注入水泥

注入水泥就是從井口經過套管柱將水泥漿注入井壁與套管柱之間的環空中，將套管柱和地層岩石固結起來的過程。

基本介紹

• 中文名：注入水泥
• 外文名：cementing
• 內容：選擇水泥、設計水泥漿性能
• 定義：將水泥漿注入井壁與套管柱之間
• 相關概念：注水泥
• 學科：土木工程

概述

注入水泥就是從井口經過套管柱將水泥漿注入井壁與套管柱之間的環空中，將套管柱和地層岩石固結起來的過程。固井的目的是固定套管，封隔井眼內的油、氣、水層，以便於下-步的鑽進或進行其它生產工藝。最常見的注水泥方法是從井口經套管柱將水泥漿注入並從環空中上返。除此之外，還有一些用於特殊情況下的注水泥技術，包括雙級或多級注水泥、內管注水泥、反循環注水泥、延遲凝固注水泥等。

注水泥技術所包括的內容有：選擇水泥、設計水泥漿性能、選擇水泥外加劑、井眼準備、注水泥工藝設計等。

油井水泥是固井工程主要材料之一，由於油氣井注水泥要把水泥泵送到井下幾百米或幾千米井眼與套管的環形空間，而井下溫度和壓力又隨井深而增加，因此對油井水泥性能的要求與一般建築用水泥就應有所不同。例如，對油井水泥的流動性、凝結時間以及水泥石的滲透性等有特殊的要求。對油氣井注水泥的基本要求包括：

1）水泥漿返高和套管內水泥塞高度必須符合設計要求；

2）注水泥井段環形空間內的鑽井液全部被水泥漿替走，不存在殘留現象；

3）水泥石與套管及井壁岩石有足夠的膠結強度，能經受住酸化、壓裂及下井管柱的衝擊；

4）水泥凝固後管外不冒油、氣、水，環空內各種壓力體系不能互竄；

5）水泥石能經受油、氣、水長期的侵蝕。

發展現狀

國外注水泥固井技術

（1）CemCRETE固井技術

為解決異常壓力固井問題，道威爾一斯倫貝謝公司研究開發了CemCRETE固井技術。該技術是基於混凝土水泥漿技術，根據顆粒級配原理，通過最佳化水泥及外纏料的顆粒，使單位體積內固相顆粒增加，儘量降低水泥漿水灰比，提高水泥石的抗壓強度和降低水泥石的孔隙度和滲透率。在墨西哥Vi11ahermosa油田，道威爾一斯倫貝謝公司用密度為1.309/cm的CemCRETE低密度水泥漿成功完成了4600m的127mm尾管固井作業，固井質量良好。阿曼石油開發公司採用密度為2.40/cm的CemCRETE水泥漿技術成功解決了Sarmad油田井深為4800mm的深井膏鹽層的高壓固井問題。1998年以來，CemCRETE固井技術在全球20國家600多口井進行了成功套用。

（2）泡沫固井技術

近幾年來，美國哈利伯頓公司一直致力於機械注氮氣泡沫水泥漿固井技術研究與完善工作，研製開發了相應的外加劑及配套現場施工工藝技術。泡沫水泥漿由淨漿、氮氣、穩泡劑及水泥漿處理劑組成，密度可低達0.72 g/cm，美國在西德克薩斯的Spraberry油田，使用泡沫水泥漿（密度0.82～1.149/ccm，失水<200m1），解決了該地區丙烷氣層和多層漏失層並混有硫化氫腐蝕水層的水泥返高問題。

（3）防竄固井技術

如何防止固井後環空里發生氣（水）竄一直是國內外固井技術研究的重點之一。30年來，對環空氣（水）竄的形成原因、影響因素、氣竄的物理過程及防氣竄水泥漿體系做了大量的研究工作，先後研究開發了膨脹水泥、延緩膠凝水泥、觸變水泥、可壓縮水泥和非滲透乳膠水泥等多種防竄水泥漿體系，這些水泥漿體系均取得了一定的套用效果。

美國Ta1abani S等人提出，通過合理設計含有塑性材料的水泥，有助於防止氣竄的發生。室內實驗證明，通過設計合理的水泥混合物可防止3種類型的氣竄發生。第一種通過磁鐵礦可消除發生在套管和水泥之間的氣竄；第二種是通過添加一種特殊材料能在一定程度上消除井壁上的濾餅對水泥膠結的不利影響，改善膠結質量，防止井壁與水泥之間發生氣竄；第三種是添加合適的彈性材料。Haberman等人提出了在替漿以後用環空壓力脈衝使水泥漿產生往復運動來防氣竄的新方法。該項新技術在德克薩斯州的Queen油田實驗7口井，較好的解決了環空氣竄問題。

（4）MTC固井技術

MTC固井技術是指在泥漿中加入一些可水化的材料，使鑽井液可在一定條件下轉變成具有一定強度的固井液的技術。美國Rona1d E.Sweatman等人在南德克薩斯氣田套用MTC固井技術取得了較好的效果。其中在南德克薩斯Rosita油田6口長裸眼井中固井，在Mca11en Ranch進行1口尾管固井，套用最大井深3744m，最高井底靜止溫度為171℃。9口井的現場套用結果表明，沒有發生氣竄，並經受了水力壓裂的考驗。

國內注水泥固井技術發展現狀

從1990年開始，中國頒布了“油井水泥”新標準，已完成了油井水泥向API標準過渡，提高了油井水泥的質量。在油井水泥外加劑研究方面，中國經歷了引進、仿製、自行研製和配套的過程，截至目前，已形成了11大類100多個品種的水泥外加劑，基本滿足了國內油田開發的需要。經多“七五”、“八五”、“九五”技術攻關，我國已經完善了8種油藏14種固井技術。

