复杂地层天然气井固井设计与应用研究

I毕 业 论 文复杂地层天然气井固井设计与应用研究院系名称： 专业名称： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 完成日期 2014 年 06 月 20 日中国石油大学（北京）本科毕业论文 第 I 页I复杂地层天然气井固井设计与应用研究摘要四川盆地地区的天然气资源相当丰富，但是由于这里的地质条件比较复杂，构造应力强烈，同一套井眼中多套压力并存，固井作业时会面临井深、高温高压、高含酸性气体、全封温差大等技术难点，以上问题，处理稍有不当都会带来巨大的危害。通过调研，调查现场情况以及使用的先进工艺，通过对比分析，合理选择固井前置液，正确设计水泥浆体系，优选固井工艺，找出最优解决办法，才能取得理想的固井质量，为后续钻井和油气开采提供保障。关键词：四川气井；前置液；水泥浆；固井工艺中国石油大学（北京）本科毕业论文 第 II 页IIThe cementing technology and application research of complex formation of natural gasAbstractThe natural gas resources in Sichuan Basin is abundant, while the geological conditions is complicated with strong tectonic stress, there are multiple set of pressure coexist in the same set of bore well ,which will lead to the technical difficulties such as well depth ,high temperature and high pressure ,high content of acidic gas and sealing temperature .If the problems which has been said are not solved ,there are great harm coming. Through investigate and study the scene of construction site and advanced cementing technology, we find that selecting the cementing pad fluid reasonablely and developing the reasonable cement slurry system and select the best cementing technology can improve the cementing quality ,which is of help to follow-up work.Key words: The gas well of Sichuan；Pre liquid ; Cement slurry ; Cementing technology.中国石油大学（北京）本科毕业论文 第 III页III目 录第 1 章 前言 .11.1 课题研究的目的和意义 .11.2 国内外固井技术研究现状 .11.2.1 CEMCRETE 固井技术 .11.2.2 泡沫固井技术 .21.2.3 钻井液转化水泥浆（MTC ）固井技术 .21.2.4 防气窜水泥浆体系 .21.2.5 特种水泥体系 .3第 2 章 四川盆地复杂天然气特征 .42.1 地质背景及气田分布 .42.2 天然气特征 .7第 3 章 四川盆地气井固井难点 .93.1 固井 .93.2 气井固井技术难点分析 .93.2.1 易发生严重井漏 .93.2.2 压力层系复杂 .103.2.3 环空气窜 .103.2.4 酸性气体 .113.2.5 膏盐岩层 .11第 4 章 固井前置液体系选择原则 .124.1 前置液体系 .124.1.1 冲洗液 .124.1.2 隔离液 .124.2 固井前置液配方设计要求 .134.2.1 井眼状况的要求 .134.2.2 钻井液性能的要求 .134.2.3 地层特性的要求 .14中国石油大学（北京）本科毕业论文 第 IV 页IV4.2.4 不同钻井液的要求 .14第 5 章 水泥浆体系选择原则 .165.1 抗高温 .165.2 防气窜 .165.3 防漏 .175.4 抗盐性能和相容性 .175.5 胶乳水泥浆体系 .175.6 纤维水泥浆 .185.7 高强度低密度水泥浆 .19第 6 章 施工工艺技术 .216.1 常规固井工艺技术 .216.2 气井固井技术 .216.3 气井固井工艺 .226.3.1 大环空固井技术 .226.3.2 间歇式反挤工艺 .226.3.3 环空加压候凝技术 .236.3.4 旋转尾管固井工艺 .236.3.5 预应力固井工艺 .256.3.6 干井筒固井技术 .29第 7 章 工程实例 .31第 8 章 结论 .33参考文献 .34致 谢 .35Error! No text of specified style in document. 