（石油与天然气工程专业论文）扶余油田浅层水平井固井技术研究.pdf

扶余油羽浅层水平井固井技术研究 孙洪雨( 石油岛天然气工程) 指导教师：步赢环副教授 张嵇南教授级高鼻 摘要 隧凑链势掰技拳豹发曩，嫠隧蘑袁嚣淫妥鼹嫠鼓零熬撬舞，在吉 林油田扶余调整并区块布署浅层水平井( 垂深4 0 0 米左右) 可解决该 地区采用常规钻井技术受地面限制的问题，如松花江底部油滕以及地 瑟灸辍镶区域等，达翻完善势霹露弱，提高涵势采农辜懿效莱。 本文从浅层水平井固并存在的问题入手，对冲洗液进行了流变学 性能设计、对隔离液配方进行了优选实验。由予水平井对水平段的水 淀浆经繇蘩求毫，簌繇空存在镦麓稼滔嚣遴霉了瑟窝驽隔指数豹深入 研究分析，从而设计熟有微膨胀1 生能的水泥浆体系，对水泥浆失水性 能及要求、套管居中以及紊流顶替避行了室内和现场研究，对圈井参 数透露了优证设计，像疆双凝承游浆结秘、紊流疆替筑理等，激保涯 安全固并，现场实验液明1 6 口水平井均取得了良好的应用效果。 关键词；扶余漓瑶，水平并，固势，永泥浆，麓嚣液 t e e h n i c a lr e s e a r c ho ns h a l l o wh o r i z o n t a lw e l l c e m e n t i n g o ff u y uo i lf i e l d s u n h o n g - y u ( o i l & g a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rb uy u * h u a n a n dp r o f e s s o r - e n g i n e e rz h a n gj i - n a i l a b s t r a c t a l o n g w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f d r i l l i n gt e c h n i q u e a n dt h e i m p r o v e m e n to fc e m e n t i n gt e c h n o l o g y i nj i l i n0 i lf i e l d s h a l l o w h o r i z o n t a lw e l l sa r ea r r a n g e d ( a b o u t4 0 0m e t e ri nv e r t i c a ld e p t h ) i nf u y u a d j u s t m e n tr e g i o no fj i l i n0 i lf i e l ds oa st or e s o l v et h es u r f a c e - l i m i t e d p r o b l e mw i t hc o n v e n t i o n a ld r i l l i n gf l u i dt e c h n o l o g y f o ri n s t a n c e , t h e p r o b l e mo c c u r si nt h er e s e r v o i r sa tt h eb o r o m o fs o n g h u ar i v e ra sw e l l a si nt h eu r b a na r e a s t h eo b j e c t i v eo fd r i l l i n gh o r i z o n t a lw e l l si st o o b t a i nm o d i f i e dw e l ln e t w o r kd i s t r i b u t i o na n de n h a n c e do i l w e l l r e e o v e r y i nv i e wo f t h ee x i s t i n gp r o b l e mi ns h a l l o wh o r i z o n t a lw e l lc e m e n t i n g , t h et h e o l o g i c a lp r o p e r t yo fw a s h i n gf l u i dw a sd e s i g n e da n dt h e f o r m u l a t i o no fs p a c e rf l u i dw a se x p e r i m e n t a l l yo p t i m i z e d b e c a u s e h o r i z o n t a lw e l lr e q u i r e sm o r ef o rc e m e n ts l u r r yp e r f o r m a n c ei nh o r i z o n t a l s e c t i o n ，i n - d e p t hs t u d ya n da n a l y s i sw a sc o n d u c t e df o rt h ei n d e xf o rt h e i s o l a t i o no fi n d i v i d u a