石油课堂 | 挤水泥施工及计算方法

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。

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挤水泥·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。

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挤水泥·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。

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挤水泥·方法及应用范围

挤入方法是挤水泥施工作业中采取相应工艺，使水泥浆到达目的层的一种工艺措施。按挤入方法分有挤入法、循环挤入法、控制挤入法。按挤封结构分有空井筒、钻具(油管)、封隔器等。

1)挤入法

挤入法就是在井口处于控制状态下，通过液体的一定挤入压力将水泥浆替挤到目的层的方法。

• 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。

• 钻具(油管)挤入法

钻具挤入法就是将钻具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，施工较简单且易反洗井，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。

• 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问窜槽、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。

• 双封隔器挤水泥法。

双封隔器挤水泥法其下封隔器还可采用电桥或桥塞替代底水泥塞或填砂作业，减少了作业量，利用双封隔器挤水泥针对施工作业需要可分层作业，有利于保护非挤封层，不足的是双封隔器挤水泥法对井况要求高。适用于油水井封窜及油层中部挤封作业。

2)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。采用循环挤入法重点解决两方面的问题

第一，对挤封层段多，易单层突进的油、气、水层采用循环挤入法能使水泥浆较均匀进入各挤封层，从而提高挤封效果：

第二，对吸收量小，挤入压力高的层段，采用循环挤入法一方面能有效控制挤入压力，另一方面节约了水泥浆并可达到挤封目的。

针对上述循环挤入法所解决的两方面的问题，其施工方法基本一致。不同的是第一种将一定水泥浆循环到设计位置不替置，紧接着再挤水泥浆后替置，其用水泥量大，多适用于多层同时挤封。第二种将一定量地面配制的水泥浆循环到设计位置，上提钻具挤入，其用水泥量少，适用于单层挤封。     

3)控制挤入法

上述挤入中，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，出水出砂口益严重，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。

原采用井口封井器及井下结构的不吐喷施工作业法取得了一定的成效，但施工较复杂且承压能力低。随着井下作业井控配套工艺技术的完善，控制挤入法工艺进一步发展。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。

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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、 缝型破漏井的封堵，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。

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挤水泥·水泥用量的确定

挤水泥时需用的水泥量与地层物性、生产历史、挤封目的、各种挤封井况等有关，应综合考虑。

1)挤封射孔井段(防砂)时

V=(3.8--4.7)R²Φh

式中   V——水泥浆用量，m³；

R--挤封半径，m；

Φ--有效孔隙度，％；

h--封堵层厚度，m。

2）封窜时

V=(3.8--4.7) (R²-r²)h

式中  V--水泥浆用量，m³；

R——原裸眼半径，m；

r--套管半径，m；

h--封窜段长度，m。

 3)堵漏时

V=KV₁

式 V--水泥浆用量，m³；

K--系数，l--4；

V₁--水泥浆基数(2.4m³)。

• 针对上述不同挤水泥目的计算出水泥浆用量后按下式计算干水泥用量

t=1.465V(r水泥浆-1)

式中   t____干水泥用量，t；

V—水泥浆用量，m³；

r水泥浆—设计水泥浆密度，g/cm³；

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挤水泥·施工方案

（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。

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挤水泥·性能及添加剂

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。

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水泥浆·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。