修井作业中使用油井水泥的施工工艺及要求.docx

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修井作业中使用油井水泥的施工工艺及要求

目前修井作业中使用油井水泥的施工工艺及要求

第一节概  述

新钻油水井固井，老区油水井由于生产层位调整，大修井下衬、尾管后均需注水泥。

注水泥工艺技术应用于油气水井井内形成新的人工井底，应用于固套管，衬、尾管形成能密封油、气、水层及隔层的人工井壁，从而满足注采需要。

挤水泥是在足够的压力下将水泥浆注在井中某一段,是水泥浆在地层表面脱水、造壁、硬化并封堵空隙的过程。

在钻井、固井、完井和修井作业中都采用挤水泥。

油田油、气水井在开发生产过程中，由于受油、气、水运移及各种应力、腐蚀、地质结构及施工措施诸因素的影响，一方面使新打井水泥返高不够，固井质量不合格;另一方面使生产井原固井水泥环遭到破坏，或造成油层窜通或地层胶结物被破坏，近井地带形成空洞，或因地层出水，套管破漏使油水井不能正常生产，通过挤水泥工艺技术，可使固井质量不合。

格井、窜槽井，套管破漏的油、气、水井恢复正常生产。

第二节注水泥塞封堵技术

注水泥塞工艺是将一定量的水泥浆替到套管内或井眼的某一部位，使其形成满足注采需要的新的人工井底或满足工艺过程的临时封闭某井段的工艺技术。

（一）.工艺原理

当干水泥与适量的水混合成水泥浆后，水泥颗粒与水立即发生水化反应，使水泥浆中产生以水硅酸钙为主要成分的胶体，随着水化作用的不断进行，胶体不断增多，并逐渐聚集变稠。

同时在胶体中产生形成水泥石的新化合物，逐渐在非晶质胶体中开始呈现微粒晶体，并逐渐硬化，使水泥浆失去流动性。

在这一过程中，当水泥浆开始变稠并部分失去塑性时，称为初凝；当水泥浆完全失去流动性并刚能承担一定压力时称为终凝。

终凝完毕后水泥浆硬化成石。

（二）.注水泥塞的目的及用途

在井下作业中注水泥塞是常用的工艺技术之一。

注水泥塞的目的及用途主要有以下几种：

（1）封闭已试油层上返新层试油，或进行分层作业时的封堵非目的层。

（2）封闭底部水层；

（3）找堵漏、找封窜、上部套管试压等隔开封闭某一层段。

（4）堵塞报废井及回填枯竭层位。

（5）出于安全目的的封闭层位（如封闭高压层、有毒有害流体层）

（6）特殊情况下的封堵。

（三）.注水泥塞的方法及施工步骤

1.注水泥塞方法

按注水泥塞位置来分有实心水泥塞及悬空水泥塞两种。

为节省水泥、和方便施工，一般情况下多采用注悬空水泥塞方法。

根据井内压力及施工工艺分为灌注法注水泥塞、循环法注水泥塞、挤注法注水泥塞（包括循环+挤注）、电缆/绳索倒灰法等四种方法。

2.注水泥塞施工步骤

（1）循环注水泥塞

这是目前油田应用最广泛的方法。

是将配好的水泥浆泵入井内循环顶替至预定位置，候凝固结，形成封堵。

其施工步骤如下：

1）.将注水泥管柱下至预计水泥塞底部,并循环洗井到井内稳定。

2）.按设计配制好水泥浆后按前隔离液，水泥浆、后隔离液、替置液顺序和设计量注入井内。

3）.将水泥浆替置到设计位置,此时,管内外应处于平衡，上提管柱至预定水泥面以上1-3m

4）.反循环洗井，洗出多余水泥浆。

5）.起管柱至安全位置,坐井口、灌满压井液、关井候凝。

6）.候凝一定时间后,探水泥面位置（深度）

7）.按标准试压检验水泥塞密封情况.试压方法根据不同的井况采用相应的方法.

