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1、1硕士硕士20022002级级 现代完井工程固井新技术固井新技术(一一)2第一部分 深井超深井固井注水泥有关设计方法和应用技术第二部分 提高复杂井固井质量技术3第一部分第一部分深井超深井固井注水泥深井超深井固井注水泥有关设计方法和应用技术有关设计方法和应用技术4固井注水泥的目的之一固井注水泥的目的之一 原油原油和和天然气天然气有序有序地从井眼地从井眼中流中流到到地面地面，必须必须建立建立密封密封性能性能良好良好的井眼通道。的井眼通道。 建立该良好通道必建立该良好通道必须有良好的固井质量和须有良好的固井质量和防止套管外壁腐蚀。防止套管外壁腐蚀。套管套管水泥环水泥环顶替液顶替液地层地层井眼井眼密封
2、密封良好良好井眼井眼固结固结良好良好井眼井眼密封密封良好良好5固井质量不好带来固井质量不好带来的主要问题之一的主要问题之一油气在油气在井下井下地层之地层之间间窜流，窜流，造成造成部分部分油气油气资源资源散失散失，导导致致流到流到地面地面的油气的油气产量减少产量减少。油气有序油气有序流入井内流入井内油气在油气在地下散失地下散失油气正常油气正常流入井内流入井内水泥浆水泥浆与泥浆与泥浆的混浆的混浆油气有序油气有序流向地面流向地面水泥环水泥环低压低压地层地层6 现场及室内研究表明，提高油气井固井质量现场及室内研究表明，提高油气井固井质量所涉及的问题很多，如水泥浆特性、水泥浆流动所涉及的问题很多，如水泥
3、浆特性、水泥浆流动规律、压力平衡、井身质量、套管居中及水泥浆规律、压力平衡、井身质量、套管居中及水泥浆与泥浆流变性能的合理配合等方面。与泥浆流变性能的合理配合等方面。如何把这些如何把这些因素作为一项系统工程有机地结合起来，是当前因素作为一项系统工程有机地结合起来，是当前提高固井质量的主要方向。提高固井质量的主要方向。 现场将这些问题归纳为现场将这些问题归纳为压稳、居中、替净压稳、居中、替净和密封和密封的八字方针。的八字方针。7具体要求解决的问题有具体要求解决的问题有4 4个方面：个方面： (1) (1) 水泥浆注替和凝结过程，必须保证浆柱水泥浆注替和凝结过程，必须保证浆柱当量压力当量压力与地层
4、压力的平衡关系，作到水泥浆不与地层压力的平衡关系，作到水泥浆不漏，油气水不因水泥浆失重而造成窜流问题；漏，油气水不因水泥浆失重而造成窜流问题； (2) (2) 清除和替净环空泥浆，提高水泥浆的顶清除和替净环空泥浆，提高水泥浆的顶替效率和水泥环的胶结质量；替效率和水泥环的胶结质量； (3) (3) 提高水泥石的密封质量，无局部水槽、提高水泥石的密封质量，无局部水槽、横向水带和窜槽现象，满足后继工程的要求；横向水带和窜槽现象，满足后继工程的要求； (4)(4) 保证油气井的正常生产寿命。保证油气井的正常生产寿命。8环空窜流预测方法环空窜流预测方法适合井况要求的水泥浆体系适合井况要求的水泥浆体系小间
5、隙环空注水泥流动计算方法小间隙环空注水泥流动计算方法 防止套管外壁腐蚀的水泥浆体系防止套管外壁腐蚀的水泥浆体系9一、一、环空气窜预测方法环空气窜预测方法现场容易于操作的气窜预测评价现场容易于操作的气窜预测评价方法。方法。10 生产实践和研究表明，高压油气井固井后环空发生油气水生产实践和研究表明，高压油气井固井后环空发生油气水窜或井口冒油冒气问题，其主要原因是水泥浆失重所致，具窜或井口冒油冒气问题，其主要原因是水泥浆失重所致，具体表现为以下体表现为以下4个方面：个方面： (1) (1) 水泥浆在凝结过程中，其内部结构力不断增强，与水泥浆在凝结过程中，其内部结构力不断增强，与井壁和套管的连接力井壁