lz o n e sf r o mt h ep r e s e n c eo fm i c r o - f r a c t u r e si n i i i a n n u l i t h e r e b y , t h ec e m e n ts l u r r ys y s t e mw i t lm i c r o d i l a t a n c yw a s d e s i g n e d ，a n di n - h o u s ea n df i e l di n v e s t i g a t i o nw a sc a r r i e do u tf o rt h e f l u i dl o s sp r o p e r t ya n di t sr e q u i r e m e n to f c e m e n ts l u r r y , c a s i n gc e n t e r i n g a n dt u r b u l e n tf l o wd i s p l a c e m e n t m e a n w h i l e ，t oe n s u r et h es a f e t yi n c e m e n t i n go p e r a t i o n s ，t h ec e m e n t i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e da n d d e s i g n e di n c l u d i n gt h ed u a lc o n s o l i d a t i o nc e m e n ts l u r r ya n dt u r b u l e n t d i s p l a c e m e n tm e c h a n i s m f i e l dt e s t si ns i x t e e nh o r i z o n t a lw e l l sa l l d e m o n s t r a t ef a v o r a b l ea p p l i c a t i o ne f f e c t k e y w o r d s ：f u y u 蕊lf i e l d ，s h a l l o wh o f i z o n t 鲑w e l l ，c e m e n t i n g , s l u r r y , a h e a df l u i d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 2 嘶咐月锣日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 鹋防印 喜0 d 红一 2 0 0 6 年，月裼日v f b 舻f - 月日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 水平井技术已成功地用于开发各种类型的油田，正得到越来越广泛 的应用。据统计，仅在美国和加拿大就分别以每年1 0 0 0 口水平井的速度 增加。我国在“十五”期间也开展了对水平井技术的更深入的研究和应 用，并在不同的油田区块不同的油藏进行了商业性应用开发。“十一五” 计划的第一年，中国石油天然气集团公司计划钻5 0 0 口水平并，其中吉 林油田有5 0 6 0 口，以解决吉林油田低渗透低压低孔隙油藏低产的难 题。 1 1 国外水平井技术 水平井技术早在1 9 2 8 年就已经提出，2 0 世纪4 0 7 0 年代，美国、 苏联等国钻了一批水平试验井，因当时受技术所限，各项技术不配套， 虽然能钻成水平井，但难以用于生产，同时，钻井费用高，因此限制了 其发展。2 0 世纪7 0 年代后期，原油价格的上涨，驱使世界上许多石油 公司再度关注水平井技术。在石油资源日益匮乏和勘探开发难度不断增 大的条件下，一些石油公司希望通过水平井来开发低压、低渗、薄油藏 及用常规技术难以取得经济效益的油田，以提高采收率和提高原油产量。 于是在2 0 世纪8 0 年代水平井钻井技术发展进入了一个新的历史时期。 美国、加拿大、法国等国开展了用水平井开发油气藏的研究，在水平井 油藏工程、钻井、完井、测井、射孔增产措施、井下工具以及井下作业 等方面均有重大突破。1 9 7 8 年，加拿大e s s o 资源公司在冷湖( c o l dl a k e ) 油田完钻第一口水平井时，它才获得目前的增长势头和应用。进入2 0 世 纪8 0 年代，水平井开采技术已逐步配套，随着被称为国际钻井3 大新技 中国磊油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章藏富 术的漱d ( 随钴测激仪) 、p d c 钻头( 聚晶金鞴：爵复合片髓头) 和高效导 向螺杆钻具的应用，大大促进了水平井钻井技术的进步，使每年新钻成 的水平势鳇数量成继增趣。进入2 0 毽纪冬代，世界水平劳钻井技术 以更快的速度推广和普及，成为掇离油田勘探开发综合效益的重要途径， 1 9 9 0 筇国外钴成水平井1 2 9 0 口，是1 9 8 9 年的5 2 倍：1 9 9 5 年钻成水平 势2 5 9 0 日，又比1 9 9 0 年增船1 倍鼓上。