yyhg201110080002-富黄探区中深井固井11.doc

富黄探区中深井固井工艺技术研究陈瑞生 2011年9月1富黄探区中深井固井工艺技术研究陈瑞生 许兴波（作者单位：石油勘探开发部工程科）摘 要：富黄探区地处鄂尔多斯盆地伊陕斜坡，地质构造复杂，针对西部中深井地层特性、储层特点、压力预测、固井难点等各种因素，进行调研总结，经过综合研究分析，开发出适合该区块中深井（含气井）的固井工艺及配套的水泥浆体系，根据不同地层破裂压力和油气水窜情况，分别采用一次上返分段多密度多凝水泥浆固井工艺技术和分级箍分段多密度多凝固井工艺技术。一方面，通过在水泥浆体系中优选外加剂和减轻材料，优化水泥浆的性能，上部非油气层段采用低密度、高早强、低失水、短过渡的水泥浆体系，下部油气层段采用高早强、低失水、短过渡、低渗透率的水泥浆体系，从而改善第二胶界面的强度和渗透率，防止气窜的发生。另一方面，通过井内平衡压力固井工艺，即保证不压漏地层，又保证压稳水泥浆，防止油气水窜发生的机会。通过对室内研究与现场施工的综合分析，针对富黄探区中深井固井问题，设计开发了一套科学合理适合该区中深井固井的体系设计及现场施工工艺技术设计，该项目的创新点为：（1）漂珠、微硅减轻材料的复合使用；（2）水泥浆体系的性能优化；（3） 分级固井技术的应用。依据上述研究，于2009年11月在槐树庄区块进行了3口井现场试验，整个施工过程达到设计要求，施工中未发生井漏，满足后期开采的要求。关键词：分级固井；防气窜水泥浆体系；改善第二胶界面FuHuang area in deep well cementing technology researchChenruisheng Xuxingbo（Department of Engineering Department of petroleum exploration and development）Abstact： Rich yellow area located in Yishan slope of Erdos Basin, geological structure is complex, in the light of Western deep formation characteristics, reservoir characteristics, pressure prediction, cementing difficulty and other factors, research summary, after comprehensive research and analysis, suitable for the development of the block in deep well (including gas well cementing process and supporting ) cement slurry system, according to the different formation fracture pressure and oil gas and water channeling, respectively, with a return of segmented density cement cementing technology and graded hoop segmented Density Cementing cementing technology. On one hand, the cement slurry system in the optimization of admixtures and reduce material, optimization of the slurry property, upper non oil / gas-bearing segments with low density, high Zaoqiang, low water loss, short transition time of cement slurry system, lower reservoir section of high Zaoqiang, low water loss, short transition, low permeability of cement slurry system, in order to improve