提高长封固井段固井质量措施初探.doc

提高长封固井段固井质量措施初探第一章绪论固井是油、气井建井过程中的一个重要环节。固井工程包括下套管和注水泥两个生产过程。下套管就是在已经钻成的井眼中按规定深度下入一定直径、由某种或几种不同钢级及壁厚的套管组成的套管柱。注水泥就是在地面上将水泥浆通过套管栓注入到井眼与套管柱之间的环形空间中的过程。水泥将套管柱与井壁岩石牢固地固结在一起，可以将油、气、水层及复杂层位封固起来以利于进一步地钻进或开采。固井的科技定义是，井壁筒沉到井底找正操平后，通过管路向井壁筒外侧与井帮之间的环形空间注入相对密度大于泥浆的胶凝状浆液，将泥浆自下而上地置换出来并固结井壁筒的作业。固井的目的是将套管固定在井内，把水和其他流体从井内替出。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）。最上面的固井是表层套管固井，它起的是“泥浆通路，油气门户”的作用。在下一次开钻之前，表层套管上要装防喷器预防井喷。防喷器之上要装泥浆导管，是钻井液返回泥浆池的通路。钻井过程中往往要下技术套管固井，它起的是“巩固后方，安全探路”的作用。固井主要包括三步：（1）下套管：套管有不同的尺寸和钢级。表层固井通常使用20133/8英寸的套管，多数是采用钢级低的“J”级套管。技术套管通常使用133/87英寸的套管，采用的钢级较高。油层套管固井通常使用75英寸的套管，钢级强度与技术套管相同。根据用途、地层预测压力和套管下入深度设计套管的强度，确定套管的使用壁厚，钢级和丝扣类型。套管与钻杆不同，是一次性下入的管材，没有加厚部分，长度没有严格规定。为保证固井质量和顺利地下入套管，要做套管柱的结构设计。（2）注水泥注水泥是套管下入井后的关键工序，其作用是将套管和井壁的环形空间封固起来，以封隔油气水层，使套管成为油气通向井中的通道。套管下完后，立即接通循环管线和注水泥管线，做好注水泥前的准备工作。首先要开泵循环钻井液，因套管与井壁的间隙较小，利用高的上返速度冲击井壁上的泥饼，同时调整钻井液的性能，直到循环泵压稳定为止。在这期间，固井泵的启动，供灰、供水、混浆、吸浆等工作都应准备就绪。在水泥浆注入套管之前，要泵入一定量的前置液，用来隔离钻井液和水泥浆，以避免混浆。而且隔离液返出套管后，也起到清洗环形空间的作用。水泥浆的顶替速度要根据井下的情况而定。如无特殊情况应采用高速紊流顶替。但在地层破裂压力低的情况下，只能采用低速顶替。（3）井口安装和套管试压下套管注水泥之后，在水泥凝固期间就要安装井口。表层套管的顶端要安套管头的壳体。各层套管的顶端都挂在套管头内，套管头主要用来支撑技术套管和油层套管的重量，这对固井水泥未返至地面尤为重要。套管头还用来密封套管间的环形空间，防止压力互窜。套管头还是防喷器、油管头的过渡连接。陆地上使用的套管头上还有两个侧口，可以进行补挤水泥、监控井况。注平衡液等作业。套管试压是检查固井质量的重要组成部分。安装好套管头和接好防喷器及防喷管线后，要做套管头密封的耐压力检查，和与防喷器联接的密封试压。探套管内水泥塞后要做套管柱的压力检验，钻穿套管鞋23米后（技术套管）要做地层压裂试验。生产井要做水泥环的质量检验，用声波探测水泥环与套管和井壁的胶结情况。固井质量的全部指标合格后，才能进入到下一个作业程序。随着油田勘探开发一体化钻井逐步向深层迈进，一些特殊要求的开发井正逐年增多，一次性封固8001500m的长封固段固井正在成为目前多数油田勘探开发的热点技术。突出的技术难点主要表现为“地层承压能力低、封固段长、注入量大、作业时间长、施工压力高”。因此，提高固井质量是长封固井段固井的重点也是难点。本课题将对如何提高长封固井段固井质量的措施进行初步的讨论。