固孔(石油钻井称之固井)就是加固和封闭、隔离孔壁。其方法就是下完套管后,向套管与孔壁间隙中注入水泥进行固结。固孔作业主要内容有:固孔水泥的选择,水泥浆性能的确定,水泥浆与替浆液量计算,灌浆,透孔扫浮力塞等。深孔固孔时,需要进行专门固孔技术设计,以指导固孔作业。
(一)固孔水泥的选择
选择固孔水泥需以钻孔深度、固孔水泥环强度及工艺方法等为依据。石油固井水泥主要根据适用井深、温度进行分类,普通水泥以水泥结石龄期强度进行分类。
美国API标准把油井水泥分为A、B、C、D、E、F、G、H、J九级。其中A、B、C级为基质水泥,D、E、F级水泥在烧制时允许加入调节剂,G、H级允许加入石膏,J级应符合特定标准。
A级:适用深度0～1828.8m,温度至76.7℃,仅有普通型1种,无特殊性能要求。
B级:适用深度0～1828.8m,属中热水泥,温度至76.7℃,有中抗硫(硫酸盐)和高抗硫两种。
C级:适用深度0～1828.8m,温度至76.7℃,属高早期强度水泥,分普通、中抗硫及高抗硫3种。
D级:适用深度1828.8～3050m,温度76～127℃,为基质水泥加缓凝剂,用于中温、中压条件,分为中抗硫及高抗硫两种。
E级:适用深度3050～4270m,温度76～143℃,为基质水泥加缓凝剂,用于高温、高压条件,分为中抗硫及高抗硫两种。
F级:适用深度3050～4880m,温度110～160℃,为基质水泥加缓凝剂,用于超高温和超高压条件,分为中抗硫及高抗硫两种。
G级及H级:适用深度0～2440m,温度0～93℃,为两种基质水泥,加入调节剂后可用于较大的范围,分为中抗硫及高抗硫两种。
J级:适用深度3660～4880m,温度49～160℃,仅有普通型,用于超高温条件。
我国把油井水泥分为4类,即:45℃、75℃、95℃及120℃,其质量标准见表3-9。把普通水泥分为6类,即42.5级、42.5R级、52.5级、52.5R级、62.5级、62.5R级。普通水泥分类强度指标见表3-10。
表3-9 我国温度系列水泥质量标准
表3-10 我国普通水泥分类强度指标
对地质岩心钻探而言,无特殊要求情况下,一般可选52.5～62.5R级普通型水泥固孔,特深情况下应选择相应孔深的油井水泥固孔。
(二)固孔水泥浆性能确定
影响固孔作业的水泥浆性能主要有:密度、水灰比、稠化时间、凝结时间(初凝和终凝时间)、水泥石强度及水泥石抗腐蚀性等。
1.水泥浆的密度
水泥干灰的密度一般为3.05～3.20g/cm3。水泥完全水化需要的水为水泥质量的20%左右,但此时水泥浆基本不能流动。要使水泥浆能流动,加水量应达到水泥质量的45%～50%,配制出的水泥浆的密度为1.80～1.90g/cm3,一般也是固孔时所选用的密度。
2.水泥浆的水灰比
水灰比是指水泥浆中水与干水泥质量的比值。比值越大,水泥浆密度越小(水泥浆越稀),改变水灰比可调节水泥浆的密度。固孔时,一般水灰比控制在0.45～0.5之间。
3.水泥浆的稠化时间
水泥浆调成之后,随着水化反应的进行,水泥浆逐渐变稠,流动性变差。在用泵注入水泥浆及顶替过程中,可能会出现水泥浆流动越来越困难甚至不能泵入的情况。此时,虽然水泥还未凝固,但已无法用泵注入及顶替了。因此,注水泥的全过程必须在水泥浆稠化之前完成,稠化时间就决定了注水泥施工作业的时间。对于施工周期长的深孔注水泥,就应当有较长的水泥浆稠化时间为保证。