the second adhesive interface strength and permeability, gas channeling prevention occurrence. On the other hand, through the well balanced pressure cementing technology, which ensures no leakage formation, and ensure the stability of slurry, prevents the oil gas and water channeling occurs by chance. Based on the laboratory study and field construction of comprehensive analysis, to the yellow area in deep well cementing problem, design a set of scientific and reasonable for the zone in deep well cementing system design and site construction technology design, the projects innovation points: (1 ) Boulder, silicon reducing composite materials using (; 2) the cement slurry system performance optimization; ( 3) classification application of cementing technique. Based on the above research, in 2009 November in the locust tree village blocks were performed in 3 well field test, the whole construction process to meet the requirements of the design, construction did not happen well leakage, meet later exploitation requirements.Key words: Graded cementing；Cement slurry system for gas；Improvement of second adhesive interface1.概述：固井是钻井过程中的重要作业。在钻井作业中一般至少要有两次固井（生产井），多至45次固井（深探井）。固井质量的好坏直接影响后续作业。近年来，富黄探区加大了勘探工作力度，但是根据资料统计，固井质量不合格的问题时有发生。为了解决钻井过程中固井质量不合格的问题，我们通过学习调研分析了固井质量不合格的主要因素，通过先进的设备，成熟的工艺技术，对该区块固井工艺做了深入的研究。1.1. 国内固井技术经过“七五”、“八五”、“九五”科研攻关，我国逐步形成18个陆上油田、八种油藏固井技术。主要固井技术包括：调整井固井技术、常规单双塞固井技术、双密度固井技术、双凝水泥浆固井技术、双级注固井技术、尾管固井技术、深井固井技术、小井眼固井技术、水平井固井技术、膏盐层固井技术、浅层气煤层气固井技术、泡沫水泥浆固井技术、泥浆转化为水泥浆固井技术。固井工程不是单一工程，而是一个系统工程，结合相关专业，建立一个联合攻关技术部门，为了油田可持续发展以及满足油田勘探、开发需要，进一步开展欠平衡钻井完井、侧钻水平井钻井完井、分支水平井钻井完井、大位移水平井钻井完井等技术攻关。围绕提高固井核心技术水平，开展主要工作：采用“压稳、居中、替净、密封”原则，达到“一居中、二保证、三压稳、四坚持”的综合工艺技术的要求。形成调整井多压力层固井技术；薄层固井技术；防窜固井技术；双级注固井技术；微珠双密度固井技术；尾管固井技术；深层气井固井技术（欠平衡井的固井技术）；水平井固井技术；侧钻开窗固井技术；小井眼固井技术。1.2. 富黄探区固井技术发展现状富黄探区横跨富县黄陵洛川三县区，地处黄土高原腹地，地质构造为鄂尔多斯盆地伊陕斜坡，属于低压、低渗、低产油气藏，主要储层为侏罗系下统延安组及三叠系上统延长组，属欠压实易漏地层（诱发裂缝性漏失），上部地层复杂主要在于：水层活跃、出水严重、缩径、垮塌，漏失严重（洛河层高孔隙度渗透性漏失）。