固井特種水泥體系與注水泥技術(shù)探討

榮維棟

【摘要】本文圍繞鉆井過程中鉆遇地層日趨復(fù)雜，針對(duì)某些特殊的問題，諸如水泥漿體積收縮、漏失、微間隙井、鹽巖層和腐蝕性地層水、高溫深井及氣竄等，簡述了保證固井施工的安全和固井質(zhì)量幾種特種水泥體系，重點(diǎn)論述了幾種重要固井注水泥技術(shù)，以為固井泥漿及施工提供參考。

【關(guān)鍵詞】固井技術(shù)? 水泥體系? 注水泥技術(shù)

一、固井特種水泥體系

（一）膨脹水泥

膨脹水泥即在水泥漿凝結(jié)時(shí)產(chǎn)生輕度體積膨脹的水泥體系，可以封閉環(huán)空微隙、改善水泥環(huán)與地層、套管的界面膠結(jié)。幾種膨脹水泥體系如下：

鈣礬石體系。鈣礬石膨脹水泥體系含有鈣、鋁、鎂氧化物和石膏，在水泥水化條件下能促使高硫型水化硫鋁酸鈣（即鈣礬石）的形成及生長。鈣礬石為針狀或柱狀結(jié)晶，每個(gè)晶胞含有32個(gè)水分子，故其體積較大。隨著水化反應(yīng)進(jìn)行，鈣礬石結(jié)晶體不斷長大，并填補(bǔ)水泥石內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)。這種體積長大在有限空間進(jìn)行，對(duì)套管和地層均產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，因而增加水泥石與套管、地層兩界面的膠結(jié)力。又由于向水泥石孔隙內(nèi)膨脹，使水泥石結(jié)構(gòu)致密，提高了水泥石的抗壓強(qiáng)度并降低了滲透率。

氯化鈉水泥體系。當(dāng)水泥漿中含鹽量（氯化鈉）大于5%時(shí)，氯離子與水泥中C3A的水化物反應(yīng)生成氯鋁酸鈣復(fù)鹽（C3ACl·10H2O），氯離子與硅酸鈣水化產(chǎn)物反應(yīng)生成氯代硅酸鈣水化物，由于這些復(fù)鹽在孔隙內(nèi)部所施加的內(nèi)壓力，使水泥石體積膨脹。

鋁粉類水泥體系。某些金屬粉末如鋅、鎂、鈦、鋁都能用來制備膨脹水泥，最常用的是鋁粉。細(xì)的鋁粉與水泥漿中的堿性物質(zhì)反應(yīng)生成大量微小的氫氣氣泡，使得水泥漿體積增大。這種技術(shù)適用于淺井。

鍛燒氧化鎂體系。加有鍛燒氧化鎂的油井水泥體系，在水化過程中氧化鎂水化生成氫氧化鎂（MgO+H2O→Mg（OH）2），其體積大于反應(yīng)初體系的體積，從而在水泥石內(nèi)部產(chǎn)生膨脹力，產(chǎn)生體積膨脹。

（二）硅灰水泥

硅灰是煉硅或煉硅鐵合金過程中得到的副產(chǎn)品，是以SiO2為主要成分的比表面積極高的活性材料。硅灰是一種空心超細(xì)微珠，比表面積是粉煤灰的30～50倍，水泥的50～60倍。硅灰水泥在提高固井質(zhì)量，尤其是在復(fù)雜井況下的固井中起到重要作用。

（三）膠乳水泥

膠乳是一種聚合物懸浮體系，通常由油溶性或水溶性單體的乳液聚合或反向乳液聚合制備而得，該體系為亞穩(wěn)態(tài)。膠乳中聚合物膠粒的粒徑在0.05～0.5μm范圍。加入膠乳后的水泥稱為膠乳水泥。

二、固井注水泥技術(shù)

（一）常規(guī)注水泥

注前置液：為提高水泥泵頂替鉆井液的效率，保證水泥環(huán)質(zhì)量，在鉆井液與水泥漿之間注入一段“液體”，這種特殊的液體稱為前置液，按其性質(zhì)分為沖洗液和隔離液，在頂替鉆井液過程中起到?jīng)_洗、稀釋和隔離鉆井液作用，從而提高水泥漿的頂替效率。

注水泥漿：指按封固井段內(nèi)井眼與套管之間環(huán)榮大小計(jì)算用水泥數(shù)量，通過固井專用設(shè)備將干水泥和配漿水混合成一定密度的水泥漿，并通過套管注到井內(nèi)。

壓膠塞：指注水的水泥數(shù)量到達(dá)設(shè)計(jì)要求時(shí)，將膠塞壓入井內(nèi)。起作用是有效地隔離頂替液與水泥漿，并刮下套管壁上的水泥漿，同時(shí)與管串上的浮配合，起到控制替鉆井液量的作用。

