小井眼及高溫高壓井的固井設(shè)計與施工特點

小井眼及高溫高壓井的固井設(shè)計與施工特點第1頁/共75頁主要內(nèi)容小井眼固井設(shè)計與施工介紹高溫高壓井固井設(shè)計與施工介紹第2頁/共75頁 Amorco,BP:全井長度大于90%的井段小于7”的井 JPT雜志文章:小于6”井眼定義為小井眼。 小井眼完井的定義:生產(chǎn)套管小于4”。小井眼概念概述第3頁/共75頁發(fā)展情況小井眼出現(xiàn)在30年代。美國Stekoll公司在30年代在德克薩斯州Panhandle油田打了310口127mm(5”)套管井，平均井深1000m,1958年該公司在加拿大以及北達科他州打小井眼105口，1959年-1960年在俄克拉何馬等地打了73.03mm(2.87”).平均井深2743m.

前蘇聯(lián)于1936-1937年間在阿塞拜疆開始打小井眼，于1942年鉆了一批114mm套管井，1943年在Majitoeek油田鉆了11口114mm套管油井。據(jù)統(tǒng)計到1961年底，世界范圍內(nèi)131家公司鉆了3216口，平均井深1876米，井眼尺寸為161.93(63/8”)或更小的小井眼。概述第4頁/共75頁進入90年代，小井眼技術(shù)在鉆井、固井、測井、測試和采油等方面取得了很大進展。理論和技術(shù)日趨成熟。最近Texaco在巴拉圭鉆了一口深3000m的76.2mm(3”)的探井。又在坦桑尼亞鉆了一口1940m深井，井經(jīng)3”的小井眼。新疆管理局在1961-1974年用191mm鉆頭鉆了幾千口井深500m，下114mm套管的井。大慶在七十年代鉆了4口井深1200米，114mm套管的井。吉林油田曾鉆了1711口，套管直徑為127mm、120.7mm,114mm,101.6mm,76.2mm,73mm的井?！?5”期間新星公司在四川新場氣田、松南地區(qū)開始實施小井眼技術(shù)，用120mm和104.8mm套管完井.現(xiàn)在松南地區(qū)2000m左右的井用4”套管或31/2油管固井完井?，F(xiàn)在國外小井眼技術(shù)已普及，預(yù)計2005年達到總鉆井量的50%以上。我國在大慶、勝利、長慶、江蘇、南陽、新星等地都在開展小井眼實驗工作。概述第5頁/共75頁目前小井眼技術(shù)已成功地應(yīng)用于：

①開發(fā)用常規(guī)井眼開發(fā)低產(chǎn)、淺層、經(jīng)濟效益差的油藏

②老井側(cè)鉆

③老井加深

④探井小井眼技術(shù)的應(yīng)用范圍概述第6頁/共75頁小井眼固井難點小眼井的井眼較常規(guī)井眼小，環(huán)空間隙也小（在8.0mm～20.65mm之間），給小井眼固井帶來許多困難。難度體現(xiàn)在以下幾方面： 水泥漿體系與水泥石性能要求 頂替效率的提高 施工難度與風(fēng)險第7頁/共75頁環(huán)空間隙小、水泥環(huán)薄、水泥環(huán)抗后續(xù)作業(yè)沖擊載荷能力低；高壓氣井，水泥漿凝結(jié)過程防氣竄問題水泥環(huán)薄，與地層和套管的膠結(jié)強度較低剪切速率/混配能力對水泥漿性能的影響；小容積內(nèi)水泥漿的處理。小井眼水泥漿面臨的問題導(dǎo)致油井水泥石力學(xué)性能失效的原因主要有：

水泥石形變能力不足；

脆性水泥石易碎裂；

硬化水泥石內(nèi)部存在缺陷。第8頁/共75頁水泥（環(huán)）石的脆性

水泥石系有先天微觀缺陷的脆性材料抗拉強度低：為抗壓強度的1/7~1/12抗破裂性差：極限延伸率為0.02~0.06%抗沖擊強度低（按斷裂功比較）：水泥石為20~80，結(jié)構(gòu)鋼則為500000彈性模量高：103~104MPa；抗壓強度16~35MPa

