（石油与天然气工程专业论文）提高老油区后期开发井固井质量技术研究.pdf

摘要 胜利油田经过4 0 多年的开发，面临着进入后期勘探开发的严峻形势，在老区开发 过程中，部分油区由于长期的高压注水和大排量强抽，形成地下高压层、常压层、低 压层共存的多压力体系，高压井、漏失井、薄油层开采等逐步成为后期开采的重点， 使得固井质量达不到勘探开发要求的局面日趋严重，提高老油区后期开发井固井质量 的问题，是目前固井工程中的一大技术难题。 本文在分析影响开发井固井质量的诸多因素的基础上，针对胜利油田老油区后期 开发井的特点和固井技术难点，进行了提高胜利油田老油区后期开发井固井质量的技 术研究，即水泥浆充填管外封隔器固井技术的研究，能有效封隔不同压力层，解决了 压力差对固井施工的影响。研究开发了泡沫水泥浆体系和粉煤灰微硅低密度水泥浆体 系。其中泡沫水泥浆体系具有抗压强度高、流变性能好、渗透率低且具有良好的抗滤 失和耐温性能、成本低等优点；粉煤灰微硅低密度水泥浆体系，不仅有效地改善了一 般粉煤灰低密度水泥浆的沉降稳定性，而且具有低失水、高强度、稠化时间易调等特 性。 水泥浆管外封隔器固井技术以及低密度水泥浆体系的应用解决了许多老油区开发 井的固井完井中常遇到高压气窜、低压易漏失地层的固井问题和超长封固段的固井问 题，且便于现场施工，对提高油田固井质量及经济效益，具有十分重要的意义。 主题词：固井；后期开发井；管外封隔器；低密度；固井质量 s t u d yo ni m p r o v i n gc e m e n t i n gq u a l i t yo fl a t e r d e v e l o p m e n tw e l li nm a t u r i n gf i e l d z h a n gc h u n t a o ( o i l g a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rb uy u h u a n p r o f e s s o r - e n g i n e e rl a ij i n r o n g a b s t r a c t s h e n g l io i lf i e l di sf a c i n gt h es e v e r ec o n d i t i o no fg o i n gi n t ol a t e r e x p l o r a t o r yd e v e l o p m e n t a f t e rm o r et h a n4 0y e a r se x p l o i t a t i o n i nt h e e x p l o i t a t i o no fm a t u r i n gf i e l d ，t h em u l t i p l ep r e s s u r er e g i m e ，w h i c h c o n s i s t s o fh i g hp r e s s u r ez o n e ，c o n s t a n tp r e s s u r ez o n ea n d l o wp r e s s u r ez o n e ，h a s d e v e l o p e di ns o m eo ilr e g i o nf o rl o n g r a n g eh i g hp r e s s u r ew a t e ri n j e c ti o na n d h i g hv o l u m ep u m p i n g h i g hp r e s s u r ew e l l ，a b s o r p t i o nw e l la n do i ls h e e th a s b e c o m et h em a j o rp r o d u c ti o nm e t h o ds t e pb ys t e p a l o n gw it ht h ei n c r e a s eo f e x p l o r a t o r yd e v e l o p m e n td i f f i c u l t y ，c e m e n t i n gq u a li t y c a nn o tr e a c ht h e r e q u i r e m e n to fe x p l o r a t o r yd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，t h ep r o b l e mo fi m p r o v i n g c e m e n t i n gq u a l i t yo fl a t e rd e v e l o p m e n tw e l li nm a t u r i n gf i e l di so n et e c h n o l o g y p r o b l e mi nc u r r e n t c e m e n ti n ge n g i n e e r i n g o nt h eb a s e o fa n a l y zi n gt h ef a c t o r