大庆油田钻井完井技术.doc

大庆油田钻井完井技术伴随着大庆油田勘探开发四十多年的发展历程，大庆油田的钻井完井技术得到了不断的发展。油田钻井科技人员，以满足油田勘探开发需要为己任，围绕着“五提高、二保护”（提高钻井质量，提高钻井速度，提高经济效益，提高钻特殊工艺井能力，提高技术配套水平，保护油气层，保护环境）的钻井技术发展战略，开展了大量的技术攻关和新技术推广工作，使油田钻井完井技术得到了全面快速的发展，在调整井固井技术、深井钻井完井技术、水平井钻井完井技术、储层保护与评价技术、欠平衡钻井完井技术、套损先期防护技术等方面形成了与油田勘探开发密切相关的配套新技术。一、大庆油田调整井固井技术大庆油田调整井的固井质量多年来一直受到各级领导和工程技术人员的高度重视，通过不断认识和总结，逐步形成了以“压稳、居中、替净、密封”八字方针为原则的一整套具有大庆油田特色的调整井固井技术。大庆油田调整井固井技术在地质压力预测与控制技术、固井基础理论研究、固井水泥外加剂研究与应用、固井工具研制与应用、固井施工配套技术等方面得到了全面的发展，在油田开发系统的密切配合与支持下，调整井固井技术水平得到了较大幅度的提高和发展，满足了油田开发对固井质量的基本需要。目前，大庆油田二次加密调整已基本完成，现已进入高含水后期三次加密调整阶段，三次加密调整关系到大庆油田的可持续发展，更关系到钻井等系统的生存和发展，其中加密调整井的固井质量是三次加密调整方案实施的关键之一。 调整井固井面对的是复杂的多压力层系，固井封固质量受到高压层、欠压层、易漏层等地质条件的影响和后续射孔、压裂等作业的影响，还不能达到完全满足开发需要的程度。因此，提高调整井固井封固质量技术，仍是大庆油田需要发展的核心技术。(一)地质压力预测与控制技术地层的孔隙压力是影响固井质量的主要因素，调整井的地层压力预测与控制，是保证调整井固井质量的关键之一，没有准确的地质压力数据，很难采取相应的其它固井技术措施。针对调整井钻井区块多、地下地质情况复杂的实际，坚持以区块地质调查分析预测为基础，以调整井区块地层降压和地层压力跟踪分析定量计算为重点，在理论研究的基础上，积极开展调整井地层压力预测与控制技术和地层流体流速的预测与控制技术、完井电测孔隙压力剖面自动扫描技术和调整井钻井地质分层设计软件包研究、采油井补孔泄压技术等研究，使调整井钻井地质技术又达到了新的水平。1.地层孔隙流体压力预测技术小层压力计算是将多井作用于任一点（待钻井）处的地层压力势差为各相关井单独作用于这一点的势差总和，并考虑油层的非均质性、不等厚性，得出地层中任一点处地层孔隙流体压力的计算公式：在断层区、砂岩尖灭处，会形成不渗透边界，利用“镜像反映”理论可以解决不渗透边界对渗流场的影响，即边界对渗流场的影响可以看成是以边界为镜面，在实际井的对称位置上，存在着一个虚拟“井”的影响，实际井和虚拟井所起的作用相同。2.地层流体渗流预测技术实际生产中,多井干扰现象不可避免，孔隙流体渗流速度是多井共同作用渗流速度失量迭加的结果。流速大小的确定:任一口井在A点产生的流速分别在X和Y轴上对应的分流速为和, 且A点的总流速在X、Y轴上的分流速分别为和,计算式为:A点的渗流速度大小为:A点总的渗流方向(度)为:油田开采过程中,在油(水)井附近往往存在着断层,砂体尖灭等不渗透边界,给流速计算带来困难。为了准确计算不渗透边界地区的油层孔隙流体流速,利用“镜像反映”理论来解决不渗透边界对渗流场的影响。即以不渗透边界为镜面,保持边界为分流线(边界上任一点流体均处于静止状态)的同时,在边界的镜像对称位置存在着与实际井参数相同的虚拟井,然后将不渗透边界消除。3.小层孔隙流体压力控制技术小层孔隙流体压力调整的依据:前面的室内试验已经得出，当液柱压力与地层孔隙压力差超过8.0MPa以后，固井后声波幅度就可能超过5，很难保证固井质量。大庆油田北部地区葡一组高渗透层埋藏都比较深，平均埋藏在1100米左右，油顶埋深990米左右,水泥面910米,隔离液50米,据此推算，为保证低压高渗透层的固井质量，固井洗井液密度不得高于1.75g/cm3，也就是说高压层的孔隙压力系数不得高于1.45。在进行小层压力调整时，凡是小层孔隙压力系数高于1.45的井，都要通过调整待钻井邻近的注水井井口压力来调整地层孔隙压力。小层孔隙流体压力调整的方法:小层孔隙流体压力的调整是依据室内试验结果确定降压注水井的井号、降压时间和降压方式。(1)降压注水井的确定用地层孔隙流体压力的计算公式计算出注水井正常注水时待钻井将要钻遇的所有小层压力系数。如果所有小层的压力系数都小于1.45,待钻井邻近注水井可以不用停注降压,正常注水;当计算的所有小层压力系数有大于1.45的层时,按照由近到远的原则找出对应该高压小层的注水井。