6、和套管的连接力( (胶凝强度胶凝强度) )不断增加，水泥环重量逐步不断增加，水泥环重量逐步悬挂在套管和井壁上，降低了对地层的压力；悬挂在套管和井壁上，降低了对地层的压力； (2) (2) 水泥浆在凝结过程中，由于水化作用，水泥石基体内水泥浆在凝结过程中，由于水化作用，水泥石基体内部收缩形成微孔隙，同时外观也产生体积收缩，降低了孔隙部收缩形成微孔隙，同时外观也产生体积收缩，降低了孔隙压力和对地层的压力。一般水泥浆初凝时的收缩率为压力和对地层的压力。一般水泥浆初凝时的收缩率为0.1%0.1% 0 0. .5%5%，终凝却大于，终凝却大于2%2%；11 (3) 在水泥浆柱中，水泥浆内自由水的分离，形
7、成了连在水泥浆柱中，水泥浆内自由水的分离，形成了连通的轴向水槽通的轴向水槽(或水带或水带)，降低了对地层的压力。，降低了对地层的压力。这种现象在这种现象在斜井中尤为明显，即在井壁上侧形成了一条明显的水槽，这斜井中尤为明显，即在井壁上侧形成了一条明显的水槽，这是油、气、水窜的主要通道；是油、气、水窜的主要通道； (4) 水泥浆失水一般较大，其自由水易渗入渗透性好的地水泥浆失水一般较大，其自由水易渗入渗透性好的地层，在环形空间产生桥堵，阻碍了浆柱对桥堵以下段浆体的层，在环形空间产生桥堵，阻碍了浆柱对桥堵以下段浆体的压力传递，造成了桥堵段下面地层的油气水互窜。压力传递，造成了桥堵段下面地层的油气水互
8、窜。12析 水 率 (% ) 水 泥 浆 配 方(0 .4 4W /C )A P I 失 水量 （ m l）标 准 测 量长 玻 璃 管水 泥 浆 凝 结 情 况抗 气 侵 能 力G 级 嘉 华 水 泥1 6 0 01 .4 01 .3 6水 泥 石 内 有 间 断 ， 极 细 连 通的 自 由 水 通 道 。极 弱G 级 1 S X Y 1 .2 B7 0 01 .0 01 .8 0水 泥 石 内 有 极 细 的 自 由 水 上窜 通 道 。较 弱G 级 1% H S -1 0 .7 S X Y5 0 00 .6 00 .5 0水 泥 石 内 有 宽 窄 不 均 、 连 通的 细 水 槽 ，
9、 槽 宽 约 1 2 m m 。中 等G 级 3 H S -1 0 .7 % S X Y2 5 00 .1 00 .1 8水 泥 石 凝 结 均 匀 ， 无 连 通 的细 水 槽 ， 仅 在 上 部 有 宽 约1 m m 的 间 断 横 向 水 带 。G 级 4% H S -1 0 .7 % S X Y2 0 00 .0 00 .0 0水 泥 石 凝 结 均 匀 , 无 纵 向 和横 向 水 槽 。G 级 7% H S -1 0 .8 % S X Y1 0 00 .0 00 .0 0水 泥 石 凝 结 均 匀 , 无 纵 向 和横 向 水 槽 。较 强5 0 00 .7 00 .7 2水 泥
10、石 上 部 有 微 细 连 通 自 由水 通 道 。中 等2 5 00 .3 50 .2 7水 泥 石 内 凝 结 基 本 均 匀 ， 上部 有 间 断 的 微 细 水 槽 。2 0 00 .0 80 .0 5水 泥 石 凝 结 均 匀 ， 无 纵 向 和横 向 水 槽 。G 级 JR 2 S X Y1 0 00 .0 00 .0 0水 泥 石 凝 结 均 匀 ， 无 纵 向 和横 向 水 槽 。较 强1314模拟装置水泥浆类 型速凝(缓凝)段长水泥浆柱压力(MPa)气层压力(MPa)压差比(%)气侵情况单凝(6.5)0.1170.088(0.071)3.52 气窜到顶。1双凝1.5(5)0.