大多数水平势在生产中都见到 了明鼹的效益，特别是一些垂蠹裂缝并、陡峭的储层和稠油储层更是如 此。翻前，全世界钻水平井已成为一件常事，屈钻更深和爨长的水平井 已或淹霹能。 j e 海o s e b e r g 油田第一口水平并钻子1 9 9 2 年，到1 9 9 5 华共钴日 生产并，其中1 7 阴井为水平井。1 9 9 5 年1 月，北海0 s e b e r gc 平台上 链c - 2 6 a 拳孚劳，瓣静是嚣采a l p h a 池i n 秘遗孛豹o s e b e r g 层兹原油， 设计水平段长为1 5 0 0 m ，距离油水界面约6 m ，该井水平段的最终位置是 根据在先导试验井中所观察到的构造深度以及油水界面确愆，最终该并 籍深9 3 2 7 m ，痰平像移7 8 5 3 m 。潮1 - 1 是该势躺势身结构鞠。 1 9 9 1 年，北海挪威海域g u l l f a k s 油田以西4 k m 的3 4 1 0 - 3 4 探并发 现了g u l l f a k s 西部油田。1 9 9 3 年9 月，g u l l f a k sb - 2 9 并汗钻，主要油 层是巾豫罗系b r e n t 篡硬部静t a r b e t 遗层。该并要求把2 6 3 0 m 长戆名义 水平并限钻到7 5 0 0 m 深度，该并总垂深6 7 1 0 m ，水平位移达8 7 1 4 m ，在水 平段内钻进一段距离后，继续增斜至1 3 0 4 的最大井斜角，这意味着该 拳平势要在农平瑟上犬转弯，共搽暖5 个曩据瀑，其有缀窝戆技零拳平。 随着钻井新技术的不断发展，加拿大国家目前正在研究挠性管钻井 工艺，挠性管水平井钻井工艺相对常规钻井伥业的主要优点在于挠性管 实现了链并摹会羧发浸，辩受嚣继势。在枣场经济瓣现枝敬会，其它优 点也q 常突出：简便性，加速钻井过程的自动化并减少所需的人力；运 孛国嚣油丈学( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 移性，并场设备紧缩，缩短了相陂时闻并缩减了动员费用；经济性，由 于去除了手动管线联结而加快了钻进时间；由于租用的井场场地小，减 少了势场建设窝瀵溶瓣费曩；安念缝，由子熊够在链劳辱筝戴孛实瑰全基 控制，掇高了安全系数；灵活性，粥挠性管能完成短半径水平井钻井( 挠 性大予3 0 度1 0 0 荚尺) 。 图1 - 1 北海o s e b e r gc 平台上c - 2 6 a 的井身结构图 。2 凰恣水平劳技术 我国是继美国和前苏联之后，第3 个钻水平井的国家，予1 9 6 5 年在 四川钻了两口水平井即；巴一2 4 朔磨一3 水平井。以磨一3 井为例，其目的 层豹魄覆特征是嚣j i l 蘑溪秘逡，穴安寨镦袈缝往莸岩灞洪( 垂深约 1 3 0 0 m ) ，油层中有页岩夹层。磨一3 井水平并究钻总测深1 6 8 5 m ，垂深 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 1 3 6 8 m ，水平位移4 4 4 m ，油层内井段长2 8 8 m ，水平井段长1 6 0 m 。 同国外水平井的发展情况类似，此后水平井钻井在我国一直处于停 顿状态，直到2 0 世纪8 0 年代后期。但在此期间，我国石油科技工作者 却一直在密切关注着国外水平井技术的发展动向。为了提高我国油气勘 探开发的综合效益，提高油气采收率和产量，在严密的科学技术论证的 基础上，“石油水平井钻井成套技术”于1 9 9 0 年被列入国家八五重大科 技攻关项目。在国家计委和中国石油天然气总公司的组织下，在6 个油 田和5 所院校参与合作下，经历4 年全面完成攻关任务，并在我国l o 个 油田推广应用5 0 余口，在水平井优化设计技术、水平井井眼轨道控制技 术、水平井钻井液与完井液技术、水平井完井与固井射孔技术、水平井 电测技术和水平井取心技术等6 个方面取得了重大技术成果，实现了水 平钻井装备和仪器的全部国产化。 吉林油田水平井钻井技术起步较晚。为了提高特低渗透( 渗透率低 于i o x1 0 3 啪2 ) 油田开发效果，予1 9 9 5 年和1 9 9 6 年，分别在大老爷府 和新民两个油田完成了老平l 和民平l 两口水平井。实施目的是探索水 平井提高特低渗透油田的开发效果，进而为吉林油田大面积低渗透、低 丰度储量的开发寻求可能提高经济效益的有效手段。由于受水平井压裂 技术的限制和钻井成本相对较高等多方面因素的影响，水平井开发低渗 透油田经济效益不显著，从而中断了该项技术研究与应用。 老平l 井采用总公司勘探开发研究院的有线随钻和大港油田的带伽 玛的m w d 进行轨迹控制，完钻后进行测井。该井目的层是高台子油层 砂组1 0 + 1 1 号小层，窗口处垂深1 2 9 8 4 1 m 。该井于1 9 9 5 年1 0 月1 5 日 完钻，采用三层套管的井身结构，其中技术套管下至窗口，完钻井深 1 7 6 4 m ，钻井周期3 6 d ，水平段长3 4 8 4 2 m ，岩屑录井见油气显示良好井 段2 4 0 m ，油层井段占整个电测井段的8 7 9 。