為防止先期注入的水泥漿在套管內(nèi)與鉆井液發(fā)生混竄，有時(shí)還在注前置液之后加入一個(gè)下膠塞，這是一個(gè)空心只有一層特殊隔膜的膠塞。起作用時(shí)組織水泥漿在套管內(nèi)獄卒阿寧也混攢。當(dāng)水泥漿充滿套管時(shí)，下膠塞坐在浮攢上，壓力達(dá)到一個(gè)較小的值時(shí)，隔膜被破壞通道打開，保證后續(xù)施工正常進(jìn)行。

鉆替井液：指用頂替液推動(dòng)膠塞，將套管內(nèi)的水泥漿替到套管外的環(huán)形空間，到達(dá)封固的層的過程，這是固井工作的重要環(huán)節(jié)。由于常用的頂替液為鉆井液，故稱替鉆井液。

碰壓：當(dāng)頂替液的數(shù)量達(dá)到套管串浮箍以上的容積時(shí)，膠塞將坐在浮箍上，流體通道封閉，使套管內(nèi)壓力突然升高，這一現(xiàn)象稱為碰壓。它標(biāo)志著浮箍以上的套管內(nèi)的水泥漿全部被頂替到環(huán)空。

侯凝：試壓結(jié)束后，將套管內(nèi)的壓力釋放掉，使套管處于不變形的狀態(tài)下侯凝，保證固井質(zhì)量。此時(shí)，應(yīng)注意浮箍、浮鞋的密閉性，如發(fā)生倒流現(xiàn)象，則需根據(jù)水泥漿與泥漿的壓差值，確定一個(gè)回憋壓力。此壓力不宜過高，以免套管變形，一般在套管內(nèi)外靜壓差基礎(chǔ)上附加1-2Mpa.

（二）分級(jí)注水泥

分級(jí)注水泥是利用連接在管串上的可以打開和關(guān)閉的特殊接箍，將一口井的注水泥作業(yè)分兩次或三次完成的注水泥工藝。

分級(jí)注水泥技術(shù)可分為兩種：正規(guī)非連續(xù)式雙級(jí)注水泥和非正規(guī)連續(xù)式雙級(jí)注水泥。

正規(guī)非連續(xù)式雙級(jí)注水泥：注一級(jí)前置液—注一級(jí)水泥漿—壓第一級(jí)膠塞—替頂替液—碰壓—敞壓—投入打開塞—打開分級(jí)箍通道—循環(huán)洗井侯凝—注二級(jí)前置液—注二級(jí)水泥漿—壓入關(guān)閉塞—替頂替液—碰壓—關(guān)閉分級(jí)箍通道—結(jié)束。

非正規(guī)連續(xù)式雙級(jí)注水泥：注一級(jí)前置液—注一級(jí)水泥漿—投一級(jí)膠塞—替頂替液—投打開塞—注二級(jí)前置液—注二級(jí)水泥漿—投關(guān)閉塞—替頂替液—一級(jí)膠塞碰壓二級(jí)通道打開—關(guān)閉塞坐封通道關(guān)閉—施工結(jié)束。

（三）尾管注水泥

在接好注水泥管線并試壓后，將前置液通過鉆桿泵入，隨后注入水泥漿（通過鉆桿），注水泥結(jié)束后，壓入鉆桿膠塞并進(jìn)行頂替，當(dāng)鉆柱內(nèi)水泥漿被頂替完后，鉆桿膠塞與尾管膠塞重合閉鎖，壓力上升到某一定值（尾管膠塞剪斷壓力）時(shí)，由鉆桿膠塞和尾管膠塞組成的組合膠塞進(jìn)入尾管，對(duì)尾管內(nèi)的水泥漿進(jìn)行頂替，替完后，組合膠塞坐在浮箍上碰壓，說明作業(yè)結(jié)束。壓力釋放后，判斷是否倒流，如回壓閥可靠，井口泄壓為零，將鉆柱上提至尾管懸掛器頂部一定高度，將多余的水泥漿洗出井口。

尾管固井準(zhǔn)備：井眼準(zhǔn)備。井身質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，裸眼井段無漏，卡等現(xiàn)象。鉆井液性能符合要求等。鉆柱準(zhǔn)備。對(duì)用來送入尾管懸掛器的鉆柱做好標(biāo)識(shí)，單獨(dú)排放，以防與其他鉆具混雜。同時(shí)鉆柱鋼級(jí)、壁厚及強(qiáng)度滿足尾管下入及作業(yè)需要，鉆柱內(nèi)孔要用鉆桿膠塞或通管器進(jìn)行試通等。尾管掛檢查與下入。按照尾管掛性能規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)下入的管串及附件進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保好用。同時(shí)也要控制好下放速度等。另外在連接懸掛器時(shí)要保護(hù)好卡瓦。提前計(jì)算送入鉆柱的回縮距，確定井底距尾管的距離。尾管坐掛。在現(xiàn)場推薦使用一臺(tái)水泥車單獨(dú)完成坐掛作業(yè)。其他注水泥方法，還有內(nèi)管注水泥等。