sa f f e c ti n gc e m e n ti n gq u a li t yo f d e v e l o p m e n tw e l l ，t h es t u d yo ni m p r o v i n gc e m e n t i n gq u a l i t yo fl a t e rd e v e l o p m e n t w e l li ns h e n g l im a t u r i n gf i e l dh a sb e e nd e v e l o p e di nv i e wo ft h ef e a t u r eo f d e v e l o p m e n tw e l la n dc e m e n t i n gt e c h n i c a ld i f f i c u l t y t h ec e m e n t i n gt e c h n o l o g y o fc e m e n ts l u r r yp a c k i n ge x t e r n a lc a s i n gp a c k e rc a ni s o l a t ed i f f e r e n tp r e s s u r e z o n ee f f e c t i v e l ya n dr e s o l v et h ep r o b l e mt h a tp r e s s u r ed i f f e r e n c ea f f e c t s c e m e n ti n go p e r a tio n t h ef o a m e dc e m e n tsl u r r ya n dt h esl u r r yw it hc o a la s ha n d m i c r o s i l i c i u mh a v eb e e nd e v e l o p e d i nt h i sp a p e r t h ef o a m e dc e m e n ts l u r r yh a s t h ep r o p e r t i e so fh i g hc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，g o o dt h i x o t r o p i cp r o p e r t y ，l o w p e r m e a b i l i t y ，g o o da n t i f i l t r a t i o na n dt e m p e r a t u r et o l e r a n c ea n dl o wc o s t t h e s l u r r yw i t hc o a la s ha n dm i c r o 。s i l i c i u mn o to n l yh a st h eg o o ds t a b i l i t yo f c o n v e n t i o n a ls l u r r yb u ta l s oh a st h ep r o p e r t i e so fl o ww a t e rl o s s ，h i g hs t r e n g t h a n da d j u s t a b l et h i c k e n i n gt i m e t h e a p p l i c a t i o no fc e m e n ts l u r r yp a c k i n ge x t e r n a l c a s i n gp a c k e rt e c h n i q u e a n dl o wd e n s i t ys l u r r i e sh a v er e s o l v e dt h ep u z z l e sm e ti nc e m e n t i n gh i g h p r e s s u r eg a sm i g r a t i o nf o r m a t i o n ，l o w - p r e s s u r e l e a k a g ef o r m a t i o na n dl o n gh o l e s e c t i o n t h e ya r ec o n v e n i e n tf o rc o n s t r u c t i n gi np l a c ea n ds i g n i f i c a n tf o r i m p r o v i n gc e m e n t i n gq u a l i t ya n di n c r e a s i n ge c o n o m i cr e s u l t s k e yw o r d s ：c e m e n t i n g ，l a t e rd e v e l o p m e n tw e l l ，e x t e r n a lc a s i n gp a c k e r ，l o w d e n s i t y ，c e m e n t i n gq u a l i t y v 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 丕拯氆 日期：矽吵年月) 力日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：一 日期： 日期： 年月 日 年月 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究目的及意义 胜利油田是我国第二大油田，横跨山东省八个地市，地下含油面积1 6 2 4 4 k i n 2 ， 包括7 3 个含油区块，到目前为止已钻各类油气水井3 0 0 0 0 余口。