小井眼及高温高压井的固井设计与施工特点

小井眼及高温高压井的固井设计与施工特点第1页/共75页主要内容小井眼固井设计与施工介绍高温高压井固井设计与施工介绍第2页/共75页 Amorco,BP:全井长度大于90%的井段小于7”的井 JPT杂志文章:小于6”井眼定义为小井眼。 小井眼完井的定义:生产套管小于4”。小井眼概念概述第3页/共75页发展情况小井眼出现在30年代。美国Stekoll公司在30年代在德克萨斯州Panhandle油田打了310口127mm(5”)套管井，平均井深1000m,1958年该公司在加拿大以及北达科他州打小井眼105口，1959年-1960年在俄克拉何马等地打了73.03mm(2.87”).平均井深2743m.

前苏联于1936-1937年间在阿塞拜疆开始打小井眼，于1942年钻了一批114mm套管井，1943年在Majitoeek油田钻了11口114mm套管油井。据统计到1961年底，世界范围内131家公司钻了3216口，平均井深1876米，井眼尺寸为161.93(63/8”)或更小的小井眼。概述第4页/共75页进入90年代，小井眼技术在钻井、固井、测井、测试和采油等方面取得了很大进展。理论和技术日趋成熟。最近Texaco在巴拉圭钻了一口深3000m的76.2mm(3”)的探井。又在坦桑尼亚钻了一口1940m深井，井经3”的小井眼。新疆管理局在1961-1974年用191mm钻头钻了几千口井深500m，下114mm套管的井。大庆在七十年代钻了4口井深1200米，114mm套管的井。吉林油田曾钻了1711口，套管直径为127mm、120.7mm,114mm,101.6mm,76.2mm,73mm的井。“75”期间新星公司在四川新场气田、松南地区开始实施小井眼技术，用120mm和104.8mm套管完井.现在松南地区2000m左右的井用4”套管或31/2油管固井完井。现在国外小井眼技术已普及，预计2005年达到总钻井量的50%以上。我国在大庆、胜利、长庆、江苏、南阳、新星等地都在开展小井眼实验工作。概述第5页/共75页目前小井眼技术已成功地应用于：

①开发用常规井眼开发低产、浅层、经济效益差的油藏

②老井侧钻

③老井加深

④探井小井眼技术的应用范围概述第6页/共75页小井眼固井难点小眼井的井眼较常规井眼小，环空间隙也小（在8.0mm～20.65mm之间），给小井眼固井带来许多困难。难度体现在以下几方面： 水泥浆体系与水泥石性能要求 顶替效率的提高 施工难度与风险第7页/共75页环空间隙小、水泥环薄、水泥环抗后续作业冲击载荷能力低；高压气井，水泥浆凝结过程防气窜问题水泥环薄，与地层和套管的胶结强度较低剪切速率/混配能力对水泥浆性能的影响；小容积内水泥浆的处理。小井眼水泥浆面临的问题导致油井水泥石力学性能失效的原因主要有：

水泥石形变能力不足；

脆性水泥石易碎裂；

硬化水泥石内部存在缺陷。第8页/共75页水泥（环）石的脆性

水泥石系有先天微观缺陷的脆性材料抗拉强度低：为抗压强度的1/7~1/12抗破裂性差：极限延伸率为0.02~0.06%抗冲击强度低（按断裂功比较）：水泥石为20~80，结构钢则为500000弹性模量高：103~104MPa；抗压强度16~35MPa

聚能射孔弹可产生3000~30000MPa的冲击力，造成水泥环破裂！小井眼水泥浆难点第9页/共75页射孔对井下水泥环的影响第10页/共75页水泥环脆裂的工程实例大庆油田分公司华东石油局吉林油田射孔前后进行CBL测井证实：射孔前声幅优，射孔后声幅不合格华北油田射孔前后进行验窜试压证实：射孔前不窜，射孔后窜大庆油田772口套损井共990个套损点，射孔井段附近有554个套损点，占56%中原油田764口套损井，有258口在射孔段，占61.4%73%的套损点附近水泥环胶结不良第11页/共75页射孔前

射孔后射孔前后CBL/VDL测井结果第12页/共75页CBL射孔段射孔前射孔后射孔前后CBL/VDL/SBT测井结果第13页/共75页小井眼固井难点:顶替效率差小间隙井的间隙小于12.7mm(1/2″)；套管偏心，小间隙井比正常井严重得多；小间隙环空中的居中扶正问题很重要。泥浆更不易被顶替干净.

