水泥护壁堵漏.docx

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水泥护壁堵漏

水泥护壁堵漏  

  水泥是一种良好的胶凝材料，不仅在建筑行业广泛使用，而且早在20世纪40年代钻井工程中就已经开始用水泥护壁堵漏了。

用水泥进行护壁堵漏是将水泥浆注入钻孔内，并使其进入所封堵和护壁的孔段漏失层裂隙、孔洞的坍塌部位，利用水泥浆的凝固硬化作用，将其堵塞并与岩层胶结为一整体。

水泥还可作为钻井封孔、止水、固井、防喷、加固基础等。

由于水泥具有货源广、成本低、无毒、使用方便、利于孔内灌注等优点，目前仍然被广泛用作钻井护壁堵漏的固结材料。

有关水泥的原理基础已在第三章第五节中介绍，本节重点讨论水泥在钻井护壁堵漏中的应用。

一、堵漏对水泥性能的要求

         当钻井遇到卵砾石层、破碎带、大裂隙、溶洞、厚砂层，用泥浆难以护壁堵漏时，即应采用水泥等固结材料进行护壁堵漏。

这时，在工艺上需要停止钻进，从井内提出钻具，再向井内灌注水泥浆材，待水泥浆材渗挤、充填到地层空隙中并凝固复杂层段后，再重新下入钻具扫孔钻进成井。

因此，与泥浆随钻护壁堵漏相比，水泥护壁堵漏在工序上增加了专门灌注、候凝固结和重新扫孔时间。

（1）护壁堵漏灌注水泥最常用的方法是用水泵通过钻杆将水泥浆液输送到井底，然后水泥浆液在井底能够有效地渗入地层的孔裂隙中。

这就要求水泥浆液在这一阶段具有良好的流动性。

（2）普通建筑用硅酸盐水泥的候凝固结时间很长，如要达到它们的最终强度往往需要10d以上，这么长的停待时间对钻井工作来说是难以接受的，因此希望能够尽量缩短水泥的候凝固结时间（如1～2d，甚至更短）。