聚能射孔彈可產(chǎn)生3000~30000MPa的沖擊力，造成水泥環(huán)破裂！小井眼水泥漿難點第9頁/共75頁射孔對井下水泥環(huán)的影響第10頁/共75頁水泥環(huán)脆裂的工程實例大慶油田分公司華東石油局吉林油田射孔前后進行CBL測井證實：射孔前聲幅優(yōu)，射孔后聲幅不合格華北油田射孔前后進行驗竄試壓證實：射孔前不竄，射孔后竄大慶油田772口套損井共990個套損點，射孔井段附近有554個套損點，占56%中原油田764口套損井，有258口在射孔段，占61.4%73%的套損點附近水泥環(huán)膠結(jié)不良第11頁/共75頁射孔前

射孔后射孔前后CBL/VDL測井結(jié)果第12頁/共75頁CBL射孔段射孔前射孔后射孔前后CBL/VDL/SBT測井結(jié)果第13頁/共75頁小井眼固井難點:頂替效率差小間隙井的間隙小于12.7mm(1/2″)；套管偏心，小間隙井比正常井嚴重得多；小間隙環(huán)空中的居中扶正問題很重要。泥漿更不易被頂替干凈.

A、常規(guī)井眼的頂替機理已不能完全適宜于小井眼固井。E、提高水泥漿的頂替效率和防止注替過程中的堵憋漏問題。第14頁/共75頁非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)的特點典型非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)下套管重合段間隙與擴眼后環(huán)空可能達到的間隙

第15頁/共75頁非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)的特點下部井身結(jié)構(gòu)主要為尾管掛，如16”下掛13-3/8”尾管，11-3/4”下掛9-5/8”尾管，9-5/8”下掛7”尾管；非常規(guī)井段需要使用擴眼鉆頭將裸眼環(huán)空段井徑擴大，由于上面重合段間隙小，其環(huán)空的套管居中將成為較大的問題；第16頁/共75頁對注水泥頂替的影響由于下部套管主要為尾管掛尾管的結(jié)構(gòu)，使本身的固井技術(shù)難度增加；壓力層系多，泥漿密度高，井壁清潔難；下部地層壓力變化較大，其使用的尾管層次較多，每層尾管的長度并沒有多長，限制了通過設(shè)計復(fù)雜有效的前置液或水泥漿結(jié)構(gòu)來提高頂替效率的施工措施的應(yīng)用；第17頁/共75頁非常規(guī)井身結(jié)構(gòu)小間隙影響套管偏心的影響

小間隙的居中度應(yīng)比一般要求嚴格，推薦為80~85%以上，使寬窄間隙速度比在1.3左右。間隙小，平均速度比增大第18頁/共75頁減少井壁泥餅是保證固井質(zhì)量的基本條件

2mm濾餅，產(chǎn)生0.1mm的微間隙，滲透0.1~1.4μm2，引發(fā)環(huán)空竄流。環(huán)空流動壁面剪應(yīng)力（WSS）技術(shù)的核心就是清除井壁虛泥餅

