高密度固井水泥浆体系
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固井水泥浆技术体系探讨
一
一
大， 能抵 挡 住 气 体 的窜 人 ； 抗 冲击 的韧 性 泥浆 的评 价 好， 冲击 功 要 比平 常 的水 泥 石提 高 百 分之 根 据 国 内一 些 深 层 气 油 井 对 水 泥 浆 ２ ０以 上 。 的性 能 的要 求 ， 在 室 内进行 了非 常多 的配 （ ２ ） 高温防气体窜外加剂的选择 方 的筛选 ＿ Ｔ作 ， 最终 确 定 了适 用 于深 层 气 根 据 国 内 国外 已经 有 的外 加 剂 的性 油井 的水 泥 浆 的最 佳配 方 ， 通 过 大量 的试 能、 使用 状 况 以及 深层 气 井 的钻 井 以及 完 验证 明筛选 的高温防气窜增 加韧性的水 井的特点、 环 空 气 窜 的 特征 ， 经 过 了大 量 泥浆 能有 效 的 防止 环空 气 窜 ， 能 够很 好 的 的 室 内试验 和 大量 的 分析 对 比 ， 考 虑采 用 保 证 气层 的封 闭质 量 。 丁 苯 胶乳 来 作 为 防气 窜 水 泥 浆 的 外 加 剂 ３深气 井 固井 的工艺 技术 是 比较合 适 的。这个 物质 是 由无数 的微 小 双极 注水 泥这 种 技 术 可 以 一 次性 的 的橡 胶粒 子 组成 的 ， 随 着水 泥 水 化 时温 度 长 封 固井 划 分 为 两 段 比较短 的封 固段 固 的 升高 ， 橡 胶 分 子 与水 分 子 、 水 泥 中 的 化 井 作业 ，比较 适用 于深 井 的封 固井 作 业 ， 学 物 质形 成 氢键 、 氧桥 、 以及 和硫 桥 ， 形 成 能 够 有 效 的 减 少 一 次 注水 泥 固井 的施 工 了 网架状 的 结构 ， 聚 集 了 比其 他类 型 水 泥 的难 度 ， 能 减低 环 空 液 柱 的压 力 ， 能够 有 外 加 剂更 高 的能 量 ， 抗 高温 这 个 性能 得 到 效 的减 少 固井 中发生 漏失 的可 能性 。 双极 了提 高 。橡 胶 分 子充 填 于水 泥 颗 粒之 间 ， 注 水 泥 的 方 法 可 以分 为 淹 没 试 的连 续 双 在 合 适 的压 差 作 用 下 汇 聚形 成 了 比较 致 极 注入 一剂 间 隔式 的双极 注水 泥 。 淹 没式 密 的硬橡胶块 ， 阻止 了水泥浆失水 ， 大大 连 续 双 极 注水 泥注 一 级 与 二 级 之 间是 没 降低了水泥石的渗透率 ， 增加了气体进入 有 隔膜 的 ， 这是 为 了避 免 二 级井 眼 钻井 液 水 泥石 时 的阻力 。 丁苯胶 乳 在水 泥水 化 的 的腐 蚀 ， 淹 没式 双 击注 入 水 泥在 固井是 一 时 候 会 产 生 絮状 的凝 结 物 在 水 泥 基 质 当 级水 泥 浆 的量 要尽 量 的少 附加 ， 同时一 定 中汇 聚在一 起 形成 了抑 制渗 透 的胶 乳 膜 ， 要 注入 定量 的缓 凝 前 导水 泥 浆 ， 用 来方 便 能够有效的防止气体侵入水泥浆柱 。 丁苯 打 开 双 极 箍 以后 水 泥 浆 能 够 顺 利 的返 出 胶 乳 水 泥 在 配置 之后 一 直 保 持 着 低 胶 凝 导地 面 ； 在 一级 冲 洗液 中加 入 一 定 量 的稀 的 强度 状态 ， 能够 充分 的传 递水 泥 浆 的液 释 剂 ，能 够 有 效 的 控 制 水 泥 浆 的污 染 程 柱压 力 ， 并 且能 随 着 时间 的 推移 以及 温度 度 ； 同 时还 配套 应用 了 内置 的隔 离 液 以及 的不断升高 ， 充 分 的 形 成 直 角胶 凝 ， 充 分 压胶 塞液 。 弥 补 了 因为 水 泥 浆 失 重 从 而 产 生 的 压 力 结语 的降低， 达到防气窜的目的。 １防 气 窜 的 增 加 韧 性 的 泥 浆 的 失 水 （ ３ ） 增 加韧 性 的材 料 的选 择 量低 ， 稠 化 过 度 的 时 间 比较 短 ， 失 重 的 时 为了能够更好的满足深气油井的 固 候基 质 的渗 透率 是 比较 低 的 ， 内 部 的阻 力 井要求 ， 在 除 了丁苯 胶 乳作 为 防 气窜 的外 较大 ， 防窜 行 能很好 。 加 剂 的情 况 下 ，依 据 超 混 复 合 材 料 的 原 ２水 泥石 的可 塑性 比较 高 、脆性 小 ， 理， 同时还 选用 了 Ｄ Ｚ Ｆ 一 １ 来 作 为增加 韧性 具 有 比较 强 的 的抗 冲击 韧 性 ， 减小 了井 下 的材 料 ， 用 来 减 少 在 射孔 、 压 裂 等 等 工 作 工作 是对 水泥 环 的损 坏 。 ３在 采 用 防气 窜增 加韧 性 的水 泥 浆 是 产 生 的冲 击载 荷 的作 用 下 ， 水 泥石 当中 的原 始 的细 微 裂 缝 的 迅 速 的增 大 与 应 力 以及 配套 的 固井 方案 的技术 ， 能 够保 证 水 的集 中 ， 防止 形成 大 的 裂纹 和 裂缝 从 而造 泥浆 在失 重 的情 况下 对 气 层 的压稳 ， 防 止 成气体的窜槽。 Ｄ Ｚ Ｆ — Ｉ 这种材料是一种用 环空气窜的发生 ， 解决了气井气窜这个难 低弹的矿物纤维作为主体 同时又加入 大 题 ， 具有 十分 宽广 的应用 前景 。 参 考文 献 量的不 同成分的纤维混合物 ， 具有 比较高 的抗拉 性 ， 能够 对 水 泥石 中的缺 陷的 裂痕 ［ １ ］ 钻 井手 册 （ 甲方） 上册【 Ｍ ］ ． 北 京： 石 油 工 １ ９ ９
一
大， 能抵 挡 住 气 体 的窜 人 ； 抗 冲击 的韧 性 泥浆 的评 价 好， 冲击 功 要 比平 常 的水 泥 石提 高 百 分之 根 据 国 内一 些 深 层 气 油 井 对 水 泥 浆 ２ ０以 上 。 的性 能 的要 求 ， 在 室 内进行 了非 常多 的配 （ ２ ） 高温防气体窜外加剂的选择 方 的筛选 ＿ Ｔ作 ， 最终 确 定 了适 用 于深 层 气 根 据 国 内 国外 已经 有 的外 加 剂 的性 油井 的水 泥 浆 的最 佳配 方 ， 通 过 大量 的试 能、 使用 状 况 以及 深层 气 井 的钻 井 以及 完 验证 明筛选 的高温防气窜增 加韧性的水 井的特点、 环 空 气 窜 的 特征 ， 经 过 了大 量 泥浆 能有 效 的 防止 环空 气 窜 ， 能 够很 好 的 的 室 内试验 和 大量 的 分析 对 比 ， 考 虑采 用 保 证 气层 的封 闭质 量 。 丁 苯 胶乳 来 作 为 防气 窜 水 泥 浆 的 外 加 剂 ３深气 井 固井 的工艺 技术 是 比较合 适 的。这个 物质 是 由无数 的微 小 双极 注水 泥这 种 技 术 可 以 一 次性 的 的橡 胶粒 子 组成 的 ， 随 着水 泥 水 化 时温 度 长 封 固井 划 分 为 两 段 比较短 的封 固段 固 的 升高 ， 橡 胶 分 子 与水 分 子 、 水 泥 中 的 化 井 作业 ，比较 适用 于深 井 的封 固井 作 业 ， 学 物 质形 成 氢键 、 氧桥 、 以及 和硫 桥 ， 形 成 能 够 有 效 的 减 少 一 次 注水 泥 固井 的施 工 了 网架状 的 结构 ， 聚 集 了 比其 他类 型 水 泥 的难 度 ， 能 减低 环 空 液 柱 的压 力 ， 能够 有 外 加 剂更 高 的能 量 ， 抗 高温 这 个 性能 得 到 效 的减 少 固井 中发生 漏失 的可 能性 。 双极 了提 高 。橡 胶 分 子充 填 于水 泥 颗 粒之 间 ， 注 水 泥 的 方 法 可 以分 为 淹 没 试 的连 续 双 在 合 适 的压 差 作 用 下 汇 聚形 成 了 比较 致 极 注入 一剂 间 隔式 的双极 注水 泥 。 淹 没式 密 的硬橡胶块 ， 阻止 了水泥浆失水 ， 大大 连 续 双 极 注水 泥注 一 级 与 二 级 之 间是 没 降低了水泥石的渗透率 ， 增加了气体进入 有 隔膜 的 ， 这是 为 了避 免 二 级井 眼 钻井 液 水 泥石 时 的阻力 。 丁苯胶 乳 在水 泥水 化 的 的腐 蚀 ， 淹 没式 双 击注 入 水 泥在 固井是 一 时 候 会 产 生 絮状 的凝 结 物 在 水 泥 基 质 当 级水 泥 浆 的量 要尽 量 的少 附加 ， 同时一 定 中汇 聚在一 起 形成 了抑 制渗 透 的胶 乳 膜 ， 要 注入 定量 的缓 凝 前 导水 泥 浆 ， 用 来方 便 能够有效的防止气体侵入水泥浆柱 。 丁苯 打 开 双 极 箍 以后 水 泥 浆 能 够 顺 利 的返 出 胶 乳 水 泥 在 配置 之后 一 直 保 持 着 低 胶 凝 导地 面 ； 在 一级 冲 洗液 中加 入 一 定 量 的稀 的 强度 状态 ， 能够 充分 的传 递水 泥 浆 的液 释 剂 ，能 够 有 效 的 控 制 水 泥 浆 的污 染 程 柱压 力 ， 并 且能 随 着 时间 的 推移 以及 温度 度 ； 同 时还 配套 应用 了 内置 的隔 离 液 以及 的不断升高 ， 充 分 的 形 成 直 角胶 凝 ， 充 分 压胶 塞液 。 弥 补 了 因为 水 泥 浆 失 重 从 而 产 生 的 压 力 结语 的降低， 达到防气窜的目的。 １防 气 窜 的 增 加 韧 性 的 泥 浆 的 失 水 （ ３ ） 增 加韧 性 的材 料 的选 择 量低 ， 稠 化 过 度 的 时 间 比较 短 ， 失 重 的 时 为了能够更好的满足深气油井的 固 候基 质 的渗 透率 是 比较 低 的 ， 内 部 的阻 力 井要求 ， 在 除 了丁苯 胶 乳作 为 防 气窜 的外 较大 ， 防窜 行 能很好 。 加 剂 的情 况 下 ，依 据 超 混 复 合 材 料 的 原 ２水 泥石 的可 塑性 比较 高 、脆性 小 ， 理， 同时还 选用 了 Ｄ Ｚ Ｆ 一 １ 来 作 为增加 韧性 具 有 比较 强 的 的抗 冲击 韧 性 ， 减小 了井 下 的材 料 ， 用 来 减 少 在 射孔 、 压 裂 等 等 工 作 工作 是对 水泥 环 的损 坏 。 ３在 采 用 防气 窜增 加韧 性 的水 泥 浆 是 产 生 的冲 击载 荷 的作 用 下 ， 水 泥石 当中 的原 始 的细 微 裂 缝 的 迅 速 的增 大 与 应 力 以及 配套 的 固井 方案 的技术 ， 能 够保 证 水 的集 中 ， 防止 形成 大 的 裂纹 和 裂缝 从 而造 泥浆 在失 重 的情 况下 对 气 层 的压稳 ， 防 止 成气体的窜槽。 Ｄ Ｚ Ｆ — Ｉ 这种材料是一种用 环空气窜的发生 ， 解决了气井气窜这个难 低弹的矿物纤维作为主体 同时又加入 大 题 ， 具有 十分 宽广 的应用 前景 。 参 考文 献 量的不 同成分的纤维混合物 ， 具有 比较高 的抗拉 性 ， 能够 对 水 泥石 中的缺 陷的 裂痕 ［ １ ］ 钻 井手 册 （ 甲方） 上册【 Ｍ ］ ． 北 京： 石 油 工 １ ９ ９
油气井固井注水泥顶替的理论模型及应用分析
度，
如何提升固井质量是面临的难题。
固井的过程是水泥浆驱替套管外部环形空间钻井
液，水泥浆充满环形空间后，凝固形成水泥墙，实现对
井壁的封固。在这个过程中，要达到好的固井效果，必
须保证水泥浆具有好的顶替效率，如果水泥浆顶替不
彻底，在凝固的过程中，受残余钻井液影响，会在封固
井段形成钻井液槽，影响了固井质量，使得容易出现窜
2021 年第 4 期
57
西部探矿工程
油气井固井注水泥顶替的理论模型及应用分析
张雅秋*
（大庆钻探工程公司钻技一公司固井设备修保厂，
黑龙江 大庆 163000）
摘
要：固井在油气井建设过程中起到承上启下的作用，
固井质量的好坏不仅对后续的施工作业造成影
响，
还影响油气井使用寿命，
必须予以重视。固井过程中注水泥的顶替效率是影响固井质量的重要环
有害固相含量更为敏感，因此在现场施工过程中，应适
钻井液的表观粘度变化幅度很大，说明高密度钻井液
当提高高密度油基钻井液的化验频率并制定更为详细
对固相含量的敏感度更大。
的钻井液性能调整方案。
表6
不同有害固相加量对油基钻井常规性能的影响
表观粘度（mPa·s）
有害固相
3
（%）
1.6g/cm3
2.0g/cm3
管外壁与井壁的环空中不同位置的水泥浆流速及流态
离子能够与水泥浆中的氢氧化钙反应，生成悬浮状的
差异较大，最宽处流体流速能够达到最窄处流速的几
胶体化合物，填充在颗粒的间隙，强化了水泥浆的空间
十倍，并且在最宽处的流体流态为紊流，最窄处流体流
结构，提升了水泥浆的防水渗能力。因此，为提升水泥
态为层流。由于流速和流态的差异，在注水泥时，距离
如何提升固井质量是面临的难题。
固井的过程是水泥浆驱替套管外部环形空间钻井
液，水泥浆充满环形空间后，凝固形成水泥墙，实现对
井壁的封固。在这个过程中，要达到好的固井效果，必
须保证水泥浆具有好的顶替效率，如果水泥浆顶替不
彻底，在凝固的过程中，受残余钻井液影响，会在封固
井段形成钻井液槽，影响了固井质量，使得容易出现窜
2021 年第 4 期
57
西部探矿工程
油气井固井注水泥顶替的理论模型及应用分析
张雅秋*
（大庆钻探工程公司钻技一公司固井设备修保厂，
黑龙江 大庆 163000）
摘
要：固井在油气井建设过程中起到承上启下的作用，
固井质量的好坏不仅对后续的施工作业造成影
响，
还影响油气井使用寿命，
必须予以重视。固井过程中注水泥的顶替效率是影响固井质量的重要环
有害固相含量更为敏感，因此在现场施工过程中，应适
钻井液的表观粘度变化幅度很大，说明高密度钻井液
当提高高密度油基钻井液的化验频率并制定更为详细
对固相含量的敏感度更大。
的钻井液性能调整方案。
表6
不同有害固相加量对油基钻井常规性能的影响
表观粘度（mPa·s）
有害固相
3
（%）
1.6g/cm3
2.0g/cm3
管外壁与井壁的环空中不同位置的水泥浆流速及流态