富黄探区由于地下伴生气较为丰富，给固井质量也带来了不少问题，同时也由于井深较深，也给固井工程带来了不少麻烦，所以很有必要研发一套适合适合该区的中深井（含气井）固井工艺技术，以满足固井需求。北京奥凯立科技发展股份有限公司是我国油井水泥外加剂方面资格较老、技术实力较强的公司之一，尤其在对中深井以及气井的水泥浆体系和固井工艺比较熟悉。奥凯立公司本着求实创新、共同进步的协作精神，与延长油田井下作业工程公司共同合作从材料优选、水泥浆体系研究及性能优化、现场施工工艺等方面着手，解决延长油矿西部中深井以及气井的固井过程中存在的问题。2、延长油田富黄探区的地层特性、固井难点及固井质量的调研分析2.1. 延长油田地质特性通过地质资料的查阅和分析，初步了解到延长西部采油厂各组地层埋深及主产层位置具有其独特的地层沉积构造；依据对完井固井工作的影响将其特点归纳为：（1）对于目的层而言，延长组存在一定的地层流体压力，延安组地层压力相对稳定。（2）上部地层破裂压力低，存在易发生漏失的洛河组地层。（3）井筒上半段存在多个出水层，包括洛河至延安的各层组，跨度近1000米，存在严重的漏失和水侵风险。（4）产层含水现象较为普遍同时含有一定的半生气，需做好防水侵和气侵工作。地层压力简表地质层位平均埋深（m）地层孔隙压力当量（g/cm3）地层破裂压力当量(g/cm3)第四系0-280洛河组280-8100.80-1.001.40安定组810-8801.051.50直洛组880-11051.001.45延安组1105-14001.001.45长4+5组1400-17500.95-1.121.55延长6组1750-18701.101.55延长7组1870-1.00-1.161.60依据上述认识，在钻井过程中第四系，长6组存在漏失，应注意防漏；安定组防卡；直罗组防塌；延安组防缩径，防卡，防漏失；延安组防卡。完井固井中，注意套管居中，注水井正确应用合理的低密度水泥浆，确保低密度水泥浆返出井口。分级箍固井要调查漏层位置，合理放置分级箍，注意分级箍固井的注意事项。 2.2. 地层孔隙压力和地层破裂压力预测地层孔隙压力和地层破裂压力是固井设计和施工的主要依据，尤其对于长裸眼井段更为重要。国内外目前发展出多种地层压力和地层破裂压力的预测计算方法。2.2.1 地层孔隙压力预测有许多方法可以用来预测和计算地层压力，有以测井技术为主导的方法，有以地震技术为主导的方法。前者取得的结果精度比较高，效果较好，但是其技术不是真正意义上的预测，此技术只能在钻井结束后应用；而后者预测精度和范围都受到限制。测井评价是最常用的方法。在岩性和地层水变化不大的地层剖面中，正常压实地层的基本特点是，随着深度的增加，上覆地层载荷增加，岩浆的压实程度增大，导致地层孔隙度减小，密度增大。而且在不同的深度段，曲线变化曲率不同，这是不同的泥浆压实程度引起的。直接用于评价地层压力的常用测井方包括：声波测井，感受应电导率测井法，密度测井法及中子测井法等。测井方法预测地层压力的方法大多是以等效深度原理为基础，在地层正常压实条件下，地层孔隙压力可以根据水柱高度计算；在地层压力异常时，计算地层孔隙压力有等效深度和经验系数法，这两种方法可以同时使用，互为补充。根据声波测井数据，得到等效深度差，就可以根据公式目标点的地层压力。2.2.2 地层破裂压力预测 地层破裂压力是油气井钻井工程设计的基础，是合理选择钻井液及确定套管下深的基本依据，是进行水泥浆设计和固井施工参数确定的基础。用地震资料预测地层破裂压力主要是先从地震资料中提取地层速度，然后预测地层孔隙压力，在此基础上按一定的模式进行地层破裂压力的预测。 预测地层破裂压力，一般是根据上覆岩层压力，地层孔隙压力以及它们之间的关系经过计算来实现的。利用地震资料间接地预测地层破裂压力，一般先利用地震资料先预测地层孔隙压力，并利用已钻井的资料或在钻井的上部井段的密度测井资料预测上覆岩层压力，并利用已钻井的资料或在钻井的上部井段的密度测井资料预测上覆岩层压力，然后采用适当的地层破裂压力模式进行估算。一般应用的公式见2-1。Pf=k(p0/pp)pp (2-1) 式中：pf为地层破裂压力，MPa； P0为上覆岩层压力，MPa； Pp为地层孔隙压力，Mpa； k为 侧压系数。 2.3. 