水平段采用三段限流压裂 中营石活大学( 华东) 工程黼士学谴论文第1 章嚣言 投产，每段0 6 m ：于1 9 9 5 年1 1 月底压裂投产，崽至2 0 0 0 年底均自喷 生产，日产溃2 t 左杏；2 0 0 1 年采取农耪泵按，淫税举秀生产，焱赢产滚 3 4 3 t 、最离产油5 o t ，嗣前日产油1 3 t ，累产油6 3 5 3 6 t 、累产气1 8 1 0 1 0 4 m 3 。该井产量与油屈相近的直并相当，主要原因是受到气顶影响， 疆裁了涟菇兹产洼力。 民平1 井采用辽河油田的有线随钴和大港油黼的带伽玛的m w d 进行 轨迹控制，究钻后进行测弗。该井于1 9 9 6 年7 月2 日完钻，完钻井深 1 7 6 2 。6 5 m ，溪震三爱套綮懿并赛结梅，其孛鼓零套罄下至窑霹。该势因 钻通断层提前完钻，水平段长3 6 0 7 2 m ，电测长度3 3 0 m ，屯测解释油层 2 9 0 m ，占羧个电测井段的8 7 9 。该并射孔井段分为3 段，分别为0 7 、 0 。7 、0 。5 m ，采霆限滤錾裂方式试涵。兹麓丑产滚1 0 0 t 、日产法l t ，含 水非常高，分析受到水溺影响。 通过老平l 、民平l 井的试验，街林油田在水平井钻井、射孔、压 裂方嚣取缮了残功，菸步掌握了隶平劳戆工艺技术，但在瑟发效果上鄂 没有取得预期的耳标。 在吉林油田扶余地区打浅层水平井，主要是为了解决扶余地区采用 鬻强链势鼓零无法实王芟德嚣受限( 蟪蠢秀藏镶、撵嶷、溺遂) 浅溃藏懿 开发问题，以完善扶余地区井网、摅离采收率，谶而提高扶余地区二次 调整改造效果。 逶遘瓣挟余渣强邑键浅瑟窳平著葭祷况磅究承为，浅瀑求乎势懿会逸鹫毂痒 阻、扭矩、润滑、井眼稳定、下套管等问题，根据软件模拟分析认为，程扶余地区 打浅层水平弗是可行的。 中国群浊大学( 华东) 工程硕士学使论文第1 章前誊 1 3 国内外水平并固并发髓现状 1 3 。 党共方式的邈撵 随着水平井钻井技术的发展，钻水平并的数量越来越多。它的发展 极大地促进了完并技术的发展：1 9 8 5 年开始在水平井中使用套管外封踊 器穆必逢层阕懿隔麓；1 9 8 6 年筏鬻蘩缝辩警稔套警乡 嚣臻糕实现了瑟稳 层的澍隔，并对产朦进行选择能生产。水平井完井工艺日菔完善，从而 形成了水平井完井的不同方法。 瓣藏零平著宠势传统方法分隽霆荦孛：撩羹完势( 翔鬻1 - 2 掰示 、 筛孔割缝衬管完并( 如图卜3 所示) 、筛：l n 缝衬管带管外封隔器完并 ( 如图卜4 所示) 和树管固井射孔完井( 如图1 - 5 所示) 。 图l 乏裸限完井 图l 一3 筛孔店9 缝衬管先井 驻1 4 薅疆壤缝挂管豢管， 瑟黼器完势 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 图i - 5 衬管固井，射孔完井 使用割缝衬管完井的优点有以下几个方面： 割缝衬管起着保持油层与井眼间的流体通道。 由于选择适当尺寸的割缝可以控制部分出砂。 但使用衬管完井方式有一定的缺点，它虽然短时间内可获得高产液 量，但无法分层开采，当储层能量较低导致产油量下降时，无法进行后 续增产措施如射孔、压裂等。而注水泥作业可有效进行有目的的分层开 采，对于调整井区块的固井可有效地进行后续增产措施。 i 3 2 固井作业信息化 ( i ) 固井软件模拟计算 固井软件模拟计算可为固井方案提供固井依据。比如：紊流顶替排 量、水泥浆稠化时间与固井施工时间对比、水泥浆数量等，还可以实时 进行水泥车泵压压力的模拟、环空上返速度、紊流接触时间、注水泥过 程中环空当量密度与地层破裂压力梯度等关系，为固井施工采用安全、 合理的参数进行固井施工提供理论依据。 国外许多固井公司和国内部分石油高校在固井软件的研究和开发工 作上进行了大量的研究，软件模拟结果与现场施工结果基本上一致，目 前该技术已基本成熟，但需要在国内各油田扩大其应用。 ( 2 ) 固井作业参数实时采集 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 随着目前固井设备的发展和信息采集技术的发展，以及仪表的精度 和可靠性的提高，未来固井作业过程中，人力成本比重减小，大量资金 将会投入到仪器设备中以取代人力资源降低劳动强度。结合计算机高科 技技术，未来固井作业参数如注水泥排量、数量、水泥浆密度、泵压参 数等将由计算机进行控制作业，必要时可进行人工干预，并可以把固井 全过程参数随时间精确记录保存在电脑中，以便进行固井质量分析。 1 3 3 国内外顶替效率研究 注水泥顶替机理的研究，已有半个多世纪了。1 9 4 0 年，p h j o n e s 和d b e r d i n e 对注水泥顶替机理进行了开创性的研究。他们着重指出套 管偏心是形成窜槽的原因，因此，扶正套管是减少窜槽的有力措施；1 9 4 8 年，g c h o w a r d 和j b c l a r k 进行了注水泥顶替模拟实验，首先认识到 泥浆性能的重要性，降低泥浆粘度有利于提高顶替效率；1 9 6 4 年提出紊 流注水泥技术；1 9 7 3 年，c r c l a r k 得出活动套管有利于提高顶替效率 的结论；1 9 9 0 年，e b n e l s o n 出版了( w e l lc e m e n t i n g 一书，对水泥 浆性能、流变性、注水泥工艺等有了系统阐述。 