离子能够与水泥浆中的氢氧化钙反应，生成悬浮状的
差异较大，最宽处流体流速能够达到最窄处流速的几
胶体化合物，填充在颗粒的间隙，强化了水泥浆的空间
十倍，并且在最宽处的流体流态为紊流，最窄处流体流
结构，提升了水泥浆的防水渗能力。因此，为提升水泥
态为层流。由于流速和流态的差异，在注水泥时，距离
【CN109761547A】一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910113067.9(22)申请日 2019.02.13(71)申请人 中石化石油工程技术服务有限公司地址 100029 北京市朝阳区惠新东街甲6号第12层申请人 中石化江汉石油工程有限公司 中石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司(72)发明人 张良万 彭小平 何吉标 刘俊君 屈勇 张家瑞 卞江 (74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限公司 42102代理人 朱宏伟 胡建平(51)Int.Cl.C04B 28/02(2006.01)C09K 8/493(2006.01)(54)发明名称一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系(57)摘要本发明涉及一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，其包括以下重量份计的原料：油井水泥100份，淡水43-46份，弹韧剂2-4份，防窜剂1-2份，降失水剂1-3份，分散剂0.4-0.6份，膨胀剂1-1.5份，缓凝剂0.5-2.0份，消泡剂0.1-0.5份，所述弹韧剂为比表面积≥7m 2/g、体积压缩率≥5％的橡胶纤维或所述橡胶纤维与橡胶颗粒的混合物。
本发明所述固井水泥浆体系的稠化防窜性能、弹韧性等综合性能优异可在水泥环承受分段压裂交变载荷作用下有效实现水泥环与套管的同步变形，保证页岩气水平井在后期储层改造和试气生产作业过程中的井筒密封长期完整性，有效预防套管环空带压现象的出现，为页岩气水平井长期生产和大规模压裂提供有效保证。
权利要求书1页 说明书5页 附图3页CN 109761547 A 2019.05.17C N 109761547A权 利 要 求 书1/1页CN 109761547 A1.一种适合页岩气水平井大型分段压裂用的固井水泥浆体系，包括以下重量份计的原料：油井水泥100份，淡水43-46份，弹韧剂2-4份，防窜剂1-2份，降失水剂1-3份，分散剂0.4-0.6份，膨胀剂1-1.5份，缓凝剂0.5-2.0份，消泡剂0.1-0.5份；所述弹韧剂为比表面积≥7m2/g、体积压缩率≥5%的橡胶纤维或所述橡胶纤维与橡胶颗粒的混合物。
高温高压井固井设计原则
高温高压概念
哈里巴顿提出
温度：地层温度＞150℃（大于300℉）属于高 温度：地层温度＞150℃（大于300℉） 300℉ 温，地层温度＞180℃属于超高温； 地层温度＞180℃属于超高温； 属于超高温 压力：地层孔隙压力＞ 压力：地层孔隙压力＞69MPa(10000psi) 或地 层孔隙压力系数＞1.80为高压。 层孔隙压力系数＞1.80为高压。 为高压
水泥浆性能设计要求
失水实验。在失水实验中是在1000psi 7MPa)的压差进 1000psi（ 6. 失水实验。在失水实验中是在1000psi（7MPa)的压差进 行的。控制失水就是控制滤饼的渗透率。 行的。控制失水就是控制滤饼的渗透率。动态条件下的 失水量比静态的失水量高， 失水量比静态的失水量高，目前可在动态中测量失水 量。 在作业中控制失水的要求和程度是很关键的， 在作业中控制失水的要求和程度是很关键的，下面给出 了挤水泥失水量的具体要求， 了挤水泥失水量的具体要求，也适用于套管固井。
抗压强度实验。 5. 抗压强度实验。 恢复钻进、 恢复钻进、射孔等对于抗压强度的要求是非常重要 的。当井下循环温度大大地超过水泥柱顶部温度 水泥柱顶部强度的增长可能成问题。 时，水泥柱顶部强度的增长可能成问题。当固尾管 时常常发生这种现象。 时常常发生这种现象。在这种情况下还应该测量水 泥柱顶部抗压强度的增长。 泥柱顶部抗压强度的增长。
