中国石油固井技术进展.ppt

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1、中国石油固井技术中国石油固井技术进展和需求分析进展和需求分析中国石油集团工程技术研究院中国石油集团工程技术研究院刘爱萍刘爱萍2007年9月4日基本观点固井研究的目标为勘探开发服务具体实施策略保护油气井产能配合完成钻井生产任务不以交井为目标开展固井技术研究固井成功的基本条件井壁稳定井径规则井底清洁合理调整钻井液性能固井参数优化弥补井眼准备不足以上5个方面的研究成果均属固井技术进展汇 报 提 纲1.固井技术进展2.固井需求分析3.固井技术展望固井质量状况n2006年钻井情况n完钻12016口n平均井深1701.34mn钻井数量和平均井深呈逐年增加趋势固井服务作业量逐年增加固井质量状况n2006年质

2、量状况合格率99.38%探井平均井深，合格率96.91%深井平均井深，合格率97.56%开发井平均井深，合格率99.58%n固井质量合格率在连续三年保持平稳增加后，2006年出现小幅下降n固井质量合格率开发井最高，深井次之，探井最低1.随井深增加，钻井复杂增加，固井难度加大，固井质量合格率降低2.探井、深井和开发井的固井质量合格率对比表明对地质情况的熟悉程度影响固井质量 钻井液滤饼的破坏机理井下环境下形成的钻井液滤饼具有层状轴对称结构基于有效应力原理和达西定律，滤饼在钻井过程中处于稳定状态(Outmans,1963)水化蒙脱石的显微结构水化蒙脱石的显微结构聚合物泥浆滤饼表面电镜照片(1000)

3、聚合物泥浆滤饼径向电镜照片(500)张达明等,1995 钻井液滤饼的破坏机理基于岩土力学实验，钻井液滤饼的力学属性近似为理想弹塑性钻井液滤饼的孔隙比与渗透系数基本呈对数线性关系 钻井液滤饼的粘聚力从32.00.13 kPa，内摩擦角则由12.221.7振动载荷作用下，滤饼内摩擦角可以降低至零剪应力与剪切位移关系曲线试验数据拟和曲线 各向同性线弹性增量模型弹性参数 循环应力应变关系钻井液滤饼的破坏机理基于渗流力学原理和有限元数值试验，钻井液滤饼在孔隙地层和裂缝性地层的应力状态不同在钻井过程中，钻井液滤饼内部的孔隙压力和井壁上的孔隙压力逐渐接近井筒内液柱压力，压差一般不超过0.7MPa孔隙压力接近

4、井筒内液柱压力的时间：孔隙地层中大于10h；裂缝性地层中不超过2h固井前的洗井循环除了清洁井眼作用外，还使得滤饼受到的有效应力逐渐减小钻井液滤饼破坏的物理模型钻井液滤饼破坏的物理模型裂缝性地层井壁上的孔隙压力变化裂缝性地层井壁上的孔隙压力变化孔隙地层滤饼内部孔隙压力分布孔隙地层滤饼内部孔隙压力分布考虑因素：地层状态：地应力状态 地层孔渗特性环空压力条件：环空液柱压力 地层孔隙压力环空几何条件：井径、井深钻井液滤饼状态：渗流特性、强度指标、弹性指标钻井液滤饼的破坏机理固井过程中，由于水泥浆与钻井液之间存在密度差，因此环空液柱压力逐渐增加，作用在滤饼上的有效应力逐渐增加对直井的数值试验结果表明：随

5、液柱压力增加，滤饼内部发生塑性破坏的区域逐渐扩大由于液柱压力增加主要依靠水泥浆，因此水泥浆是破坏滤饼的主体钻井液滤饼质量越好，渗透系数越低，越容易被破坏分散性材料和振动因素也使得钻井液滤饼容易被破坏水泥浆与钻井液相容有利于破坏钻井液滤饼滤饼破坏的机理：滤饼内部孔隙压力在渗流作用下向地层耗散使得其在固井前受到的有效应力处于较低水平；固井时由于水泥浆液柱压力和摩擦阻力的快速加载引起渗透力增加，在一定载荷水平下有效应力超过滤饼屈服极限从而发生塑性破坏顶替5min时有效应力分布顶替10min时有效应力分布顶替15min时有效应力分布水泥石失效机理国际岩土力学研究普遍接受的水泥石失效机理(美陈惠发等,2

6、004)有效应力不大于单轴抗压强度30%，弹性阶段有效应力为单轴抗压强度30%50%，内部萌生微裂缝，扩展有效应力为单轴抗压强度50%70%，微裂缝连通，失效水泥石失效机理含石英砂的水泥石(Dan T.Mueller,2003)和硅酸盐水泥(姚晓,2004)的显微结构研究证明：在水泥石凝固过程中，其内部存在固有的微裂缝纤维材料有助于阻止微裂缝萌生、扩展，因此利用纤维材料防止水泥环失效是正确的选择水泥浆中掺入纤维材料有助于阻止水泥石在井下环境下的破坏(姚晓,2004)水泥石中沿石英砂界面产生的裂缝(150倍)含35%石英砂的水泥石中的裂缝(90倍)水泥石基体中的微裂缝水泥石失效机理水泥浆中掺入纤