11、1170.08825.0未气侵。单凝(2)0.03337.52.05h 气窜到顶。双凝0.03337.5未气侵。双凝0.0342 5.0未气侵。2双凝0.66(1.37)0.0360.03454.16下部速凝段有气侵，未穿透。单凝(2)0.0360.0315(0.0295)12.52.8h 气窜到顶。3双凝0.66(1.37)0.0315未气侵。备注括弧中的数值为开始气侵时浆柱的压力。12.5 压差比用压差比用(Pc-Pf)/Pc表示，表示，Pc，Pf分别为水泥浆柱原始压力分别为水泥浆柱原始压力和气层压力。和气层压力。15从表可知：从表可知：(a) 双凝水泥浆的防气窜效果明显优于单凝水泥浆。在
12、双凝水泥浆的防气窜效果明显优于单凝水泥浆。在相同条件下，单凝水泥浆发生了气窜，而双凝水泥浆却相同条件下，单凝水泥浆发生了气窜，而双凝水泥浆却阻止了气体进入井筒。阻止了气体进入井筒。(b) 随着气层压力的增加和压差比减少，双凝水泥浆防随着气层压力的增加和压差比减少，双凝水泥浆防止气窜的效果，同样有一定的限制。从序号止气窜的效果，同样有一定的限制。从序号2的实验可以的实验可以看出，当压差减少了看出，当压差减少了2.5%后，防气窜仍然有效，当压差后，防气窜仍然有效，当压差比进一步减小到比进一步减小到4.16%时，气体同样侵入速凝水泥段，气时，气体同样侵入速凝水泥段，气体虽未穿过该井段，却在下部形成明
13、显的气斑。体虽未穿过该井段，却在下部形成明显的气斑。16(c) 水泥浆的缓凝段与速凝段长度比，一般选用水泥浆的缓凝段与速凝段长度比，一般选用2 1的的关系，可得到较好的防气窜效果。关系，可得到较好的防气窜效果。因此，应用双凝水泥浆不仅要考虑两种水泥浆的封隔因此，应用双凝水泥浆不仅要考虑两种水泥浆的封隔长度、初凝时间的差值，还要考虑水泥浆失重、浆柱压长度、初凝时间的差值，还要考虑水泥浆失重、浆柱压力、气层压力以及气侵压力的平衡关系。力、气层压力以及气侵压力的平衡关系。17(3)(3)环空憋回压环空憋回压憋憋回回压压效效果果比比较较序号总液柱压力(MPa)充气压力(MPa）压差比(%)憋回压值(M
14、Pa)失水处理情况气侵情况10.1180.0885250.00未放失水气窜到顶20.1200.0900250.02未放失水未侵30.1170.0880250.00放失水气窜到顶40.1180.0885250.02放失水未侵憋憋回回压压的的合合理理时时间间井底压力 (MPa)序号憋压开始时间憋压值(MPa)憋压前憋压后增加值传压率(%)5020(初注入)0.01800.1130.1300.017946522(初凝)0.05550.0640.0780.0132318由以上试验结果可见：由以上试验结果可见： (a) 两种处理失水方法的试验都说明，井口憋回压对两种处理失水方法的试验都说明，井口憋回压对
15、防止气侵有一定效果，在放失水情况下要憋较大的回压防止气侵有一定效果，在放失水情况下要憋较大的回压才能防止气侵。才能防止气侵。 (b)传压率随水泥凝结而不断下降。因此，在地层许可传压率随水泥凝结而不断下降。因此，在地层许可条件下，憋压越早，效果越好。一般可选择水泥浆候凝条件下，憋压越早，效果越好。一般可选择水泥浆候凝60 min前进行憋压。前进行憋压。19 A A值越小，过渡时间越短，防窜效果越好；值越小，过渡时间越短，防窜效果越好；评价标准：评价标准：0 00.1100.110防窜效果极好防窜效果极好0.1100.1100.1250.125防窜效果中等防窜效果中等0.1250.1250.150
16、.15防窜效果较差防窜效果较差 较好的反映了水泥浆的实际抗气窜能力。较好的反映了水泥浆的实际抗气窜能力。)tt0.182(A30BC100BC20 防窜对水泥浆性能的要求防窜对水泥浆性能的要求 高防窜要求A0.110，中等防窜要求A=0.1100.125； 自由水量 0.50%； APIAPI失水失水 100 100 ml ml。21二、适合井况要求的二、适合井况要求的水泥浆体系水泥浆体系22 为适应各种井况固井的要求，水泥浆体系可按如为适应各种井况固井的要求，水泥浆体系可按如下分类：下分类： 按密度分：按密度分： 高密度、超高密度水泥浆体系高密度、超高密度水泥浆体系 低密度、超低密度水泥浆体
17、系低密度、超低密度水泥浆体系 按特定功能分：按特定功能分： 防窜水泥浆体系、抗盐水泥浆体系、抗腐蚀水泥防窜水泥浆体系、抗盐水泥浆体系、抗腐蚀水泥浆体系、增塑抗冲击水泥浆体系等。浆体系、增塑抗冲击水泥浆体系等。231 1 水泥浆体系研究的水泥浆体系研究的根本原则根本原则 242 2 水泥浆体系研究的水泥浆体系研究的具体原则具体原则(1)(1)提高顶替效率原则：提高顶替效率原则：合理的切力与粘度：合理的切力与粘度： oc、 osp、 om 分别为水泥浆、分别为水泥浆、隔离液及泥浆的动切力；隔离液及泥浆的动切力； oc、 osp、 om 分别为水泥浆、分别为水泥浆、隔离液及泥浆的塑性粘度；隔离液及泥