计算注水井停止注水后的小层压力系数,直到待钻井处的小层压力系数低于1.45时为止。至此,关井停注降压的井就确定完毕,通过计算机给出需要停注降压的注水井井号。(2)注水井降压时间的确定在确定注水井停注降压之前,先用压力势模型计算出稳定状态下地层压力,即注水井关井之前的地层压力,然后由近至远对每口注水井进行停注计算,计算出停注以后的设计井点处的地层压力,用此压力与不停注时计算的地层压力之差即压力降来计算注水井停注降压的时间,也就是该注水井需提前停注降压的时间。当液流从井底向周围呈平面径向流时,压降范围内任一点的压降计算公式为:，其中,故 根据公式求出停注降压时间(t)。如果停注最近一口注水井以后,待钻井小层压力系数仍大于1.45,再取一口较近的同层位的注水井进行停注计算,直到停注后压力系数降到1.55为止,由此,就可以利用计算机求出各降压注水井关井时间。(3)注水井降压方式的确定一种是关井停注的方式,另一种是停注放溢的方式。4.小层孔隙流体渗流速度控制技术(1)最大影响井的确定当待钻井处计算流速剖面中钻遇任一小层的孔隙流体渗流速度均小于临界流速50mm/h（相当于1.2m/d）时,待钻井周围的油水井均可保持原状态,不需要进行控制;当待钻井处某一小层孔隙流体渗流速度大于或等于50mm/h时,则需要通过关影响系数最大的井,来控制渗流速度大小,使渗流速度小于50mm/h为止。最大影响系数Rmax的确定方法如下:从式中看出,距待钻井距离r越小,总渗流方向a与单井作用下的渗流方向ai的夹角越小,单井产(注)量越大的井,其影响系数越大,这就是我们要控制的对象。(2)控制的方法将与射开小层渗流速度50mm/h,且相关系数最大(Rmax)的井进行关井,重新计算渗流速度,直至任一小层渗流速度均小于50mm/h为止。被控制井的井号及有关参数由计算机计算给出。(3)控制(关井)时间的确定油层中的流体为液体,压缩系数极小,在关井以后,大约1小时内,井筒附近的孔隙流体就可达到相对静止状态。渗流速度对固井质量的影响主要表现在水泥浆候凝期内，所以,控制流速的时间定为固井前2小时至固井后24小时。5.放溢流注水井井口剩余压力预测技术为了保证钻井安全、提高封固质量以及减少高密度钻井液对油层的污染，需要钻关来达到调整油层压力的目的。注水井关井后的井口剩余压力，是钻井液密度设计的主要依据之一。放溢流注水井要准确得出稳定的恢复压力至少需要关井24小时，井口压力才能反映地层压力状况，要取得这个值需要重复上井，因关井而影响降压效果；而且冬季关井24小时会冻裂井口和管线，给预测稳定而真实的地层压力造成困难。因此，开展了放溢流注水井井口剩余压力预测方法研究。(1)基本原理根据弹性不稳定渗流压力恢复原理可知井底压力与恢复时间的关系为 ：对一口井而言，同一时期地下条件是相同的，上式可简化为：PJ(t)=alnt+b 式中a表示地层常数，b表示压力常数，表明排液井关井后井底压力恢复满足自然对数关系。由于各井所处的地下条件不同， a，b通过现场录取关井后的三组时间、井口压力值求取，从而确定井口压力与时间的关系。(2)偏差纠正通过对预测值与实测值对比，发现偏差的多少与井口恢复压力的大小有关，井口压力大，偏差大；井口压力小，偏差就小。井口压力高偏差大，主要是由于压力高的井其降压速度快所致（憋压层除外）。经过对偏差值与预测值（Pt24）的关系进行处理后得出预测值与偏差值的关系。S+P2油层满足 ： Y=0.2706X-0.3834 (R2=0.9439)G1+G2油层满足 ： Y=0.1976X-0.3189 (R2=0.9599)式中X：预测值(Pt24) Y：偏差通过纠正偏差后，预测值与实测值误差不大 于0.21MPa，具有较强的可操作性。在实际操作中可以用纠正偏差公式计算出的Pt24值进行校正来预测地层压力。(3)应用效果从南二、三区萨葡差层和高台子油层的偏差值与压力大小关系来看，对同一层系而言，偏差值的大小主要与压力大小有关。从压力恢复的理论公式中可以看出，压力的恢复除了与压力大小有关外，还与流体的流动系数（Kh/）有关。流体的粘度可认为是定值，因此压力的恢复可直接认为与地层系数Kh有关。也就是说当压力一定时，偏差值的大小与地层系数有关，地层系数大时，偏差值大，地层系数小时，偏差值略小。南二、三区 S+P2差层和G油层的平均地层系数分别为1.2523.57和0.9021.364达西米，二者平均值相差一倍多，在压力相同时，按两个纠正偏差公式纠正的偏差对比如表1。表1 地层压力偏差对比数据预测Pt24压力（MPa）543.532.5按SP井纠正偏差0.960.690.560.420.29按G1G2井纠正偏差0.670.470.370.270.18差 值0.290.220.180.150.11从表1中可以看出预测的24小时压力不超过5MPa时，用两个层系的纠偏公式所得到的偏差的差值不大于0.29 MPa。