A、常规井眼的顶替机理已不能完全适宜于小井眼固井。E、提高水泥浆的顶替效率和防止注替过程中的堵憋漏问题。第14页/共75页非常规井身结构的特点典型非常规井身结构下套管重合段间隙与扩眼后环空可能达到的间隙

第15页/共75页非常规井身结构的特点下部井身结构主要为尾管挂，如16”下挂13-3/8”尾管，11-3/4”下挂9-5/8”尾管，9-5/8”下挂7”尾管；非常规井段需要使用扩眼钻头将裸眼环空段井径扩大，由于上面重合段间隙小，其环空的套管居中将成为较大的问题；第16页/共75页对注水泥顶替的影响由于下部套管主要为尾管挂尾管的结构，使本身的固井技术难度增加；压力层系多，泥浆密度高，井壁清洁难；下部地层压力变化较大，其使用的尾管层次较多，每层尾管的长度并没有多长，限制了通过设计复杂有效的前置液或水泥浆结构来提高顶替效率的施工措施的应用；第17页/共75页非常规井身结构小间隙影响套管偏心的影响

小间隙的居中度应比一般要求严格，推荐为80~85%以上，使宽窄间隙速度比在1.3左右。间隙小，平均速度比增大第18页/共75页减少井壁泥饼是保证固井质量的基本条件

2mm滤饼，产生0.1mm的微间隙，渗透0.1~1.4µm2，引发环空窜流。环空流动壁面剪应力（WSS）技术的核心就是清除井壁虚泥饼

WSS>15Pa，保证CBL/VDL/SBT三项胶结测井结果合格WSS>30Pa，保证CBL/VDL/SBT三项胶结测井结果优质30Pa<WSS<50Pa，防窜效果好顶替不完全及钻井液干缩形成微间隙顶替差造成的水泥环二界面质量问题第19页/共75页小井眼固井难点:施工风险大小间隙井的压降较大，用常规方法计算的压降比实际偏高25~35%；小间隙井的注替排量比常规井小30~50%，而返速却又高一倍左右。小井眼施工泵压高，注水泥时易发生漏失，施工难度较大；注替过程中的堵憋漏问题。第20页/共75页小间隙井的主要特点井身结构cm井深m排量l/s压降，Mpa实际压降MPa相对误差%温度，℃计算值31.114×24.447316830235.85.55.521.59×17.782999.6242419.81623.7515.24×12.706063(尾管)12.82323.81832.2不同井身结构的井注水泥的压降比较常规方法计算结果误差较大第21页/共75页小间隙井的主要特点井号套管下深(m)钻头直径(in)套管尺寸(in)顶替排量(l/s)小间隙段长（m）顶替结束时井口压力（Mpa）理论计算压力（Mpa）YH23-1-h2658228-1/25-1/22611721616.4羊屋259988-1/272011991817.4LG2-153768-1/272022541624.9YN-245798-1/27189061314.9TC-169638-1/27-5/81816511867.0康250378-1/27-5/81820751624.1TZ-5457528-1/273320502119.2TC-171986-1/25152352047.7TZ-54600065202482526.7YN-2553965109601940.8羊屋2654865125502023.1KL-241305-7/8595911837.4常规方法计算结果误差较大第22页/共75页小间隙环空流动计算方法考虑温度影响后的计算方法平衡压力注水泥计算软件研究现状无系统计算小间隙流动计算方法，用常规方法计算误差大未考虑温度对流变性影响设计软件均为常规计算方法，误差较大第23页/共75页小井眼固井设计要点:

提高薄水泥石的强度、抗冲击韧性提高水泥体系的防窜能力提高固井顶替效率从辅助工具方面从顶替工艺方面从设计计算技术方面第24页/共75页对水泥浆体系的主要性能要求小井眼小间隙环空固井水泥浆体系应具有的主要特点：

