挤水泥作业设计及软件开发

陈 彬 (长江大学石油工程学院，湖北 荆州 434023；中海油深圳分公司，广东 深圳 518067)

刘良华 (中石油冀东油田公司陆上采油厂，河北 唐山 063200)

挤水泥作业设计及软件开发

陈 彬 (长江大学石油工程学院，湖北 荆州 434023；中海油深圳分公司，广东 深圳 518067)

刘良华 (中石油冀东油田公司陆上采油厂，河北 唐山 063200)

在石油天然气井固完井过程中，对于封堵炮眼、封堵套管泄漏、封堵地层漏失以及补注水泥，通常需要进行挤水泥作业，然而其设计是否合理直接影响作业成败和封固质量。因此，对挤水泥作业设计进行系统研究，并开发相应的挤水泥设计软件具有重要的实际意义。对挤水泥工艺选择、挤水泥流体性能设计、用量设计、施工设计进行系统的分析研究，并开发了挤水泥设计软件，结合一口井进行挤水泥设计，结果满足工程要求，达到了安全挤水泥的目的，对于科学指导挤水泥作业施工具有一定的指导意义。

挤水泥；流体性能；流体用量；施工；软件开发

挤水泥是利用液体压力挤压水泥浆，使之进入环空需要封固的井段或地层裂缝与孔隙，或用于封堵炮眼、封堵套管泄漏和封堵地层漏失等，以达到封隔油气层的目的。如果管外有漏失层和高渗透层，挤入压力低于地层破裂压力时即可将水泥挤入，称为低压挤水泥，其特点是所施加压力使脱水水泥浆在炮眼以及可能存在的孔道和裂缝处形成水泥滤饼而进行封堵。如果挤入压力高于地层破裂压力才能将水泥挤入，称为高压挤水泥，是将地层压裂后进入炮眼以及可能存在的孔道和裂缝进行封堵。挤水泥设计合理与否直接影响作业成败和封固质量，因此，对挤水泥作业设计进行系统研究，并开发相应的挤水泥设计软件具有重要的实际意义。

1 挤水泥工艺

在石油天然气井固井过程中挤水泥工艺有以下3种：

1.1井口法挤水泥

井口法挤水泥是将钻杆或油管下至预定井深，泵入一定量的水泥浆和替钻井液，然后把管柱提出水泥面，循环出多余的水泥浆，关闭井口，从管柱水眼内挤入一定量的钻井液，从而达到把水泥浆挤入地层封隔油气水层(或封堵炮眼、封堵套管泄漏、封堵地层漏失)的目的[1]。

1.2封隔器法挤水泥

用油管或钻杆把封隔器下至预定井深，泵入一定量的水泥浆和替钻井液，然后把管柱提出水泥面，循环出多余的水泥浆，坐封封隔器，从管柱水眼内挤入一定量的钻井液，从而达到把水泥浆挤入地层封隔油气水层(或封堵炮眼、封堵套管泄漏、封堵地层漏失)的目的。

1.3承留器法挤水泥

用钻杆或油管将水泥承留器下至挤水泥目的层顶部，从管柱水眼内直接挤水泥，从而达到把水泥浆挤入地层封隔油气水层(或封堵炮眼、封堵套管泄漏、封堵地层漏失)的目的。

上述3种挤水泥工艺中，井口法挤水泥操作工艺简单，在现场应用较为广泛，下面以井口法挤水泥工艺为例进行设计。

2 挤水泥设计

2.1流体性能设计

在设计挤水泥作业流体性能时，必须按照井下温度与压力做水泥浆化验，以确定药品种类和加量。设计水泥浆稠化时间=挤水泥施工时间(注水泥浆时间+替钻井液时间+起钻时间+循环时间+关闭井口时间+挤水泥时间)+60min。水泥浆失水量依据地层渗透性而定，低渗透地层允许API失水量在100～200ml之间，高渗透地层允许API失水量在50～100ml之间，裂缝性地层失水量控制在200～500ml之间。水泥石24h的抗压强度应大于14MPa。

为了有效隔离水泥浆与套管内其他流体，防止互相污染，前置液和后置液的高度不得低于150m，必要时应做管内流体与水泥浆的污染试验。

2.2流体用量设计

1)水泥浆用量 对于封堵炮眼，水泥浆用量为挤入量、炮眼段套管的内容积及附加量之和；对于封堵套管泄漏，水泥浆用量为挤入量、泄漏段套管的内容积及附加量之和；对于封堵漏失层，水泥浆用量为挤入量、漏失段的内容积及附加量之和；对于补注水泥，水泥浆用量为补注段容积与附加量之和。连通炮眼间环空补注水泥，或尾管射孔处至喇叭口环空补注水泥，应有部分水泥浆从上部炮眼或喇叭口返出。