第二章影响长封固井段固井质量的因素及难点分析有人认为，影响固井质量的因素有井身质量、井身结构、钻井液性能、水泥浆体系、固井现场施工等。根据固井作业的施工顺序，也可以把影响固井质量的因素分为两类。一类是影响顶替效率的因素，另一类是影响候凝效果的因素。有些因素是通过其他因素间接影响固井质量的。因此，弄清哪些是直接因素，哪些是间接因素是非常重要，可以有效的提高固井质量，下面讨论一下影响长封固井段固井质量的一些因素。3.1地层特性地层特性是影响水泥环第二界面胶结质量的一个重要因素，特别是在比较活跃的水层、油层井段，水泥浆凝固过程中地层流体对其进行侵污，从而影响了水泥石与地层的胶结强度。另外，对于高渗透率油气水层，水泥浆在稠化过程中容易失去自由水，造成水泥浆粉化，体积减小并形成微间隙，从而影响固井质量。3.2水泥浆性能水泥浆性能对固井质量起着关键性的作用，包括水泥浆失水量、水泥浆密度和水泥浆流变性。水泥浆的失水量过大，会造成水泥凝固时自由水渗入地层，使水泥浆体积减小，从而影响固井质量。特别在中、高渗地层这种影响会更加明显。另外，水泥浆失水量大，在施工过程中不但会造成严重的施工蹩泵事故，而且在水泥浆经过油气层时，水泥浆滤液与水泥颗粒大量进入油气层，堵塞油气通道而污染油层。水泥浆密度直接反映了水灰比的大小，水泥石在固化过程中，只需25%的水即可，而水灰比25%的水泥浆密度达到2.3g/cm3以上，固井无法泵入。为了满足固井要求，只能增大水灰比，但如果水泥浆密度过小，势必增大水分流失，从而影响固井质量。水泥浆的流变性直接影响着顶替效率。实践证明，动切力大的流体对动切力小的流体具有较好的顶替效率；流动性差会增大泵入难度，增加施工危险性，而水泥浆流动性太好，容易使水泥分层沉淀，影响封固质量。3.3水泥石的体积收缩在水泥水化过程中，水泥熟料在与水发生化学反应后的产物其体积比水化前的总体积减小，纯水泥水化的体积收缩率可高达5%。如果不有效控制固井水泥浆的体积收缩，将不可避免地导致水泥石与套管、水泥石与井壁两个界面的胶结强度降低，影响固井质量。3.4钻井液性能长期以来钻井液性能对固井质量的影响没有得到足够的重视，这对钻井来说有其特定原因。钻进过程中对钻井液性能的要求，与提高固井质量的钻井液性能要求两者间存在一定的矛盾性。在钻进过程中，为保持井控、钻速、防漏防卡、安全起下钻等，要求钻井液密度适当过平衡、低失水、强抑制能力，具有较高粘度和切力，具有高悬浮和高携屑能力以及具有优质泥饼、优良流变性和粗分散（絮凝）特性。而在固井时，为提高井眼净化程度及有效提高顶替效率和二界面胶结质量，却必须对钻井液的性能提出调整要求。希望钻井液性能密度适当过平衡、低失水、强抑制能力，但具有较低粘度、切力、高悬浮、高携屑能力及优质泥饼、优良流变性和细分散（反絮凝）特性。因此钻进过程中钻井液高粘切及粗分散特性，与固井过程钻井液性能低粘切及细分散特性，使得钻井液性能调整具有一定的难度及风险性，导致固井过程中的井眼清洁程度和井壁状态不良，井壁上遗留大量附着胶凝物（俗称死泥浆），因此，顶替效率及二界面胶结质量也无法得到保证。泥饼性能关系到井壁稳定而且也严重影响到固井二界面的胶结质量，聚合物钻井液泥饼质量差是致命弱点，特别是在强水敏和高渗透地层未注意泥饼造壁保护作用，而且在进行体系转换过程中未能及时形成优质泥饼，井下就会出现因井壁不稳定被迫提高体系黏度切力保证电测、下套管安全，以及电测、下套管后不敢降低钻井液粘度、切力、触变性的情况。此外，大多油田不重视使用泥饼刷清除渗透性产层处的井壁附着泥饼，劣质泥饼混入水泥浆将影响水泥胶结和声幅测井的质量，在固井后胶结质量不良，会导致投产后层间分隔失效影响强化改造工程工艺效果。因此，应重视钻井液应用技术与井壁稳定、泥饼清除要求的技术衔接，固井前最好是在完钻前，就应根据岩性及时转换钻井液体系，形成优质泥饼护壁，并为调整钻井液性能满足提高固井质量工艺措施的实施创造条件。