结合油田实际认定地层孔隙压力69mpa10000psi或地层孔隙压力系数180井底温度130bhct110都为高温高压地层孔隙压力破裂压力窗口窄钻井液密度安全窗口小井漏井身结构复杂小间隙固井工艺复杂水泥浆体系复杂水泥外加剂品种多气窜的潜在性121417121338395mm111mm高温高压深井固井设计的基本原则包含对如下问题的考虑1高温高压深井固井的难点分析2井底循环温度bhct的准确计算3高密度水泥浆的稳定性设计4提高技术套管固井质量问题大段多套岩盐层复合盐层固井关键技术的应用6提高深井固井成功率的有效措施7窄压力窗口易喷易漏井固井要求8深井尾管长水泥段温差过大如何固井的问题高温高压深井固井设计基本原则抗高温水泥浆设计注意配方性能水泥量
固井工艺技术介绍
前 言
DRI
固井可能带来的危害
涩北气田气层埋藏浅，分布井段长（408.0-1738.2m），层数多（54-79），气水界面复杂, 浅层气、浅层盐水活跃。台H6-1井、台6-7井，一开钻至800m下入表层套管固井后，候凝过
程中套管外地表窜出盐水和水溶气，被迫报废
台 H6-1 井 339.7mm 表 层 套 管 固 完井候凝时，北东方向约 250 米冒气水后目前情况 台 6-7 井 273mm 表层套管固 完井候凝时，地表窜出盐 水和水溶气
前 言
DRI
固井可能带来的危害
井喷——灾难性后果（墨西哥湾事故）
灌香肠、插旗杆——整井报废，单井段报废，经济损失巨大
挤毁套管——整井报废，单井段报废，经济损失巨大 油气水窜——单井段报废，降低开发效益
环空带压——开发隐患，增加作业成本、环境危害
超缓凝——延长作业时间、增加作业成本 返高不够——降低封固质量，增加补救作业成本 过早套损——单井报废，增加作业成本，降低开发效益
～100kN于悬挂处→憋压剪断球座销钉→开泵进行循环钻井液→
注前置液→注水泥浆→释放钻杆胶塞→替钻井液→钻杆塞与空 心耦合（耦合前降低替入排量） →碰压→放回压，检查浮箍是 否倒流→上提中心管，循环出多余的水泥浆→起钻候凝。
－24 －
钻井研究院
第一单元
固井工艺技术
DRI
尾管固井
－25 －
尾管悬挂器
专门研究如何用化学方法解决固井过程中遇到的问题。
具体地说，水泥浆化学就是通过研究水泥浆的组成和性 能，且予以科学地控制和调整，最终达到封隔地层、保 护储层和支撑套管的目的。
－32 －
钻井研究院
－23 －
钻井研究院
第一单元
DRI
固井可能带来的危害
涩北气田气层埋藏浅，分布井段长（408.0-1738.2m），层数多（54-79），气水界面复杂, 浅层气、浅层盐水活跃。台H6-1井、台6-7井，一开钻至800m下入表层套管固井后，候凝过
程中套管外地表窜出盐水和水溶气，被迫报废
台 H6-1 井 339.7mm 表 层 套 管 固 完井候凝时，北东方向约 250 米冒气水后目前情况 台 6-7 井 273mm 表层套管固 完井候凝时，地表窜出盐 水和水溶气
前 言
DRI
固井可能带来的危害
井喷——灾难性后果（墨西哥湾事故）
灌香肠、插旗杆——整井报废，单井段报废，经济损失巨大
挤毁套管——整井报废，单井段报废，经济损失巨大 油气水窜——单井段报废，降低开发效益
环空带压——开发隐患，增加作业成本、环境危害
超缓凝——延长作业时间、增加作业成本 返高不够——降低封固质量，增加补救作业成本 过早套损——单井报废，增加作业成本，降低开发效益
～100kN于悬挂处→憋压剪断球座销钉→开泵进行循环钻井液→
注前置液→注水泥浆→释放钻杆胶塞→替钻井液→钻杆塞与空 心耦合（耦合前降低替入排量） →碰压→放回压，检查浮箍是 否倒流→上提中心管，循环出多余的水泥浆→起钻候凝。
－24 －
钻井研究院
第一单元
固井工艺技术
DRI
尾管固井
－25 －
尾管悬挂器
专门研究如何用化学方法解决固井过程中遇到的问题。
具体地说，水泥浆化学就是通过研究水泥浆的组成和性 能，且予以科学地控制和调整，最终达到封隔地层、保 护储层和支撑套管的目的。
－32 －
钻井研究院
－23 －
钻井研究院
第一单元
高密度胶乳水泥浆体系在深井固井中的研究与应用
７ ８
西部探 矿 工程
２ １ 年第 １ ０１ ０期
高 密度 胶 乳 水 泥 浆体 系在 深 井 固井 中 的研 究 与应 用
张 永 海 ， 田群 山 ， 杜 江 ， 宗璋 ，祁 文 明 ， 永 星 赵 马
（ 部钻探 国际钻 井公 司 ， 西 新疆 乌鲁木 齐 ８ ０ ０ ） ３ ０ ０
摘 要： 随着勘探开发事业的不断发展 ， 呈现钻 井井深越来越深、 地层压力越来越 高的现象， 因此 完井 时存在 泥浆 密度 高 、 化度 高、 矿 井底 温度 高 、 地层 安 全压 力 窗 口小等客观 条件 ， 井 固井对水 泥浆体 系 深 提 出 了更 高的要 求 。根据 高密度水 泥浆体 系的要 求 ， 国际钻 井 固井公 司对胶 乳体 系进 行调研 分析后 ，