胜利油田自开发以 来，在不同油区进行了长期的、大规模的勘探开发，地层的物理和化学性能发生了很 大变化，特别是一些老油区的开发，井下地质情况十分复杂。随着油田的长期开采， 尤其是近几年来，很多油区已进入后期开发，随着高压注水、注蒸汽、酸化压裂等各 种增产措施增多，油田综合含水量上升，破坏了注采井网的正常布置和注采层系方案 的实施，降低了油气产量。 由于老油区井下地质条件的复杂，如果开发井固井质量不好，不但给采油厂的各 项工作造成很大困难、也造成了巨大的经济损失，其主要危害包括以下几个方面： ( 1 ) 使油气水井不能正常生产或长期停产，油气产量显著下降。 ( 2 ) 破坏正常的井网布置，同时在注采过程中，会产生井间干扰或层间干扰， 严重影响油气采收率。 ( 3 ) 造成不同层系间的油气水互窜，破坏了原来的注采方案，形成恶性循环。 ( 4 ) 如果固井质量差，井就可能报废，就需再打更新井，又增加了钻井投资。 总体说来，由于调整井存在着地质情况复杂、井眼尺寸不规范、多压力层系并存 且多为动态的情况，固井施工难度大，容易出现井漏、井喷及水气侵( 窜) 及第二界 面胶结质量不好的问题，固井质量难以达到要求。提高老油区后期开发井固井质量的 问题，是目前固井工程中的一大技术难题。 因此，开展提高老油区后期开发井固井质量的技术研究，将有助于优化胜利油田 老油区开发井固井方案，提高开发井固井质量，延长开发井的油井开采寿命，保证胜 利油田的长期开发和稳产，对提高油田固井质量及经济效益，具有十分重要的意义。 1 2 胜利油田老油区开发井特点与固井技术难点 1 2 1 老油区开发井特点 老油区后期开发井与油气田开发初期油气层处于原始状态的基础井网井相比较， 第一章前言 具有许多不同的情况和特点。 ( 1 ) 多压力层系并存 老区开发井往往都是长期高压注水开发的主力油藏，由于地层的非均质特性和注 采不平衡，原来的地层压力系统己遭到破坏。在平面上地层孔隙压力自注水井到采油 井的压力变化象一个横写的“s ”型，在采油井周围形成了一个压降漏斗；在纵向上则 形成了高压、低压和常压并存的多套压力层系，层间压差大且液体亏空层和蹩压层并 存，易发生层间互窜。 ( 2 ) 动态情况下固井 虽然在钻井过程中采取了停注放溢等一整套降压措施，但地下渗流剖面难于掌 握，注水井停注放溢和采油井大泵抽大流量时，地下流体仍处于动态。在水泥候凝期 间，如何保证环空静液柱压力及平衡动态下的地层压力固井是老油区开发井固井的_ 个显著特点。 ( 3 ) 井眼尺寸不规范 老油区钻井过程中易发生地层出水而造成井壁垮塌，井径扩大率高，如果钻井 液性能不好，容易形成大肚子井眼和糖葫芦井眼。当井径扩大率大于1 5 以上时井壁 虚滤饼的厚度可达3 - - 5 m m ，形成钻井液滞留区，固井时与水泥浆相互混掺影响顶替 效率和第二界面胶结质量。 1 2 2 老油区开发井固井技术难点 ( 1 ) 固井时压稳难度大 高压油气水的侵入，轻者封固井段窜槽，重者导致管外喷冒事故。因此，为了有 效地封固高压油气水层，一般是增加水泥浆的密度，但这样又可能压漏低压层，造成 油气层损害和其它固井事故。 ( 2 ) 水泥浆顶替效率不高 实践证明，固井施工时采用紊流高速注替方式，替净效果最好，因此需要有良好 的井身质量，在多压力层系被迫使用高密度钻井液的情况下，只有把井打直，使井径 规则、井筒不漏、井壁不塌、泥饼薄而韧，才能为固井创造良好的条件。但要创造以 上条件难度是非常大的，由于压力层系多，在钻井施工过程中容易造成塌、漏等事故， 使井眼不规则，从而在固井时顶替不干净。 ( 3 ) 密封难度大 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 由于测井资料的解释对比工作相对滞后，对诸多的薄油层分布位置并不十分清 楚，只有把每口井全井段封固，才能确保薄油层、薄隔层良好层间封隔质量。薄油层 均要经酸化、压裂才能出油，所以薄油层必须经受高压作业后不发生窜槽，这就要求 水泥环具有良好的耐久性能j 这也增加了环空水泥环密封的难度。 ( 4 ) 固井质量要求高 为了开采夹杂在主力油层之间的薄、差油层及表外储层，即实施层内细分开采， 对薄油层固井质量提出了更高的要求。由于固井时既要防止薄油层之间互相窜通，又 要防止薄油层和老油层之间的窜通，因此固井难度增大。 1 3 目前国内外对提高调整井固井质量的研究现状 随着我国油气勘探开发的深入，东部油田已进入开发后期，由于老油区长期注水 开采，地层压力系统日益复杂，油气水处于动态，平均含水率达到8 0 ，有的油田甚 至达到9 0 以上，严重影响了调整井的固井质量，不但影响后期增产作业的实施，也 造成大量的剩余可采储量无法采出。