        （3）钻井护壁堵漏对水泥的后期强度并不要求很高，只要满足井眼稳定和阻塞漏失即可，它一般的抗压强度只需达到建筑用固结体强度的20%。

         所以钻井护壁堵漏对水泥性能的主要要求可以归结为：

初期流动性好，能够快凝早强，后期强度要求不高，可用图7-12的曲线来反映这种要求。

图7-11钻井护壁堵漏水泥特性曲线

    实线为钻井水泥，虚线为普通建筑水泥

         另外，在一些特殊情况下，对护壁堵漏水泥还有一些特殊要求。

如在低压地层中要求减轻水泥的重度；在高温地层下应该增加水泥的抗温能力；对于要求严格封堵的地层应使水泥具有较明显的膨胀性，等等。

二、钻井常用的水泥与外加剂

         长期以来，普通硅酸盐水泥用于地质钻探护壁堵漏的为数众多，由于受其性能的限制，一般需要配用水泥促凝早强剂来调整其性能。

护壁堵漏对水泥性能的主要要求是快凝早强，因此，选用一些具有快凝早强特性的其他品种水泥，也是可以适合护壁堵漏需要的。

此外，由于孔内条件的特殊性，如高温、高压、低压、漏失等以及各种工程的施工需要，需选用某些特种水泥。

为此，现将有关的水泥外加剂和其他品种水泥作一概括介绍，以便于根据需要加以选用。

关于水泥的基本原理详见第三章第五节。

（一）普通水泥的外加剂

        钻探施工中，常遇到地层的坍塌、漏失、破碎掉块等复杂问题，需要用水泥进行护壁堵漏。

但是，由于普通水泥早期强度低、凝结时间过长、浆液流动性差，就需要使用水泥外加剂来改善和调整各种水泥性能，采用水泥外加剂对改善和调整某些水泥性能是个有效的途径。

如需要提高早期强度宜用早强外加剂；需缩短凝结时间，则用速凝剂；若需改善流动性，要用减阻剂等等。

水泥外加剂的类型品种很多。

用于地质钻探的水泥外加剂依其功用和成分，有不同的分类方法：

Ⅰ.按功用分类

（1）、调节水泥凝结硬化速度的速凝剂和缓凝剂；

（2）、供使水泥早期强度提高的早强剂；

      （3）、降低水灰比、改善浆液流动性能的减阻剂或减水剂、稀释剂；

      （4）、减少浆液的析水和失水的降失水剂；

      （5）、降低水泥浆比重的减轻剂；

      （6）、增强水泥与岩层粘结强度的膨胀剂；

       （7）、 防止浆液流失的堵漏剂等。

Ⅱ.按化学成分分类

1.无机化合物类

       包括各种无机盐类，一些金属单质，少量氧化物和氢氧化物等。

这类物质大多用作早强剂、速凝剂等。

2.有机物类

        这类物质种类很多。

其中大部分属于表面活性剂的范畴，有阴离子、阳离子、非离子型以及高分子型表面活性剂等。

         为了满足各种工程施工需要，水泥外加剂在改善水泥某些性能的使用中，应考虑以下五个方面问题：

①按水泥品种合理选用外加剂；②选用外加剂应明确改善和调整水泥性能的目的；③选用外加剂合适掺量；④考虑具体施工条件，如气温、孔内温度、压力、灌注方式、灌注工具等；⑤尽可能选用复合外加剂。

         有关水泥外加剂的品种可在第三章第五节中查阅。

（二）快硬早强水泥

          快硬早强水泥按其矿物组分，一般可分为四类：

1、硅酸盐类

          水泥熟料以硅酸钙为主要组分，可通过调整矿物的相对含量，如提高C3S和C3A的含量，提高水泥的粉磨细度等，可获得快凝早强性能。

目前，国内已能大量生产，并列入国家标准的有高级水泥、快硬水泥和特快硬水泥三种。

这三种水泥都具有较高的早期强度，可以选用。

实际生产中，欲获得快凝早强性能，也可选用高标号625硅酸盐水泥。

2、铝酸盐类

          水泥熟料是以铝酸一钙为主要组分，由于铝酸一钙的水化速度较快，因此，具有较高的早期强度。

目前列入正式产品的有矾土水泥。

以上两类快硬早强水泥，一天强度虽较高，但小时强度还是不高，且凝结时间较慢，它们的特点是只快硬不快凝。

对于硅酸盐水泥和铝酸盐水泥，要求有较高的小时强度还难于满足，为此，只有配合使用促凝早强剂来达到。

3、硫铝酸盐类

         是以硫铝酸钙（C4A3）和硅酸二钙（βC2S）为主要组分，其早期强度较高，是一种以小时计的快凝快硬即“双快”水泥。

目前已研制成功用并于生产的有：

硫铝酸盐水泥（亦称地勘水泥）和硫铝酸盐超早强水泥，B1水泥等。

4、氟铝酸盐类

           是以氟铝酸钙（C11A7）和硅酸钙C3S（或C2S）为主要组分，其早期强度可以小时计，亦为快凝快硬水泥。

目前已研制成功的有双快型砂水泥，双快抢修水泥等，专门供铸造型砂粘结，机场跑道抢修以及国防军工用。

（三）油井水泥、地热水泥

           油井水泥专用于油井、气井等固井工程，又称堵塞水泥。

石油地质勘探和开采钻井过程随着井深的增加，井底温度和压力相应也不断增加。

实践表明，每增100m，井内温度约提高3℃，压力增加10～30×101325Pa。

油井水泥的性能要求是：

在井内温度和压力条件下，水泥浆在注入过程中能具有一定的流动性、可泵性和合适的稠化时间；水泥浆注入井内后应能较快凝结，并在短期内具有一定的强度；硬化后的水泥面应有良好的稳定性和抗渗性；在高压气、油井固井，应具有合适的比重等。