（1）较好的韧性：水泥环有耐冲击韧性，防止碎裂；

（2）水泥石微膨胀：提高界面胶结和层间封隔能力；

（3）浆体防气窜：既增加气窜阻力，又防止失重。第25页/共75页研究了提高水泥石韧性的技术原理与方法增塑的技术原理

纤维增塑；

聚合物乳液增塑；

弹性颗粒增塑；复合（二元或多元）增塑。

第26页/共75页2）水泥石增塑性能的评价描述水泥石弹塑性参量：（a）冲击破碎能（各种增塑）（b）抗折强度（主要适宜纤维增塑）（c）抗弯曲强度（主要适宜纤维增塑）（d）弹性模量（主要适宜聚合物乳液、弹性物增塑和复合增塑，其次纤维增塑）（e）模拟射孔（各种增塑）第27页/共75页水泥浆的抗折强度和冲击破碎能力

序号配方温度℃48h抗折强度48h抗冲击韧性MPa，%J/cm2，%1原浆+3%微硅857.101.900025%胶乳+1%增塑剂858.114.12.12211.735%胶乳+2%增塑剂858.925.32.36724.545%胶乳+3%增塑剂859.128.22.42327.52）水泥石增塑性能的评价第28页/共75页水泥浆的弹性模量序号配方温度℃48h弹性模量E，GPaE，%1原浆+3%微硅656.443025%胶乳+1%增塑剂5.37216.635%胶乳+2%增塑剂4.11636.145%胶乳+3%增塑剂3.73442.05原浆+3%微硅858.304065%胶乳+1%增塑剂6.84217.675%胶乳+2%增塑剂5.92128.785%胶乳+3%增塑剂5.40734.92）水泥石增塑性能的评价第29页/共75页3＃配方（增塑）4＃配方（增塑）1＃配方（非增塑）2）水泥石增塑性能的评价第30页/共75页3）微膨胀水泥对界面胶结的影响水泥石膨胀率及其与模拟套管的胶结强度配方膨胀率，%胶结强度，MPa24h48h24h48hG级原浆-1.10-1.151.482.5G级微膨胀浆0.660.683.654.9改善水泥石的收缩特性可提高其与套管和地层的胶结特性!第31页/共75页4）水泥浆的防窜能力评价使用水泥浆失重与气窜评价仪通过试验评价

目前，该仪器在国内外均处于领先地位。

第32页/共75页小井眼固井工艺措施扩眼:扶正器使用:

窗口限制，要下入有效居中的扶正器很困难，能下入的刚性扶正器的外径也必须小于或接近窗口尺寸，即便如此，对于扩孔后的井眼套管居中度也只有20～40%，顶替效率得不到保证，解决侧钻井扩孔后井眼的套管居中是一个难题。对此，研制出了一种液压扶正器，利用液体压力使扶正系统轴向压缩，径向扩大，迫使套管居中，形成均匀的环形空间，利于清洗、顶替，合理布放，充分保证套管居中，固井后形成厚薄均匀的水泥环，避免窜槽，为提高固井质量延长侧钻井寿命提供了技术支撑。第33页/共75页主要内容小井眼固井设计与施工介绍高温高压井固井设计与施工介绍第34页/共75页高压井固井技术高压井可能遇到的地质条件更加复杂，主要表现在：异常压力地层，高、低孔隙压力和低破碎压力并存高压油气夹层和盐水侵；塑性、强水敏性泥岩和软泥岩普遍存在；受构造运动的作用，地层破碎严重，地应力不均衡；高陡构造、高地应力；第35页/共75页高压井固井技术主要技术难点:各项性能满足要求的超高密度水泥浆与前置液的室内实现。符合要求的超高密度水泥浆与前置液的现场混配与注入。固井过程中的防漏、防涌。在各种苛刻条件下的注水泥顶替效率的尽量提高。

第36页/共75页高压井固井技术技术关键：超高密度水泥浆的沉降稳定性、强度、流变性以及这三者之间的协调；超高密度前置液的沉降稳定性、流变性及这二者之间的协调。超高密度水泥浆与前置液的现场混配装置及混配工艺。循环系统循环压耗的准确计算。地层漏失压力及井涌压力的确定。合理的套管下放速度的确定。平衡压力固井流变学设计。第37页/共75页高压井固井技术超高密度水泥浆----体系设计要求