由于油田SP 油层注水井居多，因此预测值在34MPa时实用意义最大,这时偏差的差值为0.220.15MPa,最大误差为0.430.36MPa。目前油田二次加密调整井已基本钻完，每个钻井区块的注水井降压速度较慢的多为一次或二次加密的差层，因此钻前设计钻井液密度时重点考虑的是这些差层的注水井，即地层系数较小的层。因为在降压时间相同的条件下差层压力满足钻井要求时，一般高渗透层都能达到钻井要求。喇嘛甸、萨中、杏树岗等油田也是如此。为了缩短钻关时间，在较短的时间内达到降压目的，注水井要采用放溢流降压方式。注水井关井后的井口剩余压力，是钻井液密度设计的主要依据之一。从南二、三区萨葡差层和高台子油层的偏差值与压力大小关系来看，对同一层系而言，偏差值的大小主要与压力大小有关。S，P 油层预测值一般在34MPa，用不同的预测计算公式，所得的误差相差不大，这时偏差的差值为0.220.15MPa，最大误差为0.430.36MPa，基本可以满足目前钻前预测的需要。在压力相同时，用不同的计算公式计算偏差对比如表2。表2 压力相同时，压力偏差对比数据预测Pt24压力（MPa）543.532.5按SP井纠正偏差0.960.690.560.420.29按G1G2井纠正偏差0.670.470.370.270.18差 值0.290.220.180.150.11通过准确预测井口压力，研究压降规律，压力分层系钻关，缩小层间压差，见到了好的效果。在喇北西块钻井71口,见到两方面的效果：一是缩小层间压差，减少了欠压层井漏的发生，提高了欠压层的固井质量。完钻结果油层最高压力系数1.54，最低0.70，层间压差缩小到4.57.5MPa。欠压层发生井漏4口井，发生率为5.6%，比92年减少了13.2个百分点，欠压层固井质量全优。二是有效地降低了钻井液密度，全区最低钻井液密度只有1.34g/cm3，最低固井液密度只有1.54g/cm3，有效地降低了钻井成本。表3 喇嘛甸油田北西块钻井液密度统计表 口数（口）钻进密度（g/cm3）固井密度（g/cm3）最高最低平均最高最低平均691.601.341.451.671.461.546.完井电测孔隙压力剖面自动扫描技术目前完井压力检测主要通过以下两种方法进行：(1)实测压力法（RFT或SFT）在完井电测后采用RFT（Repeat Formation Test）重复地层测试技术进行非连续的重复性单点测试来获得地层孔隙流体压力。这种方法的特点是：（a）测试精度高；（b）测点不连续，操作时受单层厚度和探头停留时间的限制；（c）测试井数少，成本高。就目前的测试成本，每口井约需810万元。由于测试成本高，不可能进行逐井测试，每个钻井区块只能测试12口井。(2)完井电测曲线法完井电测曲线检测方法是目前我们广泛采用的固井前压力检测方法。首先凭经验定性地在曲线上观察高压层位置，然后选取参数代入公式进行计算。这种检测方法的特点是：（a）成本低，只需在完井电测现场打印一张45条曲线的完井电测图，进行单层计算；（b）可以在所有调整井上应用；（c）带有一定的人为因素；（d）只能计算几个点，不能建立连续的压力剖面。针对完井压力检测方法存在的不足，我们开展了利用电测数据自动生成全井油层孔隙压力剖面技术的研究。依据测井原理，重新建立了数学模型，并与DLS数字测井系统连接，编制自动扫描软件，在测井现场计算并打印油层孔隙流体压力剖面。经过现场4口井测RFT验证，在绝对误差不大于0.1的情况下，总符合率达90.2%，高压层（压力系数1.45以上）符合率达100%，应用该技术可以提高压力检测精度，代替手工操作，满足钻井工程需要。(二)固井基础理论研究1.固井防窜机理研究为解决固井水窜问题，设计、研制了固井模拟水气窜实验装置，开展了防水窜机理研究，通过机理认识，研制出固井锁水抗窜外加剂系列。图1 水气窜模拟装置示意图模拟岩心，不同压差条件下，测量水泥浆的抗窜能力。实验装置如图1所示。防止水窜发生的条件是:水泥浆的压力Pc与水泥浆的抗窜阻力Pf之和大于地层水压力Pw。即：PcPfPw为了研究水泥浆压力降落规律,在10米高的模拟井筒内灌注水泥浆,进行了压力测量实验,并同时进行了水泥浆胶凝强度实验。数据见表4，曲线见图2。表4 水泥浆压力降与胶凝强度数据表时间 min020406080100120140160180200220240实测压力Pc KPa175175175168152128103908175655845实测压降 KPa22292549748796102112119132胶凝强度 t Pa57104590160250350550930135019502400胶凝计算压力降KPa1.52.13.013.5274875105165280405585720时间 (min)图2 水泥浆压降和胶凝强度曲线通过研究得到如下几点认识：(1)根据水泥浆凝结过程中“压力下降”及“胶凝强度发展”的实验规律,建立防水窜临界条件为压稳系数。