＊ 收稿 日期 ：００ １—３ ２ １—２１ 第 一作者简介： 张永 海（ ９ ２）男 （ １ ６一 ， 汉族） 青海西宁人 ， ， 高级工程师 ， 现从事 钻井工程 管理工作 。
２ １ 年第 １ 期 ０１ Ｏ
西部探矿工程
７ ９
化产物连接在一起 ， 形成一种聚合物和水化产物互相渗 透、 复合的网状结构 ， 最终形成聚合物薄膜覆盖的凝胶。 由于胶 乳 在水 泥微 缝 隙 间形 成桥 接 并 抑 制 了缝 隙 的发 展从 而增 强 了水 泥 石 的弹 性 ， 高 了抗 冲击 性 能 ； 泥 提 水 石抗渗透率降低， 提高了抗底水腐蚀 的能力。胶乳水泥 浆中具有较多的表面活性剂 ， 降低 了界面张力 ， 提高界 面问的亲和力 ， 使界面胶结强度增加， 胶乳的胶束颗粒 填充在水泥颗粒之间 ， 胶乳水泥浆体 系具有较好 的塑 性 ， 以防止水泥水化时的体积收缩， 可 提供 良好 的界面 胶结 。室 内实验 中把 纯 水 泥 和胶 乳 水 泥 分别 在 不 同 的 温度下 养护 ２ｈ 然后 在万 能伺 服实验 机 上 同时测 定 抗 ４， 压强度及 弹性 模 量 ， 验 温度 ５ ℃ ～ ７ ℃ ， 乳 在 实 ０ Ｏ 胶 水 泥 中 的 掺 量 为 １ （ ０ 占水 泥 重 ） 结 果 如 表 ｌ所 ，
西部探 矿 工程
２ １ 年第 １ ０１ ０期
高 密度 胶 乳 水 泥 浆体 系在 深 井 固井 中 的研 究 与应 用
张 永 海 ， 田群 山 ， 杜 江 ， 宗璋 ，祁 文 明 ， 永 星 赵 马
（ 部钻探 国际钻 井公 司 ， 西 新疆 乌鲁木 齐 ８ ０ ０ ） ３ ０ ０
摘 要： 随着勘探开发事业的不断发展 ， 呈现钻 井井深越来越深、 地层压力越来越 高的现象， 因此 完井 时存在 泥浆 密度 高 、 化度 高、 矿 井底 温度 高 、 地层 安 全压 力 窗 口小等客观 条件 ， 井 固井对水 泥浆体 系 深 提 出 了更 高的要 求 。根据 高密度水 泥浆体 系的要 求 ， 国际钻 井 固井公 司对胶 乳体 系进 行调研 分析后 ，
＊ 收稿 日期 ：００ １—３ ２ １—２１ 第 一作者简介： 张永 海（ ９ ２）男 （ １ ６一 ， 汉族） 青海西宁人 ， ， 高级工程师 ， 现从事 钻井工程 管理工作 。
２ １ 年第 １ 期 ０１ Ｏ
西部探矿工程
７ ９
化产物连接在一起 ， 形成一种聚合物和水化产物互相渗 透、 复合的网状结构 ， 最终形成聚合物薄膜覆盖的凝胶。 由于胶 乳 在水 泥微 缝 隙 间形 成桥 接 并 抑 制 了缝 隙 的发 展从 而增 强 了水 泥 石 的弹 性 ， 高 了抗 冲击 性 能 ； 泥 提 水 石抗渗透率降低， 提高了抗底水腐蚀 的能力。胶乳水泥 浆中具有较多的表面活性剂 ， 降低 了界面张力 ， 提高界 面问的亲和力 ， 使界面胶结强度增加， 胶乳的胶束颗粒 填充在水泥颗粒之间 ， 胶乳水泥浆体 系具有较好 的塑 性 ， 以防止水泥水化时的体积收缩， 可 提供 良好 的界面 胶结 。室 内实验 中把 纯 水 泥 和胶 乳 水 泥 分别 在 不 同 的 温度下 养护 ２ｈ 然后 在万 能伺 服实验 机 上 同时测 定 抗 ４， 压强度及 弹性 模 量 ， 验 温度 ５ ℃ ～ ７ ℃ ， 乳 在 实 ０ Ｏ 胶 水 泥 中 的 掺 量 为 １ （ ０ 占水 泥 重 ） 结 果 如 表 ｌ所 ，
16-青海油田高温、高压小间隙固井技术
抗压强度 （MPa）
西部钻探青海钻井公司
3高密度水泥浆体系的研究
柴达木盆地的探井钻探过程中，经常会遇到高压水层，泥浆密度多 为2.0 g/cm3以上，因此，在柴达木盆地该类井的固井过程中，高温 降失水剂、加重材料的选择和应用对加重水泥浆体系有着重要的意义。 降低水灰比是一种最简单的方法，但其主要缺点是无法同时获得满意的 失水控制和流变性能，也难以保证不发生固相沉降。可配制的最大水泥 浆密度为2.16g/cm3。 添加加重剂是一种高密度材料：颗粒粒度分布应与水泥相容，太大易沉 淀，太小易增稠；用水量要少；在水泥水化过程中呈惰性，与其它外加 剂相容性好。我公司目前所用的加重材料有两种：重晶石（BaSO4） 和赤铁矿（Fe2O3）。
50
40
30
比表面积为2363cm2/g
20
比表面积为1253cm2/g
10
比表面积为576cm2/g
0
0 10 20 30 40 50 60 70
硅粉加量（％）