根据油井固井的要求和不同井深温度条件的需要，我国的油井水泥已形成系列，并将油井水泥分为普通油井水泥和高温油井水泥。

     由于不同油井水泥适应不同温度和深度要求，根据国家标准GB202-78规定为：

    45℃油井水泥                  适用井深在1500m以内

          75℃油井水泥                   适用井深在1500～2500m

          95℃油井水泥                   适用井深在2500～3500m

           以上三个品种称普通油井水泥或称中深井水泥。

对于温度在120℃左右到180℃，井深在4000～7000m，可用高温油井水泥。

温度为120℃的油井水泥国内已有定型产品。

           现将常用的两种油井水泥的性能介绍如下：

1、普通油井水泥

           普通油井水泥是以适当矿物组成的硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细混均而成。

但用于45℃、75℃和95℃油井水泥的熟料，其矿物组成有较大的区别。

45℃油井水泥，由于适用的温度不高，凝结不快，为了达到具有较高早期强度的目的，可以调整熟料中C3S、C3A的相对含量（提高C3S含量，相应降低C3A含量）。

用于75℃的油井水泥，由于井内温度升高而使凝结加快。

因此，应进一步降低熟料中快凝组分C3A的含量（一般要求降至5%以下），而且C3S含量亦不宜过分提高。

有时为了延缓凝结时间，粉磨时将水泥磨得稍粗些，以减慢其水化速度，延缓凝结时间。

对于95℃油井水泥，由于使用温度更高，凝结更快，则宜选用不含有铝酸盐的贝利特熟料。

这种熟料以C3S为主要成分，不含C3A。

其矿物组成为C3S18.3%、C2S60.6%、C4AF15.6%、C2F1.87%。

试验证明：

在高温高压下的水泥强度会随着C2S含量的增加而显著提高。

因此，贝利特熟料加适量石膏磨制成的水泥，具有较好的热稳定性。

由此分析可见，调整矿物组成可获得性能不同、用途各异的水泥。

C3A含量多少是影响油井水泥凝结快慢和适用温度的重要因素。

C3S含量则是决定油井水泥强度的关键。

2、高温油井水泥

          高温油井水泥又称深井水泥，一般适用于井深4000～7000m的油井固井。

对高温油井，由于温度高，必须用专有的高温油井水泥。

高温油井水泥是以贝利特熟料为基础，再加入20%～25%石英砂组成。

这种水泥能够在温度为150℃～200℃，压力为400～800×101325Pa下，仍具有较高的强度和良好的热稳定性。

其原因是由于石英砂在高温、高压下可以形成C—S—H（Ⅱ）类低碱性水化硅酸钙的缘故，有利于高温高压下强度的提高。

           为了适用在6000m以上的所谓超深井的油井固井，可以使用矿渣砂质水泥、石灰砂质水泥、赤泥砂质水泥、石灰火山灰水泥等无熟料水泥。

这类水泥在高温、高压条件下可以形成以低碱性水化硅酸钙为主要组成的水泥石。

       地热井的钻井与油井有相近之处，但两者之间存在着地层温度的不同，导致井内温度变化很大。

也就是说，油井中自然地热梯度大体上每100m约升温3℃；而地热井由于受高温岩浆的影响，温度梯度变化异常，井内温度高达200℃以上，有时甚至200℃～360℃；压力高达500×101325Pa。

此外，地热区大都处在火山地带，经常要受到硫化氢和亚硫酸气体的影响，有时还会显出较强的酸性。

鉴于上述特点，用普通油井水泥显然不能满足要求。

因为普通油井水泥只适用于100℃左右的条件，温度升高将导致水泥石的强度降低而失效。

地热井的开发与利用，需要有特殊性能的地热水泥，即要求不仅具有高的耐温性，而且还具有一定的耐酸性。

通常采用二氧化硅含量较高的硅石粉来提高抗温性，对耐酸问题，一方面可减少水泥矿物熟料C3A的含量来提高抗硫酸盐侵蚀能力；另一方面在高温高压下，因Ca（OH）2能与SO2作用，故使水泥中不含Ca（OH）2也可使水泥耐酸性提高。

（四）低比重水泥

        在油井的固井工程和地质钻探的护壁堵漏中，由于地下地质情况复杂：

有些为严重的漏失层；地下水活动的地层；大型溶洞地层以及低压油气层等等。

为了在施工过程中防止出现水泥浆的流失，或者因水泥浆比重过大而存在压漏地层，或者因浆液堵塞低压油气层等问题，研制低比重水泥、超轻水泥、泡沫水泥，显然具有现实意义。

            目前，降低水泥浆比重通常有以下三种方法：

（1）在水泥中加入高保水材料，增大水灰比如加搬土、硅藻土、膨胀珍珠岩和低比重材料如粉煤灰、火山灰、硬沥青等代替水泥。

它们具有成本低、使用方便、材料来源广等特点。

但是，在低温下强度过低，高温下强度退化严重，比重只能降至1.4g/cm3左右。

（2）用空心玻璃微珠或陶瓷球作低密度固相材料由于球内空心充满气体，比重很小，仅为0.5～0.7g/cm3，将它混入水泥能配出低比重水泥浆。

其优点是配水泥浆所需水量远比前者用水量少，故在低温下它的水泥石强度较高，其成本略比前者要高。

        （3）用充气泡沫水泥浆它可将水泥浆比重降至0.42～1.68，并在该范围内任意变化调节，这是最大的优点。

同时，在相同的比重下其流动性好、强度高，是目前国内外关注的最好的方法。

三、灌注水泥的准备工作

（1）利用多种探测方法摸清井内复杂地层的类型、位置、构造特征、岩性特点、漏失层结构及漏失程度、含水层情况以及涌水程度、井内地层的温度，确定灌注孔深、浆液用量、灌注方法。