7、维材料也有助于改善固井质量(步玉环等,2003)有助于防止水泥浆向地层中的渗透性漏失，阻止某些形式的气窜发生(Salinas V等,2005)South Texas使用纤维水泥浆前后的固井质量对比(Salinas V等,2005)水泥外加剂技术AMPS国产化成功后，已经形成一批不同牌号的AMPS丙烯酰胺共聚物型降失水剂，可靠的使用温度120 目前的最新进展：NNDMA国产化已经获得成功，与AMPS共聚后，预计可靠的使用温度可以达到150 水泥外加剂技术最佳聚合比例：NNDMA:AMPS=1:4或4:1适宜分子量范围：1525万0.6%可将API失水量降低至50ml以下抗盐能力达到18%的最佳的

8、摩尔比为NNDMA:AMPS=1:1.5(Rao S等,United States Patent,NO.4515635,1985)AMPS分子结构式NNDMA分子结构式 抗温抗盐机理丙烯酰胺的分子链上的甲基作为支链保护，限制了丙烯酰胺分子的热运动，使得其化学键难以在热作用下断裂聚合物分子趋于体形结构，限制了线形聚合物分子在盐水中的卷曲收缩，抗盐能力得以提高 空井下套管注水泥技术技术开发必要性空气钻井大大加快了龙岗地区的钻井速度按照固井施工的一贯做法，需要将井内循环流体置换成钻井液，然后实施注水泥作业固井生产时效延长，使得空气钻井取得的快速钻井优势大大损失 空井下套管注水泥技术在集团公司和股份公

9、司的大力支持下，四川石油管理局在龙岗地区339.7mm套管固井中实践成功空井下套管注水泥技术 龙岗10井，套管下深698m，内管注水泥。固井时先注入12.09m3密度1.10g/cm3的前置液。胶结测井显示固井质量不合格，其胶结状况远比采用钻井液置换井内流体并充分循环后的固井质量差龙岗8井，套管下深1022.6m，双胶塞法施工。固井时直接注入15m3密度1.70g/cm3的领奖和115m3密度1.89g/cm3的尾浆。胶结测井显示固井质量优质，其胶结状况明显比采用钻井液置换井内流体并充分循环后的固井质量好龙岗9井，套管下深756.06m，内管注水泥。固井前将井内流体置换为密度1.05g/cm3

10、的钻井液，按常规程序固井。CBL测井显示固井质量合格，但VDL测井显示固井质量差 龙岗8井未使用前置液，效果最好；龙岗10井使用前置液，效果最差；龙岗9井采用常规方法施工，效果介于二者之间空井下套管注水泥技术技术原理与滤饼破坏机理一致除了滤饼质量因素外，有两个滤饼破坏的外部载荷条件：充分循环将初始载荷尽量消除；顶替时对其施加较高的当量液柱压力载荷龙岗10井密度1.10g/cm3的前置液在井壁形成的滤饼且未经过充分循环卸载，固井条件下无法清除滤饼，胶结测井质量不合格龙岗8井未使用前置液，井壁上无滤饼，固井质量优质龙岗9井钻井液滤饼经过了充分循环卸载，大环空固井返速低、摩阻低，破坏滤饼的加载速度低

11、，滤饼未能完全清除，胶结测井结果介于龙岗10井和龙岗8井之间 龙岗10井(左)、龙岗8井(中)和龙岗9井(右)339.7mm套管固井质量对比其他技术研究泡沫水泥固井，西安理工 复旦 长庆 新疆应用机械法预制泡沫膨胀式尾管悬挂器，钻井院 勘探院基于膨胀管技术胶凝强度与失重关系的防气窜研究，工程技术院酸性气体对水泥石的腐蚀机理研究，工程技术院振动固井技术，大港 大庆 辽河等 中石化汇 报 提 纲1.固井技术进展2.固井需求分析3.固井技术展望循环漏失和防气窜当前的固井技术难点大多与井下漏失有关防止井下漏失和固井后的长期气窜是勘探开发对固井技术的重要需求循环漏失和防气窜九龙山构造龙16井在飞仙关地层

12、出现多次漏失和气侵、井涌飞三段5255.505258.43m，漏失密度2.02g/cm3的钻井液5.6m3，漏速7.540m 3/h。采用复合堵漏泥浆配合封井器挤注堵漏成功，考虑循环阻力后，初步判断该井段最小漏失压力为2.05g/cm3在飞二段、飞一段钻遇高压气层，从5383.455619.31m多次发生井漏和气侵、井涌，漏失速度7.536m 3/h，气侵后效严重时可以涌过二层平台。至钻穿飞仙关地层时已将钻井液密度提高到2.14g/cm3继续钻进时又出现较大漏失，在处理井下复杂过程中，采用了加重的方法排除后效，至177.8mm尾管固井前钻井液密度已经达到2.18g/cm3通过对地质构造和邻井资