密度可调水泥浆稳定稠化时间可调水泥石具有较高的强度水泥浆具有一定的防气窜能力第38页/共75页高压井固井技术超高密度水泥浆----技术途径合理选择加重料及其粒度分布

高密度水泥浆设计中加重料的选择至关重要。要从加重效果、杂质含量对流动性的影响程度、化学杂质对外加剂的敏感性反应、细度可控范围与稳定性要求、货源及成本等方面综合考虑。同时，加重料密度高可使在加量较少的情况下就获得要求密度的水泥浆，有利于水泥浆流动性的调节，也有利于提高水泥石的早期强度。而合理的加重剂的粒度分布、粘度效应小是保证高密度水泥浆良好综合性能的前提。第39页/共75页高压井固井技术超高密度水泥浆----技术途径控制水泥浆的沉降稳定性

由于水泥浆中加入了加重料，加重料的密度和水泥的密度相差比较大，浆体容易沉降，不稳定。超高密度水泥浆在保持必要的流动性的前提下，尽量控制水泥浆的沉降稳定性，常规水泥浆稳定性允许相差0.03g/cm3，高密度水泥浆稳定性为密度差控制在0.02g/cm3以内。第40页/共75页高压井固井技术第41页/共75页高压井固井技术超高密度水泥浆----水泥浆性能第42页/共75页高压井固井技术施工工艺技术----混配设备在传统的高密度水泥浆的现场应用中，存在水泥浆混配困难，密度不均匀的问题，对于超高密度的水泥浆，该问题将更加突出，为了解决超高密度水泥浆的现场混配问题，专门设计研制了新型的喷射式配浆罐。第43页/共75页高压井固井技术施工工艺技术----混配设备第44页/共75页高压井固井技术施工工艺技术----混配设备第45页/共75页高压井固井技术施工工艺技术----其他措施配套流动性能好的超高密度隔离液。控制套管下放速度，防止井内过高的压力激动。根据井况和已有的设备、工具及技术水平，尽量采取各种提高顶替效率的技术措施。采用固井设计计算软件，进行注水泥平衡压力及流变学设计，包括浆柱结构设计、水泥浆和隔离液的性能设计、注水泥排量计划设计、井内压力平衡设计等。第46页/共75页高压井固井技术现场固井实例----霍10井139.7mm固井

第47页/共75页高压井固井技术现场固井实例----霍10井139.7mm固井

第48页/共75页高压井固井技术现场固井实例----霍10井139.7mm固井

霍10井现场注水泥施工

该井于2003年7月28日正式现场施工。施工过程中严格按设计执行：先注入密度为2.55g/cm3的隔离液6m3，注入平均密度2.60g/cm3水泥浆量37.8m3。施工排量、泵压与设计相符。计量替浆量37m3，碰压9—18MPa，放回水正常，敞压候凝。关封井器，环空加回压2MPa，压力不降，候凝6小时环空持续加回压3.5MPa。72小时测声幅：优质。第49页/共75页缅甸RM19-1-1高密度设计第50页/共75页高密度、超高密度水泥浆体系研究技术难点1）高温下水泥浆体稳定性；2）高密度水泥浆强度达到要求；3）水泥浆流变性能；技术关键

1）适当密度级配加重材料选择

2）水泥浆外加剂体系配合第51页/共75页高密度、超高密度水泥浆体系研究2.1加重材料选择:(主要考虑) 材料密度 粒度分布 对外加剂体系的影响与水泥的配比分析的加重剂天津产赤铁矿： 密度4.8-4.9新疆产赤铁矿： 密度4.7~4.8四川产精选铁矿： 密度5.0~5.05第52页/共75页高密度、超高密度水泥浆体系研究选择加重材料所作的主要工作：材料物性分析（见数据表）配浆能力分析（见数据表）选择结果:

四川精选铁矿粉： 可配至2.65超高密度 新疆赤铁矿粉： 2.4可用 天津赤铁矿粉： 对外加剂有影响，未深入试验

最终推荐使用： 四川精选铁矿粉（

重新设计了粒度级配）第53页/共75页高密度、超高密度水泥浆体系研究材料产地水泥:矿粉外加剂类型及加量(BWOC，%)密度g/cm3流动度Cm缓凝剂分散剂降失水剂稳定剂消泡剂钛铁矿四川100:1401.20.82.010.12.1721钛铁矿四川100:1401.20.82.010.12.2020赤铁矿新疆100:1401.20.82.010.12.3023赤铁矿新疆100:1501.50.82.010.12.422精选铁矿四川100:1501.50.82.010.12.421精选铁矿四川100:3001.50.82.010.12.6320配浆能力分析第54页/共75页高密度、超高密度水泥浆体系研究外掺料密度g/cm3颗粒直径（m）及粒度分布（v，%）类别代号10102020383845457575125125热稳定剂SiO2-1SiO2-1SiO2-3SiO2-42.452.452.482.4832.27.729.30.6166.619.60.12016.4240.26.17.68.00.114.228.713.12.79.5234.121.72100.973.7加重剂Fe2O3-14.987.92.03.21.23.72.0Fe2O3-24.914.214.617.14.713.815.320.3TiO2.Fe2O34.451612.418.66.318.716.611.4精选5.0粒度分析第55页/共75页高密度、超高密度水泥浆体系研究2.2外加剂体系选择：常规性能要求适用温度：80~110℃水泥浆密度：2.402.60g/cm3滤失量：

50ml/30min，自由水：

0.5%，抗压强度：

14MPa特殊性能要求稳定性能与流变性能的配合强防气窜能力选择结果：CG350S+CH350L系列第56页/共75页高密度、超高密度水泥浆体系研究2.3配方设计：常规施工性能调节：CG350S+CH350L+CF450S浆体性能调节：CD10+CD20：用于提高密度STAB-1/2：用于提高强度与水泥浆稳定性防气窜性能：GASEAL-A/B：抑制水泥浆失重，提高后期胶结强度第57页/共75页高密度、超高密度水泥浆体系研究2.3配方设计：

2.4g/cm3基本配方JH-G

+67%WATER +150%CD20+35%C80+2%CG350S+3%CH350L+4%CF450S+2%GASEAL-B APIFL:40ml/30min.7Mpa,FW:0ml Thickening:304min/112℃*60MPa C.Strength.:>16MPa 第58页/共75页高密度、超高密度水泥浆体系研究2.3配方设计：

2.63g/cm3基本配方JH-G

+90%WATER +100%CD10+200%CD20+35%C80+2%CG350S+3%CH350L+4%CF450S+2%GASEAL-B+2%STAB-2 APIFL:44ml/30min.7Mpa,FW:0ml Thickening:334min/112℃*60MPa C.Strength:>14MPa 第59页/共75页高密度、超高密度水泥浆体系研究2.4稳定性能与流变性能：序号外掺料加量BWOC外加剂体系密度g/cm3水泥浆稳定性(%)自由水体积收缩沉降实验135%SiO2-1CG350S1.95000.1235%SiO2-22.02.62.22.81.22.5317.5%SiO2-117.5%SiO2-2000.3435%SiO2-3000.1535%SiO2-41.01.41.21.60.50.8617.5%SiO2-317.5%SiO2-4000.27120%Fe2O3-1CG350S2.30000.18120%Fe2O3-202.202.52235.59160%TiO2.Fe2O3000.11050%Fe2O3-170%Fe2O3-2000.60.30.71165%Fe2O3-155%Fe2O3-2000.40.20.41280%TiO2.Fe2O360%Fe2O3-2000.40.20.4注：同一密度水泥浆，使用某一体系外加剂时，各种外掺料下，外加剂加量均相同。第60页/共75页防气窜技术气窜基本原理水泥浆失重，液柱压力下降胶凝结构增大环空液柱压力+水泥浆结构阻力<地层压力地层流体窜入形成通道，窜通第61页/共75页防气窜技术3.1气窜严重程度分析影响注水泥油气水窜因素:水泥浆体系的性能环空压力平衡情况注水泥顶替效果

采用评价方法:GFP(Halliburton)CCGM(Dowell),FFGM等预测结果:500m浅层,水泥返至地面:GFP=5~6 2500m高压,2.4密度,GFP=11~14 第62页/共