18、浆的塑性粘度； oc、 osp、 om 分别为水泥浆、分别为水泥浆、隔离液及泥浆的密度。隔离液及泥浆的密度。252 2 水泥浆体系研究的水泥浆体系研究的具体原则具体原则(2)(2)特殊功能原则：特殊功能原则： 26平衡固井水泥浆：平衡固井水泥浆：优选水泥浆触变外加剂，使浆优选水泥浆触变外加剂，使浆体在注替和候凝过程满足平衡：体在注替和候凝过程满足平衡： 防漏有效当量压力防漏有效当量压力( (有效液柱压力有效液柱压力- -触变当触变当量压力量压力) )不高于漏失压力。不高于漏失压力。 防窜有效当量压力防窜有效当量压力( (有效液柱压力有效液柱压力+ +气窜阻气窜阻力力) )不低于溢流压力。不低于
19、溢流压力。27 3 3 几种水泥浆体系几种水泥浆体系(1)(1)高密度、超高密度水泥浆体系高密度、超高密度水泥浆体系( (a)a)超高密度水泥浆超高密度水泥浆2.602.60g/cmg/cm3 3设计实例设计实例加重料优选加重料优选：铁矿粉应经精选，以减少其粘度效应。：铁矿粉应经精选，以减少其粘度效应。 密密 度：度：4.904.90g/cmg/cm3 3，不低于，不低于4.704.70g/cmg/cm3 3。 粒度分布：粒度分布：应有宽的分布。试验表明由适当比例应有宽的分布。试验表明由适当比例的的8080 120120目，目，160160 180180目，目，200200 325325目等铁
20、矿粉组成目等铁矿粉组成能获得性能较好的高密度水泥浆。能获得性能较好的高密度水泥浆。外加剂优选：外加剂优选：对水泥石早期强度发展影响小、稠化时对水泥石早期强度发展影响小、稠化时间易于调整。同时，应注意控制降失水剂的加量，使间易于调整。同时，应注意控制降失水剂的加量，使水泥浆具有良好的可泵性。水泥浆具有良好的可泵性。28(1)(1)高密度水泥浆的典型配方及性能高密度水泥浆的典型配方及性能典型配方典型配方F Fe e2 2O O3 3，% %序序号号密密度度g g/ /c cm m3 3一一次次加加重重二二次次加加重重降降失失水水剂剂分分散散剂剂缓缓凝凝剂剂稳稳定定剂剂1 12 2. .5 52 2
21、1 12 20 0 2 20 00 0目目7 70 08 80 0 1 12 20 0目目2 25 5S ST T2 20 00 0S S1 1. .8 8% %S SX XY Y- -2 21 1% %S ST T2 20 00 0R R0 0. .3 3% %W WG G2 2% %2 22 2. .5 54 41 12 20 0 2 20 00 0目目7 78 88 80 0 1 12 20 0目目5 52 2S ST T2 20 00 0S S1 1. .8 8% %S SX XY Y- -2 20 0. .9 9% %S ST T2 20 00 0R R0 0. .0 03 3% %
22、W WG G1 1% %3 32 2. .6 62 21 13 30 0S ST T2 20 00 0S S1 1. .8 8% %S SX XY Y- -2 20 0. .8 8% %S ST T2 20 00 0R R0 0. .0 02 2% %4 42 2. .4 46 61 12 20 0 2 20 00 0目目7 70 08 80 0 1 12 20 0目目1 10 0D D6 60 00 01 12 2% %D D6 60 04 42 2. .5 5% %D D8 80 01 10 0. .5 56 6% %D D1 13 35 51 1. .1 1% %5 52 2. .6 6
23、0 01 12 20 0 2 20 00 0目目1 10 00 08 80 0 1 12 20 0目目1 10 0D D6 60 00 01 16 6% %D D6 60 04 43 3. .7 7% %D D1 13 35 50 0. .9 9% %29典型配方的性能典型配方的性能序序号号密密度度g g/ /c cm m3 3流流动动度度c cm m析析水水% %A AP PI I失失水水m ml l/ /3 30 0m mi in n稠稠化化时时间间m mi in n/ /抗抗压压强强度度M MP Pa a/ / /h hr rs s1 12 2. .5 52 22 21 14 45 56
