Ⅰ 固孔技術
固孔(石油鑽井稱之固井)就是加固和封閉、隔離孔壁。其方法就是下完套管後,向套管與孔壁間隙中注入水泥進行固結。固孔作業主要內容有:固孔水泥的選擇,水泥漿性能的確定,水泥漿與替漿液量計算,灌漿,透孔掃浮力塞等。深孔固孔時,需要進行專門固孔技術設計,以指導固孔作業。
(一)固孔水泥的選擇
選擇固孔水泥需以鑽孔深度、固孔水泥環強度及工藝方法等為依據。石油固井水泥主要根據適用井深、溫度進行分類,普通水泥以水泥結石齡期強度進行分類。
美國API標准把油井水泥分為A、B、C、D、E、F、G、H、J九級。其中A、B、C級為基質水泥,D、E、F級水泥在燒制時允許加入調節劑,G、H級允許加入石膏,J級應符合特定標准。
A級:適用深度0～1828.8m,溫度至76.7℃,僅有普通型1種,無特殊性能要求。
B級:適用深度0～1828.8m,屬中熱水泥,溫度至76.7℃,有中抗硫(硫酸鹽)和高抗硫兩種。
C級:適用深度0～1828.8m,溫度至76.7℃,屬高早期強度水泥,分普通、中抗硫及高抗硫3種。
D級:適用深度1828.8～3050m,溫度76～127℃,為基質水泥加緩凝劑,用於中溫、中壓條件,分為中抗硫及高抗硫兩種。
E級:適用深度3050～4270m,溫度76～143℃,為基質水泥加緩凝劑,用於高溫、高壓條件,分為中抗硫及高抗硫兩種。
F級:適用深度3050～4880m,溫度110～160℃,為基質水泥加緩凝劑,用於超高溫和超高壓條件,分為中抗硫及高抗硫兩種。
G級及H級:適用深度0～2440m,溫度0～93℃,為兩種基質水泥,加入調節劑後可用於較大的范圍,分為中抗硫及高抗硫兩種。
J級:適用深度3660～4880m,溫度49～160℃,僅有普通型,用於超高溫條件。
我國把油井水泥分為4類,即:45℃、75℃、95℃及120℃,其質量標准見表3-9。把普通水泥分為6類,即42.5級、42.5R級、52.5級、52.5R級、62.5級、62.5R級。普通水泥分類強度指標見表3-10。
表3-9 我國溫度系列水泥質量標准
表3-10 我國普通水泥分類強度指標
對地質岩心鑽探而言,無特殊要求情況下,一般可選52.5～62.5R級普通型水泥固孔,特深情況下應選擇相應孔深的油井水泥固孔。
(二)固孔水泥漿性能確定
影響固孔作業的水泥漿性能主要有:密度、水灰比、稠化時間、凝結時間(初凝和終凝時間)、水泥石強度及水泥石抗腐蝕性等。
1.水泥漿的密度
水泥干灰的密度一般為3.05～3.20g/cm3。水泥完全水化需要的水為水泥質量的20%左右,但此時水泥漿基本不能流動。要使水泥漿能流動,加水量應達到水泥質量的45%～50%,配製出的水泥漿的密度為1.80～1.90g/cm3,一般也是固孔時所選用的密度。
2.水泥漿的水灰比
水灰比是指水泥漿中水與干水泥質量的比值。比值越大,水泥漿密度越小(水泥漿越稀),改變水灰比可調節水泥漿的密度。固孔時,一般水灰比控制在0.45～0.5之間。
3.水泥漿的稠化時間
水泥漿調成之後,隨著水化反應的進行,水泥漿逐漸變稠,流動性變差。在用泵注入水泥漿及頂替過程中,可能會出現水泥漿流動越來越困難甚至不能泵入的情況。此時,雖然水泥還未凝固,但已無法用泵注入及頂替了。因此,注水泥的全過程必須在水泥漿稠化之前完成,稠化時間就決定了注水泥施工作業的時間。對於施工周期長的深孔注水泥,就應當有較長的水泥漿稠化時間為保證。
