孔固定技术
(一)固井水泥的选择
固井水泥的选择应根据钻井深度、固井环强度和工艺方法而定。石油固井水泥主要根据适用的井深和温度分类，普通水泥根据水泥石的龄期强度分类。
美国API标准将油井水泥分为A、B、C、D、E、F、G、H、J九个等级，其中A、B、C级为基质水泥，D、E、F级允许在烧制时添加调节剂，G、H级允许添加石膏，J级要符合特定标准。
A级:适用深度0 ~ 1828.8m，温度76.7℃。常见类型只有1种，没有特殊性能要求。
B级:适用深度0 ~ 1828.8 m，属于中热水泥，温度76.7℃。有中抗硫(抗硫酸盐)和高抗硫两种。
C级:适用深度0 ~ 1828.8 m，温度76.7℃。属于高早强水泥，分为普通、中等、高抗硫三种。
D级:适用深度1828.8 ~ 3050 m，温度76 ~ 127℃。在基体水泥中加入缓凝剂，在中温中压条件下使用，分为中抗硫和高抗硫两种。
E级:适用深度3050 ~ 4270 m，温度76 ~ 143℃，基质水泥中加入缓凝剂，在高温高压条件下使用，分为中抗硫和高抗硫两种。
F级:适用深度3050 ~ 4880 m，温度110 ~ 160℃，在基体水泥中加入缓凝剂，用于超高温超高压条件，分为中抗硫和高抗硫两种。
G、H级:适用深度0 ~ 2440 m，温度0 ~ 93℃。它们是两种基体水泥，加入调节剂后使用范围广，分为中抗硫和高抗硫两种。
J级:适用深度3660 ~ 4880 m，温度49 ~ 160℃，仅普通型，在超高温条件下使用。
中国将油井水泥分为四类，即45℃、75℃、95℃和120℃。其质量标准见表3-9。普通水泥分为六类，即42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5R和62.5 R..普通水泥分类强度指标见表3-10。
表3-9中国温度系列水泥质量标准
表3-10中国普通水泥分级强度指标
地质岩心钻探，无特殊要求一般可采用52.5 ~ 62.5 r等级的普通水泥固井，超深情况下应选用相应井深的油井水泥固井。
(二)固井水泥浆性能测定
影响固井作业的水泥浆性能主要包括密度、水灰比、稠化时间、凝结时间(初凝和终凝时间)、水泥浆强度和水泥浆抗腐蚀性。
1.水泥浆密度
水泥干灰的密度一般为3.05 ~ 3.20 g/cm3。水泥完全水化所需的水量约为水泥质量的20%，但此时水泥浆几乎不能流动。为使水泥浆流动，加水量应达到水泥质量的45% ~ 50%，配制的水泥浆密度为1.80 ~ 1.90 g/cm3，一般为固井时选定的密度。
2.水泥浆的水灰比
水灰比是指水泥浆中水与干水泥的比例。比值越大，水泥浆密度越小(水泥浆越稀)，可以通过改变水灰比来调整水泥浆密度。固定孔洞时，水灰比一般控制在0.45-0.5之间。
3.水泥浆稠化时间
水泥浆配制后，随着水化反应，水泥浆逐渐变稠，流动性变差。在用泵注入水泥浆并顶替的过程中，水泥浆可能越来越难以流动，甚至无法泵入。此时水泥虽然还没有凝固，但已经无法再泵送置换。因此，固井全过程必须在水泥浆稠化前完成，稠化时间决定了固井施工的时间。对于施工周期长的深孔固井，应保证较长的水泥浆稠化时间。
水泥浆稠化时间是指水泥浆从开始配制到达到规定值所需的时间。比如API标准规定，从开始搅拌到水泥浆稠度达到100BC(水泥稠度单位)的时间为水泥浆稠化时间。API标准规定初始时间15 ~ 30min稠化值应小于30BC。良好的稠化条件是在固井总施工时间内，水泥浆稠度在50BC以内。
4.水泥浆凝固时间
水泥浆的水化从搅拌时就开始了，从液态到固态的时间就是水泥浆的凝结时间。这个时间和变厚的时间不一样。一般来说，水泥浆的凝结时间比稠化时间长。水泥浆凝固时间对施工影响很大，即套管封固后从固井到承受一定载荷的时间决定了从固井完成到下一道工序的时间，通常预计固井后等待凝固8小时左右。
5.水泥石的强度和耐腐蚀性
水泥浆体的强度和耐腐蚀性主要是通过选择水泥的种类，即水泥的化学成分来控制的。
为满足钻井和固井对水泥浆的性能要求，固井前应进行现场水泥浆配方取样试验和性能试验，也可加入外加剂调整水泥浆性能。通过现场性能测试数据指导固孔作业。
(3)注水泥浆相关参数的计算