为保证固井质量，提高油气井产能，调整井固井 技术面临着全新的挑战。 自1 9 0 3 年开始固井以来，经过近1 0 0 年的努力，国内外固井技术有了一定的进 步，复杂地层固井技术也日趋完善，研究开发了适应高压气井、塑性地层、低压易漏 失井、多压力系统等调整井固井配套技术。美国壳牌石油公司在多功能钻井液( u f ) 性能、胶凝浆特性、泥饼固化、界面胶结等方面作了大量的实验( 剪切胶结，激活剂 的扩散实验，水平井大型井筒项替模拟试验) ，研制出新型“钻井”固井液技术用于 改善调整井固井质量。近几年来，哈里伯顿公司一直致力于机械注氮泡沫水泥浆固井 技术研究与完善工作，研制开发了相应的外加剂、计算机控制系统及配套现场施工工 艺技术，应用泡沫水泥浆替代常规漂珠低密度水泥浆固井取得了良好现场应用效果， 在许多应用常规低密度水泥浆固井失败的地区应用泡沫水泥浆固井取得了良好的胶 结质量。 国内如大庆、吉林、华北等油田多年来也一直致力于调整井固井配套技术的研 究。在固井工艺技术上，明确平衡压力固井技术成为高压油气固井、油气水活跃井固 井及长封固段固井设计的基本准则，发展成熟了低返速固井技术、高压油气井固井技 术、浅气层固井技术等。同时，采用计算机科学、合理地进行注水泥设计和注水泥作 3 第一章前言 业，施工中综合应用多项固井工艺，降低每一项因素对固井质量的影响。国内外加剂 的研究和应用技术也日趋成熟，形成一系列性能良好的水泥浆体系，如短候凝水泥浆、 m t c 固井技术、高密度水泥浆、泡沫水泥浆、防窜水泥浆及塑性水泥等，大大提高了 高温高压、活跃油气水层、长封固段等复杂条件下调整井的固井质量【6 j 。 大庆油田从“八五 以来，通过开展“提高大庆油田三次加密调整井固井质量技 术研究”，总结已形成的各项技术措施，攻关形成新的技术措施，提高了固井质量， 保证油田三次调整开发的效果。针对表外储层和薄差油层，通过加重冲洗隔离液、钻 井泄压技术、套管串居中度与固井质量模拟预测系统和旋流发生器通井等技术研究， 达到了提高延时条件下固井质量的目的。针对多压力层系共存的调整井，进行多层段 窜槽井水泥封窜技术研究，采用m t c 固井技术提高顶替效率和第二界面质量，同时形 成防窜水泥浆系列。针对低渗透油田开展低压易漏、易窜井固井技术研究，开发了矿 渣一粉煤灰胶凝体系和液氮泡沫低密度防窜水泥浆。大庆油田有针对性的开展对薄油 层、易漏区块固并技术的研究和专项试验，大大提高了调整井的固井质量。 吉林油田针对地下水气窜严重影响了调整井固井质量的问题，优选出了l g 多作 用高效水泥外加剂调配的早强抗窜水泥浆体系，应用高分子聚合物的化学、物理原理， 水化膨胀机理和链交接机理，从多方位来控制地层水气窜，以提高固井质量。在近几 年开发的新区块中，井漏、井塌现象时有发生，同时地层油气水活跃，给固井施工造 成很大的难度，也严重影响了固井质量。研究应用了低密度水泥浆，并分别针对各地 区的不同特点，使用不同的低密度体系，如英台地区使用复合低密度体系、乾安地区 使用降失水低密度体系。同时配套使用冲洗液，紊流和塞流顶替等不同的固井施工工 艺，使吉林油田调整井的固井质量方面有了较大的突破，解决了这一固井难题。 “八五”特别是“九五 以来，国内调整井固井技术在固井工艺、固井工具、 水泥浆体系等方面有了较快的发展，但是和国外相比，还有较大差距。主要表现为： 基础研究落后，研究的深度和广度不够；实验手段缺乏，缺少专门评价水泥浆性 能的仪器；固井工艺细节设计不完善，固井设计时对地质因素考虑少；外加剂品 种和性能与国外相差较远，配套性差，某些外加剂的副作用强；计算机辅助注水泥 设计及评价方面几乎还是空自；固井施工的自动化程度低。【6 】 一 本文针对目前胜利油田调整井固井施工中的实际情况和存在问题，开展了提高 胜利油田老油区后期开发井固井质量的技术研究，即从固井工艺技术( 平衡压力固井、 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 管外封隔器固井、提高第二界面胶结质量技术以及有效提高注水泥顶替效率的技术措 施等) 、低密度水泥浆设计两方面提出胜利油田老油区开发井固井方案，力图解决固 井顶替效率不高、油气水侵( 窜) 、第二界面胶结质量、水泥环长期有效层间封隔等 问题，从而提高调整井的固井质量，延长油井开采寿命。 1 4 本文的主要研究思路及内容 1 4 1 本文的主要研究内容 ( 1 ) 分析影响老油区开发井固井质量的因素。 ( 2 ) 固井工艺技术：包括水泥浆充填管外封隔器固井技术、提高顶替效率和第 二界面胶结质量技术等，系统地开展针对老油区后期开发井复杂多压力层系的固井工 艺技术和不同压力层系间封隔技术的研究，以满足油藏开发要求。 ( 3 ) 低密度水泥浆设计：即泡沫水泥浆体系和粉煤灰微硅水泥浆体系，有利于 解决低压易漏失地层和超长封固段的固井问题。 1 4 2 研究思路 在详细分析胜利油田老油区地质状况的基础上，分析影响老油区开发井固井质量 的因素，经理论研究和室内实验，从固井工艺技术及水泥浆设计两方面提出胜利油田 调整井固井方案，解决固井顶替效率不高、油气水侵( 窜) 、第二界面胶结质量、水 泥环长期有效层间封隔等问题，从而提高老油区后期开发井固井质量。 