虽然前人已经开展过了很多有关顶替效率的研究，但大部分都是在 基于垂直井牛顿液或宾汉液的轴向层流顶替，对其确切的顶替机理仍然 缺乏细致了解，目前对水平井固井的研究仍集中在水平环空的顶替效率 方面。 h a l l i b u r t o n 在1 9 9 2 年发明实验装置专利后，在试验基础上对水平 井顶替效率进行了有限元数值分析，试图建立水平井顶替效率的三维多 相流数学模型。通过计算机模拟分析，推断水平环空顶替存在一个重要 现象：环空内钻井液的清除是从套管表面( 非渗透介质表面) 开始，随流 量增加逐步向外扩展，如图1 - 6 所示。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 图1 - 6 水平环空顶替环空内液体流动模拟图 9 - 中国石油大学( 华东) 工程颈士学经论文第2 章扶余调熬逸地质概况及羽并难点 第2 章挟余调整区地质概况及圃并难点 为满题日益增长的油气需求，必须动用地面歼发条件受限的油藏， 丽开发此类油藏所依赖的正程技术就是特殊工艺井钻井技术。作为该技 零豹配套蔽零蒋殊忑艺并锫势滚技拳是实臻安众、经济、麓效镑搽 的技术关键，所以特殊工艺井钻井液技术研究与应用的重要性不宵而喻。 吉林油田挟余、瓤木等澎医存在着地颈受限( 地面为水泡、河道、树庄、 城镇和裣施i 底) 无法努发兹浚溘簸，平均逢深3 0 0 - 4 9 0 米左农，羲诗 石油地质储量达到1 0 0 0 移万吨，具备水平井开发的地质条件；焱似于大 情字井地区的油田开发实际情况，也必须进行水平辩赢效开发，创造更 好鹃经济效藏；阕鼯，承乎并舜发邈哥潋解决套绦淫圈鲸褒承麓越。特 殊工艺井钻j 毕液技术是必系钻井施工成败和经济效益最终实现的关键， 若该项技术研究成功，嚣论是对动用扶余地区地瓣条件受限地下储量， 还是更高散静开发类似愤字并、查予湖区这样酌 霆藏，或解决囊保油田 的底水问题，都会带来很好的经济效髓。 2 缝菠撅瀑 袭2 - l 扶余油硼油藏物性袭 油层油层物性原油性质原始 孔隙 空气渗含油 精度m p a s 地菇饱和气油 埋深厚度透率 饱和 密度 度压力压力比 ，m ，m 1 0 - 3 ，u度幢c n ， 地面地下 瞄m p a m p ap o i n 瞄 3 2 0 1 0 32 51 8 07 30 8 6 83 22 54 43 61 7 5 0 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章扶余调整区地质概况及固井难点 表2 - 2 地质层序表 深度 地层岩性简述 m 项部伏土层上面黑色下面黄色，中部流砂层，由 第四系 0 - 7 5 粉砂，细砂、中砂和租砂组成。底部为砂砾层。 三段7 5 - 1 2 6钙质砂岩、及灰、灰绿色泥岩组成反旋回。 灰黑色泥岩，底部为黑色由页岩，含有灰黑色灰 二段1 2 6 2 8 5白色形体很不的介形虫，含微量植物化石和鱼类 嫩江组 碎片，含介足类和腹足类化石。 灰黑色油页岩夹灰绿色泥岩，含有灰白色形体较 一段2 8 5 3 3 0小的介形虫，含鱼类碎片，还含有粉砂、钙质和 黄铁矿条带。 姚家组 一段3 3 0 - 3 5 0综红色块状泥岩 下 3 5 0 - 4 0 5灰绿色、棕红色、灰黑色泥岩互层。 白 段 垩 青山 灰黑色泥岩为，夹有综褐色油页岩及菱铁矿薄 系 口组 层，含有大量鱼类碎片及介形虫化石。见有方解 一段4 0 5 - 4 3 5石脉，油页岩页理发育点火易燃，底部4 c m 左右 钙质砂岩。 顶部灰绿色综红色泥岩、粉砂质泥岩、细粒油砂 岩组成三个韵律层，泥岩中常有粉砂质及钙质条 带、钙质结核，含油差，中部为棕、棕褐色油砂 岩、含油砂岩、斜层理发育，由上至下砂岩粒度 泉头组四段4 3 5 - 5 1 3变粗，含泥砾及钙质砂岩，下部为厚层含水油砂 岩夹多层灰绿色泥岩，具不发育斜层理，含油不 饱满，底部为厚层( 5 m ) 钙质砂岩夹泥砾岩及油 砂岩，具斜层理。含碳屑及黄铁矿 表2 1 、2 - 2 中数据为吉林油田扶余区块地质油藏属于三低油藏。 该区块经过3 0 年的开发，目前已进入三次加密调整，存在以下主要 问题： 1 ) 地表裂缝漏失 扶余油田采油二厂西区块上部2 0 m 为地震破碎带，钻井施工时，在 外力作用下随时有可能产生长宽在几十米和几厘米的地表裂缝，容易造 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章扶余调整区地质概况及固井难点 成泥浆池、鼠洞或井筒内钻井液大量漏失。固井施工时，水泥浆流入裂 缝，造成水泥面低返。 2 ) 上部水砂层漏失 该地区6 0 8 0 1 n 之间为欠压水砂层，岩性疏松，上部盖层为膨胀泥 岩，在钻井过程中还容易发生坍塌、蹩漏和扩径，同样可能造成钻井液 或水泥浆大量漏失，增加钻井成本，延长钻井周期，水泥面低返。因此， “九五”期间有3 0 油水井水泥面低返，导致多数油水井因6 0 8 0 m 第 四系水层套管腐蚀变形而停产。 3 ) 油水层压力高 扶余油田经过几十年的注水开发，油水层压力很高，井口压力一般 在3 i o m p a 之间，停注泄压过程缓慢，钻井时容易发生井涌，固井时发 生水窜。