(2)压稳系数可由井况基本数据及水泥浆胶凝强度发展的实验资料计算。(3)现场实验证明,压稳系数能够定量地说明固井后对高压层的压稳程度,可作为固井质量分析及设计的依据之一。(4)级水泥中加入锁水抗窜剂,配制的抗窜水泥具有胶凝强度发展迅速,体积微膨胀,界面胶结强度高等优良特性。(5)经现场应用分析证明,锁水抗窜剂对于防止固井后高压层水窜和提高固井质量具有显著的效果。2.固井顶替模拟实验研究为了研究影响顶替效率的有关因素和提出改善途径，建立了大小两种类型的固井模拟井筒。主要是模拟固井顶替过程，研究固井顶替效率，为固井设计提供依据。冲洗实验：利用透明有机玻璃管，使用真实泥浆，冲洗液，实现不同偏心、不同替速条件下，观测泥浆被冲洗的情况，可评价泥浆、冲洗液的性能对冲洗时间的影响。实验装置如图3所示。图3 冲洗装置简图 图4 模拟井筒结构简图顶替实验：使用真实液体，进行流变测量，不同流速，不同偏心，渗透壁，非渗透壁，不同冲洗时间等项实验，用测井和剖开断面的方法检验顶替效果。实验装置如图4所示。通过试验所取得的认识：(1)完善了顶替理论，通过数理方法，成功地解决了流动方程中的非线性效应。得出在顶替过程中，液体层流运动方程组，并编制计算机程序，计算出了偏心环空中流速场及流量场的分布，对环空宽、窄、平均速度及流量分布有了一个清楚的认识。随着计算机技术的发展，专家系统进入各个领域，本项目为固井顶替进入计算机，实现固井顶替施工设计智能化，给出了理论上的准备。(2)通过冲洗试验，确定了冲净时间及泥浆滞留线上升速度的概念，并对泥浆及冲洗液的性能、工况条件进行了试验，从有利于冲净环空窄侧泥浆入手，得出了如下认识：冲洗液上返雷诺数大于10000为宜；泥浆粘度低于35s最佳，不宜超过40s；在保证压稳的前提下，密度控制在1.3g/cm3以内；偏心度小于15，有利于消除泥浆滞留；泥浆静止时间不宜超过20min，最好控制在10min以内；泥浆流性指数n0.747，稠度系数K1.38Pa.sn，切力YP6.5Pa时有利于冲洗；建议加强优质冲洗液的使用。(3)通过试验及理论分析，总结出了提高固井顶替效率的途径和方法。3.射孔对水泥环损伤的机理研究(1)射孔对水泥环的损伤原因通过现场调研和室内基础理论研究得知，射孔对水泥环的损伤主要有以下几方面原因：（a） 由于套管与水泥环的弹性和变形能力存在较大的差异，当套管受射孔等动态冲击载荷作用而扩张时引起的水泥环环向应力超过其强度极限，就会造成水泥环径向断裂；（b） 聚能射孔产生的应力波相互作用、相互叠加，在水泥环中形成拉、压高应变区，由于水泥石材料的抗拉、压强度相差悬殊，就会造成水泥环内部断裂或胶结界面脱开；（c） 射孔、压裂等作业对水泥环产生的是聚能冲击作用。当冲击能大于水泥石的破碎吸收能时，水泥环就会产生破碎。(2)验窜试验装置通过以上射孔对水泥环损伤的原因分析，要提高水泥环的抗冲击能力，须从以下几方面进行研究：（a）针对水泥环在承受射孔冲击时产生的内压作用和形变特征，引入了动态弹性模量作为评价参数；（b）针对水泥环在承受射孔冲击时产生的应力波相互作用而引入了水泥石破碎吸收能作为评价参数；（c）针对水泥环固有的微裂纹随着冲击载荷增大而失稳、扩展的断裂特征，引入水泥石动态断裂韧性作为评价参数。试验证明以上三个参数能较全面的反映水泥石的抗冲击性能，并就此利用一系列试验展开研究。在研究射孔对水泥环损伤的机理上，与现场完井射孔工艺相结合，利用相似理论和加载条件设计出了射孔综合模拟实验装置（如图5），同时，为了验证射孔对水泥环的损伤给井下水泥环密封性能带来的影响，研制出固井水泥环验窜装置（如图6）。借助这两个装置进行了射孔试验和验窜试验，对水泥石的韧性和水泥环抗射孔冲击能力进行定性评价。同时，借助于 “Hopkinson”多功能材料动态力学性能测试装置对水泥石的动态力学性能进行定量的分析、评价。图5 射孔装置示意图 图6 验窜装置示意图 (3)霍布金森实验装置的基本原理霍布金森实验技术是在二十世纪初期发展起来的，现已成为确定材料动态力学性能广泛应用的一种试验方法。如一长杆呈弹性状态，则在杆端处的扰动将以弹性波速c=(E/r)1/2向杆的远处传播，式中为材料的弹性模量，为材料的密度。因此，通过研究距离杆端一定距离处的效应，就可以了解杆端处所产生的应力和应变。霍布金森实验装置示意图如图7所示。高压气室使子弹获得所需速度且与输入杆做对心碰撞，使此杆得到压缩波，即入射波。当入射波行进到右端面时，由于杆与试件的声阻抗不同，形成反射波和透射波。透射波由吸收杆扑获，最后由阻尼器吸收。