13、料的分析，龙16井飞仙关地层的孔隙压力1.78g/cm3左右，漏失压力为2.2g/cm3左右。由于安全密度基本消失，固井前突出的井下复杂为开泵即漏，漏失与气侵共存。这种情况迫使固井采取正注反挤的方法施工 循环漏失和防气窜从四川地区典型的胶结测井图上可以看出：通过长期努力的工作，固井过程中关于失重引起的气窜基本得到控制在龙岗2井的胶结测井图上，渗透层与隔层封隔界面清晰，表明固井时的气窜得到抑制，而高压气井固井后一段时间的长期气窜(井口带压)尚需继续攻关研究初步分析认为：这种长期的气窜的主要原因是由于渗漏引起环空充填不良，高压气体通过第二界面渗流并逐渐到达井口龙岗2井177.8mm尾管固井胶结测井

14、曲线第二界面胶结我国的油气田开发大多已进入中后期，产能建设对固井质量的需求更加迫切有效清除弱胶结地层上形成的钻井液滤饼并防止固井期间的渗漏是油田开发对固井提出的质量要求第二界面胶结调整井固井面临的技术条件：储层压力衰竭、注水引发异常高压、低压层滤饼增厚需要解决的问题：防止渗漏、清除泥饼杏十十一区漏失压力计算参数及计算结果分类层位孔隙度内摩擦角最小孔隙压力井深漏失压力梯度(%)()(MPa)(m)(kPa/m)杏十杏十一杏十杏十一表外储层萨24.1528.95.886.3490014.1514.4萨21.8926.15.886.34100015.1615.42葡20.98255.886.3412

15、0016.0116.3平均20.324.15.886.34120016.2316.51表内储层葡葡34.8429.25.886.34120014.214.53平均2623.45.886.34120016.2516.53漏失压力与钻井液密度相当第二界面胶结大庆调整井固井已经采取的措施充分循环洗井、管柱居中、活动管柱、控制返速、优化水泥浆和前置液设计延时测井问题已经确认的原因井壁残留钻井液滤饼(陶宏根,宋文明,杨智光等,2004)井下渗漏(刘爱萍，2006)海外项目也有许多类似情况Andex,North Buzachi不同时间的水泥环胶结质量延时测井结果更好的胶结质量延缓出水、延长稳产期，保护产能

16、其他需求防气窜部分多压力层系、高压气井等复杂井的短期气窜问题未能完全解决水泥石防腐酸性气体对水泥环的腐蚀研究刚刚起步汇 报 提 纲1.固井技术进展2.固井需求分析3.固井技术展望技术展望裂缝性地层固井技术微裂缝生成扩展连通是地质材料普遍的失效机理，但裂缝性地层与孔隙地层的失效过程极为不同在裂缝性地层的破坏过程中，很少有新的裂缝产生，而主要是原有裂缝的不断扩张、连通 裂缝性地层和孔隙地层的破坏形式(梁正召,2005)技术展望现有的主要堵漏技术根据微裂缝的张开宽度利用相应的颗粒材料实施封堵技术需求：材料不能固化，未消除微裂缝界面技术展望需要开展的工作准确掌握“三压力”，制定提高地层承压能力措施从钻

17、井开始为固井做好准备，特别是要通过节流管汇排除后效，而尽量少用加重钻井液的方法，为通过适当手段提高地层承压能力预留足够的空间优化固井作业参数和强化水泥浆设计，以防漏为基础达到防窜(长期气窜)目的 在现场操作上虽然存在一些具体困难，但也有一些成功的事例技术展望深井超深井固井技术深部地层裂缝性地层漏失，上部地层孔隙性漏失孔隙地层全井段多点漏失，无法确定漏点技术展望孔隙地层失效机理孔隙地层宏观上可以作为均质材料，其失效过程符合微裂缝生成扩展连通机理均质地层的失效过程首先是其内部不断萌生出微裂缝，若微裂缝在数量上达到一定程度就会开始不断扩展，当扩展的微裂缝逐渐连通后，材料发生破坏根据这一破坏过程，利用

18、超细材料侵入地层对其实施封堵可以有效阻止微裂缝的生成。这是因为超细材料充填使得微裂缝很难达到扩展所需的数量技术展望需要开展的工作根据地质情况从发现第一个漏失层就开始实施封堵作业，避免完钻时无法确定漏层的情况发生根据渗透层物性条件加强对钻井液的封堵性要求，使得其能够实现对孔隙地层的有效封堵，也减少钻井过程中的堵漏作业次数利用可固化材料消除深部地层微裂缝的界面，提高深部地层承压能力提高固井作业本身应对复杂的能力，做好应对各种可能固井复杂的预案准备工作 技术展望调整井固井技术调整井的固井技术需求主要由油气田开发要求提出的：隔绝地层；固井质量应有利于保护并充分发挥油气井产能 技术展望需要开展的工作准确掌握地层漏失压力，确保固井过程中不发生井下渗漏，这是获得良好固井质量的必要条件围绕着钻井液滤饼的破坏条件，做好技术准备和优化固井参数设计包括充分洗井循环、改善滤饼质量、提高环空返速和璧面剪应力