3.5长封固井段固井难点分析长封固井段古井相比普通固井，有以下技术难点：（1）封固段长，要同时穿越不同压力层系的地层。常规水泥固井最长达300500m，而特殊长封固段井固井段长达到8001500m，高压与低压并存，地层复杂。（2）封固段长，如何防止水泥浆失重对固井质量的影响。根据水泥浆失重机理研究的结果表明：水泥浆顶替后静置候凝，在很短的时间内，水泥浆柱的压力差(即底部压力-顶部压力)就降到零。甚至使水泥浆柱底部的压力比顶部的压力还低。如图2.1所示。水泥浆柱越长，失重效应越严重。一旦水泥浆柱的静液压力低于地层流体压力，水泥浆的胶凝强度尚未达到某一定值（500psi100ft2）时，地层流体就有可能侵入井眼或者水泥浆柱内，影响最终的固井质量。图2.1水泥浆失重曲线（3）水泥量大，品种多。考虑到常规水泥固井不能满足施工的要求，一口井就需要二、三种水泥同时使用，如不同密度的低密度水泥、纯水泥等。一次性固井施工水泥量是常规注水泥的35倍。（4）施工时间长，施工压力高。（5）一次性封固8001500m，作业时间长，对水泥浆性能要求比较高。要求低密度水泥浆，但同时必须满足油气和水层等的封固要求及力学性能要求；水泥浆密度设计，既不能压漏地层，又必须压稳地层；上下温度差大，上部水泥强度发展慢，无法满足要求。（6）U形管效应明显。第三章提高长封固井段固井质量的措施3.1提高固井质量的措施3.1.1施工压力校核（1）井漏校核固井环空当量密度过大会导致地层破裂，环空失返，严重影响固井质量，损害油层，还可能引起环空堵塞等复杂事故。固井环空压力计算：（3-1）式中：P环-固井环空压力，MPa；P液-环空液柱压力，MPa；P压耗-环空循环压耗，MPa。通过计算，水泥返至地面时，当全井环空当量密度低于地层破裂压力梯度，施工应不会发生井漏。（2）压稳校核水泥浆凝固过程中结构力不断增强，部分重量悬挂于套管及井壁上，产生失重现象，水泥浆失重后，其当量密度降低，因此可能导致环空压力小于地层孔隙压力而发生溢流或井喷。安全条件是：（3-2）式中：P孔隙-地层空隙压力，MPa；P自-环空自由端钻井液液柱压力，MPa；P失-水泥浆失重后压力，MPa。3.1.2施工压力预测为了保证固井施工安全，应用固井施工压力软件对液柱压力、流体摩阻（考虑“U”型管效应）进行预测控制，从而保证了固井施工安全。3.1.3选择合适的水泥体系针对特定的地层及施工情况，选用优化低密度防气窜水泥浆；保证隔离液密度与泥浆密度接近，水泥浆密度比隔离液略高，以减小U形管效应；一步完成水泥封固，水泥顶部在前层套管内；另外要进行泥浆清除。3.1.4配套固井技术1、固井前的准备（1）下套管通井前，井队应按固井的动态压力当量密度对地层进行承压试验；（2）采用钻井时钻具组合进行通井，下钻遇阻卡后进行短起下划眼，确保井眼畅通无阻卡，并记录好遇阻卡井深，为下套管作业提出警示；（3）下至井底后，小排量开泵，同时转动钻具，破坏泥浆静切力，防止井漏。正常后逐步增加至钻井排量循环通井2周，直到泥浆振动筛无砂子，保证井下干净。控制起下钻速度，防止压力波动引起井眼坍塌。2、固井前泥浆性能泥浆性能的好坏直接影响到固井质量。如果泥浆粘度很大，很难顶替干净，将会造成窜槽，影响水泥胶结强度。失水量大，会形成厚而松散的泥饼，在水泥浆候凝过程中水泥水化反应将从与其接触的泥饼中吸收水份，使原来为水饱和的泥饼收缩，干裂直至脱落。这是造成固井质量不好的一个原因。（1）针对地层的易漏问题，可以随钻在钻井液中加入堵漏剂，循环时使堵漏材料和较小的钻屑以及钻井液的固相颗粒在液柱压差作用下挤入岩石孔隙中，在井壁周围形成屏蔽层，从而提高地层承压压力。