水泥浆的稠化时间是指水泥浆从配置开始到其稠度达到规定值所用的时间。例如API标准中规定从开始混拌到水泥浆稠度达到100BC(水泥稠度单位)所用的时间为水泥浆稠化时间。API标准规定,在初始的15～30min时间内,稠化值应当小于30BC。好的稠化情况是在固孔总施工时间内,水泥浆的稠度在50BC以内。
4.水泥浆的凝结时间
水泥浆调成即开始水化,从液态转变为固态的时间就是水泥浆的凝结时间。这一时间不同于稠化时间。一般来说,水泥浆的凝结时间大于稠化时间。水泥浆的凝结时间对施工有较大的影响,即从注水泥到套管被封固后可承担一定负荷的这一段时间,决定了固孔完成到进行下一个工序所用的时间,通常希望固完孔候凝8h左右。
5.水泥石的强度与抗腐蚀性
水泥石的强度与抗腐蚀性这两项性能指标主要以选择水泥的类型,即水泥的化学成分来控制。
为了满足钻探固孔需要的水泥浆性能要求,在固孔前要进行现场水泥浆配方样的试验和性能测试,也可加入外加剂以调节水泥浆的性能。通过现场性能试验数据以指导固孔作业。
(三)注水泥浆相关参数计算
为了保证固孔质量,使水泥浆返到预定高度,套管内水泥塞长度符合设计要求,在注水泥之前必须根据孔径大小、套管直径和下入深度以及水泥返高等计算水泥浆、干水泥、替浆液和清水的用量以及相应的最高泵压、注水泥时间等。
1.水泥浆用量
水泥浆用量按式(3-5)计算:
深部岩心钻探技术与管理
式中:V为水泥浆量,m3;D1为钻孔的平均直径,m;D为套管外径,m;d为套管内径,m;H为水泥浆返高,m;h为水泥塞高度,m;K1为裸眼孔段的水泥附加系数,按各地区实际情况,由经验得出,K1=1.05～1.10。
实际孔径是不规则的,计算时必须按照电测井径分段求得平均孔径,分段计算环空体积,然后再累计,得出全孔环空体积。段分得细一些,误差就小一些。
2.干水泥用量
干水泥用量按式(3-6)计算:
G=K2Vq (3-6)
式中:G为干水泥量,袋;V为水泥浆量,m3;q为配1m3水泥浆所需干水泥袋数;K2为地面损耗系数,一般为1.03～1.05。
3.清水用量
清水用量按式(3-7)计算:
深部岩心钻探技术与管理
式中:Vs为清水用量,m3;V1为配每袋水泥所需水量,L/袋;G为干水泥量,袋。
4.替浆液用量
当胶塞顶至浮箍位置时,替浆液结束。因此,所需替浆液量即为浮箍以上不同壁厚套管的内容积之和:
深部岩心钻探技术与管理
式中:Vnj为替浆液量,m3;d1,d2,…,dn为水泥塞以上各段不同壁厚套管的内径,m;L1,L2,…,Ln为水泥塞以上各段不同壁厚套管的长度,m。K3为泥浆压缩系数,取值为1.03～1.05。
为了简化计算,现场常用式(3-9):
Vnj=K3(q1L1+q2L2+…+qnLn)(3-9)
式中:q1,q2,…,qn为水泥塞以上各段不同壁厚套管的内容积,L/m。
5.最高泵压
注水泥过程中,由于水泥浆密度一般比泥浆大,因此,随着泥浆的注入,正常情况下泵压是由大到小(几乎为零),再由小到大。替浆结束时,泵压达到最高。最高泵压是由管内外液柱压力差、水泥浆和泥浆在管内外流动时的阻力所组成,即:
p=p1+p2 (3-10)
式中:p为最高泵压,MPa;p1为克服流动阻力所需泵压,MPa;p2为克服管内外液柱压差所需泵压,MPa。
p1可用下列经验公式计算:
孔深小于1000m时,p1=0.001L+0.8MPa;
孔深大于1000m时,p1=0.001L+1.6MPa。
式中:L为孔深,单位m。
p2可用式(3-11)计算:
p2=9.8(H-h)(ρc-ρb)×10-6 (3-11)
式中:H为管外水泥柱高,m;h为水泥塞长度,m;ρc为水泥浆密度,kg/m3;ρb为顶替用浆液密度,kg/m3。
6.注水泥时间
注水泥施工的时间包括水泥车配注全部水泥浆,替浆液和倒闸门、开挡销、顶胶塞的时间。为保证顺利施工,注水泥的总时间必须小于或等于水泥浆初凝时间的75%。
T=T1+T2+T3+T4 (3-12)
深部岩心钻探技术与管理
深部岩心钻探技术与管理
式中:T为注水泥施工的总时间,min;T1为配注水泥所需时间,min;T2为替泥浆时间,min;T3为倒换闸门、开档销、顶胶塞时间,一般为1～3min;T4为碰压时间,min;G为注水泥总量,袋;m为单车每分钟注入水泥量,袋/min;n为注水泥车数;Q1为替浆液泵排量,m3/min;V为替浆液量,m3。
(四)固孔作业
1.水泥固孔设备
水泥固孔注浆设备应根据固孔深度和质量要求来选择。石油钻井有专用固井设备,地质钻探1000m以浅钻孔一般采用泥浆泵注浆固孔,1000m以深钻孔也选择专用的固孔设备。固孔设备主要包括:水泥车、水泥混合器、水泥分配器、水泥头、胶塞、水泥灰罐等。
(1)水泥车
水泥车是专供注水泥和进行其他挤注工作使用的特种车辆,装有水泥(活塞)泵、柱塞泵、带标尺的水箱、管线、混合器以及辅助动力设备和变速箱等注水泥专用设备。
(2)水泥混合器
水泥混合器是直接把水和干水泥混合成水泥浆的设备。注水泥时,柱塞泵通过吸水管把水泥车水箱内的水吸入泵体,通过柱塞加压,由排水管线排出,流经混合器下方,从喷嘴中高速喷出,并迅速射入出口管内,这样使混合器底部形成真空,从而把从下灰罐中进入混合器中的干水泥粉吸下去,与水混合成均匀的水泥浆,经出口管线流入水泥浆混合池,如图3-27所示。水泥泵再把混合池中的水泥浆注入孔内。新型水泥车上装有混合器和混合池。
图3-27 注浆配浆流程图
1—下灰罐;2—水泥浆;3—水泥混合器;4—水泥浆混合池;5—注水泥管线
(3)水泥头
水泥头接在套管柱最上面的联顶节上,并与地面管线、注水泥设备相互连通(图3-28),两侧焊有短节,并装有高压闸门,分别以活接头与注水泥管线相接。同时,在另外两侧装有挡销,以搁置胶塞。
图3-28 水泥头结构示意图
1—活接头;2—水泥头体;3—挡销;4—胶塞;5—水泥头盖子;6—提环
(4)胶塞
胶塞在固孔作业中起着隔离、刮削及碰压等作用,如图3-29所示。
图3-29 典型胶塞结构示意图
(a)实心胶塞;(b)空心胶塞;(c)自锁胶塞
1—芯子;2—胶盘;3—“O”形密封圈;4—卡簧
2.注浆前置液
前置液是注水泥浆之前向孔内注入的各种专门液体,其作用是将水泥浆与泥浆隔开,起到隔离、缓冲、清洗作用,可提高固孔质量。
(1)清洗液