WSS>15Pa，保證CBL/VDL/SBT三項膠結(jié)測井結(jié)果合格WSS>30Pa，保證CBL/VDL/SBT三項膠結(jié)測井結(jié)果優(yōu)質(zhì)30Pa<WSS<50Pa，防竄效果好頂替不完全及鉆井液干縮形成微間隙頂替差造成的水泥環(huán)二界面質(zhì)量問題第19頁/共75頁小井眼固井難點:施工風(fēng)險大小間隙井的壓降較大，用常規(guī)方法計算的壓降比實際偏高25~35%；小間隙井的注替排量比常規(guī)井小30~50%，而返速卻又高一倍左右。小井眼施工泵壓高，注水泥時易發(fā)生漏失，施工難度較大；注替過程中的堵憋漏問題。第20頁/共75頁小間隙井的主要特點井身結(jié)構(gòu)cm井深m排量l/s壓降，Mpa實際壓降MPa相對誤差%溫度，℃計算值31.114×24.447316830235.85.55.521.59×17.782999.6242419.81623.7515.24×12.706063(尾管)12.82323.81832.2不同井身結(jié)構(gòu)的井注水泥的壓降比較常規(guī)方法計算結(jié)果誤差較大第21頁/共75頁小間隙井的主要特點井號套管下深(m)鉆頭直徑(in)套管尺寸(in)頂替排量(l/s)小間隙段長（m）頂替結(jié)束時井口壓力（Mpa）理論計算壓力（Mpa）YH23-1-h2658228-1/25-1/22611721616.4羊屋259988-1/272011991817.4LG2-153768-1/272022541624.9YN-245798-1/27189061314.9TC-169638-1/27-5/81816511867.0康250378-1/27-5/81820751624.1TZ-5457528-1/273320502119.2TC-171986-1/25152352047.7TZ-54600065202482526.7YN-2553965109601940.8羊屋2654865125502023.1KL-241305-7/8595911837.4常規(guī)方法計算結(jié)果誤差較大第22頁/共75頁小間隙環(huán)空流動計算方法考慮溫度影響后的計算方法平衡壓力注水泥計算軟件研究現(xiàn)狀無系統(tǒng)計算小間隙流動計算方法，用常規(guī)方法計算誤差大未考慮溫度對流變性影響設(shè)計軟件均為常規(guī)計算方法，誤差較大第23頁/共75頁小井眼固井設(shè)計要點:

提高薄水泥石的強度、抗沖擊韌性提高水泥體系的防竄能力提高固井頂替效率從輔助工具方面從頂替工藝方面從設(shè)計計算技術(shù)方面第24頁/共75頁對水泥漿體系的主要性能要求小井眼小間隙環(huán)空固井水泥漿體系應(yīng)具有的主要特點：

（1）較好的韌性：水泥環(huán)有耐沖擊韌性，防止碎裂；

（2）水泥石微膨脹：提高界面膠結(jié)和層間封隔能力；

（3）漿體防氣竄：既增加氣竄阻力，又防止失重。第25頁/共75頁研究了提高水泥石韌性的技術(shù)原理與方法增塑的技術(shù)原理

纖維增塑；

聚合物乳液增塑；

彈性顆粒增塑；復(fù)合（二元或多元）增塑。

第26頁/共75頁2）水泥石增塑性能的評價描述水泥石彈塑性參量：（a）沖擊破碎能（各種增塑）（b）抗折強度（主要適宜纖維增塑）（c）抗彎曲強度（主要適宜纖維增塑）（d）彈性模量（主要適宜聚合物乳液、彈性物增塑和復(fù)合增塑，其次纖維增塑）（e）模擬射孔（各種增塑）第27頁/共75頁水泥漿的抗折強度和沖擊破碎能力

序號配方溫度℃48h抗折強度48h抗沖擊韌性MPa，%J/cm2，%1原漿+3%微硅857.101.900025%膠乳+1%增塑劑858.114.12.12211.735%膠乳+2%增塑劑858.925.32.36724.545%膠乳+3%增塑劑859.128.22.42327.52）水泥石增塑性能的評價第28頁/共75頁水泥漿的彈性模量序號配方溫度℃48h彈性模量E，GPaE，%1原漿+3%微硅656.443025%膠乳+1%增塑劑5.37216.635%膠乳+2%增塑劑4.11636.145%膠乳+3%增塑劑3.73442.05原漿+3%微硅858.304065%膠乳+1%增塑劑6.84217.675%膠乳+2%增塑劑5.92128.785%膠乳+3%增塑劑5.40734.92）水泥石增塑性能的評價第29頁/共75頁3＃配方（增塑）4＃配方（增塑）1＃配方（非增塑）2）水泥石增塑性能的評價第30頁/共75頁3）微膨脹水泥對界面膠結(jié)的影響水泥石膨脹率及其與模擬套管的膠結(jié)強度配方膨脹率，%膠結(jié)強度，MPa24h48h24h48hG級原漿-1.10-1.151.482.5G級微膨脹漿0.660.683.654.9改善水泥石的收縮特性可提高其與套管和地層的膠結(jié)特性!第31頁/共75頁4）水泥漿的防竄能力評價使用水泥漿失重與氣竄評價儀通過試驗評價