为保证固井质量，使水泥浆返回到预定高度，套管内水泥塞长度符合设计要求。固井前，必须根据孔径大小、套管直径、下入深度和水泥返出高度，计算水泥浆、干水泥、顶替浆和清水的用量，以及相应的最大泵压和固井时间。
1.水泥浆用量
水泥浆用量按公式(3-5)计算:
深岩心钻探技术与管理
式中:V为水泥浆量，m3；D1为钻孔的平均直径，m；d为套管外径，m；d为套管内径，m；h为水泥浆返出高度，m；h为水泥塞高度，m；K1为裸井段水泥附加系数。根据各地区实际情况，凭经验得出k 1 = 1.05 ~ 1.10。
实际孔径是不规则的。计算时必须根据电测直径分段得到平均孔径，分段计算环空体积，然后累加得到整个井眼的环空体积。线段越小，误差越小。
2.干水泥剂量
干水泥用量按公式(3-6)计算:
G=K2Vq (3-6)
式中:g为干水泥含量，袋；v为水泥浆量，m3；q为配制1m3水泥浆所需的干水泥袋数量；K2为地面损耗系数，一般为1.03 ~ 1.05。
3.耗水量
清水消耗量按公式(3-7)计算:
深岩心钻探技术与管理
式中:Vs为清水消耗量，m3；V1为每袋水泥所需的水量，L/袋；g为干水泥含量，单位为袋。
4.水泥浆替换量
当胶塞被推到浮箍位置时，换浆完成。因此，所需的泥浆替换量是浮箍上方不同壁厚套管的内部体积之和:
深岩心钻探技术与管理
式中:Vnj为水泥浆顶替量，m3；D1，d2，…，dn为水泥塞以上不同壁厚套管的内径，m；L1，L2，…，Ln为水泥塞以上不同壁厚套管的长度，m，K3为泥浆压缩系数，取值为1.03 ~ 1.05。
为了简化计算，现场常用公式(3-9):
vnj = K3(q 1l 1+Q2 L2+…+qnLn)(3-9)
式中:q1，q2，…，qn为水泥塞以上不同壁厚套管的内容积，l/m
5.最大泵压
在固井过程中，由于水泥浆的密度一般高于泥浆的密度，随着泥浆的注入，正常情况下，泵压是由大到小(几乎为零)，再由小变大。泥浆置换结束时，泵压达到最高。最大泵压由管内外液柱的压差和水泥浆、泥浆在管内外流动的阻力组成，即:
p=p1+p2 (3-10)
式中:p为最高泵压，MPaP1为克服流动阻力所需的泵压，MPaP2是克服管内外液柱压差所需的泵压，MPa。
P1可通过以下经验公式计算:
当孔深小于1000m时，p 1 = 0.001L+0.8 MPa；
当孔深大于1000米时，p 1 = 0.001l+1.6 MPa..
其中:l是孔的深度，单位为米。
P2可以通过公式(3-11)计算:
p2 = 9.8(H-H)(ρc-ρb)×10-6(3-11)
式中:h为管外水泥柱的高度，m；h为水泥塞长度，m；ρc为水泥浆的密度，kg/m3；ρb为顶替泥浆的密度，kg/m3。
6.固井时间
注水泥施工时间包括水泥车分配全部水泥浆、更换水泥浆和浇注闸门、打开止动销和推动胶塞的时间。为保证施工顺利进行，注入水泥的总时间必须小于或等于水泥浆初凝时间的75%。
T=T1+T2+T3+T4 (3-12)
深岩心钻探技术与管理
深岩心钻探技术与管理
式中:t为注水泥施工的总时间，minT1为注水泥所需时间，minT2是泥浆顶替时间，minT3为开关闸门、打开挡销、推胶塞的时间，一般为1 ~ 3min；T4是接触压力时间，ming是注入的水泥总量，袋；m为每分钟注入自行车的水泥量，袋/分钟；n是注水泥车的数量；Q1是泥浆排水泵的排量，m3/min；v为泥浆置换量，m3。
(4)孔固定操作
1.水泥固井设备
水泥固井灌浆设备应根据固井深度和质量要求进行选择。石油钻井有专门的固井设备。在地质钻探中，1000m浅钻孔一般采用泥浆泵灌浆，1000m深钻孔也选用专用固井设备。固井设备主要包括:水泥车、水泥搅拌机、水泥分配器、水泥头、胶塞、水泥灰罐等。
(1)水泥车
水泥车是专门用于水泥注入等挤出工作的专用车辆，配备有水泥(活塞)泵、柱塞泵、带刻度的水箱、管道、搅拌机、辅助动力设备和变速箱等水泥注入专用设备。
(2)水泥搅拌机
水泥搅拌机是将水和干水泥直接搅拌成水泥浆的设备。注入水泥时，柱塞泵将水泥车水箱中的水通过吸水管吸入泵体内，通过柱塞加压，通过排水管道排出，在搅拌机下流动，从喷嘴高速喷出，迅速注入出水管，从而在搅拌机底部形成真空， 从而将从下灰罐进入搅拌机的干水泥粉吸出，与水混合形成均匀的水泥浆，通过出口管道流入水泥浆搅拌池，如图3-27所示。 然后，水泥泵将混合池中的水泥浆注入孔中。新型水泥车配有搅拌机和搅拌池。