富黄探区中深井固井的技术关键 根据富黄探区的地层特性和油气藏储层特点，开发目的层不同，应采用不同的固井方法和工艺措施，根据具体情况分别对待。对于井深在1000米以下的油井固井可采用一次上返固井工艺。关键技术：上部采用优质超低密度水泥浆防漏，下部采用优质高密度水泥浆防油气水窜。对于井深在2000米以上的油气井固井，根据情况可分别采用一次性上返固井技术和分级固井工艺技术。关键技术：上部采用优质超低密度水泥浆防漏，配合分级固井技术确保实现全井段封固良好，下部采用优质高密度水泥浆防气窜，确保油气层段的固井质量。3、减轻材料的优选及评价分析国内目前对于中深井的固井普遍采用一次性上返固井技术，在非目的层采用低密度水泥浆填充。若一次上返达不到要求，可采用分级注水泥固井技术。由于该区块井深达2700米左右，封固段较长且在刘家沟组上部地层容易漏失，我们建议采用加分级箍进行分级注水泥设计。对目的层我们仍采1.90g/cm3的高密度水泥浆进行一级固井，二级领浆我们采用1.401.50g/cm3的低密度水泥浆，二级尾浆则仍采用1.90g/cm3的高密度水泥浆。 根据该项目的要求，首先要对减轻材料进行优选。目前国内低密度水泥浆所用的减轻材料主要有漂珠、粉煤灰、膨润土、膨胀珍珠岩、水玻璃、沸石等。3.1. 漂珠漂珠又称空心玻璃微珠，密度0.7 g/cm3左右。主要化学成分为二氧化硅、氧化铝。粒度50300目，直径为45300m。漂珠具有密闭、粒细、质轻、壁薄和活性等性能，与其它几种减轻剂相比，用漂珠配制的低密度水泥浆具超低密度(可配制密度为1.081.70 g/cm3)、强度较高、渗透性较低等特点。其化学成分和物理性能见表1和表2表1漂珠的化学成分化学成分质量分数，%SiO26065AL2O32733Na2O+K2O0.54.0表2漂珠的物理性质形状微小空心球体颜色灰色密度，g/cm30.7视密度， g/cm30.4融点，1200导热系数，J/(mh)268粒度分布150300m75150m4575m45m以下质量分数20%50%25%5%漂珠水泥浆性能具有以下性能特点：易破碎性；漂珠与水泥的相溶性：选用粒径小的漂珠，同时适当降低水灰比、提高水泥浆的粘滞性，在漂珠水泥浆的配制中要使用合理的水泥外加剂，既要充分分散水泥浆颗粒，又要使水泥浆具有良好的悬浮性； 漂珠的加入可改善和提高水泥的热稳定性；稠化时间和失水易于控制；由于漂珠外壳具有一定活性，能起化学反应，生成具有胶凝质的化合物，提高水泥石强度。该水泥体系（密度小于1.0）的动切力较高，水泥石渗透率低。3.2. 粉煤灰粉煤灰是一种高炉飞灰，密度2.1g/cm3左右，主要成份是由二氧化硅的微细玻璃体组成。粉煤灰粒度约150m。具有较高的比表面积和反应活性，Ca(OH)2或其它碱土金属氧化物反应生成低钙硅酸盐水化物。用粉煤灰配制水泥浆可使其密度降到1.61.7 g/cm3，通过添加增粘剂，改善了浆体的沉降稳定性，保证了浆体的流变性能可以从强度、抗渗透性及防腐蚀等方面均能满足低温、低压、易漏地层的固井要求，化学成分见下表。表3 化学成分表化学成分质量分数，%SiO242.3AL2O323.2Fe2O314.7MgO0.96CaO2.8其它3.3. 微硅微硅水泥浆密度与微硅加量和水灰比有关，微硅水泥具有配伍性好、浆体稳定、强度较高的特性。因此我们依据标准GB/T 1596-2005对用于水泥和混凝土的粉煤灰，及标准SY 5403-91 对油井水泥用空心微珠，和标准YB/T 115-2004不定形耐火材料用二氧化硅微粉，进行检测。大量的文献和资料表明:对水泥、粉煤灰、漂珠、微硅进行合理的配比实验优选，可以得到密度可调范围大，并使水泥石孔隙结构得到改善，大幅度降低渗透性和强度提高的低密水泥浆体系。漂珠在水泥浆中会产生大于自身重力的浮力而上浮，使水泥浆体系失稳产生分层，固井时会造成封固段水泥胶结不良现象。而微硅的平均颗粒粒径0.15um，远比水泥和漂珠小，所以微硅有巨大的比表面积（1525m2/g），因而与水泥混合时需要大量的水来润湿其表面，对水灰比的敏感性较强，加量与降低密度的效率也受到限制。采用微硅漂珠复合低密度体系正是利用漂珠和微硅各自的优点，而且又能互相克服对方的缺点，从而能设计出密度范围大，性能优越的低密度水泥浆体系，而且微硅颗粒小能够充填在漂珠和水泥颗粒之间的空隙，正好符合颗粒级配原理。通过室内实验对比，漂珠微硅的比例为4:13:1时的强度，流变性能较好；水固比0.55-0.6时水泥浆性能较好。