水泥漿的稠化時間是指水泥漿從配置開始到其稠度達到規定值所用的時間。例如API標准中規定從開始混拌到水泥漿稠度達到100BC(水泥稠度單位)所用的時間為水泥漿稠化時間。API標准規定,在初始的15～30min時間內,稠化值應當小於30BC。好的稠化情況是在固孔總施工時間內,水泥漿的稠度在50BC以內。
4.水泥漿的凝結時間
水泥漿調成即開始水化,從液態轉變為固態的時間就是水泥漿的凝結時間。這一時間不同於稠化時間。一般來說,水泥漿的凝結時間大於稠化時間。水泥漿的凝結時間對施工有較大的影響,即從注水泥到套管被封固後可承擔一定負荷的這一段時間,決定了固孔完成到進行下一個工序所用的時間,通常希望固完孔候凝8h左右。
5.水泥石的強度與抗腐蝕性
水泥石的強度與抗腐蝕性這兩項性能指標主要以選擇水泥的類型,即水泥的化學成分來控制。
為了滿足鑽探固孔需要的水泥漿性能要求,在固孔前要進行現場水泥漿配方樣的試驗和性能測試,也可加入外加劑以調節水泥漿的性能。通過現場性能試驗數據以指導固孔作業。
(三)注水泥漿相關參數計算
為了保證固孔質量,使水泥漿返到預定高度,套管內水泥塞長度符合設計要求,在注水泥之前必須根據孔徑大小、套管直徑和下入深度以及水泥返高等計算水泥漿、干水泥、替漿液和清水的用量以及相應的最高泵壓、注水泥時間等。
1.水泥漿用量
水泥漿用量按式(3-5)計算:
深部岩心鑽探技術與管理
式中:V為水泥漿量,m3;D1為鑽孔的平均直徑,m;D為套管外徑,m;d為套管內徑,m;H為水泥漿返高,m;h為水泥塞高度,m;K1為裸眼孔段的水泥附加系數,按各地區實際情況,由經驗得出,K1=1.05～1.10。
實際孔徑是不規則的,計算時必須按照電測井徑分段求得平均孔徑,分段計算環空體積,然後再累計,得出全孔環空體積。段分得細一些,誤差就小一些。
2.干水泥用量
干水泥用量按式(3-6)計算:
G=K2Vq (3-6)
式中:G為干水泥量,袋;V為水泥漿量,m3;q為配1m3水泥漿所需干水泥袋數;K2為地面損耗系數,一般為1.03～1.05。
3.清水用量
清水用量按式(3-7)計算:
深部岩心鑽探技術與管理
式中:Vs為清水用量,m3;V1為配每袋水泥所需水量,L/袋;G為干水泥量,袋。
4.替漿液用量
當膠塞頂至浮箍位置時,替漿液結束。因此,所需替漿液量即為浮箍以上不同壁厚套管的內容積之和:
深部岩心鑽探技術與管理
式中:Vnj為替漿液量,m3;d1,d2,…,dn為水泥塞以上各段不同壁厚套管的內徑,m;L1,L2,…,Ln為水泥塞以上各段不同壁厚套管的長度,m。K3為泥漿壓縮系數,取值為1.03～1.05。
為了簡化計算,現場常用式(3-9):
Vnj=K3(q1L1+q2L2+…+qnLn)(3-9)
式中:q1,q2,…,qn為水泥塞以上各段不同壁厚套管的內容積,L/m。
5.最高泵壓
注水泥過程中,由於水泥漿密度一般比泥漿大,因此,隨著泥漿的注入,正常情況下泵壓是由大到小(幾乎為零),再由小到大。替漿結束時,泵壓達到最高。最高泵壓是由管內外液柱壓力差、水泥漿和泥漿在管內外流動時的阻力所組成,即:
p=p1+p2 (3-10)
式中:p為最高泵壓,MPa;p1為克服流動阻力所需泵壓,MPa;p2為克服管內外液柱壓差所需泵壓,MPa。
p1可用下列經驗公式計算:
孔深小於1000m時,p1=0.001L+0.8MPa;
孔深大於1000m時,p1=0.001L+1.6MPa。
式中:L為孔深,單位m。
p2可用式(3-11)計算:
p2=9.8(H-h)(ρc-ρb)×10-6 (3-11)
式中:H為管外水泥柱高,m;h為水泥塞長度,m;ρc為水泥漿密度,kg/m3;ρb為頂替用漿液密度,kg/m3。
6.注水泥時間
注水泥施工的時間包括水泥車配注全部水泥漿,替漿液和倒閘門、開擋銷、頂膠塞的時間。為保證順利施工,注水泥的總時間必須小於或等於水泥漿初凝時間的75%。
T=T1+T2+T3+T4 (3-12)
深部岩心鑽探技術與管理
深部岩心鑽探技術與管理
式中:T為注水泥施工的總時間,min;T1為配注水泥所需時間,min;T2為替泥漿時間,min;T3為倒換閘門、開檔銷、頂膠塞時間,一般為1～3min;T4為碰壓時間,min;G為注水泥總量,袋;m為單車每分鍾注入水泥量,袋/min;n為注水泥車數;Q1為替漿液泵排量,m3/min;V為替漿液量,m3。
(四)固孔作業
1.水泥固孔設備
水泥固孔注漿設備應根據固孔深度和質量要求來選擇。石油鑽井有專用固井設備,地質鑽探1000m以淺鑽孔一般採用泥漿泵注漿固孔,1000m以深鑽孔也選擇專用的固孔設備。固孔設備主要包括:水泥車、水泥混合器、水泥分配器、水泥頭、膠塞、水泥灰罐等。
(1)水泥車
水泥車是專供注水泥和進行其他擠注工作使用的特種車輛,裝有水泥(活塞)泵、柱塞泵、帶標尺的水箱、管線、混合器以及輔助動力設備和變速箱等注水泥專用設備。
(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漿的設備。注水泥時,柱塞泵通過吸水管把水泥車水箱內的水吸入泵體,通過柱塞加壓,由排水管線排出,流經混合器下方,從噴嘴中高速噴出,並迅速射入出口管內,這樣使混合器底部形成真空,從而把從下灰罐中進入混合器中的干水泥粉吸下去,與水混合成均勻的水泥漿,經出口管線流入水泥漿混合池,如圖3-27所示。水泥泵再把混合池中的水泥漿注入孔內。新型水泥車上裝有混合器和混合池。
圖3-27 注漿配漿流程圖
1—下灰罐;2—水泥漿;3—水泥混合器;4—水泥漿混合池;5—注水泥管線
(3)水泥頭
水泥頭接在套管柱最上面的聯頂節上,並與地面管線、注水泥設備相互連通(圖3-28),兩側焊有短節,並裝有高壓閘門,分別以活接頭與注水泥管線相接。同時,在另外兩側裝有擋銷,以擱置膠塞。
圖3-28 水泥頭結構示意圖
1—活接頭;2—水泥頭體;3—擋銷;4—膠塞;5—水泥頭蓋子;6—提環
(4)膠塞
膠塞在固孔作業中起著隔離、刮削及碰壓等作用,如圖3-29所示。
圖3-29 典型膠塞結構示意圖
(a)實心膠塞;(b)空心膠塞;(c)自鎖膠塞
1—芯子;2—膠盤;3—「O」形密封圈;4—卡簧
2.注漿前置液
前置液是注水泥漿之前向孔內注入的各種專門液體,其作用是將水泥漿與泥漿隔開,起到隔離、緩沖、清洗作用,可提高固孔質量。
