1、1固井新技术固井新技术(一一)2第一部分 深井超深井固井注水泥有关设计方法和应用技术第二部分 提高复杂井固井质量技术3深井超深井固井注水泥深井超深井固井注水泥有关设计方法和应用技术有关设计方法和应用技术4 原油和天然气有序原油和天然气有序地从井眼中流到地面，地从井眼中流到地面，必须建立密封必须建立密封性能性能良好良好的井眼通道。的井眼通道。建立该良好通道必建立该良好通道必须有良好的固井质量和须有良好的固井质量和防止套管外壁腐蚀。防止套管外壁腐蚀。套管套管水泥环水泥环顶替液顶替液地层地层井眼井眼密封密封良好良好井眼井眼固结固结良好良好井眼井眼密封密封良好良好5油气在油气在井下井下地层之地层之间间
2、窜流，造成部分窜流，造成部分油气资源散失，油气资源散失，导导致流到致流到地面的油气地面的油气产量减少。产量减少。油气有序油气有序流入井内流入井内油气在油气在地下散失地下散失油气正常油气正常流入井内流入井内水泥浆水泥浆与泥浆与泥浆的混浆的混浆油气有序油气有序流向地面流向地面水泥环水泥环低压低压地层地层6 现场及室内研究表明，提高油气井固井质量现场及室内研究表明，提高油气井固井质量所涉及的问题很多，如水泥浆特性、水泥浆流动所涉及的问题很多，如水泥浆特性、水泥浆流动规律、压力平衡、井身质量、套管居中及水泥浆规律、压力平衡、井身质量、套管居中及水泥浆与泥浆流变性能的合理配合等方面。与泥浆流变性能的合理
3、配合等方面。如何把这些如何把这些因素作为一项系统工程有机地结合起来，是当前因素作为一项系统工程有机地结合起来，是当前提高固井质量的主要方向。提高固井质量的主要方向。现场将这些问题归纳为现场将这些问题归纳为压稳、居中、替净压稳、居中、替净和密封和密封的八字方针。的八字方针。7具体要求解决的问题有具体要求解决的问题有4 4个方面：个方面：(1)(1)水泥浆注替和凝结过程，必须保证浆柱水泥浆注替和凝结过程，必须保证浆柱当量压力当量压力与地层压力的平衡关系，作到水泥浆不与地层压力的平衡关系，作到水泥浆不漏，油气水不因水泥浆失重而造成窜流问题；漏，油气水不因水泥浆失重而造成窜流问题；(2)(2)清除和替
4、净环空泥浆，提高水泥浆的顶清除和替净环空泥浆，提高水泥浆的顶替效率和水泥环的胶结质量；替效率和水泥环的胶结质量；(3)(3)提高水泥石的密封质量，无局部水槽、提高水泥石的密封质量，无局部水槽、横向水带和窜槽现象，满足后继工程的要求；横向水带和窜槽现象，满足后继工程的要求；(4)(4)保证油气井的正常生产寿命。保证油气井的正常生产寿命。8环空窜流预测方法环空窜流预测方法适合井况要求的水泥浆体系适合井况要求的水泥浆体系小间隙环空注水泥流动计算方法小间隙环空注水泥流动计算方法 防止套管外壁腐蚀的水泥浆体系防止套管外壁腐蚀的水泥浆体系9一、一、环空气窜预测方法环空气窜预测方法现场容易于操作的气窜预测评
5、价现场容易于操作的气窜预测评价方法。方法。10 生产实践和研究表明，高压油气井固井后环空发生油气水生产实践和研究表明，高压油气井固井后环空发生油气水窜或井口冒油冒气问题，其主要原因是水泥浆失重所致，具窜或井口冒油冒气问题，其主要原因是水泥浆失重所致，具体表现为以下体表现为以下4个方面：个方面：(1)(1)水泥浆在凝结过程中，其内部结构力不断增强，与水泥浆在凝结过程中，其内部结构力不断增强，与井壁和套管的连接力井壁和套管的连接力(胶凝强度胶凝强度)不断增加，水泥环重量逐步不断增加，水泥环重量逐步悬挂在套管和井壁上，降低了对地层的压力；悬挂在套管和井壁上，降低了对地层的压力；(2)(2)水泥浆在凝