以南10井列，完井井深4100 米，下入Φ139.7mm的油层套管， 电测井底静止温度167.6度，循环 温度：120度，我们应用了抗高温 水泥浆体系，在水泥浆配方中加入 了中等比表面积、35%的石英砂， 其48小时强度为24MPa,完全满 足了该井的固井需要，固井质量优 质。
5)、在封堵4879.60～4899.00m井段时，由于地层漏失较大，造成两次封堵 失败。后来决定先采取高温堵漏剂堵漏，然后再注水泥塞封堵，经堵漏后成功。
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5应用实列
高温、高压小间隙打水泥塞技术应用
应对技术措施 6)、在施工精度控制上，因该井水泥浆量少，采用搅拌测试合格后入井的方式， 使用排量表、物理标尺、施工压力推算结合方式控制水泥浆入井方量。在顶替计 量上采用多点测量、排量校核、压力推算结合的方法控制计量精度。
固井水泥浆体系
固井水泥浆体系常规固井水泥浆体系中温超高温高温高抗盐固井水泥浆体系中高温高抗盐高温高抗盐固井水泥浆体系系•中温固井水泥浆体系适用温度范围≤120℃•高温固井水泥浆体系抗高温性能优秀，适用温度范围≤160℃•超高温固井水泥浆体系抗高温性能突出，是目前少有的可抗温度至200℃左右的水泥浆体系，适用温度范围＜200℃高水泥浆固井•既可用于常规密度一般条件下固井，也可用于低密度、高密度等特殊条件下复杂井的固井•具有优良水泥浆体系性能的可广泛使用的水泥浆体系•具有配伍性好、浆体各性能稳定、各种性能都很容易调节的优点，能够真正做到“低失水、低析水、高强度、浆体稳定、流变性能和稠化时间好调节”•解决了固井工程中常需要提高顶替效率、需要防止油气水窜、需要低密度或高密度固井、需要适当的触变性等问题20LM、减阻剂WD-30LM组成。
•高温体系由降失水剂WD-10LH 、缓凝剂WD-20LH、减阻剂WD-30LH组成。
•超高温体系由降失水剂WD-10LSH 、缓凝剂WD-20LSH、减阻剂WD-30LSH组成。
的各种需求。
•另外还有消泡剂WD-60L、隔离剂WD-100S、冲洗剂WD-110S等辅助固井制剂。
•中高温高抗盐体系适用温度范围≤130℃•高温高抗盐体系抗高温性能突出，是目前少有的可抗温度至200℃左右的抗盐水泥浆体系，适用温度范围＜200℃•既可用于常规密度一般条件下固井，也可用于低密度、高密度等特殊条件下复杂井的固井•解决深井和超深井及盐膏层固井对水泥浆提出的非常规要求•适应现代固井技术发展的一种全能型水泥浆外加剂体系•中高温高抗盐体系由降失水剂WD-11LM 、缓凝剂WD-21LM、减阻剂WD-31LM组成。
•高温高抗盐体系由降失水剂WD-11LH 、缓凝剂WD-21LH、减阻剂WD-31LH组成。
高抗盐固井水泥浆体系组成•防气窜剂WD-50S、浆体稳定剂WD-70S、早强剂WD-80S、增塑剂WD-90S等辅助性能调节剂，也同样适用于该体系，能满足现场固井对水泥浆提出的各种要求。
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密度 4.1~4.4 4.8~5.2 4.4~4.5 4.8~4.9
细度
97%<75μ m 80%<45μ m 97%<75μ m 85%<45μ m 97%<75μ m 80%<45μ m
平均颗粒 粒度 5μ m
对水泥浆的影响
增加需水量较大， 增稠
增加需水量较小， 稍增稠
增加需水量较小
不增加需水量，无 沉降稳定问题，有
二、加重材料选择
1、加重剂应满足以下条件：
材料的颗粒粒度分布与水泥相容。 需水量少。 不影响水泥水化进程，与其它添加剂有
良好的相容性，同时对外加剂的吸附能 力弱。
2、几种加重材料性能特性比较
加重剂
外观
重晶石粉 赤铁矿粉 钛铁矿粉
白色 粉末 暗红色 粉末 黑色 细粒
棕红色 Micromax 粉末
一、概述
高孔隙压力、井壁不稳定和塑性流动地层 固井都需要高静水压力，要求利用高密度水泥 浆进行固井。提高水泥浆密度的简单方法是减 少水用量，但这种方法会带来很多问题和隐患， 其最高密度也只能达到2.16g/cm3；当要求更高的 水泥浆密度时，就需要加入高比重材料来提高 水泥浆密度。
为解决高密度水泥浆存在的问题，我院先 后研究开发了G60高密度水泥浆体系、SQ高密 度水泥浆体系和BXF高密度水泥浆体系。并成 功地应用于油田固井，取得了良好的社会和经 济效益。
0.5
D6 2.50
387
380
25.0
21.9
0.7
流动度 cm
18.5 18.5 19.0 19.5 19.0 19.5
上述数据表明：由G60-S、钛铁矿、硅粉、H88、CF40S配制的