下套管通井前，应对地层进行承压试验；（2）固井前泥浆性能。如果泥浆粘度很大，很难顶替干净，将会造成窜槽，影响水泥胶结强度。失水量太大，会形成厚而松散的泥饼，在水泥浆侯凝过程中水泥水化反应将从与其接触的泥饼中吸收水份，使原来为水饱和的泥饼收缩，干裂直至脱落。这也是造成固井质量不好的一个原因。3.1.5科学施工（1）在注水泥前，先注入一定量的清水，在环空形成足够长度的低粘切冲洗液柱，其目的：一是清水粘切小，流动性好，易达到紊流，从而提高顶替效率；二是稀释部分钻井液，冲洗疏松泥饼，利于顶替。（2）封固段长，灰量大，在注水泥结束后，采用重泥浆顶替，降低施工压力，保证施工安全。（3）采用双泵替浆，排量不大于钻进排量，使水泥浆在紊流状态下顶替；当压力升高时，可采用单泵替浆，控制好排量，使水泥浆在塞流状态下顶替，最后采用清水碰压，以提高水泥浆顶替效率。3.1.6选用适当的压胶塞液固井施工时，因套管壁残留的少量水泥浆对钻井液产生污染，致使钻井液性能变坏，粘度、切力升高，造成测声幅软遇阻。为此，应使用已经研制出的新型压胶塞液。该压胶塞液与常规压胶塞液相比，具有三大优点：在固井中具有抗水泥污染能力，具有一定的粘度、切力和高温稳定性，流变性能增强，能够保证压胶塞液在清洗套管后性能稳定，清洗出悬浮的残留水泥浆，避免其沉淀；在固井候凝过程中避免高温降粘或高温增稠的发生，减少声幅测井中软遇阻；与现场所用钻井液具有良好的配伍性，可适应多种钻井液体系，防止测声幅时在此界面发生遇阻。3.1.7双级注水泥技术双级注水泥多用于长封易漏井固井和长封固段高压油气井固井，防止井漏或油气窜槽，提高固井质量。分级箍由分级箍外套、内衬套、关闭套等基本部分组成。外套上有注水泥孔，其原始状态为内衬套封闭注水泥孔。当第一级注完水泥碰压后，放入打开塞，当打开塞下行至内衬套位置时，井口憋压，使内衬套向下移动，打开循环孔，为第二级固井提供循环通道。第四章结论本文第一章阐述了什么是固井，固井的步骤；第二章详细介绍了影响古井质量的因素，包括地层特性、水泥浆性能、水泥石的体积收缩、钻井液性能以及另外的一些主观因素和客观因素，另外，对长封固井段固井难点进行了分析。第三章通过分析长封固井段固井中存在的难点，重点阐述了如何提高长封固井段固井质量的一些技术以及在施工中应当注意的事项。通过上述分析介绍，我们可以知道长封固井段固井确实存在一些技术和设备材料上的难题，但是，通过适当的施工手段和选用合理的固井材料相配合还是是可以提高固井质量的。当然，要想进一步提高长封固井段固井质量还大量的努力研究。致谢本人的学位论文是在我的导师杨老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，杨老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向杨老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此，我还要感谢在一起愉快的度过学习生活的每个可爱的同学们和尊敬的老师们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！谢谢你们！参考文献1陈庭根，管志川钻井工程理论与技术中国石油大学出版社20062杨振杰，李家芬，苏长明钻井工程固井胶结界面研究现状J石油钻探技术，20053陈英舒，秋贵低温微细低密度水泥的实验研究J天然气工业20054张武辇，张明江大位移井套管固井技术石油钻采工艺19975刘德平防止油层套管环空窜气的固井技术石油钻采工艺19956赵艳，周仕明新型防窜水泥浆体系的研究与应用J钻井液与完井液2001第 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