在胜利油田老油区后期开发井中进行现场试验，广泛使用水泥浆充填管外封隔 器、提高顶替效率等配套工艺技术和低密度水泥浆体系，以解决多压力层系、高压气 窜、低压易漏失地层和超长封固段的固井问题。 5 第二章影响老油区开发井固井质量的因素 第二章影响老油区开发井固井质量的因素 胜利油田老油区开发井主要特点在于地层压力和地层流体介质的变化及不均匀 分布，固井的主要问题体现在井漏、井喷及水气侵( 窜) 及第二界面胶结质量不好。 影响固井质量的主要因素包括四个方面：地层因素；井眼质量；水泥浆性能； 固井工艺技术。 2 1 地层因素 ( 1 ) 地层岩性 地层岩性影响水泥与地层之间的界面胶结能力，即影响第二界面的层间封隔质 量。如含有膏岩层的地层，要控制好盐岩层的影响，注水泥要要保证水泥与盐层的胶 结质量，防止盐岩层溶解影响第二界面的质量，通常采用饱和盐水水泥浆固井【l 】。 ( 2 ) 地层压力 地层压力可影响环空浆柱结构、平衡注水泥设计及施工、水泥浆体系的种类及性 能、顶替流速、流态及最终的顶替效率，以及在候凝过程中压稳地层流体、防止地层 流体窜槽等一系列直接影响固井质量的关键环节，是固井作业需要重点考虑的参数之 一。【7 1 尤其在低压易漏、异常高压和地层压力剖面严重非均匀的井段固井时，更要注 意该参数对注水泥施工安全和固井质量的重要影响。 ( 3 ) 地层流体特性 地层流体特性包括地层流体的组分、状态( 静态、动态) 。如果地层流体是高矿 化度的腐蚀性地层流体，将影响水泥浆的正常凝结过程，妨碍其形成优质、完整的水 泥环，并影响水泥石的长期稳定性，从而影响水泥环的长期密封性能。如果地层流体 是动态的，如井眼周围的动态注入水，那么可影响连接界面处水泥浆的正常凝结过程 及最终的界面胶结质量，从而影响水泥环的长期密封性能【2 l 。 2 2 井眼因素 ( 1 ) 井眼尺寸 主要包括井深、井径、水泥返高以及上层套管的位置等。井深对注水泥的环空浆 柱结构要求严格，环空浆柱结构不合理，不能有效封固油气层；井径大小、规则决定 环空的大小和规则，影响环空流动压耗、顶替流速进而影响注水泥质量；水泥返高不 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 够，油气层不能有效封固；上层套管位置不合理，返高过长，施工中环空液柱压力过 大可能压漏地层，进而影响固井质量。 ( 2 ) 井眼质量 包括井径规则程度j 井眼光滑程度、井眼清洁程度，以及井径扩大率等。这些参 数可以影响套管的安全下入、水泥浆对泥浆的顶替效率、环空流动压耗( 环空浆柱结 构、平衡注水泥) ，以及水泥浆、隔离液、冲洗液的用量。因此，在钻井作业过程中， 就应该进行通盘考虑，尽可能提高井眼质量，为固井提供良好条件。 ( 3 ) 井内温度、压力 井内温度、压力可影响水泥浆分散剂、降失水剂的作用效果，从而影响水泥浆的 流变性、滤失控制能力和沉降稳定能力，进而影响平衡注水泥设计、提高顶替效率的 流速、流态和流变性级差设计；可影响水泥颗粒的水化速度，从而影响水泥浆的稠化 时间、凝结时间以及体系的凝结性能；可影响水泥石的晶相组成、微观结构及宏观性 能，如水泥石的抗压强度、渗透率和水泥石在长时间范围内的稳定性，从而影响水泥 环的长期密封性能；可影响水泥石与地层、套管之间的界面胶结质量，从而影响水泥 环的长期密封性能。 ( 4 ) 环空间隙 环空间隙可显著影响注水泥过程中的环空流动压耗，从而影响平衡注水泥设计， 影响水泥浆对泥浆的顶替流速、流态以及最终的顶替效率。尤其是小间隙固井，环空 流动压耗对环空间隙尺寸的变化更为敏感，更应该注意提高其井径数据的准确性【3 】。 另外，小间隙薄水泥环的长期密封性能对水泥石的力学性能、厚度等有特殊要求， 如水泥石的抗射孔冲击破碎能力等。目前，该问题已成为国内外普遍存在的固井难题。 鉴于该问题的复杂性和重要性，不能仅靠研制、开发具有较强抗射孔冲击破碎能 力的特种水泥浆体系来解决，而应该结合钻井工艺，从钻井工艺入手提前进行考虑， 如用偏心钻头或扩眼钻头钻进，适当增大环空间隙，这样，既有利于降低注水泥环空 流动压耗，又有利于提高水泥环的厚度和抗冲击破碎能力，并可用常规水泥体系进行 固井，从而降低固井材料费用。 2 3 水泥浆性能 ( 1 ) 水泥浆体系 7 第二章影响老油区开发井固井质量的因素 不同水泥浆体系具有不同的特殊性能，以满足封固不同地层的需要。如热采井要 采用加砂耐高温水泥浆体系固井；深井不仅要考虑固井施工时间长，还要考虑地层高 温的影响，须选择高温缓凝水泥浆体系；高压地层，则要采用防窜水泥浆体系；低压 易漏地层固井，可以采用低密度防漏水泥浆体系；而对于膏岩层地层，要采用饱和盐 水水泥浆固井等。水泥浆体系选择是否适当，对注水泥作业的施工安全、水泥环的长 期密封性能有重要影响。 ( 2 ) 水泥浆稳定性 目前，水泥浆稳定性的主要考核指标为a p i 失水、析水率和水泥浆柱在凝结后的 上下密度差。水泥浆体系稳定是确保注水泥施工安全、使水泥浆柱形成优质完整水泥 环的重要物质基础。失水、析水、密度差越小，体系越稳定，越有利于防止环空窜流、 提高固井质量。 