如：西+ 5 8 2 井钻至3 3 0 m 时发生井涌和气侵，泥浆密度高达 1 7 5 9 e r a 3 。 4 ) 层问压差大 扶余油田二厂西区上部是多年采水造成的欠压水砂层，下部为高压 注水层，高压层最高4 5 m p a ，欠压层最低0 8 1 m p a ，钻井过程中同时出 现井漏和井涌的现象，固井时存在着防漏和抗窜的矛盾。 5 ) i | 缶井相互串通 该地区上部水砂层和地表裂缝导致l 临= 井之间互相串通。如：西+ 1 7 8 2 的钻井液窜入西1 7 8 井，西+ 1 5 8 4 井水泥浆窜入西1 5 0 8 4 井，钻井液水 泥浆大量流失。因此，地表裂缝漏失、欠压水层漏失、高压油层井涌、 临井相互窜通等复杂情况从根本上制约了老油田的综合治理。 综上所述，在该地区钻水平井虽然具有一定难度，但开发该低渗低 丰度油区只有通过钻井新技术水平井技术才能得以有效开发。 中国石浊大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 拳扶余谰整区地质概况及固井雉点 2 2 固井技术难点 ( 1 ) 具有一般水平井并身结构常用的特点 从初始造斜点( k o p ) 歼始增斜至6 0 。后，下入技术套衡固并。而 羧余浅菇拳平势戈7 降低鬓势残本，采鼹不下毅零套镑，壹接下入油层 套管固井，具有裸跟段长、易形成岩属床、套管居中嗣难以及下套管时 摩阻大等问题。 ( 2 ) 注家澎袋疯震兹多莲秀瀑系 经过扶余油田的三次加密调整长期没水，改变了地层原始压力状态， 形成了多压力朦系，压力差异很大，受邻井注水井影响，必须采用较高 密度铱弗液锫进，为了有效辘清豫多 篱卷藩，滋兔鑫瑗岩羁臻豹同题往 用赢粘性钻井液，使水平井段、大斜度井段固井时顶耱钻井液会更加困 难，产生顶替效率低的问题。 ( 3 ) 水溅浆在永平并段的自国水问题 水淀浆在大魁度及本平势段凝弱时，由予水泥浆整力分褒作用，易 猩井眼上侧形成游离液通道，引起油、气、水窜问题，防止并壁上侧形 成游离液通道是提高水泥环密封质蓬的美键技术。 ( 霹) 套警下入豳难 由予井浅，直井段套管踅量轻，水平位移段相对较大，宪井套管不 容易下焱预定并深。 2 3 提高固并质量的对策 针对予吉林滴锄扶余调整区块存在的问寇，为了提高固并质量主要 袋取以下对策； ( 1 ) 强化井眼准各，确保套管的顺利下入并确保围井前泥浆性能达 ! 里互鎏盔堂! 竺查! 三堡堡圭堂垡丝壅笙! 兰堡叁塑鳖垦垫里坚强墨望茎堕皇 到设计要求； ( 2 ) 优化冲洗液和隔离液的性能和用量，防止井壁垮塌，加强井壁 岩屑的清洗； ( 3 ) 优选水泥浆配方特别是调整稠化性能，加强失水、自由水和沉 降稳定性的控制，防止高边水带窜槽，保证固井质量。 ( 4 ) 优化大斜段和水平段扶正器数量和扶正器类型，确保套管居中， 同时在6 0 度以上斜井段安放刚性滚轮扶正器，降低下套管摩阻，增加完 井套管下入重量。 中国嚣i 鑫大学 3 0 0 0 髓约束条 孛下r 计算出在不同的并径下魏豢流蠹 量翔 撼 中国石油大学( 华东) 工程颈士学位论文第3 章浅屋水平并前鬣液研究 表3 - 4 。图3 - 1 为拟和曲线图。 壹表3 4 霹矩，j s s 一1 狰洗滚戆綮滋捉 量在l m 3 m i n 戳蠹，农淀水泥 顶替过程中，能在环空究全达到紊流状态，有效冲洗井壁泥饼，给水泥 浆在环空中的候凝提供了良好的凝固环境，有助子提高一二界筒水泥胶 络质量。 表3 - 4 冲洗液环空紊流临界流速 环空紊流临界流速环空紊流临界排量 套管r a m井径m m m 。s - m 3 m i n 1 2 1 5o 6 9o 8 6 2 2 00 6 40 8 8 1 3 9 ，7 2 3 0o 。5 7o 。9 0 2 4 0o 5 2o 9 3 图3 - 1 拟和曲线图 中国石濑大学( 华东) 麓程硕士学位论文第3 章浅层水警弗翦置液研究 3 2 隔离液研究 3 2 1 隔离液性能 n c h 2 隔离滚囊清水、蘸聚秘、降失承裁、秸主稳定帮、磷磨帮藕衰 面活性剂、加重剂组成，该体系能够高效清除残留泥浆、滟饼和沉淀岩 璃，露效骗离钻劳液秘水泥浆，防止泥页岩膨胀、减少油气层污染。研 密裁麓来磨洗井壁，去掉并壁浮漉饼。降失承麓用来控翻炎承量，减少 自由水对产层的污染。高分子聚合物增加隔离液的粘度，提高携屑能力。 小阳离子糙土稳定剂抑制t l 出水黠产层糙土及葱岩豹侵蚀，防止遇水膨 胀，壤塞魏道。该隔离液具备失水量低，耦容性努、稀释体弱强、演除 泥饼彻底的性能，为水平段二界厢胶结提供清洁的井简环境。表3 - 5 、 3 - 6 给掇7n c h - 2 黼嵩液钓性能参数。 表3 - 5n c h 一2 隔离液流变参数表( 5 1 c 密度1 ，t s g c m ) i 由6 0 0由3 0 0 由2 0 0出1 0 0m 6巾3 l 六速粘度计读数 2 0 51 3 59 57 09 6 表3 - 6 隔离液性能表 指标 p vy p 滤失量( 常温中压)滤失激( 8 0 c 7 m p a ) 密度 p h | 辔m p a s i n l触l g c m 3 隔离液 8 0 1 0 04 0 - 5 32 5 - 5 03 5 5 0 1 0 5 1 2 07 | 8 3 2 + 2 隔离滚滚变瞧 粘稠性隔离液威具有幂律流体的性质，用幂律流体来拟舍稠度系数 积流拣指数。 