（2）挤注水泥塞操作程序

    挤注水泥塞多用于封堵高压层,其施工步骤如下：

1）.将管柱或封隔器/桥塞下至设计位置。

2）.充分洗井后座井口或座封封隔器。

3）.用清水试挤吸收性以压力稳定后计算，时间和挤入量

4）.按试挤数据参数，挤入水泥浆量及替置量，并上提至反洗位置。

5）.反洗井或正（反）挤入压井液,关井候凝。

6）.候凝一定时间后,探水泥面位置（深度）

7）.按标准试压检验水泥塞密封情况.试压方法根据不同的井况采用相应的方法.

特别提示:

为了避免挤水泥过程中造成井下管柱固封及其它井下事故，所以在挤水泥作业中应注意以下事项。

1）挤水泥前必须对目的井段以上的套管进行试压，试压不合格则需下封隔器进行保护。

不能验证上部套管情况的,不宜使用挤注法注水泥塞。

2）挤注管柱必须密封,不得出现短路等现象,管柱结构应有详细记录。

3）根据施工要求加入一定比例添加剂,保证有足够的施工时间。

4）挤水泥施工过程必须保证设备运转正常。

5）井口承受挤入压力和关井憋压候凝不刺不漏。

6）出现问题后,可采用挤清水措施，将水泥浆稀释推远。

（3）电缆/绳索倒灰法注水泥塞操作程序

倒灰法法注水泥塞是利用倒灰筒等工具将一定量水泥浆装入筒内，由电缆或钢丝绳送至预定的注水泥深度处，通过电流爆破或机械撞击等方法将灰筒打开，水泥浆流出,然后提出倒灰筒,置流在井筒内的水泥浆候凝固结，形成封堵。

倒灰法注水泥塞多用于封堵要求不高,灰塞厚度较小的层段,其施工步骤如下：

1）.采用电缆/绳索+带规环的碎削打捞篮通井至预定水泥塞底部以下。

定位校深并标定记号.

2）.配制水泥浆

3）.将配制好的水泥浆灌入倒灰筒内

4）.用电缆或钢丝绳送至预定的注水泥深度处，深度采用校深或标定的记号深度.

5）.将灰筒打开后提出倒灰筒

6）.关井候凝。

7）.候凝一定时间后,用电缆或钢丝绳探水泥面位置（深度）

8）.按标准试压检验水泥塞密封情况.

（4）灌注法注水泥塞操作程序

灌注法注水泥塞就是往井筒内一定深度处灌注部分水泥浆，然后上提管柱至安全位置，关井侯凝的一种工艺方法，多用于夹层较厚、灰面要求不严格的井，是成功率最大的。

其施工步骤如下：

1）.将注水泥管柱下至预计水泥塞底部,并循环洗井到井内稳定。

2）.按设计配制好水泥浆后按前隔离液，水泥浆、后隔离液、替置液顺序和设计量注入井内。

3）.将水泥浆替置到设计位置

4）.起管柱至安全位置,坐井口、关井候凝。

5）.候凝一定时间后,探水泥面位置（深度）

6）.按标准试压检验水泥塞密封情况.试压方法根据不同的井况采用相应的方法.