24、 6/ /8 80 02 22 2. .5 54 42 23 31 11 1. .2 22 24 40 0/ /6 60 03 32 2. .6 62 22 22 20 0. .8 81 16 63 31 15 5/ /6 60 02 29 9. .1 1/ /7 70 0/ /4 48 84 42 2. .4 46 65 57 76 6/ /6 65 55 52 2. .6 60 01 16 60 0/ /8 80 01 19 9/ /9 90 0/ /2 24 4303132(2)(2)低密度、超高密度水泥浆体系低密度、超高密度水泥浆体系33( (a)a)超低密度水泥浆超低密度水泥浆序序
25、密密 外加剂加量外加剂加量(%) (%) 备备 注注号号 度度 水泥水泥/ /减轻剂减轻剂 早强剂早强剂 分散剂分散剂 降失水剂降失水剂 缓凝剂缓凝剂1 1.30 100/30 3.0 0.5 0.7 0.101 1.30 100/30 3.0 0.5 0.7 0.102 1.25 100/50 3.0 0.7 1.0 0.07 2 1.25 100/50 3.0 0.7 1.0 0.07 体系体系1 13 31.20 100/75 4.0 0.81.20 100/75 4.0 0.8 1.2 0.05 1.2 0.054 1.30 100/30 3.0 1.5 5.0 0.154 1.30
26、100/30 3.0 1.5 5.0 0.155 1.25 100/50 3.0 2.05 1.25 100/50 3.0 2.0 6.0 0.08 6.0 0.08 体系体系2 26 61.20 100/75 4.0 2.51.20 100/75 4.0 2.5 7.0 0.06 7.0 0.0634序序 密密 流动度流动度 析水析水 失水失水 流变性能流变性能 稠化时间稠化时间 强度强度 渗透率渗透率号号 度度 cm cm % ml % ml s s(Pa) (Pa) 0 0(Pa(Pa s sn n) min Mpa) min Mpa1 1 1.30 22 0 192 3.53 0.06
27、9 210 11.5 1.30 22 0 192 3.53 0.069 210 11.5 0 02 2 1.25 21.5 0 188 3.05 0.077 235 1.25 21.5 0 188 3.05 0.077 235 10.0 10.0 0 03 3 1.20 22 0 164 5.11 0.056 272 8.2 1.20 22 0 164 5.11 0.056 272 8.2 0 04 4 1.30 21.5 0 120 3.31 0.062 183 12.4 1.30 21.5 0 120 3.31 0.062 183 12.4 0 05 5 1.25 22 1.25 22 0
28、 108 2.88 0.067 220 11.2 0 108 2.88 0.067 220 11.2 0 06 6 1.20 22 0 80 3.07 0.073 248 9.3 1.20 22 0 80 3.07 0.073 248 9.3 0 035漂珠漂珠膨润土膨润土粉煤灰粉煤灰硅藻土硅藻土减轻剂筛选减轻剂筛选 硅藻土硅藻土外加剂优选外加剂优选36外加剂及加量（BWOS，%）密度D80AD801D149流动度析水API失水稠化时间(min)75C52MPa90C抗压强度(MPa)1.331.01.51.51.50.81.21.51.80.50.50.50.5222323.523.5000
29、0102/ 8917419937262075.4/1.450.81.01.51.51.51.50.21.30.40.4/0.60.50.5/0.20.30.52222.523232322000000/105120115109/2703601782163124896.0/1615.511.413.8备注 (1)水泥浆密度 1.33 和 1.45g/cm3的水泥与硅藻土之比分别为 100:40 和 100:30;(2)D158 加量 7%,CDF901加量 0.2%。深井超深井低密度水泥浆配方及性能深井超深井低密度水泥浆配方及性能 中温配方中温配方37深井超深井低密度水泥浆配方及性能深井超深井低密
30、度水泥浆配方及性能高温配方高温配方外外加加剂剂及及加加量量（B BW WO OS S，% %）密密度度D D8 80 0A AD D8 80 01 1D D1 15 58 8D D1 14 49 99 90 01 1流流动动度度稠稠化化时时间间( (m mi in n) )1 11 15 5 C C 5 52 2M MP Pa a1 14 40 0 C C抗抗压压强强度度( (M MP Pa a) )1 1 3 33 31 1. .0 01 1. .5 51 1. .5 50 0. .8 80 0. .6 60 0. .8 87 77 77 70 0. .3 30 0. .3 30 0. .3