（1）漂珠低密度水泥漿固井技術

漂珠顆粒具有密閉、粒細、質輕、壁薄和活性高等基本性能。低密高強漂珠水泥漿體系是基於緊密堆積理論和顆粒級配理論設計的，複合超活性材料（即增強劑）後更具有了良好的性能。漿體超低密度、高強、低滲透（水泥漿密度範圍達到1.08—1.60g/cm，48h抗壓強度大於13.5MPa）、適用井深範圍大（漂珠水泥漿適用井深可達到4000m）。此外水泥石具有一定的微膨脹性，具有良好的界面膠結能力，可有效防止收縮和氣竄的發生，有利於防止酸性氣體對水泥環柱及套管的腐蝕。採用低密度漂珠水泥固井工藝技術解決低壓易漏失地層和超長封固段的固井問題。水泥漿密度可以控制在1.309/cm3（而國外已經達0.979/cm），而承壓強度可達到15MPa以上，是其他低密度水泥漿無法比擬的。另外，不同於泡沫水泥的地方還在其密度可以精確控制，有利於實現近平衡固井。

（2）低密度泡沫水泥漿固井工藝技術

泡沫水泥漿與其他低密度水泥相比，具有本質上的區別，其技術指標與特點如下：密度低（發泡後密度1.40～1.509/cm）、正常地層壓力下適用井深在3000m以內、強度高、導熱率低、漿體具有可壓縮性、水泥石具有可膨脹性，能夠補償水泥漿在凝固過程中的液柱壓力和體積損失，因而具有防油、氣、水竄能力。

在低壓易漏、長封固段以及熱采井進行了低密度泡沫水泥漿現場施工，截止目前，已經在勝利油田進行了200多口井的現場施工，解決了長封固段封固、低壓地層固井、原油保溫等問題，並取得了100%合格率、77%優質率的良好的固井質量。

（3）塑性水泥固井技術

固井質量的評價不僅僅局限在電測解釋結果上，還應重視在射孔等後續作業中因碰撞和震裂對水泥環所造成的破壞。目前我們已研製成功一種性能優異的水泥增韌添加劑，這種添加劑可較好地解決水泥石脆性問題和提高水泥石的塑性，從而極大地改善了水泥石的綜合性能，這對於提高低滲透油藏固井質量以滿足後期作業要求具有十分重要的意義。

已推廣使用塑性水泥固井70餘井次，固井質量合格率100%，優質率87%。另外，還成功套用在勝利油田第一口分支水平井樁1一支平1井，取得了良好的施工效果。

（4）不滲透水泥技術

通過實驗攻關，研製出不滲透劑SWC100，該外加劑能在水泥漿濾餅表面形成緻密的彈性膜，降低濾餅滲透率，降低水泥漿失水量，減小固井對儲層的污染，提高油井採收率，同時該外加劑利用高分子化合物的可控聚合反應，增大水泥漿對地層流體的侵入和運移阻力，提高水泥漿防竄性能。

西指準噶爾地區永6井的177.8mm尾管固井段（4350～6250m），鑽遇層位有上第三系、白堊系和西山窯地層，主要岩性為泥岩、泥質粉砂岩及砂岩，5850m以下為主要油氣層段，油氣層較為活躍，存在著水層，5920～5928m發現煤層，鑽井液密度達1.60g/cm，井底高壓地層水以0.6m/h的速度外溢十分嚴重，壓穩、防漏問題較突出。油井完井要求分層測試，固井時第二界面固井質量難以保障，因此，在該段（4350~6250m）固井設計中加人了候凝防氣竄措施，在水泥漿體系中加入了SWC100不滲透劑。該井固井質量良好，油層段固井質量優質，其封固質量完全滿足分層測試的要求。

（5）MTC固井技術

工程技術研究院、德州石油鑽井研究所、滇黔桂石油勘探局自1992年開始對MTC固井技術進行了大量的研究與套用工作，已全面掌握了鑽井液轉化為水泥漿的激活、性能控制和現場施工技術。對MTC固井液的高溫強度特性、水化產物的化學成分、微觀特性、耐腐蝕性能、抗衝擊性能和模擬射孔實驗等進行了深入的研究，結果表明，MTC固井液水化產物的化學成分與波特蘭水泥相似，耐腐蝕能力與普通水泥石相當或好於普通水泥石，動態力學性能與普通水泥石相當或稍低於普通水泥石，但可滿足油田開發要求。到目前為止，MTC固井技術已在現場套用數百VI井，固井質量明顯優於常規水泥漿固井，最大井深達到4500m，並有許多井承受住了酸化壓裂作業，有的井已連續生產8年未發生任何問題。

注入水泥質量的基本要求

（1）在各種情況下固井質量的基本要求

1.地質及工程設計要求，套管的下入深度/水泥漿返高和管內水泥塞高度符合規定。

2.注水泥井段環空內的鑽井液全部被水泥漿替走。

3.水泥環與套管喝井壁岩石之間的連線良好。

4.水泥石能抵抗油、氣、水的長期侵蝕。

在固井質量標準中，最重要的是水泥環的固結質量。其表現為水泥與套管與井壁岩石兩個膠結而都有良好的有效封隔，能承受兩種力的作用。一種是水泥的剪下膠結力，它用於支承井內套管的重量；另一種是水力的皎潔力，它可以防止地下高壓的油、氣、水穿過兩個膠結界而上竄，造成井口的冒油、氣、水。

（2）在固井中常出現的固井質量問題

1.井口有冒油、氣、水的現象。

2.不能有效地封隔各種層面，開採時各種壓力互竄，影響井的生產。

3.因固結質量不良在生產中引起套管的變形，使井報廢等。