3.特殊情况下的注水泥塞方法

（1）.对漏失层的措施

  1）．填砂、填石子堵漏

  2）．长纤维物混入水泥浆中防漏失

  3）．云母片等规则杂物

  4）．垫稠泥浆或粘稠剂物质

5）．底木塞

6）．化学暂堵剂处理

（2）.高压井注水泥

1）．压井

2）．对高压低渗层、高压高含水层等注水泥采用挤注工艺方法。

要挤压候凝

3）.特殊情况下，可采用将水泥浆替到位后挤注，原地反洗出口控制压力（装油嘴），带压候凝。

（四）注水泥塞计算

1.水泥浆体积的计算

式中

V———水泥浆用量，m3；

D.———套管内径，m；

H———水泥塞长度，m；

K———附加系数（1.5-1.7），其取值原则是井深多取，井浅少取，井径小多取，井径大少取，水泥塞短多取，水泥塞长少取。

2.干水泥量计算

t=1.467V（γ水泥浆-1）

式中V———水泥浆用量，m3；

t———干水泥数量，t；

γ水泥浆———配置水泥浆密度，g/cm3。

3.清水用量计算

Q=V×γ水泥浆-t

式中

Q———清水用量，L；

γ水泥浆———水泥浆密度，g/cm3；

t———干水泥数量，t。

（五）影响水泥浆性能因素及水泥浆填加剂

1.注水泥塞对井内压井液的要求

  1）．井内压井液应处于稳定状态，油套平衡。

2）．注水泥塞前，应充分循环洗井，其作用是降温除气

3）．作好水泥浆与压井液配伍性试验，采取调整压井液或水泥浆性能来解决，以及考虑隔离液等。

4）必要时为了保证注水泥塞质量，在调整好压井液性能基础上应对水泥塞井段井壁泥饼油垢污物的清除及对套管的洗刷。

2.影响因素

水泥的性能主要表现在其凝固过程中。

影响因素除了其本身的矿物成分及物理性影响外，外部影响条件也很多，因此施工作业使用油井水泥时应注意考虑以下因素。

（1）水泥矿物成分

要求得到不同凝结时间，一定强度及较好流动性的水泥，水泥矿物成分是一个重要的参数。

对于油气井注水泥塞施工，应选择油井水泥，其成分基本能满足强度、流动性抗腐蚀等条件。

（2）水灰比对水泥性能的影响

水泥水化所需的水量是很难确定的，因不同矿物成分，不同细度、不同温度、不同的混合材料和处理剂，水泥水化时所需的水量都是不同的，生成的水化物也是不同的。

水灰比的增加，水泥浆中胶体成分相对降低，浆体对水泥颗粒的悬浮能力也降低，自由水在水泥塞段或封堵层等中形成水带，大大影响水泥塞质量。

（3）温度和压力对水泥性能的影响

随着井深增加，井下温度和压力也增加，水泥水化速度加快，水泥的水化物也发生变化，水泥浆（石）的性能也随之发生很大变化。

其中温度的影响较压力更显著。

一般随温度和压力的增加，都会使水泥凝结时间缩短，流动度下降，水泥早期强度增加，由此造成水泥石强度降低，渗透性增加。

因此，深井施工中要特别注意。

3.水泥浆填加剂及性能

油井水泥的品种是有限的，为了满足不同情况下注水泥塞作业施工及其质量的要求，有时须配合各种外加剂填加剂来调节水泥性能。

