擊破碎的性能。

二元復合增塑

綜合利用纖維增塑的減少應力集中和延緩缺陷擴展的阻裂效應；聚合物乳液增塑膜可吸收缺陷與微裂縫進一步擴展的斷裂能的作用；不水容彈性顆粒的可吸收振動能和夠約束微裂縫的產(chǎn)生和擴展的作用。

固生產(chǎn)套管水泥漿體系及性能不收縮的微膨脹水泥漿體系

在水泥漿中加入適當類型和加量的膨脹劑，使水泥漿凝結過程中無體積收縮或有微膨脹，達到防止由于水化體積收縮形成的微環(huán)隙和提高水泥環(huán)與地層及套管之間的膠結強度的目的。在水平井固井中，由于大斜度段和水平段的存在，較直井更容易產(chǎn)生微環(huán)隙（主要在井眼的上側(cè)），因此，推薦使用具有一定膨脹性能的水泥漿體系封固大斜度段和水平井段。

水泥漿的室內(nèi)試驗測試評價，應在準確估算實際的井溫條件下進行。

防竄評價要求使用A值（）評價水泥漿性能。A<0.110為極好防竄能力；A=0.110

0.125為較好防竄能力；A=0.125

0.150為中等防竄能力。同時要求自由水<0.5%，API濾失量<100ml/30min。并通過在實驗室使用防氣竄評價儀進行防竄能力評價。（2）水泥漿體系設計

雙效防竄水泥漿凝結過程的失重曲線圖（2）水泥漿體系設計圖1

凝結時間較短圖2

凝結時間較長

水泥漿凝結過程的氣竄曲線圖（2）水泥漿體系設計雙效防竄水泥漿，凝結過程中，易發(fā)生氣竄的危險時刻，漿體已具有較強的抗氣體侵入的能力，如上圖為30kPa。一般水泥漿體系，其防竄能力較低，如下圖只有11.8kPa.提高驅(qū)替鉆井液效率的技術措施

鉆井液性能要求及其調(diào)整

鉆井液屈服值要求：在一定傾角下，鉆井液屈服值有一個臨界值，小于這個值，環(huán)空下側(cè)就會出現(xiàn)連續(xù)的鉆井液竄槽，且隨井斜角的增加，防止鉆井液竄槽所需要的屈服值隨之增大。井斜角與屈服值之間的關系見下表:提高驅(qū)替鉆井液效率的技術措施循環(huán)鉆井液對于水平井而言，在固井前，循環(huán)時間至少是3倍于井筒的鉆井液體積循環(huán)所需時間，或者循環(huán)到進出口鉆井液性能達到平衡為止。如果可能，循環(huán)時鉆井液流態(tài)應達到紊流，以幫助消除巖屑或鉆井液固相沉淀。另外，注水泥前或注水泥期間必須避免井內(nèi)鉆井液較長時間處于靜止狀態(tài)，務必使其保持最充分的循環(huán)，以免巖屑或鉆井液固相顆粒迅速沉淀并堆積在井眼下側(cè)。

提高驅(qū)替鉆井液效率的技術措施套管扶正

在水平井固井中，套管的扶正問題比垂直井更為重要。試驗表明，套管扶正器的使用對提高頂替效率效果明顯。因為在水平井中液柱壓力對井眼水平段的頂替過程不再產(chǎn)生作用，使得在井眼下側(cè)的狹窄環(huán)空中的膠凝鉆井液產(chǎn)生流動較困難。

活動套管在注水泥之前的循環(huán)過程，以及注水泥過程中，管柱的運動，可產(chǎn)生一種促使鉆井液流動的驅(qū)動力，同時，管柱的運動有助于打碎鉆井液聚結的團塊和聚積在團塊中的疏松巖屑。如果在套管本體上附加有鋼絲井壁清潔器，能更好提高鉆井液的頂替效率。

提高驅(qū)替鉆井液效率的技術措施前置液及其設計

前置液設計①表面活性劑選擇與前置液設計；②前置液的用量設計；③前置液的流速設計。提高驅(qū)替鉆井液效率的技術措施頂替流態(tài)與接觸時間在偏心環(huán)空頂替中，紊流頂替是最好的流