第 1 页1第 1 章 前言1.1 课题研究的目的和意义四川盆地位于中国西部四川省东部,油气资源相当丰富。有两个比较大的沉积旋回演化在四川盆地发生，第一个演化阶段是震旦纪一中三叠世被动大陆边缘构造演化，第二个则是晚三叠世始新世前陆盆地及拗陷演化，经过这两次巨大的变革，分别在震旦纪一中三叠世形成海相沉积碳酸盐层，在晚三叠世早期形成海陆过渡沉积相并在晚三叠世中期一始新世形成了陆相沉积碎屑岩，最终形成了四川盆地丰富的气区，它是世界上最早发现并利用天然气的地区，天然气探明储量约为 16497.52108m3。近 10 年来，四川盆地天然气勘探开发得到了迅速发展，探明天然气储量快速增长，发现了一批大型，特大型气田，勘探向深层及新领域不断扩展，不过向超深层发展也面临着大量技术难题，由于四川地层地质条件的复杂性，这就会在气井固井方面带来许多难题。压力系统比较复杂，固井作业时安全密度窗口窄，漏失风险大。有些层位富含 H2S 及 CO2 等酸性气体，处理不当可能会对水泥环和套管造成严重的腐蚀，最终导致气井报废，此外还会污染周围地区人民的生活环境，并且给他们的生命安全造成巨大威胁。深部地层温度高、压力高、气层活跃，气窜风险大，这些地层条件为固井作业带来了巨大的难题。固井是整个钻井施工中重要的组成部分，固井的主要目的是封隔井眼内的油层、气层和水层，保护套管不受各种腐蚀，可以长期有效的使用，同时也是为了更好的采油。一口井固井质量的的好坏不但会对井的继续钻进产生影响，同时也会影响今后能否顺利生产，井的采收能力和寿命也会受到影响。它涉及力学、材料、化学、机械等多个学科领域，是一个系统工程，也是一项复杂的工作。本文通过分析四川盆地复杂气层地质条件，分析四川盆地存在的固井技术难点，就固井前置液选择、水泥浆体系选择以及具体的施工工艺，结合四川具体工程实例进行了分析，讨论了相应提高复杂气井固井质量的施工工艺方法，得出一定结论，分析其中问题所在，提出可能解决办法，为以后的气井固井作业提出依据，能够更高效的进行固井作业。同时这对于深井、超深井的勘探开发、延长井身寿命等具有重要意义。1.2 国内外固井技术研究现状1.2.1 CEMCRETE 固井技术为解决异常固井压力问题，1998 年底，Dowell-Schlumberger 公司研究并开Error! No text of specified style in document. 第 2 页2发了 CemCRETE 技术。利用颗粒级配原理，优选不同直径的颗粒，利用优化水泥及外掺料颗粒直径分布（PSD）的方法，可以让单位体积内固相颗粒变多，力求降低水泥浆水灰比，从而使水泥石的抗压强度得到提高，相应的孔隙度和渗透率也得到降低。此外，通过使用外加剂也可以对这种水泥泥浆进行调节。Dowell-Schlumberger 公司使用密度为 1.29g/cm3 的低密度水泥浆，在墨西哥 Villahermosa 油田完成了井深 4600m 的 127mm尾管固井作业，最终结果发现，固井效果良好。1.2.2 泡沫固井技术 近几年来，美国 Halliburton 公司一直着重于于机械制氮泡沫水泥浆固井技术的研究与完善，最终开发并研制了对应的外加剂、配套的计算机控制系统和配套的现场施工工艺技术。泡沫水泥浆是由净浆、氮气、稳泡剂及水泥浆处理剂组成。在现场作业中，在水泥车的作用下，把含有各种外加剂的混合水配制净浆，通过氮气泵向净浆中冲入氮气，等候一段时间，泡沫水泥浆就形成了，加氮的多少可以在现场预先设计好的水泥浆密度作为参考，通过计算机实现自动控制。这种水泥浆具有许多优点，其中最小的密度能够达到 0.72g/cm3；此外这种水泥浆具有粘度高的特点，能够有效地驱替不易流动的钻井液，有利于提高固井顶替效率；同样的密度条件下，这种水泥浆具有抗压强度高的特点，可压缩性良好，可以对水泥浆胶凝失重进行有效的补偿，利于防气窜；在高压高温条件下，泡沫水泥浆与常规水泥浆相比，有以下特点：韧性更好、高温稳定性比较好、渗透率相对较低，可用于深井固井作业。1.2.3 钻井液转化水泥浆（MTC）固井技术 这项固井技术是一项新技术，就是在泥浆中加入一些可水化的材料，从而让钻井液可在设定好的条件下转化成具有一定强度的固井液技术。正是由于该技术对于提高固井质量有非常重要的作用，特别是在改善第二界面胶结质量有重要影响，因此自 80 年代研究应用以来，一度在固井界引起极大的关注，被看作是传统固井作业的一次革命。美国工程师 Ronald E.Sweatman 等人在南 Texas 气田应用 MTC 固井技术取得了较好的效果。