31、 30 0. .2 20 0. .2 20 0. .2 22 22 22 23 32 24 42 27 74 42 25 59 93 36 62 26 6. .4 48 8. .2 2/ /1 1. .4 45 51 1. .2 21 1. .5 51 1. .5 51 1. .0 00 0. .6 60 0. .8 87 77 77 70 0. .3 30 0. .2 20 0. .3 30 0. .2 20 0. .2 20 0. .2 22 22 2. .5 52 23 32 23 3. .5 53 33 35 52 20 09 93 34 42 2/ /1 11 1. .2 21 10
32、 0备备注注 水水泥泥浆浆密密度度 1 1. .3 33 3 和和 1 1. .4 45 5g g/ /c cm m3 3的的水水泥泥: :石石英英砂砂: :硅硅藻藻土土之之比比分分别别为为1 10 00 0: :3 35 5: :4 40 0和和1 10 00 0: :3 35 5: :3 30 0。38深井超深井低密度水泥浆现场应用深井超深井低密度水泥浆现场应用39井号井号:红旗红旗2井井提提2井井井深井深:4613m5362套管尺寸套管尺寸:7 7 尾管尾管封固段封固段: 3610-46102835-5362电测温度电测温度:118/5540m128/5361m浆体密度浆体密度:1.38
33、1.36套管试压套管试压:固井质量固井质量:试油结果试油结果: (日产日产)两口试验井结果两口试验井结果40(a) PLT-1S(中低温中低温)常规密度水泥浆性能常规密度水泥浆性能P PL LT T- -1 1S S增增塑塑防防裂裂水水泥泥浆浆性性能能流变性抗压强度(MPa)序号PLT-1S温度()流动度(cm)析水(%)失水(ml)稠化时间(min)nk24 h48 h106531800212730微601580.79540.2150131840微50150142021.850微461400.85240.1702162265微36110242731.885微321050.84110.1428
34、2565微30117202542.085大于23微301122227典典型型水水泥泥石石的的弹弹性性模模量量( s=1.90 g/cm3)48h 弹性模量序号PLT-1S(%)温度()GPa，%16.443021.85.37216.632.04.11636.142.5653.73442.041水水泥泥浆浆不不同同时时刻刻的的气气侵侵压压力力65时，浆体不同时刻的气窜压力(kPa)配 方60 min120 min150min180min初凝时间(min)G 级净浆3.57.59.524.51201.8%PLT-1S14.517.520.545.5275试试验验水水泥泥浆浆的的配配方方及及主主要要
35、性性能能( s=1.90 g/cm3)序号PLT-1S温度()析水(%)API失水(ml)t100BCt30BCA备注1653.01800失水远大于200ml，试验表明不防窜。21.575微52112980.124较强32.075401271140.108强42.575321381250.103强42浆体凝结过程中的孔隙压力变化曲线浆体凝结过程中的孔隙压力变化曲线0510152025300100200300400孔隙压力，孔隙压力，MPa静置时间，静置时间，min2%PLT-1S净浆1.8%PLT-1S2.0%PLT-1S7575稠化曲线稠化曲线43(b) PLT-2S(高温高温)常规密度水泥
36、浆性能常规密度水泥浆性能PLTPLT-2S-2S增塑防裂水泥浆性能增塑防裂水泥浆性能抗压强度(MPa)序号PLT-2S温度()流动度(cm)析水(%)失水(ml)稠化时间(min)24 h48 h弹性模量，GPa95微4028023329.23011.8100微46265253511.321110微3624530388.12622.0120大于23微4622032389.42744(c) PLT-1S(中低温中低温)低密度水泥浆性能低密度水泥浆性能流变性能抗压强度(MPa)密度g/cm3PLT-1S(%)温度()析水(%)API 失水(ml)稠化时间(min)nk24h48h浆体触变防漏能力，
37、g/cm31.6535301220.69240.306412140.1211.840300.101.302.050微2810514170.1121.865301180.98430.071715170.1061.352.085微269517180.1321.865301100.75890.373315180.101.402.085微2413016200.161.30g/cm3, 1.40g/cm385 稠化曲线稠化曲线45 46 小间隙环空影响固井质量主要体现在小间隙环空影响固井质量主要体现在 ：环空返速高、环空摩阻压降高、当量循环环空返速高、环空摩阻压降高、当量循环密度高、顶替效率低。密度高、