(1)清洗液
清洗液的作用是稀釋和分散泥漿,防止泥漿膠凝和絮凝,有效清洗孔壁及套管壁,清洗殘存的泥漿及泥餅;在水泥漿與孔內泥漿之間起緩沖作用,有利於提高固結質量。清洗液應當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,有良好的流動性能,具有低剪切速率、低流動阻力,能在低速下達到紊流的流動特性,其紊流的臨界流速為0.3～0.5m/s;應與水泥漿及泥漿都有良好的相容性。
清洗液通常是在淡水中加入表面活性劑或是將泥漿稀釋而成。常用的清洗液為:CMC水溶液、表面活性劑水溶液以及海水等。
(2)隔離液
隔離液的作用為:能有效地隔開孔內泥漿與水泥漿;能形成平面推進型的頂替效果;對低壓、漏失層可起緩沖作用;具有較高的浮力及拖曳力,以加強頂替效果。
隔離液通常為黏稠的液體。它的黏度較清洗液要大,密度稍高,靜切力應稍大。它在清洗液之後注入,注完隔離液之後再注水泥漿。
地質岩心鑽探固孔時前置液往往採用清水代替。
3.固孔作業流程
鑽孔水泥固孔是一次性的施工工藝,因此,嚴格把好各工序的質量關,是保證固孔一次成功的關鍵。固孔作業主要流程:固孔設備安裝調試、檢查→調整循環孔內泥漿→向孔內注隔離液→注水泥漿→壓膠塞→替漿液(先用泥漿後用清水)→水泥漿候凝→用泥漿沖管內浮漿→待水泥結石→掃水泥塞及浮箍、引鞋→轉入下道工序。
4.固孔作業工藝要點
1)固孔注漿前,要認真組織施工人員,各崗位分工明確,各司其職,以保證固孔工作順利進行。
2)固孔注漿前一定要檢查調試好注漿設備,接好注漿設備各地面管匯;按設計准備足量的固孔用清水、替漿液、隔離液。
3)注隔離液,注水泥漿。倒好閘門,先用一部水泥車注入一定數量的清洗液和隔離液,隔開泥漿與水泥漿,以防鈣侵,還可沖刷清洗孔壁和套管外壁,以利於提高水泥漿與套管外壁、孔壁的膠結強度。注完隔離液後,開始注入水泥漿。
4)壓膠塞。注完水泥漿後,打開水泥頭兩側的擋銷,然後用一部水泥車以一定量的尾隨液把膠塞壓下。
5)替入漿液。膠塞壓下後,開泥漿泵替入泥漿,泵壓逐漸升高。當膠塞坐在套管承托環上時,泵壓突然升高,安全銷被剪斷(通稱碰壓),碰壓前也可以停泵,啟動水泥車,以1m3/h左右的小排量替入清水進行碰壓。
6)候凝。為了防止浮箍受壓過大而損壞,對深孔及回壓球封閉不良孔應採取憋壓候凝的辦法。在憋壓候凝的過程中,由於水泥凝固放熱,孔內壓力升高,因此要注意觀察井口壓力。壓力高於設定值可以從孔口裝置回壓閥釋放一部分壓力,以保證平衡。固孔候凝時間一般在24h左右,孔口壓力表回零即可。
7)鑽孔較淺,採用泥漿泵注漿時,較為簡單,將水泥漿量算準注入後,送入替漿液和清水,至孔口返上水泥漿,使浮箍以上保留10m左右的水泥漿柱,即可關閉孔口閥門,待水泥漿候凝。
8)水泥漿候凝後,下入鑽桿用大泵量泥漿沖洗管內多餘浮漿至浮箍以上3～5m處,等待水泥結石。沖洗管內浮漿時盡量少回轉鑽具,減少敲打套管。
9)待水泥結石後(一般從水泥候凝至結石需要5～6d),可用牙輪鑽頭或全面合金鑽頭透水泥柱、掃浮箍及引鞋。
10)掃浮箍及引鞋時,要輕壓、慢轉,掃浮箍、引鞋結束前須用外徑較大的鑽頭全面通孔、磨孔、沖孔,以清除孔底沉渣及保證管徑,為下步施工做准備。