由压杆上的应变片记录下应变波形，经超动态应变仪放大后存于存储器，经过离散、数字化，最后通过计算机处理，输出应力、应变数据及曲线。 图28 霍布金森实验装示意图图7 霍布金森实验装置示意图(4)水泥石动态力学性能实验1)水泥石的动态弹性模量弹性模量是反映材料变形性能的一项重要技术指标，所以要研究水泥石在动态冲击条件下的力学性能，首先必须搞清楚应力波在水泥石中的传播效应，得到水泥石的动态应力应变的关系，从中测得弹性模量。2)水泥石的破碎吸收能水泥石在承受动载作用时，随着应变率的增加，水泥石的非线性变形也将明显增加。因此，在动载作用下，要衡量水泥石抵抗破坏的能力，还要进行水泥石破碎吸收能的测定。水泥石的破碎吸收能就是水泥石在承受动载作用所吸收的能量。抗冲击性能好的水泥石的破碎吸收能要相对高一些。利用“Hopkinson”装置做水泥石的破坏性试验，就可以得出不同配方水泥石的破碎吸收能。3)水泥石的动态断裂韧性根据材料断裂力学可知，对于不含裂纹的材料来说，可以把材料的极限强度作为材料抵抗断裂的能力。对于象水泥石这样本身含有微裂纹或缺陷的材料来说，我们引入了断裂韧性这一概念，即在水泥石发生脆断的情况下，存在一个临界应力强度因子，它只与材料有关而与试件的几何形状、尺寸及外载荷形式无关。这个临界强度因子称为水泥石的断裂韧性，它是水泥石材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量参数。据此，我们得出水泥石脆性断裂的准则是KI KIC，式中：KI为应力强度因子，即推动裂纹扩展的力；KIC为材料的断裂韧性。所以，要确定不同配方的水泥石的断裂准则，就要通过试验来测定其动态断裂韧性。4)模拟射孔及验窜实验为了验证加入各种增韧剂的水泥环的抗射孔冲击能力，进行了模拟射孔试验和验窜试验，试验方法如前所述。试验数据见表5。表5 水泥石动态力学性能试验数据序号配 方动态断裂韧性MPam1/2动态弹性模量GPa破碎吸收能J10-1/cm3验窜压力MPa1原浆+sxy0.2%0.08719.7213.72.02石棉4%+sxy2.0%0.27819.813.13石棉5%+sxy2.5%0.30917.2614.26.04碳纤维0.3%+sxy0.5%0.34221.2613.25碳纤维0.5%+sxy0.5%0.35720.8713.911.26碳纤维0.7%+sxy0.5%0.37119.0215.413.67碳纤维1.0%+sxy0.5%0.38522.4216.18碳纤维1.2%+sxy0.5%0.36423.3916.09碳纤维0.3%+胶乳20%+sxy0.5%0.47413.9621.410碳纤维0.5%+胶乳20%+sxy0.5%0.48111.8620.811碳纤维0.7%+胶乳5%+sxy0.5%0.41414.7421.312碳纤维0.7%+胶乳10%+sxy0.5%0.44013.0021.413碳纤维0.7%+胶乳15%+sxy0.5%0.48210.7622.714碳纤维0.7%+胶乳20%+sxy0.5%0.5298.1722.815碳纤维1.0%+胶乳20%+sxy0.5%0.57410.3823.012.416碳纤维1.2%+胶乳20%+sxy0.5%0.55410.1022.1注：试验采用哈尔滨级油井水泥，W/C0.44从表5可见，6号试验射孔后抗窜能力比原浆有明显提高，接近未射孔、原浆水泥环抗窜能力，因此，认为6号配方的抗窜能力满足现场射孔作业要求，能达到很好地封隔地层的目的。结合水泥石动态力学性能试验和水泥环的射孔及验窜试验结果，建议具有较好抗冲击能力的水泥石以6号试验结果为临界力学性能指标，并以此为依据开展增韧剂的研制。(5)实验认识1)本项目建立的以霍布金森装置为基础的实验装置和实验方法适用于水泥石动态力学性能的测试。2)射孔对水泥环的损伤主要来自于爆轰时应力波的强冲击及内压对套管和水泥环的影响。3)纤维增韧是提高水泥石抗冲击性能的有效途径，纤维增强的水泥石在弹性模量、破碎吸收能、断裂韧性等力学性能上得到明显改善。4)结合水泥石力学性能实验和模拟射孔实验可以看出，具有较好抗冲击性能的水泥石应以下列指标为应达到的最低标准，如表6。表6 水泥石抗冲击性能指标的最低标准动态弹性模量 GPa破碎吸收能 J10-1/cm3断裂韧性 MPa.m1/219.0015.400.3714.地层流体渗流对固井质量的影响实验研究在高温高压，模拟岩心，不同流速等条件下，连续测量声幅，以确定地层流体对固井质量的影响。图8 水渗流模拟实验装置简图实验研究：压差对固井质量的影响表现在两个方面：一个是环空压差，即浆柱压力与地层压力之差值；另一个是层间压差，即高压层与低压层之间孔隙流体压力的差值。