根据靖边、吴起、定边地区的地层特性，我们对这几种减轻材料在水泥浆中的强度、稳定性、颗粒级配的范围在室内进行了分析和实验进行确定和优选。 表4 漂珠与微硅抗压强度对比表轻减剂品种及加量%（BWOC）水灰比水泥浆密度g/cm3稠化时间min/45抗压强度Mpa/55/21MPa24h48h漂珠15微硅50.601.6018514.718.3漂珠20微硅100.651.5019710.216.24漂珠28微硅80.651.402147.212.9粉煤灰1000.601.603751.955.8粉煤灰90漂珠100.551.502743.47.9膨润土40.881.604600.73.8对上表中数据对比分析得知：漂珠、微硅低密度体系水泥石抗压强度高，侯凝时间短，密度可调至最小，但成本较高；粉煤灰低密度体系的成本相对低廉，水泥石强度低，密度及稠化时间可调性差；膨润土配制的低密度水泥浆成本最低，但由于水固比大造成水泥浆稠化时间长，抗压强度最低，调整起来也比较困难。综合以上分析，考虑到本项目区块地层的复杂性，我们最终选用了漂珠低密度水泥浆体系。4、水泥浆体系的优选及性能优化4.1. 低密度水泥浆体系的研究随着勘探事业的发展，深井、中深井数量的不断增加，深井中的低压易漏、长裸眼、长封固段、多压力层系固井作业也不断增多，但是，常规低密度水泥浆体系由于自身存在的缺陷，难以满足深井低压易漏地层固井的需要，使得深井低压易漏长封固段固井成为固井技术难题。我们确立了减轻材料的类别后，结合槐树庄区块地层特性和油气藏储层特点，通过加入水泥外加剂来优化水泥浆性能，满足施工要求。4.1.1 漂珠微硅低密度水泥浆体系1) 强度表5 体系的强度发展情况配方密度g/cm370强度，MPa24h48h11.309.211.321.3510.811.931.4012.014.841.4512.816.251.5013.217.2表5是不同密度漂珠微硅低密度水泥浆的强度发展情况，可以看出，即使将密度降至1.3g/cm3，体系在70条件下的24h强度也能接近10MPa，48h强度则可达到11MPa以上，表明体系具备良好的强度性能，能满足后续作业对水泥石强度的要求。2) 体系稳定性 表6 体系的失水、析水控制能力配方API失水（mL/30min）析水（mL）16812720.5365045005430表6是体系在不同密度条件下的失水、析水数据。可以看出体系具备较好的失水、析水控制能力，即使是1.3g/cm3的漂珠微硅密度水泥浆，其API失水也能控制在100ml以内，析水能控制在1%左右，那么，在密度更高的情况下，其失水、析水控制能力更强，更能满足固井作业的要求。3) 流变性表7 漂珠微硅低密度水泥浆的流变数据配方旋转粘度计读值（转）流动度(cm)判别参数F流变参数流变模式30020010063p13922.3147422.30.4830.60.76宾汉23521.8135321.80.5040.70.31宾汉34022.4296322.40.4939.60.32宾汉44820.5197420.50.4935.20.12宾汉55221.6309521.60.5042.30.23宾汉表7是体系的流变性数据，可以看出，体系具备良好的流动能力，利于配浆，利于在深井低压易漏地层实现平衡压力固井，同时，也有利于冲刷井壁泥饼、提高顶替效率而提高固井质量。4) 沉降稳定性表7是配方5的沉降稳定性试验数据，可以看出，体系具备良好的沉降稳定性，凝结后其水泥石的密度波动最大才0.0076 g/cm3，换算为密度波动率，仅0.50%，从而有利于使水泥浆形成优质完整的水泥环而提高固井质量。表8体系的沉降稳定性数据水泥石序号密度（g/cm3）密度波动（g/cm3）波动率 （%）1（顶部）1.50680.00680.4521.4992-0.0008-0.0531.4971-0.0029-0.1941.50380.00380.2551.50061.50230.00230.1571.50630.00630.4281.50760.00760.59（底部）1.4940.006-0.4水泥石平均密度1.5019 g/cm35) 稠化时间1.50g/cm3，40度 240min1.50g/cm3，45度 277min1.50g/cm3， 50度 192min1.40g/cm3，40度 180min低密度水泥浆体系的选择对固井设计很重要，即要满足施工要求，又要考