（2）根据灌注方法和要求，选用合适的水泥品种和外加剂，并进行室内水泥性能试验，确定水灰比、外加剂量的合理配方。

           水泥性能试验是确保安全灌注、高质量护壁堵漏的关键，同样的水泥在不同的外界环境下所表现出来的性能差异很大。

必须尽可能模拟井内和现场条件，充分考虑灌注水泥浆的实际操作过程，以水泥浆的流动性、凝结时间、达到的可靠固结强度和所对应的时间为主要指标，进行改变水灰比和外加剂的多种配方的试验，从中遴选出理想配方。

所谓理想配方，至少应能满足以下4条基本要求：

        ①灌注阶段水泥浆流动性好，一方面能够有效地渗入近井壁的地层中；另一方面在钻杆中的流动阻力小，从地面向井底泵送得动。

          ②从配成水泥浆到开始发生凝结有足够的安全时间，确保灌注结束直到把钻杆全部提出地表并清洗完泵注设备后水泥浆才开始凝结。

           ③水泥浆经过自动凝结固化，能够达到可护壁堵漏的强度。

           ④水泥成浆至达到可护壁堵漏强度的时间尽可能短。

通过试验，能够确定可以重新透孔的时间。

          （3）灌注前应准备好并检查灌注系统各部件（动力、水泵管线、钻具、灌注器等）的工作可靠性，避免和消除灌注过程中的各种故障。

          （4）进行灌注浆量、替水量的计算，确保所用材料（水、水泥、外加剂等）配剂够用。

          （5）孔内准备

      ①通过分析、判断，确定封堵孔段位置。

          ②进行扫孔、冲孔，保证孔底和充填孔段清洁干净，需中部灌浆应做好架桥工作。

          ③丈量钻具，校正孔深。

          ④测定孔内静、动水位。

四、钻井水泥浆灌注工艺

         向孔内灌注水泥的方法有水泵灌注法、灌注器灌注法、孔口灌注法及干料投放法等。

1、水泵灌注法

      水泵灌注法是最常用的方法，它是通过钻杆将水泥浆用水泵压入孔内漏失或坍塌的岩层，以达到护堵的目的。

此方法适用于灌浆量大，不受钻孔深度限制的水泥灌注。

在钻孔中部只要架桥后也可适用。

用此方法还可实现加压灌注。

利用水泵灌注法施工简便，无需特珠设备和工具，但对水泥浆要求流动性好，易于泵送。

          水泵灌注法的操作过程为：

堵漏时，钻具下到预定深度距孔底约0.3～0.5m左右时，先泵入清水以检查钻杆内部确实畅通良好时，即可泵入配好的水泥浆。

将水泵莲蓬头放入水泥浆桶内即泵送水泥浆。

不论堵漏或护壁，刚开泵时应先打开水泵回水管，将吸水管及水泵中的清水排出，喷浆后再打开三通将水泥浆送入孔内。

待泵吸水泥浆过程完后，立即将莲蓬头放入准备好的替浆水桶中，开泵替浆。

为了使孔底返流均匀，替浆时可适当慢转钻具。

替浆的压力量应根据孔内水位高低，以达到孔内液柱压力平衡为原则，可按下式进行估计计算（图7-13）：

                                                                  （7-23）

           式中：

Q压——替水泥浆所需压水量，kg；L——钻杆柱长度，m；l——孔内静水位离孔口高度，m；

q——每米钻杆内容积，L；Q地——地面管线及水泵容积；K——压水系数，浅孔取0.9、深孔取0.95。

           根据上式计算，当孔内无水或水位很低时，压水量达到机上钻杆后（约60～80L），即应停泵，然后拆开机上钻杆，靠钻杆内外液柱压力差，使水泥浆继续沿钻杆内下降，并从钻具底部返出钻杆外，直至钻杆内外压力达到平衡为止。