如果水泥浆体系失水过大，将在注水泥、候凝过程中向地层大量失水，改变水泥 浆体系的组分和性能，使水泥浆性能达不到设计要求，从而影响固井质量。 如果水泥浆体系沉降失稳，同样会使浆柱上下的水泥性能发生变化，使水泥浆达 不到设计要求而影响固井质量，且其自由水上窜将直接形成窜流通道，从而引发环空 窜流【3 1 。 ( 3 ) 流变性 水泥浆流变性可显著影响注水泥过程中的环空流动压耗，影响水泥浆对泥浆的顶 替流态、流速以及最终的顶替效率，从而影响固井注水泥作业的施工安全和固井质量。 ( 4 ) 稠化时间 合理的稠化时间，既可保证注水泥作业施工安全，又可缩短不必要的候凝时间。 在固井施工中，对稠化时间的要求非常严格，决定固井作业成败的关键。如果稠化时 间过短，水泥浆达不到到预定的返高位置，不能封固油气层，甚至会发生固钻杆的事 故；而稠化时间过长，水泥石胶结强度不够，影响后续作业。 ( 5 ) 水泥石抗压强度 水泥石抗压强度应足以支撑、保护套管，并满足后续作业顺利施工的需要。如果 水泥石的抗压强度不能满足要求，则不能满足继续钻进的要求，而且射孔时容易破裂， 影响后期采油。如果水泥石的抗压强度低于所需压裂地层的破裂强度，不仅达不到压 裂的预期效果，反而会破坏套管周围的水泥环。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 6 ) 水泥石的长期稳定性 在油井生产过程中，水泥环所处的工况条件不可避免地要发生变化，如由热采引 起的温度变化、由酸压、压裂引起的压力变化、以及由蒸汽吞吐引起的循环热应力等， 因此，水泥石应具有一定的力学、热学性能，以适应这些工况变化而维持其良好的长 期密封性能。另外，还应具有一定的抗腐蚀能力，在腐蚀性地层流体环境中或在地层 流体组分性能发生变化时，能保持水泥石的完整性、维持水泥环的长期密封性能，使 其满足油田长期开发的需要。 2 4 固井工艺技术 ( 1 ) 室内设计结果的现场复核 室内小样与现场材料可能在性能上存在一定的差异，为此，在施工前应对室内水 泥浆配方设计结果用现场材料进行复核，并进行配浆水陈化实验，然后根据复核、陈 化实验结果，调节现场配方，使现场水泥浆的配方性能与固井工程设计性能一致，防 止室内与现场脱节，影响固井质量。 ( 2 ) 井眼准备 通井、洗井、调整泥浆性能，在已有井眼条件的基础上进一步为固井注水泥作业 准备一个良好的井眼。 作业前充分循环洗井，保持井眼清洁、畅通，对于安全下套管、提高顶替效率具 有重要意义；在保证泥浆体系稳定和满足携岩要求的情况下，降低其粘度、切力，有 助于提高顶替效率。 ( 3 ) 安全下套管 将套管安全下至井底，避免套管下入过程中的井下复杂事故，有利于后续固井作 业的顺利进行。注意按作业规程清洗丝扣、起吊、对扣、上扣、紧扣，防止丝扣损伤、 接头被工具咬伤，避免接头连接过松、过紧形成应力集中，提高套管柱的连接强度和 密封能力。 ( 4 ) 配浆 混配水泥浆的性能是能否达到设计要求，对于安全施工、平衡注水泥、提高顶替 效率、候凝过程中压稳并使水泥浆凝结形成具有良好层间封隔能力的水泥环具有重要 意义。 9 第二章影响老油区开发井固井质量的因素 如果混配水泥浆的性能达不到设计要求，将使作业之前的大量室内设计、现场准 备工作付诸东流，自然也就更谈不上根据详细、周密的固井工程设计精心施工并获得 优良的固井质量。但是，国内多数油田都未对此予以足够的重视。目前，现场主要采 用两种水泥浆混配方式：连续混配方式和批量混配方式。批量混配方式需增加额外的 大型批量混配设备，但所配水泥浆密度更为均匀，性能更为一致、更接近设计性能要 求，与连续混配方式相比，更有利于提高固井质量。 ( 5 ) 平衡注水泥 按照设计的注替排量将水泥浆顺利注入井内，并在注入过程中压稳地层流体，防 止地层流体侵入环空；同时，不压漏薄弱地层，防止水泥浆漏入地层、使水泥浆返高 达不到设计要求；另外，也防止水泥浆漏入地层对地层造成污染，在产层固井时，更 应该予以重视。【4 】 ( 6 ) 顶替效率 顶替效率不高、泥浆窜槽、地层流体窜槽是环空窜流的直接原因，因此，在注水 泥过程中应尽可能压稳地层流体，并提高水泥浆对泥浆的顶替效率。 套管居中，合理的接触时间，合理的顶替流速、流态，顶替液和被顶替液之间合 理的流变性级差，加强冲洗、隔离效果，以及在有条件的情况下，上下、旋转活动套 管等，均有助于提高顶替效率。【5 】 ( 7 ) 环空窜流对固井质量的影响 窜流使套管遭受流体的侵蚀和腐蚀，降低了套管的强度和使用寿命；井下不同压 力系统在层间窜流，影响水泥浆凝结，减低水泥石的胶结强度。 l o 中国石油大学( 华东) t 程硕士学位论文 第三章水泥浆充填管外封隔器固井技术研究 本文在分析影响老油区后期开发井固井质量的诸多因素的基础上，围绕老油区后 期开发井的特点和固井技术难点，针对老油区多压力体系并存的特点，开展水泥浆充 填管外封隔器固井技术研究，结合提高注水泥顶替效率和第二界面胶结质量的技术措 施，有利于保证高、低、常压并存的开发井固井施工质量。 3 1 管外封隔器固井技术 随着油田的开发，在孤岛、胜坨、现河等老油区由于长期注水的原因，地层压力 普遍上升，采用常规注水泥固井方法，固井后普遍发生严重窜槽，造成固井质量差。 