高密度水泥浆，能有效地提高水泥浆密度，水泥浆各方面性能 满足固井施工要求。
③G60高密度水泥浆的应用
中国石油勘探研究院万庄分院采用G60-S 不渗透剂、GRO分散剂及G64中温缓凝剂，采 用重晶石粉为加重材料配制高密度水泥浆， 在青海地区一口总公司重点科探井（冷科1井） 中进行了施工。水泥浆设计密度达到2.40g/cm3， 稠化时间控制在6~7h，API失水量控制在50mL 以内。在实际施工中，水泥浆的最大密度为 2.35g/cm3，平均密度为2.30g/cm3，固井结果令 人满意。
技术特点：G60-S不渗透剂水泥浆体系水泥
浆流变性能好，具有降失水、防漏、防窜等 多种功能；G60-S油井水泥不渗透剂对水泥浆 具有一定的缓凝作用，对水泥石抗压强度发 展影响较小；适用温度范围55~155℃。
② G60高密度水泥浆性能
序 号
水泥浆 密度 g/cm3
BHCT 下 可泵时间 API
稠化时间 (稠度≤40Bc) 失水量
技术特点：SQ系列抗盐外加剂适用于盐膏层、碱层或
高压盐水井及一般生产井的固井。适用温度范围 40~120℃；API失水量≤250ml；游离液含量低；具有 良好的抗盐能力，抗盐量可达18%；具有良好的抗窜 能力和相容性；水泥浆具有良好的流变性能，过渡时 间短；可与API 各级水泥、硅石粉、重晶石、钛铁矿 等外掺料配制出适合固井要求的水泥浆。
min
min
ml
BHST 下 24h 抗压强度
MPa
游离பைடு நூலகம்含量 mL
D1 2.50
402
390
30.0
20.6
0.5
D2 2.50
384
370
36.0
22.7
0.3
D3 2.50
333
320
28.0
21.2
0.5
D4 2.50
400
390
32.0
20.8
0.5
D5 2.50
426
420
28.0
21.3
2、SQ水泥浆体系
①组成及特点
组成： SQ系列抗盐外加剂由SQ-2降失水剂、SQ-1增强
剂、J-RL缓凝剂组成； SQ-1掺量为2~3%（BWOC）， SQ-2 掺 量 为 1.5~3.3% （ BWOC ） ， J-RL 掺 量 为 0.2~1.5%（BWOC）； SQ-2可与水泥干混，亦可水溶， 但推荐干混使用；
成浆体材料离析，应保证良好的沉降稳定性；
游离液：高密度水泥浆游离液含量较高，水泥浆设
计时应尽量降低游离液含量；
高温环境：加入硅粉，需更多的加重材料，减少
了胶凝材料的用量，应关注水泥石早期及后期抗压 强度；
防窜性能：高密度水泥浆一般用于高压油气水层，
应考虑体系的防窜性能；
施工性能：高密度水泥浆一般流动性差，应考虑
此外，近年来根据颗粒堆积理论，还通过 采用粗颗粒水泥来提高水泥浆的密度。例如采 用H级水泥进行配浆，以提高水泥浆流动性能， 增加浆体中胶凝材料含量，提高水泥浆早期和 后期的抗压强度。
三、高密度水泥浆设计原则
降失水性能：高密度水泥浆的降失水性能一般要
求小于100mL；
沉降稳定性：高密度水泥浆密度差别较大，易造
② SQ水泥浆性能
密度 水泥 重晶石 水 2.19 100 150 84
SQ-2 2.5
SXY 1.0
J-RL 1.5
API 稠化 强度 失水 90℃ 119℃
84 400
2.19 100 150 84 2.5 1.0 0.7 80 189 11.0 2.19 100 150 84 2.5 1.0 1.2 90 225 10.0
③ SQ高密度水泥浆的应用
采用SQ降失水剂，使用重晶石作为 加重剂配制的高密度水泥浆体系在青 海油田冷七2井固井中使用，固井井深 3300m，采用双级固井。该井施工顺利， 测井结果表明，固井质量良好。
3、BXF-1高密度水泥浆体系
①组成及特点
组成：BXF-1降失水剂、BXR-1中温缓凝剂、BXR-2
适当减阻效果
可配制的水泥浆 密度 可达到
2.28g/cm3 可达到
2.60g/cm3 可达到
2.40g/cm3
估计可达到 2.80g/cm3
3、盐及粗颗粒水泥
除了以上非水溶固体材料外，还可通过加 入盐提高水泥浆的密度，但这一方法要求详细 考察所用盐对水泥浆性能的影响，以及对水泥 石胶结的长期影响。
配浆工艺。
四、高密度水泥浆配方和性能
我院近年来对高密度水泥浆体系进行 了研究开发，目前已投入现场使用的有：
G60高密度水泥浆体系 SQ高密度水泥浆体系 BXF高密度水泥浆体系
1、G60高密度水泥浆体系 ①组成及特点
组成：普通型或高温型G60 不渗透剂；缓凝
剂H88、J-RL、G64；分散剂CF40S、CF40L； G60-S掺量一般为1.5~2.5% (占水泥质量)，适 用于与水泥干混使用；