目前所用填加剂主要有缓凝剂、速凝剂、减阻剂、降失水剂、降密度剂、加重剂及防漏剂等。

1）.缓凝剂

对于深井或地温梯度高的井，由于水泥浆凝结时间缩短，流动性差，而施工时间比较长，常加入延长凝结时间（或稠化时间）的缓凝剂。

常用的缓凝剂有铁铬木质素磺酸盐（123）、酒石酸、葡萄糖酸钙（钠）、硼酸盐、羧甲基羟乙基纤维素、磷酸盐、磺化丹宁等。

2）.速凝剂

在浅井和井下温度较低的注水泥塞或堵漏施工中，为了缩短水泥凝结时间及增加水泥早期强度，加入速凝剂。

常用的速凝剂有氯化钙，氯化钠和硅酸钠等。

3）.减阻剂

减阻剂的加入能改善水泥浆的流动性，有利于水泥浆在低速低压下进入紊流状态，提高注水泥质量。

例如在循环法封串中减阻剂的加入更为重要，常用的减阻剂有萘磺酸甲醛聚合物、木质素磺酸盐及铁铬木质素磺酸盐等。

4）降失水剂

降失水剂能防止水泥浆急剧脱水、改善水泥浆中微粒的数量和级配。

常用降失水剂有羧甲基羟乙基纤维素、土般土及烷基磺酸钠等。

5）降密度剂

井下有低压漏失层时，注水泥时可能发生井漏，以引出更多的麻烦，因而常加入降密度剂，降低水泥浆密度。

常用降密度添加剂有搬土、硅藻土，沥青粉等密度小、吸水性强的混合材料。

6）加重剂

在有高压地层情况下挤注水泥，常加入密度大的添加剂。

主要有赤铁矿粉、重晶石粉、钛铁矿粉和石英砂粉等高密度的惰性材料。

7）防漏剂

井下有低压漏失层时，也可以加入与泥浆堵漏剂相同的物质，也可用胶质水泥浆。

常用添加剂有碎木片、树皮、锯木等纤维状物质，还有颗粒状物质如硬沥青，塑料及珍

珠岩等，还有片状材料如云母、玻璃纸片等。

选择填加剂时还必须注意以下问题：

（1）在填加剂时，不仅要使水泥浆某项性能要求能达到要求，还应考虑填加剂对其它性能的影响。

如在使用缓凝剂时，往往使水泥早期强度下降；使用速凝剂时，往往使水泥浆流动性变差，所以必须对水泥浆全面性能进行检查。

（2）填加剂品种的选选和用量的确定，事先应作室内试验，取得基本数据，以指导现场施工。

有些填加剂用量比例都有极限，超过此限，则会起相反的作用，应引起注意。

（3）在选用填加剂时还应注意施工条件。

如用量过大或过于灵敏都会给现场施工带来困难。

（六）注水泥塞的有关工艺探讨

  1.注水泥塞过程中，注水泥管柱类型选择，下入深度及井下结构很重要。

首先注水泥塞管柱不能在施工过程中造成掉落事故。

同时注水泥管柱深度是将水泥塞注到什么位置的重要依据，不能超过允许误差。

    2.井内稳定是注好水泥塞，留好水泥塞面的关键条件，尤其是一些高压注水井或油井、水窜井内注悬空水泥塞与底水泥塞，要将别注意水泥浆上顶或稀释无水泥塞的情况。

对类似井况需采取下列措施。

    ①水泥浆中加入速凝剂或其他添加剂。

②少量上提钻具，控压洗井加压候凝。

③采用井控装置，用密闭法注水泥塞。

④对高压高含水层采用挤注工艺方法。

⑤注悬空水泥塞时底部热稠修井液，防止水泥浆下沉。

3.替水泥浆时，两端需垫清水，其目的是:

①避免水泥浆与压井液掺混。

②冲洗套管壁，保证水泥塞能与套管壁牢固粘结。

③润滑油管，造压差，使水泥浆易于流动。

4.对采用压井液密度较小的井注悬空水泥塞时除采用热稠化物外还可采取下列措施，防止水泥浆下沉。

①对低压井采用填砂的方法，将砂面填到预注水泥塞底部位置，要求口袋较小，否则费人、费力增加工作量。

②对常规套管井，采用压木塞的方法，用钻具（油管）将木塞压送到设计位置。

③注水泥塞底部投入电桥或桥

5.注水泥塞对井内压井液的要求

（1）井内压井液应处于稳定状态，不漏失，不存在油（气）、水浸现象（对于处理漏失，注水泥塞情况除外）。

（2）作好水泥浆与压井液配伍性试验，采取调整压井液或水泥浆性能来解决，以及考虑隔离液作用。

必要时为了保证注水泥塞质量，在调整好压井液性能基础上应对水泥塞井段井壁疏松泥饼的清除及对套管的刷洗。

（3）调整压井液性能，尤其是密度，为了保持注水泥塞成功，注水泥塞段以下压井液应尽可能呈高粘高切，而上部压井液保持低粘低切和较小失水。

（七）注水泥塞注意事项

注水泥塞的特点在于要将相对体积少的水泥浆置于大的井眼中去，而流径管道均比套管小，因此存在压井液污染、掺混、升温快、流阻大，压差大易失水等一系列问题。

考虑注水泥塞的特点，注水泥塞时应当注意以下问题：

1．井径资料，在裸眼注水泥塞时应选择坚硬地层处，优选一个规则井段，并在要求允许的范围内。

2．掌握准确的设计量与记录量，认真计算水泥、水、添加剂和顶替量，使用足够量的隔离液，尤其实际施工记录量要准确。

水泥量的附加数要求考虑注替过程中被稀释，掺混或污染影响水泥塞质量问题。

3．要求水泥浆均匀程度和流动性能好。

4．严格施工程序，认真执行操作规程，防止掉落事故及各类事故

第三节挤水泥封堵技术

挤水泥就是利用液体压力挤压水泥浆，使之进入地层缝隙或多孔地层，达到地层或地层与套管之间造成密封和固结的一种方法，在钻井、固井、完井和修井作业中都采用挤水泥。

（一）.工艺原理

挤注水泥工艺机理是将水泥浆循环入井筒后，从油管、套管或油套管同时挤入液体，使一部分水泥浆进入目的层后凝固，再采用恰当的钻塞工具钻开水泥塞，达到封堵目的层的效果。

（二）.挤水泥的目的及用途

目前，挤水泥作业的主要目的是封隔油气产层和其他流体层，以达到完井和修井的施工目的:

（1）对油、气、水井封堵某一出水层位或高含水层，解决在生产过程中注水开发形成的矛盾。

（2）对油、气、水井层间窜通，油层与非油层窜通，生产井与邻井窜通，通过挤水泥封窜槽。

  （3）通过挤水泥弥补油水井因套管破损不能承受各种应力作用，填补地层亏空。

  （4）封堵某井段漏失，保护油气资源。

  （5）对固井质量不合格的油、气、水井，通过挤水泥使其达到完井质量标准。

  （6）对油、气、水井地层出砂井段，采用挤水泥及其添加剂实现人土井壁防砂。

  （7）对某些因地质、工程因素需暂闭井及油田井网，生产层调整需上返的油水井进行挤封。

（三）.挤水泥的方法及施工步骤

1.挤水泥方法

如按挤入方法来分，可分为挤入法循环挤入法和封隔器挤入法；如按井下结构来分，可分为套管法，油管法和封隔器法挤水泥，每种都有它适用的条件和优缺点。

（1）平推法。

平推法在井内无任何结构，利用原油、气、水井套管作为挤水泥的通道，从井口直接挤水泥的方法。

其优点是施工简单，安全可靠。

不足点是不能分层作业，套管壁上易留水泥环。

适用范围多用于油、气、水井上部套管损坏有漏失点，需封堵或因地质工程因素报废井的挤封。

（2）钻具（油管）挤入法。

钻具挤入法就是将钻具（油管）下到挤封井段设计位置，利用钻具作挤入通道的一种挤入方法。

其优点是挤入过程不动钻具，施土较简单且易反洗井，套管壁不会有大段残留水泥环。

不足的是不能挤封中间层段的封堵或窜槽。

适用于中深井作业，多用于中深井堵漏，封堵顶部水层，或与填砂、注水泥塞相结合挤封油层顶部窜槽。

（3）单封隔器挤水泥法。

    单封隔器或与填砂、注水泥塞配合挤水泥法，井下结构较简单，挤水泥针对性强，使非挤封层得到较好保护，对上部套管破漏及非常规井避免了上部套管承受高压，做到了有目的挤封。

不足的是填砂或注水泥塞增大了作业量。

单封隔器挤水泥适用挤封底部油层，与填砂注水泥塞相配合可挤封层间窜槽、挤封高含水层。

采用电桥或桥塞挤水泥有利于简化施工，提高井况适应性及成功率。

（4）循环挤入法

  循环挤入法是将一定数量的符合性能要求的水泥浆循环到设计位置，然后上提工具柱后，施加一定液体压力使水泥浆进入目的层的施工工艺。

（5）控制挤入法

  循环挤入法多适用于井况较好，井筒内相对稳定的油水井作业。

但随着油田开发时间的增长，油水井井况日趋复杂，出水出砂日益严重，对于油、气、水相对活跃，甚至采用高密度修井液压不住井的油、气、水井采用上述两种方法挤水泥，由于井内稳定性差，易吐喷，极易造成施工失败。