为了解决这个问题，在套管串上安装一只管外封隔器，下入到高压层上部，碰压后立 即开泵胀开封隔器，平衡了地层压力，遏制了地层水上窜，保护了水泥浆，提高了固 井质量，见到了很好的效果。 2 0 世纪后期，管外封隔器在国外就投入使用，现在国内许多油田也普遍使用， 起到了改善和提高固井质量的作用，并能解决工艺要求很高的水平井中的固井问题。 常用的封隔器一般都采用钻井液充填，在液压作用下实现膨胀。深井、超深井地 下温度增高、压力增大，在复杂地质情况下橡胶材料会很快失效。把普通封隔器的胶 筒换成耐高温高压并加长胶筒的密封长度，改造阀系。按照设计串接在套管柱上，通 过内管并选用优质的水泥浆，在压力作用下，经限压阀进入胶筒腔内，橡胶膨胀变形 与井壁紧密接触形成密封，封闭和分隔环形空间。当胶筒腔内压力达到一定值时，限 压阀关闭，进液孔堵死，实现永久性关闭。根据复杂地层和油藏开发的需要，可以选 择多个封隔器并一次充填，达到保护油藏，提高采收率的目的。 3 1 1 选择使用条件 ( 1 ) 解决复杂井固井质量，例如解决高压气层的气窜( 包括调整井高压流体窜 动) ； ( 2 ) 控制漏失层，防止水泥浆漏失； ( 3 ) 多层的薄油层固井质量； ( 4 ) 增强套管居中效果时使用； ( 5 ) 满足封隔( 控制气窜或漏失) 并进行有效注水泥时应用。【1 】 第三章水泥浆充填管外封隔器固井技术研究 3 1 2 管外封隔器在漏失井固井中的应用 正常的固井施工，应在井下正常( 主要指井下不漏失、油气水不上窜) 的条件下 进行。钻进过程发生井漏，必须将井漏问题处理好才能进行固井作业。如果已知钻井 条件下对井漏处理不够完善，而又必须固井时，则应在固井设计与施工时提供相应的 防漏措施。 固井中遇到的漏失可归纳为：次生裂缝型漏失、渗透性漏失、裂缝型漏失、孔隙 型漏失等四种。还有井下地层的层间井喷漏失，漏层下有高压层，钻井流体循环压力 低于高压层时，高压层流体窜入上部漏层或低压层，形成井喷漏失。 漏失井因地区和油气藏类型的不同而呈现出不同的特点，一般用低密度水泥浆体 系和双级注水泥技术等来堵漏，尤其是管外封隔器和分级箍的结合使用，解决了严重 漏失井固井的难题。 在下入管外封隔器之前，首先应该对漏失层位和漏失程度有准确的了解。通常的 做法是在漏失层之上安放管外封隔器，一般是紧挨着漏失层( 不能超过2 0 米) 。环空 中水泥返高一般不超过漏失层顶端2 0 米，因为漏失层部位的地层破裂压力低，如果 环空水泥返高过高的话，其静液压力可能因此过大而压裂漏层，造成漏失严重，增加 施工难度。当水泥返高达到预定，憋压胀开封隔器，在环空形成良好密封，防止漏层 流体上窜和控制水泥浆上返。待封隔器坐封完毕后，接着注水泥浆，通过分级箍进入 未封固的环形空间。其实，二次注水泥也可以不用分级箍，只需等到第一次注入的水 泥浆充分凝固，达到一定强度后，再注水泥即可。所以，管外封隔器在完善固井配套 技术提高漏失井质量方面，迈出了重要的一步。 3 1 3 管外封隔器在高压井固井中的应用 高压井固井中易出现的问题主要是：高压油气层的压稳和固井过程及凝固过程的 失重造成的管外油气水上窜。以往在高压油气井固井中厂采用的方法和措施：( 1 ) 采 用压稳、两凝及井口环空憋压，防止水泥浆“失重”后油气水窜；( 2 ) 或采用加重水泥 浆固井。这两种方法虽然可行，但都有自己明显的缺陷。第一种工艺过程复杂，而且 技术参数掌握须非常精确，第二种由于加重剂的添入，固相杂质含量增加，水泥浆候 凝后，水泥石强度必然受损，固井质量仍没有保障，且加重剂会给产层带来一定的污 染和损害，影响后期采收率【8 1 。 i 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 多年来，为解决高压油气井环空水泥环油气水窜的问题，进行了大量的研究和实 践，采用管外封隔器固井取得了良好的效果。和封堵漏失层一样，封堵高压层也是在 高压层的顶部加管外封隔器。其工作原理很简单：封隔器下井后，在高压层顶部胀开， 依赖其可靠的密封性能，将高压层隔断，阻止油气上窜，从而提高封固质量。一口井 可根据不同层位的气、水窜情况，采用多组封隔器，防止层间窜流。 常见的高压井，往往也都是深井，井越深，钻遇的地层越复杂，对固井质量的要 求也越高。胜利油田郝科1 井地质条件复杂，存在蠕动的高压岩盐层，井温1 8 0 ， 压力9 0 m p a ，利用管外封隔器、分级箍和优选添加剂等综合措施使全井达到优质封 固。 3 2 水泥浆充填管外封隔器固井技术 本文针对胜利油田调整井多压力层系并存的特点，采用水泥浆充填管外封隔器完 井技术，有利于提高封固质量。 该工艺适用大部分油藏和井型，特别是碳酸岩、低渗油层以及水平井、侧钻井等 特殊工艺井完井。 3 2 1 结构及工作原理 封隔器主要由中心管、阀箍和胶筒组成， 通过上接箍、下接头连接到上下套管上。阀箍 是由打开阀、单向阀和限压阀串联一起的一个 接头；胶筒为三层结构，分别是内胶筒、挠性 保护钢片和外胶筒。