大庆油田由于长期的注水开发，地下已形成高压层、常压层、低压层等并存的多压力层系。在固井过程中，不同地层的孔隙压力与浆柱压力之差值不同（即环空压差不同），环空压差的变化反映了地层压力的变化。室内在水渗流模拟装置上，进行了不同环空压差下水泥环胶结质量的实验，结果如图9所示。图9 环空压差与固井质量的关系由图9可见，水泥浆柱压力和地层压力之压差在18MPa之间，固井声幅检测其幅值小于5%。当环空压差大于9.5MPa（相当于低压层固井）时，用A级水泥原浆固井，声幅值将大于10%。当环空压差小于1.0MPa（相当于高压层固井）时，水泥浆在凝固过程中将不能阻止地层流体的侵入，地层流体将侵入环空，引起声幅值的升高或二界面的窜槽，从而破坏水泥环的胶结质量。对于渗透性地层，层内井间压差和水渗流流量是水渗流影响固井声幅质量的二个前提条件。首先是层内井间压差在大于一定值时，水渗流才会对固井声幅质量造成影响。对于不同的层内井间压差有不同的临界流量。根据实验结果进行计算，得到不同渗透层临界流量与临界流速的关系如表7。表7 各渗透层的临界流量与流速的对应关系序号渗透率10-3um2孔隙度%井间压差MPa临界流量ml/hr临界流速m/d平均流速m/d24hr声幅值%1785234.522001.271.23102425183.518001.25113245132.512001.22949102.59001.198由表7可见，对于不同的渗透性地层其临界流速介于1.191.27m/d之间，其平均临界流速为1.23m/d。在密井网条件下，由于井间距离较小，地层水渗流对水泥环的破坏能力增强，为了保证密井网条件下的固井质量在固井过程中应控制地层中流体流速小于1.20m/d。0102030400.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2图10 渗透率、水渗流流速与固井质量的关系流速(m/d)k500md声幅值（%）由图10可见，随着地层渗透率的增大，水渗流影响固井质量的临界层内井间压差增大，随着层内井间压差增大，影响固井声幅质量的水渗流流量将变小。层内井间压差是影响环空胶结质量的第一因素，地层水流量是破坏水泥环胶结质量的决定因素，层内井间压差和地层流体流量共同作用，影响着水泥环的胶结质量。5.延时条件下影响封固质量的因素研究从水泥石性能和地下动态环境两个方面入手，以延时条件下影响封固质量的因素为目标开展了研究，建立模拟装置及评价手段，确定延时条件下地质因素与封固质量的关系，找出水泥石性能随时间变化规律。(1)延时条件下水泥石强度实验通过延时条件下水泥石强度发展实验、延时条件下界面胶结强度的发展、延时条件下水泥环渗透性能的变化规律研究，取得了如下认识：1)在延时条件下，水泥石强度是随时间的发展呈增长趋势，共同的特点是2天之前强度发展迅速，2天之后强度增长速度减缓。单就水泥石的强度发展趋势来说，15天测声变对质量检测没有负面影响，见图11。试验条件：哈尔滨A级油井水泥 水灰比W=0.44 试验温度45 试验压力20MPa图11 水泥石强度随时间发展曲线图2)A级水泥原浆在水养护环境下的界面强度发展规律不同于水泥在干养护环境中的发展规律；且在水养护条件下的界面强度总是大于干养护条件下的界面胶结强度。在水养护条件下，界面强度随时间发展而增大，见表8数据。表8 A级水泥原浆一界面胶结强度数据表环境时间（d）水养护干养护界面胶结强度（MPa）12.512.3822.82.073.41.8154.01.53)DSK、PZ、YJ、DRK等四种水泥浆体系水泥石15天的渗透率都小于24小时渗透率，具体在数值上相差一个数量级，说明水泥石的渗透性能随着水化程度的提高在向有利于封隔的方向发展,阻渗能力在提高,即水泥石本体抗窜能力得到了加强。对比原浆与其他三种外加剂体系，在渗透率性能上，加有外加剂的要优于原浆。总之，在延时条件下，就水泥石渗透率变化趋势而言是有利封固的，见图12、13。(2)胶结评价模拟实验利用胶结评价模拟装置，进行了非渗透条件下探索实验、渗透有泥饼与非渗透组合条件下模拟实验，实验数据见表9、表10。1)在非渗透条件下，实验开始时，水泥浆处于浆体状态，超声探头接收不到二界面的反射信号，随着水化反应的进行，水泥浆逐渐由浆态向固态转化，合水后12小时，二界面信号开始出现，位于41.5s的时窗内。伴随着水泥石强度的增长，水泥石越来越致密,二界面反射信号的位置在向前推移，当水泥石强度增长到一定值时，二界面信号的位置不再有明显变化，基本停滞在34s的时窗内，这与超声波强度的发展规律是一致的。