38、顶替效率低。 这些影响因素交织在一起，使海洋深这些影响因素交织在一起，使海洋深探井小间隙环空固井注水泥应用平衡压力探井小间隙环空固井注水泥应用平衡压力设计及提高注水泥顶替效率技术，面临着设计及提高注水泥顶替效率技术，面临着严峻的挑战。严峻的挑战。 471 小间隙环空流动计算方法分析小间隙环空流动计算方法分析 从偏心环空速度场与流动压力计算公式来看，从偏心环空速度场与流动压力计算公式来看，对于小间隙环空，如果不考虑套管的旋转情况对于小间隙环空，如果不考虑套管的旋转情况（这与目前的实际注水泥施工工况是一致的），（这与目前的实际注水泥施工工况是一致的），其速度场与流动压力的计算方法应是一致的。其速度
39、场与流动压力的计算方法应是一致的。 但实际施工的结果表明，用常规方法计算的但实际施工的结果表明，用常规方法计算的小间隙流动压力的误差比计算的常规间隙环空流小间隙流动压力的误差比计算的常规间隙环空流动压力的误差要大。其原因主要在于以下几个方动压力的误差要大。其原因主要在于以下几个方面。面。 48（1）流变参数计算）流变参数计算 现在注水泥流变学标准规定水泥浆的流变参数使用旋转现在注水泥流变学标准规定水泥浆的流变参数使用旋转粘度计粘度计300转和转和100转的读值进行计算。这主要是考虑水泥浆转的读值进行计算。这主要是考虑水泥浆在一般环空中的剪切速率在在一般环空中的剪切速率在511s-1与与170s
40、-1之间的缘故。之间的缘故。 在小间隙环空中，其水泥浆流动的剪切速率将大大增加，在小间隙环空中，其水泥浆流动的剪切速率将大大增加，所以再用所以再用300转与转与100转的读值进行计算势必出现较大偏差。转的读值进行计算势必出现较大偏差。 下表是流体流速对小间隙环空管壁处的剪切速率的影响下表是流体流速对小间隙环空管壁处的剪切速率的影响情况。情况。 49表表1 流速对小间隙环空流动剪切速率的影响流速对小间隙环空流动剪切速率的影响 对上述小间隙环空，如以排量对上述小间隙环空，如以排量0.6（m3/min）进行注水泥作业，）进行注水泥作业，其环空平均返速已近或超过其环空平均返速已近或超过1.0（m/s）
41、，如以），如以1.0（m3/min）注水泥，）注水泥，则返速可达则返速可达1.5（m/s）以上。可以看出，在小间隙环空中，其水泥）以上。可以看出，在小间隙环空中，其水泥浆实际的剪切速率一般均大于旋转粘度计的浆实际的剪切速率一般均大于旋转粘度计的300转的值，这时如再转的值，这时如再用用300转与转与100转读值进行计算，则可能导致较大偏差。转读值进行计算，则可能导致较大偏差。 n值值井身结构井身结构间隙值间隙值(mm)平均流速平均流速(m/s)11.520.3 5 -7/8511.1960 s-11441 s-11922 s-16 512.7840 s-11260 s-11680 s-18 -
42、1/27 -5/811.1960 s-11441 s-11922 s-10.6 5 -7/8511.1660 s-1991 s-11320 s-16 512.7577 s-1866 s-11154 s-18 -1/27 -5/811.1660 s-1991 s-11320 s-150（2）小间隙条件下流态计算的影响）小间隙条件下流态计算的影响 从前面的计算分析中可以看出，在实际的小间隙环空从前面的计算分析中可以看出，在实际的小间隙环空注水泥作业中，其顶替排量均较低，故顶替过程的水泥注水泥作业中，其顶替排量均较低，故顶替过程的水泥浆雷诺数一般均为层流或过渡流。浆雷诺数一般均为层流或过渡流。 大多
43、数的理论分析和实验表明，在环空内临界雷诺数大多数的理论分析和实验表明，在环空内临界雷诺数的值应随环空直径比增加而增大，因此，在小间隙环空的值应随环空直径比增加而增大，因此，在小间隙环空中对流态的判别标准不宜使用与常规流动计算中的标准，中对流态的判别标准不宜使用与常规流动计算中的标准，即：即：Rc=3470-1370n。 小间隙环空实际的紊流临界雷诺数上限可达小间隙环空实际的紊流临界雷诺数上限可达3600，并，并且，有关研究也表明常规计算中采用的紊流临界流量要且，有关研究也表明常规计算中采用的紊流临界流量要偏低偏低15%到到20%。这也进一步说明了顶替过程的水泥浆。这也进一步说明了顶替过程的水泥