( 如图3 一l 所示) 当封隔器下到设计井深后，打压坐封封隔器， 当中心管内的压力达到一定值( 指封隔器的坐封 压力) 时，打开阀的销钉被剪断，阀打开，流体 通过单向阀、限压阀进入封隔器中心管与内胶筒 之间的腔体，胶筒开始鼓胀，当胶筒内的压力达 1 3 图3 - 1 封隔器示意图 f i 9 3 - 1d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fp a c k e r 第三章水泥浆充填管外封隔器固井技术研究 到一定值( 限压阀设计值) 时，限压阀销钉被剪切，限压阀启动，永久关闭流体通道。 外界压力不管如何变化，不会再开启阀系统流道，封隔器永久处于涨封状态。 3 2 2 水泥浆充填管外封隔器的优点 因为水力膨胀式管外封隔器是由钻井液等作为膨胀介质，在井下恶劣条件( 如高 压差、不利环境、轴向载荷、冲刷井眼、管子偏心) 下，容易失效。而水泥充填管外 封隔器完井工艺采用水泥浆代替常规管外封隔器的泥浆膨胀，排除了大部分潜在的失 效故障。其优点如下： ( 1 ) 凝固的水泥浆可防止由于装在阀、滑块或固定套上的弹性体的失效而导致 的封隔器变形； ( 2 ) 水泥浆膨胀封隔器可在不考虑由于膨胀介质的热胀冷缩引起的密封失效或 封隔器破裂的条件下承受开采或增产措施中的温度变化； ( 3 ) 当存在不利的井筒几何形状时，水泥浆膨胀封隔器可在相对较低的膨胀压 力条件下座封，在采油和增产措施中仍能提供相对高压差的密封； ( 4 ) 实现永久密封，克服了封隔器橡胶老化的问题，延长了使用寿命。 3 2 3 水泥浆充填管外封隔器完井的特点 水泥浆膨胀式封隔器的诸多优点，决定了其在现代油井完井中的作用越来越大， 应用范围越来越广泛。与套管、筛管、以及各种专用工具组成的完井管柱，能够满足 现代钻井、采油工艺各项技术要求，如定向井、水平井、侧钻井、分支井等。 ( 1 ) 可以有效封隔不同压力层，解决压力差对固井的影响，保护油气层、利于 增产作业； ( 2 ) 可形成永久性封隔，提高封隔成功率，封隔效果更好，寿命更长。 3 3 提高顶替效率技术措施 3 3 1 主要影响因素及解决措施 有效地驱替钻井液，提高注水泥的顶替效率是清除钻井液窜槽、保证水泥胶结质 量和水泥环密封效果的基本前提。因此，半个多世纪以来，注水泥顶替机理研究一直 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 是国内外固井界重点研究的课题。经分析认为影响注水泥顶替效率的因素主要有以下 六个方面： ( 1 ) 套管在井内的居中度； ( 2 ) 液体在环空中的流动状态； ( 3 ) 紊流时液体流过封隔层位所经历的时间； ( 4 ) 钻井液的触变性； ( 5 ) 钻井液与水泥浆的流变性能； ( 6 ) 水泥浆与钻井液的密度差。【4 】 尽管人们在顶替机理的研究上已作了大量的工作，但至今仍未对注水泥顶替优化 设计方法形成统一的认识。这是因为注水泥顶替机理是一个很复杂的问题，人们对它 的研究和认识尚不十分深入，因此，本研究着重在室内实验研究的基础上，结合相关 理论，针对如何提高注水泥顶替效率的施工技术措施提出一些建议。【4 】 合理运用顶替技术提高顶替效率，对于获得良好固井质量是至关重要。套管居中、 井径规则程度、顶替液与被顶替液流变性能差异、顶替流态与紊流接触时间、水泥浆 密度均匀性、钻井液调整结果等都会不同程度的影响顶替效率，实际工程中，由于受 到多种因素的制约，很难作到各种因素都处于最好的情况，保证良好的顶替效率，其 关键在于如何合理运用相关理论与实际相结合，达到整体协调。 ( 1 ) 套管居中 合理安放扶正器使套管居中，是消除偏心环空窄间隙处滞留钻井液，提高水泥浆 顶替效率的重要措施。而不同间隙环空，对套管居中度的基本要求是不一样的，控制 小间隙环空套管的居中度，比大间隙环空要求更高更严格，般要求小间隙环空的居 中度应0 8 。 在实际井眼中相同井况条件下，一般不论大尺寸套管还是小尺寸套管，下入井内 的偏心距是相近的，即是沿固定的轨迹入井。在偏心距相同的情况下，小间隙环空与 大间隙环空的套管偏心度存在很大差异。 表3 - 1 是不同间隙环空的套管偏心度数据对比。 1 5 第三章水泥浆充填管外封隔器固井技术研究 表3 - 1 小间隙环空与大间隙环空的套管偏心度对比 t a b l e3 - 1e c c e n t r i c i t yc o r r e l a t i o nb e t w e e nl i t t l ec l e a r a n c ea n db i gc l e a r a n c e 偏心距( ) ， m l t l 2 4 681 0 3 11 ，2 x 2 4 4 5 偏心度( e ) o 0 6 o 1 20 1 80 2 4o 3 2 1 5 9 x 西17 7 8 偏心度( e ) o 1 0o 2 l0 3 10 4 2o 5 2 l5 2 4 x 1 2 7 偏心度( e ) o 1 6o 3 l0 4 8 o 6 3 0 7 9 套管加扶正器，保持环空流动区域的均匀性，可改善钻井液的顶替效率。反之， 水泥浆就容易绕过窄边的钻井液流过。因为水泥浆总会沿着阻力最小的方向流动，也 就是井眼最宽的部分流动。如图3 2 是根据密度为1 2 9 c m 3 ，动切力为4 8 p a 的液体 流过1 5 2 2 m m 套管与2 2 8 6 m m 井眼环空时的情况作出的结果。 由图3