表9 回波峰值位置、幅度数据表时间（天）1234567815峰值出现时间（s）38.136.835.134.934.834.834.834.833.9峰值幅度（v）0.240.320.300.330.320.380.440.470.47通过对表9的数据分析可知，在理想的非渗透条件下，随着水泥石强度的增长，二界面反射回的声波能量增大，表明水泥环一、二界面的胶结质量在变好。7天后，能量变化趋势减缓，界面胶结状况趋于稳定。此实验现象说明，延时条件下，在理想的非渗透环境中，水泥环一、二界面的胶结发展是好的。2)在渗透有泥饼与非渗透组合条件下，即渗透与非渗透并存时，非渗地层的界面胶结要比渗透地层好，其表现为非渗透地层的超声波回波峰值幅度均高于渗透地层。从表10数据可以看出，1天时渗透与非渗透地层回波峰值较接近,分析认为是由于水泥未充分水化，声波能量为水泥内水分吸收所致。7天后，渗透与非渗透地层回波峰值存在明显差异，表明水泥石中的水分因水化反应的深入而逐渐消失，水泥石越来越致密，传声效果好，反射波携带界面胶结信号成分增多，能量大小说明了界面胶结的好坏。在水泥凝固后，由压力测试看出，环空压力与地层压力平衡，表明地层水由渗透地层侵入，经非渗地层渗入，在非渗地层二界面形成通道。表10 回波峰值位置、幅度数据表时间（天）1357915非渗地层峰值出现时（s）39.436.335.635.735.434.9峰值幅度（v）0.280.660.720.820.820.85渗透地层有泥饼峰值出现时（s）36.032.732.232.032.031.7峰值幅度（v）0.240.270.350.360.310.32通过现场调查及室内实验，认为对三次加密井封固质量的影响因素主要源于地下动态环境，而渗透层又是地下诸因素中的主要因素。只有将渗透层固好，才能不至于影响隔层，从而保证全井的封固质量。6.A级水泥石胀缩性能及对策研究通过研究水泥石的胀缩性，给出水泥环的胀缩规律，分析水泥环的封固质量，提出能提高调整井封固质量的措施，研制出适用于大庆调整井固井的DPD膨胀低失水水泥体系。其技术关键：水泥石在环形条件下胀缩准确测量；水泥石收缩对固井封固质量影响的确定；水泥膨胀外加剂的研制。(1)确定了膨胀测量方法，建立了水泥环界面应变测量系统。国内外对油井水泥石的膨胀与收缩，有多种不同的测量方法，为了有一种可行的且比较切合实际的测量方法，我们设计了环状膨胀模型，并对目前国内外用的最多的棒状和环状测量油井水泥膨胀的方法进行了对比分析，确定采用环状膨胀法测量油井水泥的线性膨胀。在此研究的基础上，为了进一步研究水泥环的胀缩对界面的影响，建立了水泥环界面应变测量系统。图14 水泥环应变测量系统示意图(2)对A级水泥石在不同情况下进行了应变测量试验1)A级水泥在渗透和非渗透环境下的试验研究由于水泥石在井下所处环境不同，有的处于隔层或气层，有的处于水层或油水同层。由于水能直接参与水泥的水化，因此，水泥浆所处的环境会影响水泥的性能，为此，对A级水泥原浆进行了水渗透和非渗透条件下的应变测量。试验曲线见图15、16。从图15可以看出：在水浴养护条件下，A级水泥原浆对一、二界面均产生应变，2天前的应变变化较大，2天以后应变变化不大，说明A级水泥原浆两天前有膨胀的趋势，2天以后没有明显的膨胀或收缩现象。试验表明：水泥膨胀既向一界面膨胀又向二界面膨胀。从图16可以看出：在没有水养护条件下，A级水泥原浆在1天前略有膨胀的趋势（比水浴养护条件下的膨胀小得多），之后，A级水泥一直处于收缩的状态。试验表明：水泥收缩几乎是以水泥环的几何中心为中心进行收缩，即如果水泥收缩，则在一、二界面都有产生微环隙的可能，且在二界面产生微环隙的可能较大。经计算，在该试验条件下，水泥环在二界面可产生0.01mm宽的微环，在一界面可产生0.004mm宽的微环。2)A级水泥在不同硬度地层条件下的试验研究为研究水泥环在不同硬度地层条件下的应变及应力，用不同厚度的外筒来模拟不同硬度的地层，对A级水泥进行了应变测量，应变曲线见图17、18、19。从图17、18、19可以看出：外筒越厚，也就是说地层越硬，水泥环在一界面处引起的变形大，对一界面产生的应力大；外筒越薄，也就是说比较软的地层，水泥环在二界面处引起的变形越大，对一界面产生的应力小，甚至有形成微环隙的可能。3)膨胀低失水（DPD）水泥体系的研制为满足大庆油田调整井固井的需要，研制出了DPD水泥体系，该水泥浆体系是由膨胀剂、分散剂、降失水剂等外加剂复配而成，具有低失水、早期膨胀、后期膨胀、界面强度高等特性。经现场试验表明：DPD水泥体系用于调整井固井效果良好；用于油井封窜，封堵效果明显。(3)取得的认识1)模拟地层的软硬，对水泥环与一界面的胶结强度影响很大。地层越软，水泥环与一界面的胶结强度越低；地层越硬，水泥环与一界面的胶结强度越高。2)模拟环境的渗透性对水泥的胀缩及胶结强度有影响，有水渗条件下，A级水泥的线性膨胀率大，界面强度高；在非渗透环境下，水泥的线性膨胀率小，界面强度低。