图3-27灌浆和浆液制备流程图
1—排灰罐；2-水泥浆；3-水泥搅拌机；4—水泥浆混合罐；5-注水泥管道
(3)水泥头
水泥接头连接到套管柱的顶部接头，并与地面管线和固井设备连通(图3-28)。两侧焊接短节，配有高压闸门，分别用活接头连接固井管线。同时，在另外两侧安装止动销，以保持住橡胶塞。
图3-28水泥头结构示意图
1-并集；2—水泥头体；3-止动销；4-橡胶塞；5—水泥头盖；6-吊环
(4)橡胶塞
胶塞在固井作业中起隔离、刮削和缓冲作用，如图3-29所示。
图3-29典型胶塞结构示意图
(a)固体橡胶塞；(b)中空橡胶塞；(c)自锁橡胶塞
1核；2-橡胶板；3-O型密封圈；4-卡圈
2.预灌浆液
前置液是在注入泥浆之前注入孔内的各种特殊流体。其作用是将水泥浆从泥浆中分离出来，起到隔离、缓冲和清洗的作用，提高固井质量。
(1)清洁溶液
清洗液用于稀释和分散泥浆，防止泥浆胶凝和絮凝，有效清洗孔壁和套管壁，清洗剩余泥浆和泥饼；在孔内水泥浆和泥浆之间起到缓冲作用，有利于提高固井质量。清洗液应具有接近水的低密度，密度约为1.03g/cm3。具有极低的塑性粘度、良好的流动性能、低剪切速率和低流动阻力，可在低速下实现湍流特性，其湍流临界速度为0.3 ~ 0.5m/s；与水泥浆和泥浆应具有良好的相容性。
清洗液通常是在淡水中加入表面活性剂或稀释泥浆制成的。常用的清洗液有CMC水溶液、表面活性剂水溶液和海水。
(2)隔离物
隔离液的作用是:能有效地隔离井眼中的泥浆和水泥浆；能形成平面推进位移效果；对低压漏层能起到缓冲作用；它具有很高的浮力和拖曳力，以增强驱替效果。
隔离液通常是一种粘性液体。它的粘度比清洗液高，密度略高，静态剪切力也要略高。清洗液后注入，隔离液注入后再注入泥浆。
在钻井和固井地质岩心时，清水通常用来代替前置液。
3.钻井作业流程
钻井水泥固井是一次性施工工艺，严格控制各工序质量是保证固井一次成功的关键。固井作业主要流程:安装、调试、检查固井设备→调整循环孔泥浆→向孔内注入隔离液→注入泥浆→压胶塞→替浆(先用泥浆，后用清水)→等待水泥浆凝固→用泥浆冲洗管内浮浆→等待水泥石→扫水泥塞、浮箍、引鞋→转入下一道工序。
4.固井作业过程要点
1)固井灌浆前，应精心组织施工人员，明确岗位分工，各司其职，确保固井工作顺利进行。
2)灌浆前，务必检查和调试灌浆设备，并连接灌浆设备的地面管汇；根据设计准备足够的清水、换浆和隔离液进行固孔。
3)注入隔离液和泥浆。浇注闸门，先用水泥车注入一定量的清洗液和隔离液，使泥浆与水泥浆分离，防止钙侵入，同时还要冲洗清洗孔壁和套管外壁，提高水泥浆与套管外壁和孔壁的粘结强度。注入隔离液后，注入水泥浆。
4)压胶塞。水泥浆灌浆后，打开水泥头两侧的止动销，然后用水泥车压下带有一定量尾随液的胶塞。
5)更换浆液。压下胶塞后，启动泥浆泵顶替泥浆，泵压逐渐升高。当胶塞坐在套管支撑环上时，泵压突然升高，安全销被切断(俗称撞压)。撞压前也可以停泵，启动水泥车，用1m3/h左右的小排量代替清水进行撞压。
6)等待凝固。为防止浮箍因压力过大而损坏，对深孔和用反压球封闭的不良孔，应采用憋压等待凝固的方法。憋压候凝过程中，由于水泥放热凝固，孔内压力增大，注意观察井口压力。如果压力高于设定值，可从孔板装置的背压阀释放部分压力，以确保平衡。一般设定等待时间约为24h，孔板压力表可归零。
7)当钻孔较浅时，使用泥浆泵进行灌浆较为简单。准确注入水泥浆量后，送入顶替浆和清水，水泥浆返回孔口，使浮箍上方留有约10m的水泥浆柱，然后可关闭孔口阀，让水泥浆凝固。
8)待水泥浆凝固后，下钻杆，用大量水泥浆冲洗管内多余的浮浆至浮箍以上3 ~ 5m，等待水泥石。冲洗管内浮浆时，尽量少转动钻具，以减少套管跳动。
9)水泥石形成后(一般从水泥到石头需要5 ~ 6d)，可用牙轮钻头或全能合金钻头穿入水泥柱，扫浮箍，引鞋。
10)扫浮箍和导靴时，轻压慢转。扫浮箍和导向鞋前，用外径较大的钻机进行全面钻孔、磨孔、冲孔，清除孔底泥沙，保证管径，为下一步施工做准备。