  控制挤入法是在井口采用井控装置与井下结构配套，使挤水泥前后即使活动钻具的情况下，井口、环形空间均处于受控状态下的一种挤水泥工艺。

  采用控制挤入法扩展了挤水泥工艺技术，特别对高压出砂、出水层挤封效果较好。

由于井口、环形空间均受控，特别对地层压力较高，砂埋油层的油水井可冲开出砂层后，有的放矢地进行防砂作业，从而进一步提高了挤封效果。

目前油田主要采用的注挤水泥方法是油管挤入法包括低替高挤法和高替高挤法，二种方法介绍如下：

（1）低替高挤：

所谓低替高挤法，就是将挤注施工管柱的管脚下放到挤注目的层以下，将水泥浆替入井筒平衡后，上提管脚至水泥浆面以上50-80m以后再进行挤注水泥施工的方法。

该方法主要适用于吸水性比较差的目的层段，挤入速度慢。

一般要求在P≤20Mpa的情况下，目的层吸水量Q≤0.25m3/min的情况下必须使用该方法,挤注施工水泥浆比重宜在:

1.70-1.75之间，不宜将水泥浆比重配得过高，该方法挤注施工安全系数，但对挤注入水泥浆量不太有利。

（2）高替高挤：

所谓高替高挤就是将挤注管脚下放至挤封目的层段以上，替入水泥浆至管脚时，关套管闸门，进行挤注施工，该方法适用于吸水性好的目的层段，挤入速度快，一般要求在P≤20Mpa的情况下，目的层的吸水量：

Q≥0.25m3/min,水泥浆比重可在:

1.80-1.85之间。

针对吐哈油田属低渗透油田的特点，通常挤注施工不采用高替高挤法，采用该挤注法施工工艺一旦在施工过程中出现紧急情况，容易发生“灌香肠”或“插旗杆”等恶性井下作业事故。

从配水泥浆开始到反洗不能超过水泥初凝时间的75%。

2.挤水泥操作程序

    挤水泥,其施工步骤如下：

1）.将管柱或封隔器/桥塞下至设计位置。

2）.充分洗井后座井口或座封封隔器。

3）.用清水试挤吸收性以压力稳定后计算，时间和挤入量

4）.按试挤数据参数，挤入水泥浆量及替置量，并上提至反洗位置。

5）.反洗井或正（反）挤入压井液,关井候凝。

6）.候凝一定时间后,探水泥面位置（深度）

7）.按标准试压检验水泥塞密封情况.试压方法根据不同的井况采用相应的方法.

（四）挤水泥计算

合理地确定挤注水泥浆量，一方面既减少了不必要的劳动强度，同时也减少水泥的浪费及钻塞成本。

挤注水浆量的数量由下公式确定：

V浆=π（R2-r2）h1Φ+πr2h2

式中：

V浆：

所需水泥浆量

      R：

水泥浆处理半径

      r：

套管内径

      h1:

处理目的层的厚度

      Φ：

处理目的层的有效孔隙度

      h2：

井筒内余留水泥浆量

干水泥用量计算于清水用量计算同注水泥塞计算公式.

（四）挤水泥过程有关问题探讨

挤水泥施工方法的确定

挤水泥的工艺方法较多，在确定具体施工方法时应综合考虑油层物性，挤封层段、位置，套管完好情况，井况等诸因素，有针对性的选择挤入法。

（1）套管平推挤水泥法:

适用于堵漏、封层、封窜、防砂等。

使用条件:

封堵井段以上套管完好，封堵深度小于500m，封堵长度不大于5m。

（2）光管柱挤水泥法:

适用于堵漏、封层、封窜、防砂等。

使用条件:

封堵井段以上套管完好，封堵长度不大于5m。

（3）封隔器挤水泥法:

适用于封窜、封层、防砂等。

使用条件:

封堵层位以上套管完好程度差（低于挤入压力有渗漏），或套管使用时间较长但可顺利通井的油水井。

（4）循环挤入法:

适用于封层、防砂或吸收量低于200L/min，挤入压力高的孔、洞、缝隙、破漏井的封堵。

使用条件:

井内稳定，封层、防砂时封堵层厚度大于5m的油水井。

（5）控制挤入法:

适用于井内不稳定，出砂、砾较严重的井。

（六）特殊井挤水泥工艺

特殊井挤水泥必须考虑特殊井的特殊性。

1.薄壁套管挤水泥

薄壁套管由于多为有缝管，承