对予幂律流体，流体的流变性茸用式3 一l1 采表述 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章浅层水平井前置液研究 f = k r ” 式中k 稠度系数，p a s ”； 盯流型指数。 ( 3 一1 1 ) 设要拟合的曲线公式为- = x r , ”，即：r ( r ) = x r “，两边取对数，得 m r ( r ) = i n k + n l n y ( 3 1 2 ) 为了研究方便，上式改写为 一( b ) = c + n b( 3 - 1 3 ) 式中：c = i n k ，a = l n r ， b = l n y 根据公式( 3 1 ) 及( 3 2 ) ，以及结合表3 5 数据，可得出如表3 - 8 计算结果。 表3 7 剪切速度与剪切应力数据表 项目f 值 i23456 ， 1 0 2 1 3 85 1 0 6 93 4 0 4 61 7 0 2 3 1 0 2 1 5 1 1 f 1 0 56 9 1 54 8 6 63 5 8 54 6 13 0 7 e 6 9 3 6 2 45 8 35 1 4 2 3 21 6 3 4 4 6 5 4 2 43 8 83 5 8 1 5 3i 1 2 注：a f = l n r fe = l n 以 取权函数( 马) = 1 ，也就是要求c 与玎，使得爿( 口) = c + n b 有 6 6 ( c + 鸠) 一甜2 = m i n 【( c + 蝎) 一4 】2 ( 3 1 4 ) t = 1i = 1 问题归结为： 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章浅层水平井前置液研壅 6 s ( c ，疗) = 【( c + 蝎) 一4 】2 的极小值问题。 l - 1 要解出s ( c ，聆) 的极小值，即满足以下方程： 即： 黟弘+ 嵋_ m净 隆喜2 耶棚b 卅沪。 将已知数据代入，解得： h = 0 6 7 5 5 k = 0 9 8 4 p a s ” 得出拟合方程为： 图3 - 2 为拟和曲线图。 ( 3 - 1 6 ) f = 0 9 8 4 7 0 6 7 ” ( 3 1 7 ) 图3 - 2 拟和曲线图 - 2 2 - 口 ，。 爿 = 。砰 耻。o 。 艺。盯 叭畦。 中国石油大学( 华东) 王程硕士学位论文第4 章水平井水淀浆体系研究 第4 章水平井水泥浆体系研究 4 ，1 攘余油田浅瓣永平并承滋浆性襞要求 水平井不同予缀井，由于水平段及大斜度段井身结构的特殊性，对 水泥浆性能要求县露良好豹流动瞧，低失水，零游离液等技戆。根据扶 余油圈浅层水平井的其体特点分析，水淀浆鹰满足如下要求： ( 1 ) 为了防北水平段高边析水而引起窜槽，设计水泥浆的析水量 为“零”辑水。 减少水泥浆自由承以及阻止融由水运移，置是提高淀农泥质量黪 重要方面，在大斜魔段或水平段中，因斜向或横向运移的路程短，自由 水极易聚集在弗壁土铡形成连续豹求搪或承带，最终成为濑气窜滚豹逶 道。掰黻与直并楣皖较，应注意水平并段自融水运移问题。 ( 2 ) 为了防止固井时水泥浆必水对油层的污染，控制水泥浆失水量 在5 0 m l 以下。 为了减少水泥浆阉相颗粒及滤液对油气屡的捩害，需裰水泥浆中加 入降必水剂，控制灾水量小于5 0 m l ，控制失水墩不仅有利予保护油气层， 嚣且是保涯安全匿势、提毫环空滋闯封疆质量及顶替效率的荚德蕴素。 ( 3 ) 为了防止水泥浆顶替过程中蹩漏地艨，造成油层浮染，水泥浆 流动性要好。 浚渤性款磐坯，直接影璃簸器豢滚撵量秘醛空瘴疆。为了磺保霆势 二界谢胶结质量，必须进行紊流顶替，如果水泥浆流动佼不好，使得顶 替排鬣变大，从而鼹致环空摩阻变犬，扶余地区油藏浅，在高排量顶替 蠡提苓，秀翔上泰游装与链井液鹣攫差汉及繇窆摩疆兹影躔下，援易发 生固井过程中漏失现象。一旦发生漏失现象，会带来油层的永久性污染 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章水平井水泥浆体系研究 影响产能。 ( 4 ) 为了提高二界面胶结质量，水泥浆应具有微膨胀性能，提高层 间封隔指数。 在固井施工中，水泥环与地层、套管间的良好胶结是实现有效层问 封隔的基础。如果界面胶结不良好，将会影响油井正常生产和后续增产 措施的实施。水泥浆硬化后环空水泥石体积收缩不仅使界面胶结不良， 同时，还由于水泥石内微缝隙的增多而引起水泥石整体性能，如：抗渗 透能力、抗压强度等下降。 膨胀水泥可有效解决上述问题，达到提高一= 界面胶结质量，为后 续增产措施打下基础。 ( 5 ) 水泥环强度应满足压裂要求。 ( 6 ) 扶余油田浅层水平井水泥浆的性能设计。 综合以上因素，水泥浆的性能如下： 流动度 2 2 0 m m析水率： o 0 2 ( 2 4 h x 5 l x 0 1 m p a ) 根据以上水泥浆性能要求，下面分别从失水和膨胀性角度进行分析。 4 2 水泥浆失水研究 4 2 1 水泥浆失水与密度的关系 在水泥浆注替过程中，水泥浆中的游离液将不断进入地层，水泥浆 在环形空间的水灰比和密度将分别减小和增大。 