     当水位很高或返水孔，则压水量接近于钻具内容积加上地面管线容积乘以压水系数，可以保证水不压出钻具底部，这时钻杆外的水泥浆高度比钻具的水泥浆高度会大一些。

当提钻时，会向钻杆内回流或填补孔底空间，水泥浆不会被稀释。

    替浆完毕即可提钻，应将钻具提离水泥面10～15m以上（1～2个立根）后再冲洗钻具。

提钻速度一定要慢，过快则易发生抽吸作用而使灌注工作失败。

为了保证孔内压力平衡，还应考虑在孔口回灌清水。

    当机上钻杆卸开以后，应开泵清洗水泵、高压管线和机上钻杆内的残留浆液，以保证循环畅通。

     综上所述水泵灌注法应遵循的技术规程如下：

（1）堵漏时，坚持冲孔；护壁时，坚持扫孔到底，保证清除孔内岩屑并检查钻具通畅。

（2）钻具下到离孔底0.3～0.5m或架桥处，以减少水泥浆的稀释。

      （3）灌注过程或灌浆完毕，可转动钻具，不能上提钻具，待替浆后方能上提钻具。

      （4）全部浆量应一次灌完，不得中途停泵，防止浆液断开或被水稀释。

      （5）泵浆前打开回水管，排出清水不得注入孔内。

      （6）应考虑孔内水位高低，准确计算替浆压水量。

       （7）替浆完提钻应离开水泥面10～15m方能清洗钻具。

    （8）提钻速度要慢，防止抽吸作用并及时在孔口回灌清水。

     （9）尽量减小水灰比，采用水泥减水剂保证浆液可泵性好。

      （10）坚持探测水泥面强度，合理确定候凝时间。

图7-13灌注水泥示意图

            水泵灌注法还可用在下列特殊情况下：

（1）加压灌注法

          为了保证水泥浆液能更好地进入所堵漏地层，形成足够的渗流半径，有效地加固孔壁岩石，可采用孔口管上部加密封装置，或在钻杆上加钻孔封隔器以封堵漏失层上部，以使在灌注时孔内造成高压，迫使水泥浆进入地层。

（2）分段灌注法

           当遇到厚度较大的破碎地带如硬脆碎的松散地层时，大小不等的孵砾石在钻进时会经常出现遇阻、卡钻或提钻后垮塌现象，这时可采用钻进一段灌注一段的分段灌注法。

（3）充填注浆法

           当裂隙较大或遇小溶洞时，灌注前最好先投入一定量的惰性材料起到堵塞、架桥、充填作用。

投入后，下钻具进行挤压，然后再进行灌注。

这样既可减少流失，又能提高封堵效果。

（4） 网袋注水泥法

           当遇到较大溶洞时，为了降低水泥浆的大量流失，最好采用网袋注水泥，以控制水泥浆的扩散流失范围（图7-13）。

2、灌注器灌注法

        当堵塞大的裂隙或溶洞时，为了减少水泥浆的流失，往往选用水灰比较小（0.3～0.35）、浓度大的水泥浆或速效混合液进行灌注。

这时水泵无法吸入泵送，可采用灌注器灌注法。

有时当封闭的孔段较短，浆量不多或钻进中遇到多层间断漏失，为了及时处理也可采用此法。

此法优点是不受孔深限制，浆液性能不受流动性限制且对水泥浆稀释较少，但需专用灌注器，灌注时要求相当严格。

           灌注器的种类较多，目前大多采用水压活塞式灌注器，其工作原理是：

灌浆时，将水泥浆装入盛浆管内，然后将灌注器用钻杆下至漏失层位，开动水泵后压力水经钻杆进入灌注器推动水泥浆，上部活塞将灌注器的排浆阀打开，则水泥浆被压出进入漏失层。

图7-14所示是一种水压活塞式灌注器。

其结构简单，操作方便，工作时在水压作用下通过活塞6把盛浆管4的水泥浆往下挤压，剪断销钉9，打开活门8，水泥浆即可排出管外，进入需要封堵的部位。

图7-13网袋灌注水泥浆示意图                  图7-14活塞式灌注器

1-钻孔；2-钻杆；3-正反接头；4-布袋；5-带孔眼          1-压盖；2-滑动接头；3-钻杆；4-盛浆管；

的钻杆；6-溶洞；7-水泥浆；8-堵塞物               5-分水接头；6-活塞；7-接头；8-阀门；9-销钉

目前，现场为了加大灌注量，采用不同尺寸的岩芯管作为盛浆管，制造简易的岩芯管灌注器，取得了良好的技术经济效益。

3、孔口灌注法

           当孔较浅，裂隙宽且孔内水位很低，则可从孔口直接倒入浓度较大的水泥浆，利用孔口与孔内液面高差所产生的位能，将水泥浆压入所封堵层。

为了使孔口灌注顺利，也可在孔口插入小尺寸套管至灌注孔段，再从套管中倒入水泥浆，借水泥浆的自重下入。

4、干料投放法

           将水泥用塑料袋装好，单独送入孔内或随钻具下入孔内，然后用钻具搅拌，利用钻孔内的水搅拌和捣固，使浆液进入裂隙而堵漏。

5、水泥球投入法

            将水泥与少量水混合成水泥球或专门制作具有合适的凝固时间和强度的水泥丸，投入孔内后再下入钻具冲击挤压，使其挤入漏失层。

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