水平井固井技術(shù)

水平井固井技術(shù)水平井固井存在的主要問(wèn)題鉆井液竄槽:環(huán)空底部存在鉆井液竄槽是導(dǎo)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(lái)，同時(shí)引起固井水泥漿的污染，最終導(dǎo)致鉆井液竄槽。固相沉淀與鉆井液懸浮固相的能力有關(guān)，而鉆井液懸浮固相的能力通常與鉆井液的切力有關(guān)，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(méi)有很好的解決辦法。水平井固井存在的主要問(wèn)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(duì)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(dāng)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(yàn)中，鉆井液竄槽要比85

傾角的試驗(yàn)明顯小得多，因?yàn)?，?0

傾角時(shí)顆粒沉降速率比85

傾角時(shí)小，所以，竄槽程度也小。水平井固井存在的主要問(wèn)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(xì)度、添加劑濃度或類(lèi)型的變化而引起的。因此，可通過(guò)適當(dāng)?shù)乃酀{設(shè)計(jì)和混合來(lái)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?yàn)樗骄木苯谴螅试谥亓ψ饔孟绿坠苤蛳戮?。因此，使得注水泥后，在井壁下?cè)形成的水泥環(huán)薄，甚至有些地方?jīng)]有形成水泥環(huán)，嚴(yán)重影響封固質(zhì)量。

水平井固井存在的主要問(wèn)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(huì)造成井眼上側(cè)形成水槽或水帶而無(wú)膠結(jié)；另一方面，即使無(wú)自由液，水泥固相的沉降會(huì)導(dǎo)致井眼上側(cè)水泥漿的實(shí)際密度降低，水泥石強(qiáng)度也降低，膠結(jié)減弱或無(wú)膠結(jié)。因此，這兩種情況都使水平段上側(cè)無(wú)膠結(jié)或膠結(jié)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(yán)重影響水泥環(huán)抵抗后續(xù)作業(yè)工具的沖擊和震動(dòng)的能力，也影響生產(chǎn)井強(qiáng)化改造措施的實(shí)施及其實(shí)施的效果。

套管扶正器的選擇與安放

套管扶正器類(lèi)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(yīng)凝結(jié)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(guò)漿體自由水量和凝結(jié)硬化形成水泥石柱的縱向密度分布來(lái)評(píng)價(jià)。自由水測(cè)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(hù)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(cè)量水泥漿靜止2h的自由水量。傾角模擬最好有實(shí)際井眼最大井斜角和垂直狀態(tài)的對(duì)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(cè)量方法①

將配置好的水泥漿注入BP實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)；②

模擬井下實(shí)際靜止溫度和和壓力養(yǎng)護(hù)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(cè)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(cè)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(qiáng)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(yīng)地質(zhì)特點(diǎn)的防竄水泥漿體系

水泥漿防氣竄的原理有兩類(lèi)，一是補(bǔ)償水泥漿凝結(jié)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(bǔ)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(dòng)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(kuò)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(qiáng)化作業(yè)等導(dǎo)致水泥石嚴(yán)重碎裂影響封隔效果

油井水泥石力學(xué)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(fù)變化，如高溫高壓井多次停注開(kāi)采等，致使井下壓力復(fù)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(dǎo)致層間封隔失效，甚至擠毀套管。

脆性水泥石易碎裂

當(dāng)水泥環(huán)作用力超過(guò)水泥石受力屈服極限，如受瞬間的高能聚射流沖擊射孔時(shí)，由于所受作用力時(shí)間短，硬脆性水泥石還來(lái)不及進(jìn)入塑性變形就發(fā)生脆性斷裂，造成孔眼周?chē)喹h(huán)大面積破碎，將會(huì)導(dǎo)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(xué)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(gè)“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(yīng)變率或應(yīng)力水平的增加而發(fā)展。因?yàn)閮?nèi)部缺陷的存在在高能射孔時(shí)易造成局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致油井水泥石破裂。改善油井水泥石力學(xué)變形能力的理論基礎(chǔ)