由于该气田气层压力不稳定，在使用油基钻井液尾管固井工艺中存在固井质量太差、裸眼段长的特点。经过工程师们的多次试验，最后应用矿渣、激活剂、硅粉、缓凝剂、表面活性剂以及降失水剂等材料配制出了高性能的固井液，产生了好的效果，特别是在水泥顶部其快速的抗压强度发展，这推动了 MTC 替代常规水泥浆固井工艺的发展。1.2.4 防气窜水泥浆体系Error! No text of specified style in document. 第 3 页3复杂气井一般都伴随有高温高压的特点，在这种地层固井时，需要特别注意的风险是环空气窜的发生。严重的环空气窜很有可能导致特别高的井口压力，也有可能导致气体流动，这不仅会给后续钻采工作带来困难，更严重的会造成这口井不能够继续使用的严重后果。为了解决在深井气井中气窜的问题，专家们经过多方位思考，提出了新型的水泥浆技术，就是这种水泥要能够防气窜。经过调研，国际上常用的防气窜剂，主要有下面几种：触变类型的外加剂，延迟胶凝材料，粉混合物，基质流动阻力剂或阻塞剂。在深井气井固井施工中，对安全系数要求比较，水泥浆密度控制要求也更为严格，因此一般使用胶乳水泥浆。乳胶的粒径为 0.050.5m， 胶乳水泥体系是以胶乳聚合物作为分散体系的悬浮水泥浆体系。这种水泥浆具有很多优点：具有颗粒堵塞孔隙通道和化学收缩小的防气窜功能；可以提高水泥石的抗拉强度；降低了水泥浆的滤失量和渗透性。目前该水泥浆取得了突破性的进展，在南海西部固井作业中取得了良好的效果。利用该套材料体系开发的一系列的高温防窜水泥浆，具有一定的通用性和可调性，已用于井底温度高于 206的气井，其核心材料组成的防窜水泥浆体系也已用于井底温度在85左右的大气区边缘气井，由于这些技术的应用，在深井气井防气窜上取得了较好的效果。1.2.5 特种水泥体系对于井底静止温度为较高的高温油气井，特别是在具有高浓度 CO2 的地热井，使用传统的水泥浆只会导致早期固井失败。这是因为静止温度高，同时有含 CO2的盐水存在，在碳酸化作用下，传统的水泥会迅速恶化，尤其是碳酸钠导致的碳酸离子反应，可能与水泥反应生成可溶性的盐。高温高压和高 CO2 浓度都会给固井水泥浆造成很大的影响，因此在这种比较特殊的井固井作业中，传统水泥固化体往往不到 5 年就会破坏并导致井筒崩溃。Reddy Baireddy R 等提供了一种适用于高温气井的新型磷酸钙水泥材料，这种水泥材料具有较高的强度、低渗透性和优良的抗 CO2 腐蚀的性能。该水泥材料包括铝酸钙、粉煤灰、多磷酸钠、降失水剂、缓凝剂。Error! No text of specified style in document. 第 4 页 4第 2 章 四川盆地复杂天然气特征2.1 地质背景及气田分布四川盆地在地质方面构造比较稳定，地处中国扬子准地台西部，是一个呈北东向延展的菱型构造兼沉积型复合含油气的盆地，也就是在震旦纪至中三叠世形成了海相沉积碳酸盐岩，在晚三叠世至始新世形成了陆相沉积碎屑岩，复合这两种沉积的油气盆地，沉积的厚度较大，约为 8000 12000m。根据沉积盖层、基底性质、气藏气田特征以及天然气的性质等，这里的油气聚集区(图 2.1)被划分为 4个区域:川西气田区、川南气田区（川南、川西南） 、川东气田区、川中气田区。气田分布较分散，在各区块都有，从图中可以看出川东和川南气田、气藏最多，不过川南的气田和气藏在规模都比较小，东大、中型气田在主要位于川东。分布的不均匀是由于演化过程的不均一性，也和地理变化中沉降中心的变化有大的关系，最终导致各区块形成了不同的沉积组合以及差异较大的油气分布格局。除了在川中区块其他区块全部是气田 1。在四川盆地的地理结构中，长石砂岩、页岩主要发育在震旦系的下部，上部主要发育着白云岩、夹页岩；在震旦纪的末期这里发生了桐湾运动，导致盆地抬升，进而地面受到侵蚀，才得以形成良好的灯影组古岩溶储集空间。在规模宏大的海侵的背景下，早寒武世发育了广海陆棚沉积，这样一套黑色、灰绿色页岩并且夹碳酸盐和硅质岩就得以形成，盆地西部则是发育着滨岸相沉积；在中寒武世，盆地东部发育开阔海台地相砂岩、页岩夹碳酸盐，西部没有变化，仍然是滨岸相碎屑岩、少量以碳酸盐为主的沉积相；在晚寒武世，东部形成了开阔的海台地相白云岩、灰岩互层，西部的发育仍然局限，仅发育以海台地相为主的白云岩。在奥陶系的层中，生物灰岩、粉砂岩、白云岩在其下部发育；在中晚奥陶世时期，由于海侵规模的扩大，白云岩、泥质灰岩和块状灰岩在西部得以发育；海侵达到高潮是在奥陶纪晚期，其中黑色碳质页岩和硅质层在五峰组发育。在志留纪早期，盆地东部下部发育了高含笔石的黑色页岩，在西部区域，开阔的粉细砂岩、页岩和灰岩得以发育；中志留统发育灰、黄色页岩、砂质页岩紫红色页岩等，为海退沉积，直至最终全部出露水面，遭受大片剥蚀。在泥盆纪时期，四川盆地位置升高变为古陆，使得大部分沉积缺失。石炭系唯一保留的位于盆地东部的黄龙组，主要发育生物碎屑