目前，該儀器在國內(nèi)外均處于領(lǐng)先地位。

第32頁/共75頁小井眼固井工藝措施擴眼:扶正器使用:

窗口限制，要下入有效居中的扶正器很困難，能下入的剛性扶正器的外徑也必須小于或接近窗口尺寸，即便如此，對于擴孔后的井眼套管居中度也只有20～40%，頂替效率得不到保證，解決側(cè)鉆井擴孔后井眼的套管居中是一個難題。對此，研制出了一種液壓扶正器，利用液體壓力使扶正系統(tǒng)軸向壓縮，徑向擴大，迫使套管居中，形成均勻的環(huán)形空間，利于清洗、頂替，合理布放，充分保證套管居中，固井后形成厚薄均勻的水泥環(huán)，避免竄槽，為提高固井質(zhì)量延長側(cè)鉆井壽命提供了技術(shù)支撐。第33頁/共75頁主要內(nèi)容小井眼固井設(shè)計與施工介紹高溫高壓井固井設(shè)計與施工介紹第34頁/共75頁高壓井固井技術(shù)高壓井可能遇到的地質(zhì)條件更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：異常壓力地層，高、低孔隙壓力和低破碎壓力并存高壓油氣夾層和鹽水侵；塑性、強水敏性泥巖和軟泥巖普遍存在；受構(gòu)造運動的作用，地層破碎嚴重，地應(yīng)力不均衡；高陡構(gòu)造、高地應(yīng)力；第35頁/共75頁高壓井固井技術(shù)主要技術(shù)難點:各項性能滿足要求的超高密度水泥漿與前置液的室內(nèi)實現(xiàn)。符合要求的超高密度水泥漿與前置液的現(xiàn)場混配與注入。固井過程中的防漏、防涌。在各種苛刻條件下的注水泥頂替效率的盡量提高。

第36頁/共75頁高壓井固井技術(shù)技術(shù)關(guān)鍵：超高密度水泥漿的沉降穩(wěn)定性、強度、流變性以及這三者之間的協(xié)調(diào)；超高密度前置液的沉降穩(wěn)定性、流變性及這二者之間的協(xié)調(diào)。超高密度水泥漿與前置液的現(xiàn)場混配裝置及混配工藝。循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)壓耗的準確計算。地層漏失壓力及井涌壓力的確定。合理的套管下放速度的確定。平衡壓力固井流變學(xué)設(shè)計。第37頁/共75頁高壓井固井技術(shù)超高密度水泥漿----體系設(shè)計要求

密度可調(diào)水泥漿穩(wěn)定稠化時間可調(diào)水泥石具有較高的強度水泥漿具有一定的防氣竄能力第38頁/共75頁高壓井固井技術(shù)超高密度水泥漿----技術(shù)途徑合理選擇加重料及其粒度分布

高密度水泥漿設(shè)計中加重料的選擇至關(guān)重要。要從加重效果、雜質(zhì)含量對流動性的影響程度、化學(xué)雜質(zhì)對外加劑的敏感性反應(yīng)、細度可控范圍與穩(wěn)定性要求、貨源及成本等方面綜合考慮。同時，加重料密度高可使在加量較少的情況下就獲得要求密度的水泥漿，有利于水泥漿流動性的調(diào)節(jié)，也有利于提高水泥石的早期強度。而合理的加重劑的粒度分布、粘度效應(yīng)小是保證高密度水泥漿良好綜合性能的前提。第39頁/共75頁高壓井固井技術(shù)超高密度水泥漿----技術(shù)途徑控制水泥漿的沉降穩(wěn)定性