3)水泥收缩是以水泥环的几何中心为中心进行收缩的，因此，水泥收缩在一、二界面都有可能产生微环。水泥膨胀是朝着抵抗力小的方向发展，由于井下有泥饼存在，所以水泥膨胀一般首先朝向地层的方向发展，因此用膨胀水泥首先可提高二界面的封固效果。4)DPD水泥浆体系性能满足现场固井及封窜井的施工要求。DPD水泥浆体系具有持续微膨 、低失水等特点，其水泥石结构致密、渗透率低、抗窜性能强、界面强度高、长期封固效果好等优点。因此，DPD水泥体系用于油水井的固井或封窜，不会对油层造成大的污染，且封固效果明显。（三）调整井固井配套技术1.应用调整井钻井地质技术，合理编制钻关方案，形成相对稳定地下环境(1)超前选钻摸底井，合理确定钻关方案表11 2002年各区块摸底井情况区块井号钻进密度g/cm3洗井密度g/cm3固井质量全部封固段胶结质数喇嘛甸南中块喇5-P33281.451.490.8喇6-P31001.501.750.8北一、二排东部北1-311-551.451.450.8北1-321-P591.451.450.8北1-331-571.501.510.8南一区中82-2401.451.480.8中90-2501.451.500.8南四区南3-31-P281.471.470.8南3-4-7281.601.860.8南六区南5-丁 4-7151.501.650.8南6-丁 3-7221.501.680.8五厂更新井杏 11-3-更水431.591.600.8由于延时声变的滞后，针对区块的复杂地下条件，在大面积钻井之前，提前20-30天选钻适当的摸底井，根据摸底井周围注入井井口剩余压力情况、钻进显示情况、RFT实测及延时声变质量情况，合理确定不同井网的钻关时间、距离、释放要求等合理的钻关方案，为后续钻井提供可行的技术措施。(2)组织落实钻关方案，保持地下环境相对稳定，为保证固井质量创造条件三次加密井是在二次加密的基础上以完善注采关系来挖掘剩余油。待钻井与老井井距变小，不可避免地受老井影响，给固井质量带来不利因素。根据摸底井井口剩余压力情况，确定不同井网的钻关时间和钻关距离。在钻机就位前钻关水井剩余压力达到降压标准；钻关时间达到设计要求。对水井降压不能满足钻井工程质量和施工安全的井，缓钻或调整钻机运行。通过以上技术措施，基本实现了：1)区块钻井，钻关注水井整体停注降压。开钻至固井后24小时注水井停注。2)同井场注水井待固井后15天，延时声变后转注。3)采油井在50米以内钻遇本层系射孔的，钻开油层开始关井至固井后24小时。50米以外钻遇本层系射孔的采油井，根据产业量决定是否关井及关井时间。全年在声变测井期间，只有12%的邻近注水井转注，减小了地下动态对固井质量的影响，在钻井、固井至声变测试整个施工过程，地下环境保持了相对稳定。(3)开展“保压注水”试验，调整压力剖面，降低层间压差，提高高渗低压层压力2001年、2002年分别在南一区及北一、二开展“保压注水”试验，具体方法为：待钻井150米以外主力油层注水井，当关井井口压力小于1.0MPa时，采取待压注水的方法提高高渗低压层的地层压力，降低层间压差。表12 “保压注水”试验效果表区块保压注水区（口）正常钻井区（口）平均高渗低压层系数平均固井密度g/cm3优质率平均高低压层系数平均固井密度g/cm3优质率南一区1.021.48100%0.891.4891.71%北一、二1.041.46100%0.911.4891.54%待钻井150米以内的注水井始终保持关井状态。在保证钻井安全的前提下，根据RFT实测资料，高渗低压层压力系数提高了0.139，降低了层间压差，同时在所有钻井区块，提前做好钻关泄压工作，有效的保证了整体压差的降低，为保证固井质量奠定了基础。2002年高压层平均压力系数和层间压差比2000年、2001年分别降低了0.07、0.01，高低压层层间压差分别降低了0.6MPa、0.25MPa。(4)改进小层压力检测方法、为固井方案提供可靠依据2002年，钻井地质系统完善了小层压力预测检测方法。利用拷贝的完井电测曲线读取并应用剖面方法计算。然后用声速法和自然电位法分别校正高压层及低压层压力系数。建立完井压力检测数据库，力争所给出的压力系数客观、准确。保证高压层不串，同时又能保证不对高渗低压层产生大的液柱压差，确保高渗低压层固井质量。2.开展钻井液技术攻关和PDC钻头推广，保护储层、创造良好井眼条件(1)改进和完善钻井液体系，适应调整井“低压高渗”条件要求如何在延时条件下提高调整井高渗低压层固井质量，钻井液改进所面临的关键问题就是朝着低固相、不分散方向发展。因此在现有钾铵聚合物钻井液体系的基础上，依据室内评价的结果，调整了处理剂配方，增加聚合物的用量，优选防塌效果好、润滑性好的降滤失剂；另一方面，为进一步