清洗液的作用是稀释和分散泥浆,防止泥浆胶凝和絮凝,有效清洗孔壁及套管壁,清洗残存的泥浆及泥饼;在水泥浆与孔内泥浆之间起缓冲作用,有利于提高固结质量。清洗液应当具有接近水的低密度,密度在1.03g/cm3左右;有很低的塑性黏度,有良好的流动性能,具有低剪切速率、低流动阻力,能在低速下达到紊流的流动特性,其紊流的临界流速为0.3～0.5m/s;应与水泥浆及泥浆都有良好的相容性。
清洗液通常是在淡水中加入表面活性剂或是将泥浆稀释而成。常用的清洗液为:CMC水溶液、表面活性剂水溶液以及海水等。
(2)隔离液
隔离液的作用为:能有效地隔开孔内泥浆与水泥浆;能形成平面推进型的顶替效果;对低压、漏失层可起缓冲作用;具有较高的浮力及拖曳力,以加强顶替效果。
隔离液通常为黏稠的液体。它的黏度较清洗液要大,密度稍高,静切力应稍大。它在清洗液之后注入,注完隔离液之后再注水泥浆。
地质岩心钻探固孔时前置液往往采用清水代替。
3.固孔作业流程
钻孔水泥固孔是一次性的施工工艺,因此,严格把好各工序的质量关,是保证固孔一次成功的关键。固孔作业主要流程:固孔设备安装调试、检查→调整循环孔内泥浆→向孔内注隔离液→注水泥浆→压胶塞→替浆液(先用泥浆后用清水)→水泥浆候凝→用泥浆冲管内浮浆→待水泥结石→扫水泥塞及浮箍、引鞋→转入下道工序。
4.固孔作业工艺要点
1)固孔注浆前,要认真组织施工人员,各岗位分工明确,各司其职,以保证固孔工作顺利进行。
2)固孔注浆前一定要检查调试好注浆设备,接好注浆设备各地面管汇;按设计准备足量的固孔用清水、替浆液、隔离液。
3)注隔离液,注水泥浆。倒好闸门,先用一部水泥车注入一定数量的清洗液和隔离液,隔开泥浆与水泥浆,以防钙侵,还可冲刷清洗孔壁和套管外壁,以利于提高水泥浆与套管外壁、孔壁的胶结强度。注完隔离液后,开始注入水泥浆。
4)压胶塞。注完水泥浆后,打开水泥头两侧的挡销,然后用一部水泥车以一定量的尾随液把胶塞压下。
5)替入浆液。胶塞压下后,开泥浆泵替入泥浆,泵压逐渐升高。当胶塞坐在套管承托环上时,泵压突然升高,安全销被剪断(通称碰压),碰压前也可以停泵,启动水泥车,以1m3/h左右的小排量替入清水进行碰压。
6)候凝。为了防止浮箍受压过大而损坏,对深孔及回压球封闭不良孔应采取憋压候凝的办法。在憋压候凝的过程中,由于水泥凝固放热,孔内压力升高,因此要注意观察井口压力。压力高于设定值可以从孔口装置回压阀释放一部分压力,以保证平衡。固孔候凝时间一般在24h左右,孔口压力表回零即可。
7)钻孔较浅,采用泥浆泵注浆时,较为简单,将水泥浆量算准注入后,送入替浆液和清水,至孔口返上水泥浆,使浮箍以上保留10m左右的水泥浆柱,即可关闭孔口阀门,待水泥浆候凝。
8)水泥浆候凝后,下入钻杆用大泵量泥浆冲洗管内多余浮浆至浮箍以上3～5m处,等待水泥结石。冲洗管内浮浆时尽量少回转钻具,减少敲打套管。
9)待水泥结石后(一般从水泥候凝至结石需要5～6d),可用牙轮钻头或全面合金钻头透水泥柱、扫浮箍及引鞋。
10)扫浮箍及引鞋时,要轻压、慢转,扫浮箍、引鞋结束前须用外径较大的钻头全面通孔、磨孔、冲孔,以清除孔底沉渣及保证管径,为下步施工做准备。
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