44、浆雷诺数一般均为层流或过渡流。雷诺数一般均为层流或过渡流。 51（3）小间隙条件下套管偏心的影响）小间隙条件下套管偏心的影响 套管偏心造成环空流速分布随间隙的变化而不一致，套管偏心造成环空流速分布随间隙的变化而不一致，从而导致循环压耗减少，这一现象叫做偏心效应，偏心从而导致循环压耗减少，这一现象叫做偏心效应，偏心效应系数用效应系数用R表示，其值为偏心环空压耗与同心环空压耗表示，其值为偏心环空压耗与同心环空压耗之比。之比。 cedLdPdLdPR)()(52 如考虑计算环空段不弯曲，即同方向上间隙变如考虑计算环空段不弯曲，即同方向上间隙变化一致，将同心环空压力计算式与偏心环空压降化一致，将同心环
45、空压力计算式与偏心环空压降计算式带入后计算式带入后(对幂律流体对幂律流体)有：有：式中： e 偏心度 e=2/(Dw-Dc)； 为偏心距，cm；Dw, Dc 为井眼与套管的直径，cm。 wcwcnDDDDMenMnnGGR1)(3)1(41112253 对小间隙环空情况，一般对小间隙环空情况，一般Dc/Dw均小于均小于1.2（如几种（如几种典型井身结构），则典型井身结构），则 M的值应为的值应为2。即：。即： 表表2 小间隙环空偏心效应系数（偏心度不变化时）小间隙环空偏心效应系数（偏心度不变化时） 可以看出，对小间隙环空其偏心效应系数与间隙大可以看出，对小间隙环空其偏心效应系数与间隙大小无关。
46、小无关。 224) 12)(1(1ennnG n Re 0.20.40.60.880%0.1300.2840.3900.46165%0.1840.3750.4920.56250%0.2760.5040.6210.68654 如考虑井眼弯曲和流态的影响，可采用文献提出的计算如考虑井眼弯曲和流态的影响，可采用文献提出的计算方法。方法。 层流：层流： 对与小间隙直径比对与小间隙直径比Dw/Dc不大于不大于1.2的情况，上式可简化为：的情况，上式可简化为： 利用该公式计算出的现场实际情况下（利用该公式计算出的现场实际情况下（n=0.6, e=60%）的的R值在值在0.6左右，与左右，与前面表前面表2的
47、计算结果是基本一致的。的计算结果是基本一致的。 2527. 031852. 028454. 0)(96. 0)(5 . 1)(07. 01wcwcwclamDDneDDneDDneRneneneRlam3296.05 .107.0155紊流：紊流： 同样，小间隙直径比同样，小间隙直径比Dw/Dc不大于不大于1.2，简化后有：，简化后有： 以上简化方程的偏差一般在以上简化方程的偏差一般在23%左右，最大不左右，最大不超过超过5% 。2527. 031852. 028454. 0)(285. 0)(32)(048. 01wcwcwcturbDDneDDneDDneRneneneRturb3285.
48、032048.01562 小间隙环空注水泥流动计算方法小间隙环空注水泥流动计算方法 注水泥过程进行流动计算的关键：是如何准确计算流注水泥过程进行流动计算的关键：是如何准确计算流动阻力。动阻力。 前面已分析了水泥浆在小间隙环空中流变参数、流态前面已分析了水泥浆在小间隙环空中流变参数、流态和偏心的影响及其考虑方法。归结起来，小间隙环空流和偏心的影响及其考虑方法。归结起来，小间隙环空流动阻力的计算式可表达为：动阻力的计算式可表达为： 如果偏心情况已定，水泥浆的流变参数按如果偏心情况已定，水泥浆的流变参数按600转和转和300转计算，准确计算流动摩阻压力的关键便是转计算，准确计算流动摩阻压力的关键便是
49、流动摩阻系流动摩阻系数数f的确定。的确定。 RDDLVfPcw22.057 在常规的固井计算中，其在常规的固井计算中，其 f 的计算方法为：的计算方法为： 其中其中a、b的取值根据流态的不同而不同，在的取值根据流态的不同而不同，在层流时，层流时，a=24，b=1。 而在紊流时，而在紊流时，a、b的取值根据流变模式的不的取值根据流变模式的不同而不同。同而不同。 为准确计算小间隙固井时的为准确计算小间隙固井时的 f 值，针对井眼情值，针对井眼情况，可从理论计算和现场统计两方面进行考虑。况，可从理论计算和现场统计两方面进行考虑。 bNafRe58（1） 理论计算模型理论计算模型 从理论上分析，注水泥
50、施工过程小间隙环空流动方程从理论上分析，注水泥施工过程小间隙环空流动方程的建立从原理和方法上与常规环空的流动方程是一致的。的建立从原理和方法上与常规环空的流动方程是一致的。因此，前面建立的流动方程同样适用于小间隙环空。因此，前面建立的流动方程同样适用于小间隙环空。 但是，研究说明，在小间隙环空中，流变参数计算方但是，研究说明，在小间隙环空中，流变参数计算方法、流态判别标准的变化和偏心对流动计算的影响将更法、流态判别标准的变化和偏心对流动计算的影响将更为突出，其影响程度比常规间隙环空中这些因素的影响为突出，其影响程度比常规间隙环空中这些因素的影响要大得多。要大得多。 如何更准确考虑小间隙环空的流