由于水泥漿中加入了加重料，加重料的密度和水泥的密度相差比較大，漿體容易沉降，不穩(wěn)定。超高密度水泥漿在保持必要的流動性的前提下，盡量控制水泥漿的沉降穩(wěn)定性，常規(guī)水泥漿穩(wěn)定性允許相差0.03g/cm3，高密度水泥漿穩(wěn)定性為密度差控制在0.02g/cm3以內(nèi)。第40頁/共75頁高壓井固井技術(shù)第41頁/共75頁高壓井固井技術(shù)超高密度水泥漿----水泥漿性能第42頁/共75頁高壓井固井技術(shù)施工工藝技術(shù)----混配設(shè)備在傳統(tǒng)的高密度水泥漿的現(xiàn)場應(yīng)用中，存在水泥漿混配困難，密度不均勻的問題，對于超高密度的水泥漿，該問題將更加突出，為了解決超高密度水泥漿的現(xiàn)場混配問題，專門設(shè)計研制了新型的噴射式配漿罐。第43頁/共75頁高壓井固井技術(shù)施工工藝技術(shù)----混配設(shè)備第44頁/共75頁高壓井固井技術(shù)施工工藝技術(shù)----混配設(shè)備第45頁/共75頁高壓井固井技術(shù)施工工藝技術(shù)----其他措施配套流動性能好的超高密度隔離液?？刂铺坠芟路潘俣龋乐咕畠?nèi)過高的壓力激動。根據(jù)井況和已有的設(shè)備、工具及技術(shù)水平，盡量采取各種提高頂替效率的技術(shù)措施。采用固井設(shè)計計算軟件，進行注水泥平衡壓力及流變學(xué)設(shè)計，包括漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計、水泥漿和隔離液的性能設(shè)計、注水泥排量計劃設(shè)計、井內(nèi)壓力平衡設(shè)計等。第46頁/共75頁高壓井固井技術(shù)現(xiàn)場固井實例----霍10井139.7mm固井

第47頁/共75頁高壓井固井技術(shù)現(xiàn)場固井實例----霍10井139.7mm固井

第48頁/共75頁高壓井固井技術(shù)現(xiàn)場固井實例----霍10井139.7mm固井

霍10井現(xiàn)場注水泥施工

該井于2003年7月28日正式現(xiàn)場施工。施工過程中嚴格按設(shè)計執(zhí)行：先注入密度為2.55g/cm3的隔離液6m3，注入平均密度2.60g/cm3水泥漿量37.8m3。施工排量、泵壓與設(shè)計相符。計量替漿量37m3，碰壓9—18MPa，放回水正常，敞壓候凝。關(guān)封井器，環(huán)空加回壓2MPa，壓力不降，候凝6小時環(huán)空持續(xù)加回壓3.5MPa。72小時測聲幅：優(yōu)質(zhì)。第49頁/共75頁緬甸RM19-1-1高密度設(shè)計第50頁/共75頁高密度、超高密度水泥漿體系研究技術(shù)難點1）高溫下水泥漿體穩(wěn)定性；2）高密度水泥漿強度達到要求；3）水泥漿流變性能；技術(shù)關(guān)鍵

1）適當密度級配加重材料選擇

2）水泥漿外加劑體系配合第51頁/共75頁高密度、超高密度水泥漿體系研究2.1加重材料選擇:(主要考慮) 材料密度 粒度分布 對外加劑體系的影響與水泥的配比分析的加重劑天津產(chǎn)赤鐵礦： 密度4.8-4.9新疆產(chǎn)赤鐵礦： 密度4.7~4.8四川產(chǎn)精選鐵礦： 密度5.0~5.05第52頁/共75頁高密度、超高密度水泥漿體系研究選擇加重材料所作的主要工作：材料物性分析（見數(shù)據(jù)表）配漿能力分析（見數(shù)據(jù)表）選擇結(jié)果:

四川精選鐵礦粉： 可配至2.65超高密度 新疆赤鐵礦粉： 2.4可用 天津赤鐵礦粉： 對外加劑有影響，未深入試驗

最終推薦使用： 四川精選鐵礦粉（

重新設(shè)計了粒度級配）第53頁/共75頁高密度、超高密度水泥漿體系研究材料產(chǎn)地水泥:礦粉外加劑類型及加量(BWOC，%)密度g/cm3流動度Cm緩凝劑分散劑降失水劑穩(wěn)定劑消泡劑鈦鐵礦四川100:1401.20.82.010.12.1721鈦鐵礦四川100:1401.20.82.010.12.2020赤鐵礦新疆100:1401.20.82.010.12.3023赤鐵礦新疆100:1501.50.82.010.12.422精選鐵礦四川100:1501.50.82.010.12.421精選鐵礦四川100:3001.50.82.010.12.6320配漿能力分析第54頁/共75頁高密度、超高密度水泥漿體系研究外摻料密度g/cm3顆粒直徑（m）及粒度分布（v，%）類別代號10102020383845457575125125熱穩(wěn)定劑SiO2-1SiO2-1SiO2-3SiO2-42.452.452.482.4832.27.729.30.6166.619.60.12016.4240.26.17.68.00.114.228.713.12.79.5234.121.72100.973.7加重劑Fe2O3-14.987.92.03.21.23.72.0Fe2O3-24.914.214.617.14.713.815.320.3TiO2.Fe2O34.451612.418.66.318.716.611.4精選5.0粒度分析第55頁/共75頁高密度、超高密度水泥漿體系研究2.2外加劑體系選擇：常規(guī)性能要求適用溫度：80~110℃水泥漿密度：2.402.60g/cm3濾失量：

50ml/30min，自由水：

0.5%，抗壓強度：

14MPa特殊性能要求穩(wěn)定性能與流變性能的配合強防氣竄能力選擇結(jié)果：CG350S+CH350L系列第56頁/共75頁高密度、超高密度水泥漿體系研究2.3配方設(shè)計：常規(guī)施工性能調(diào)節(jié)：CG350S+CH350L+CF450S漿體性能調(diào)節(jié)：CD10+CD20：用于提高密度STAB-1/2：用于提高強度與水泥漿穩(wěn)定性防氣竄性能：GASEAL-A/B：抑制水泥漿失重，提高后期膠結(jié)強度第57頁/共75頁高密度、超高密度水泥漿體系研究2.3配方設(shè)計：

2.4g/cm3基本配方JH-G

+67%WATER +150%CD20+35%C80+2%CG350S+3%CH350L+4%CF450S+2%GASEAL-B APIFL:40ml/30min.7Mpa,FW:0ml Thickening:304min/112℃*60MPa C.Strength.:>16MPa 第58頁/共75頁高密度、超高密度水泥漿體系研究2.3配方設(shè)計：

2.63g/cm3基本配方JH-G

+90%WATER +100%CD10+200%CD20+35%C80+2%CG350S+3%CH350L+4%CF450S+2%GASEAL-B+2%STAB-2 APIFL:44ml/30min.7Mpa,FW:0ml Thickening:334min/112℃*60MPa C.Strength:>14MPa 第59頁/共75頁高密度、超高密度水泥漿體系研究2.4穩(wěn)定性能與流變性能：序號外摻料加量BWOC外加劑體系密度g/cm3水泥漿穩(wěn)定性(%)自由水體積收縮沉降實驗135%SiO2-1CG350S1.95000.1235%SiO2-22.02.62.22.81.22.5317.5%SiO2-117.5%SiO2-2000.3435%SiO2-3000.1535%SiO2-41.01.41.21.60.50.8617.5%SiO2-317.5%SiO2-4000.27120%Fe2O3-1CG350S2.30000.18120%Fe2O3-202.202.52235.59160%TiO2.Fe2O3000.11050%Fe2O3-170%Fe2O3-2000.60.30.71165%Fe2O3-155%Fe2O3-2000.40.20.41280%TiO2.Fe2O360%Fe2O3-2000.40.20.4注：同一密度水泥漿，使用某一體系外加劑時，各種外摻料下，外加劑加量均相同。第60頁/共75頁防氣竄技術(shù)氣竄基本原理水泥漿失重，液柱壓力下降膠凝結(jié)構(gòu)增大環(huán)空液柱壓力+水泥漿結(jié)構(gòu)阻力<地層壓力地層流體竄入形成通道，竄通第61頁/共75頁防氣竄技術(shù)3.1氣竄嚴重程度分析影響注水泥油氣水竄因素:水泥漿體系的性能環(huán)空壓力平衡情況注水泥頂替效果

采用評價方法:GFP(Halliburton)CCGM(Dowell),FFGM等預(yù)測結(jié)果:500m淺層,水泥返至地面:GFP=5~6 2500m高壓,2.4密度,GFP=11~14 第62頁/共