材料的塑性具有減緩應(yīng)力集中的作用。在短時(shí)強(qiáng)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(fù)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(yīng)力集中，增加油井水泥石抗沖擊能力。

根據(jù)超混復(fù)合材料的原理，在水泥漿配比中增加適當(dāng)類(lèi)型和特性的填料，可以改變水泥石的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，不僅能增加水泥石的抗彎、抗剪強(qiáng)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(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)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(shù)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(yīng)力集中減少，延緩缺陷的擴(kuò)展，即阻裂效應(yīng)（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(xué)作用，水泥水化可吸收乳液顆粒中的水分，失水后的乳液顆?？赡鄢赡し植荚谡麄€(gè)水泥石機(jī)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(shù)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(jié)過(guò)程中隨水泥水化的收縮，由于其彈塑性特點(diǎn)，會(huì)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(yīng)變能的結(jié)構(gòu)變形中心，可吸收震動(dòng)能，并能夠約束微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高油井水泥石的抗沖擊破碎的性能。

二元復(fù)合增塑

綜合利用纖維增塑的減少應(yīng)力集中和延緩缺陷擴(kuò)展的阻裂效應(yīng)；聚合物乳液增塑膜可吸收缺陷與微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展的斷裂能的作用；不水容彈性顆粒的可吸收振動(dòng)能和夠約束微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)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(dāng)類(lèi)型和加量的膨脹劑，使水泥漿凝結(jié)過(guò)程中無(wú)體積收縮或有微膨脹，達(dá)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(jié)強(qiáng)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(yàn)測(cè)試評(píng)價(jià)，應(yīng)在準(zhǔn)確估算實(shí)際的井溫條件下進(jìn)行。

防竄評(píng)價(jià)要求使用A值（）評(píng)價(jià)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(shí)要求自由水<0.5%，API濾失量<100ml/30min。并通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室使用防氣竄評(píng)價(jià)儀進(jìn)行防竄能力評(píng)價(jià)。（2）水泥漿體系設(shè)計(jì)

雙效防竄水泥漿凝結(jié)過(guò)程的失重曲線圖（2）水泥漿體系設(shè)計(jì)圖1

凝結(jié)時(shí)間較短圖2

凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)

水泥漿凝結(jié)過(guò)程的氣竄曲線圖（2）水泥漿體系設(shè)計(jì)雙效防竄水泥漿，凝結(jié)過(guò)程中，易發(fā)生氣竄的危險(xiǎn)時(shí)刻，漿體已具有較強(qiáng)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(shù)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(gè)臨界值，小于這個(gè)值，環(huán)空下側(cè)就會(huì)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(guān)系見(jiàn)下表:提高驅(qū)替鉆井液效率的技術(shù)措施循環(huán)鉆井液對(duì)于水平井而言，在固井前，循環(huán)時(shí)間至少是3倍于井筒的鉆井液體積循環(huán)所需時(shí)間，或者循環(huán)到進(jìn)出口鉆井液性能達(dá)到平衡為止。如果可能，循環(huán)時(shí)鉆井液流態(tài)應(yīng)達(dá)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(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，務(wù)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(shù)措施套管扶正

在水平井固井中，套管的扶正問(wèn)題比垂直井更為重要。試驗(yàn)表明，套管扶正器的使用對(duì)提高頂替效率效果明顯。因?yàn)樵谒骄幸褐鶋毫?duì)井眼水平段的頂替過(guò)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(dòng)較困難。

活動(dòng)套管在注水泥之前的循環(huán)過(guò)程，以及注水泥過(guò)程中，管柱的運(yùn)動(dòng)，可產(chǎn)生一種促使鉆井液流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)，管柱的運(yùn)動(dòng)有助于打碎鉆井液聚結(jié)的團(tuán)塊和聚積在團(tuán)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(shù)措施前置液及其設(shè)計(jì)

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