对于挤入量，封堵炮眼根据炮眼长度确定，射孔井段300L/m；挤入排量不低于300L/min时的挤入量不宜低于5m3；裂缝性地层挤入量不宜低于10m3；易破裂地层及高压挤水泥，水泥浆量应适当增大。

井口法挤水泥在上提作业管柱前，宜在作业管柱内保留比管外至少高100m的水泥浆。

2)顶替液用量 井口法挤水泥作业的顶替液用量包括以下2部分：①作业管柱的内容积减去前置液、水泥浆和后置液体积；②设计的水泥浆用量[2]。

2.3施工设计

1)安全压力要求 ①封堵炮眼、套管泄漏挤水泥作业在侯凝期间，挤入位置的套管内压力不应低于管外。②井口法挤水泥作业中，上提注水泥作业管柱时的管内静液柱压力不应低于管外的静液柱压力[3]。

2)试挤要求 ①遇有下列情况时，应在挤入位置以下坐桥塞：①试挤压力将压裂(或压漏)挤入位置以下的裸眼地层。②不能肯定试挤压力不会压裂(或压漏)挤入位置以下的裸眼地层。②关井试挤时，试挤压力不应超过套管抗内压强度的70%和井口额定工作压力。③用封隔器试挤时，试挤压力不应超过套管抗外挤强度的70%或封隔器的额定工作负压差。④下桥塞后，试挤压力不应超过桥塞的额定工作正压差[3]。

3)控制井口最大压力 控制井口最大压力计算公式[2]为：

Ph=Pf-Pi-3.45

式中，Ph为控制井口最大压力，MPa；Pf为挤入点地层破裂压力，MPa；Pi为管内液柱压力，MPa。

3 挤水泥设计软件开发与应用

以挤水泥作业设计理论为基础，结合现场挤水泥施工特点，在Microsoft Windows的环境下，用Visual Basic 6.0可视化编程语言开发了挤水泥设计软件。该软件可应用井口法挤水泥分别对封堵炮眼、封堵套管泄漏、封堵地层漏失、补注水泥4种工况进行挤水泥设计。

3.1基本井况

某井井身结构为：一开用∅444.5mm钻头钻至井深203.7m,∅339.7mm表层套管下至井深 193.3m；二开用∅311.15mm钻头钻至井深1750m,∅244.5mm技术套管下至井深1748.2m；三开用∅215.9mm钻头钻至井深3995m，∅139.7mm油层套管下至井深3993m，水泥返至井深2200m，油层套管为N80钢级套管，壁厚7.72mm。

油层套管固井后发现套管泄漏，采用∅118mm封隔器找漏，确定漏失位置在2530～2533m之间，漏失点地层漏失压力为33.2MPa，拟采取挤水泥补救措施。

3.2设计结果

采用嘉华G级水泥，密度为1.9g/cm3的水泥浆，在试验温度90℃、试验压力25MPa条件下，稠化时间271min，24h抗压强度大于14MPa。采用∅73mm钻杆×400m+Y211型封隔器+∅73mm钻杆×2136m下井管串结构进行挤水泥作业，预计水泥浆挤入量为3.5m3，水泥浆附加量0.5m3。具体施工排量与时间计算如表1所示。

表1 挤水泥作业设计施工排量与时间

按照上述挤水泥设计参数与施工程序进行现场施工后，套管试压合格，挤水泥作业成功。

4 结 语

1)挤水泥作业对水泥浆稠化时间、失水量、抗压强度等性能有一定要求，现场必须按照井下温度与压力条件进行水泥浆化验，合理确定水泥浆性能。

2)根据施工工艺准确计算水泥浆与顶替液用量，并设计足量的前置液与后置液，严格按照安全压力要求和试挤要求进行挤水泥，确保挤水泥作业成功。

3)开发了挤水泥设计软件，可应用井口法挤水泥分别对封堵炮眼、封堵套管泄漏、封堵地层漏失、补注水泥4种工况进行挤水泥设计，结果满足工程设计要求。

[1]秦绍峰,苏晓东,胡修权.提高挤水泥浆施工成功率的措施与方法[J].内江科技,2008(7):114，162.

[2]钻井手册(甲方)编写组.钻井手册[M].北京:石油工业出版社,1990:626-632.

[3]SY5374.2-2006,固井作业规程(第2部分：特殊固井)[S].

[编辑] 洪云飞

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.03.027

TE242.6

A

1673-1409(2012)03-N081-02

2012-01-28

陈彬(1983-)，男， 2006年大学毕业，硕士生，现主要从事钻井技术与管理方面的研究工作。