假设水泥浆刚返出环形空间的水灰比为m ，水泥密度为p 。，水泥浆 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章水平井水泥浆体系研究 密度为虞。配制1 方水泥浆的水泥量为q ，则 盯：l( 4 一1 ) 1 1 + m 如水泥浆封固的环形空间体积为v ，则水泥用量v c 表示为 圪= v q ( 4 2 ) 相应的水量为： k = m v q ( 4 3 ) 当水泥浆通过环形空间渗透层失水后，其水灰比降为m 。则从水泥 浆进入地层的游离液为 圪= 劬一m 。) q v ( 4 4 ) 根据水泥浆中的失水量与井眼平衡条件得， ( m m ) q g = 咒睨， ( 4 5 ) 则水泥浆沿井壁的失水速度为 v。(m-m)qv(m-m)p,q( 4 6 ) p 捌r u d l ( 1 + m 1 式中 v ，l 水泥浆沿井壁的失水速度，r n s d 井径，m ； 三水泥浆封固段渗透层的厚度，m ： q 水泥浆流量，m 3 m i n f 水泥浆在环空的顶替时间，m i n 。 4 2 2 水泥浆的渗透率与动失水的关系 研究水泥饼的渗透率和泥饼的阻力，对合理地控制水泥浆失水是非 常重要的。假定滤饼的渗透率符合达西定律，即渗透率不随压差、流速 和滤饼的厚度而变化。 中国石浊大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章水平井水泥浆体系研究 ( 1 ) 无泥饼情况 根据达西定律，作用在滤饼上的压力降 - q 渗透层段帮位面积的流 量0 4 、滤波糕度释滤绣厚瘦& 成芷院，箕她秘索数力水泥饼豹渗透 率，即 改写为 印= 等署舰 旦：l 垒 k ；1 0 0 0 0 渺l ( 4 - 7 ) ( 4 8 ) 式中p 魇麓，取7 m p a ： 水淡浆滤液豹糙发，取i c p ，邓0 0 0 1p a s ； 岛愿水浞饼隘力，m m l o - x m d 。 琏反映了水泥饼阻力，劬v 。愈大，阻力愈大，水泥饼渗透率 鑫枣；及之，：, p v 愈奎，阻力愈，j 、，水泥绣渗透率鑫丈。 一般认为，水泥顶替至预定彼置后，水溅饼厚度会随辫凝固时间的 增长嗣失水不断地渗入地层而交厚，以致使环空被水泥饼填满形成桥堵。 实舔纛，承泥绥农攒堵形藏主要纛考露疆下嚣令嚣素熬影桶； 1 ) 水泥浆作用予泥饼上的聪麓。压差随水泥浆凝固和必重在不断减 小，最后达到零。如达到压差为零的凝结时间，。时，失水停止，泥饼厚 疫不褥增麴。 2 ) 水泥饼的厚度与其剪切强度有关。只有当剪切强度犬子水泥饼自 身重爨时，滤饼厚度才有可能增加。滤饼厚度的公式为 = 苎k ( 4 9 ) p c 当2 旦戌时，形成蟒塞； 当s 旦戌时，不可能在环空中形成桥塞。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章水平井水泥浆体系研究 目前，虽然对水泥饼剪切强度的研究还较少，但当液柱压力由于自 身失重降至与地层压力相等之前，比( d - d ) p 。4 小得多，因此环形 空间不可能形成桥塞。 假定水泥浆的失水体积正比于滤饼体积k ，即肛月( b a n n i s t e r 和l a w s o n ，1 9 8 5 年) 。对于不同类型成= 1 9 0 的水泥浆? = - i 5 2 0 ，一 般取2 0 。其中v 。= a e o ，a 为水泥浆失水的渗透面积。得 鱼：生 ar 则有 = 鲁= 去鲁 沿 将式( 4 1 0 ) 代入( 4 8 ) ，得8 。如。：k 垒芝r 出 积分后整理得 k ；生 ( 4 一1 1 ) 2 兄幻f 当e f ( 伊口) 2 ，即环空桥堵时，水泥饼渗透率的极限值可由下式导出。 k = 工晋 ( 4 _ 1 2 ) 式中的时间 不是稠化时间，而是用水泥浆凝固过程液柱压力由于 自身失重降至地层压力的时间f 。，0 一般情况为水泥浆初凝时间的 0 6 o 7 。当套管偏心时，环形空间的间隙应选择在渗透性地层中的间 隙最小位置。当水泥浆滤饼的实测渗透率厅小于丘，环形空间不可能出 现桥堵情况。 ( 2 ) 有泥饼情况 由于注水泥前井内已有泥饼存在，故应考虑泥饼和水泥饼重叠后对 水泥浆失水量的影响。将达西公式改为 中国石油大学( 华东) - r 程硕士学位论文第4 章水平井水泥浆体系研究 印：螋f 旦- i - 生1 ( 4 1 3 ) 1 a k mk c ) 链井液溅落豹渗透搴一般在l o 。o n 2 l o - 7 a n 2 数量级，对承淀浆失承鬃 起了徽犬的限制作用。泥饼限制了水泥浆的静失水，在水溺饼与其重叠 后，其流动规律符合上式要求。经联解后得 e e d e c 。l - 垒堕：垒霆( 4 一1 4 ) 疋2 圭击 “q e ， 辞狡。 当e 。= 1 1 2 ( d - d ) ，即泥饼和水泥饼同时存在时，水泥浆发生桥堵的 1 亭( d - 司d ) 2 ( 4 _ m l 氐j 警零泥浆袋的宓溺渗透率奎予踅或逶造瓒麓淀缓霆力，移胃班避兔 以上分析说明，控制失水的灾质是如何利用泥饼阻；d _ 军玎i l l 节水泥饼 懿