6、结过程中，由于水化作用，水泥石基体内水泥浆在凝结过程中，由于水化作用，水泥石基体内部收缩形成微孔隙，同时外观也产生体积收缩，降低了孔隙部收缩形成微孔隙，同时外观也产生体积收缩，降低了孔隙压力和对地层的压力。一般水泥浆初凝时的收缩率为压力和对地层的压力。一般水泥浆初凝时的收缩率为0.1%0.1%0.5%0.5%，终凝却大于，终凝却大于2%2%；11 (3)在水泥浆柱中，水泥浆内自由水的分离，形成了连在水泥浆柱中，水泥浆内自由水的分离，形成了连通的轴向水槽通的轴向水槽(或水带或水带)，降低了对地层的压力。，降低了对地层的压力。这种现象在这种现象在斜井中尤为明显，即在井壁上侧形成了一条明显的水槽，这
7、斜井中尤为明显，即在井壁上侧形成了一条明显的水槽，这是油、气、水窜的主要通道；是油、气、水窜的主要通道；(4)水泥浆失水一般较大，其自由水易渗入渗透性好的地水泥浆失水一般较大，其自由水易渗入渗透性好的地层，在环形空间产生桥堵，阻碍了浆柱对桥堵以下段浆体的层，在环形空间产生桥堵，阻碍了浆柱对桥堵以下段浆体的压力传递，造成了桥堵段下面地层的油气水互窜。压力传递，造成了桥堵段下面地层的油气水互窜。12析 水 率(%)水 泥 浆 配 方(0.4 4W/C)A P I 失 水量（m l）标 准 测 量长 玻 璃 管水 泥 浆 凝 结 情 况抗 气 侵 能 力G 级 嘉 华 水 泥1 6 0 01.4 0
8、1.3 6水 泥 石 内 有 间 断，极 细 连 通的 自 由 水 通 道。极 弱G 级 1 S X Y 1.2 B7 0 01.0 01.8 0水 泥 石 内 有 极 细 的 自 由 水 上窜 通 道。较 弱G 级 1%H S-1 0.7 S X Y5 0 00.6 00.5 0水 泥 石 内 有 宽 窄 不 均、连 通的 细 水 槽，槽 宽 约 1 2 m m。中 等G 级 3 H S-1 0.7%S X Y2 5 00.1 00.1 8水 泥 石 凝 结 均 匀，无 连 通 的细 水 槽，仅 在 上 部 有 宽 约1 m m 的 间 断 横 向 水 带。G 级 4%H S-1 0.7%S
9、 X Y2 0 00.0 00.0 0水 泥 石 凝 结 均 匀,无 纵 向 和横 向 水 槽。G 级 7%H S-1 0.8%S X Y1 0 00.0 00.0 0水 泥 石 凝 结 均 匀,无 纵 向 和横 向 水 槽。较 强5 0 00.7 00.7 2水 泥 石 上 部 有 微 细 连 通 自 由水 通 道。中 等2 5 00.3 50.2 7水 泥 石 内 凝 结 基 本 均 匀，上部 有 间 断 的 微 细 水 槽。2 0 00.0 80.0 5水 泥 石 凝 结 均 匀，无 纵 向 和横 向 水 槽。G 级 JR 2 S X Y1 0 00.0 00.0 0水 泥 石 凝 结
10、均 匀，无 纵 向 和横 向 水 槽。较 强1314模拟装置水泥浆类 型速凝(缓凝)段长水泥浆柱压力(MPa)气层压力(MPa)压差比(%)气侵情况单凝(6.5)0.1170.088(0.071)3.52 气窜到顶。1双凝1.5(5)0.1170.08825.0未气侵。单凝(2)0.03337.52.05h 气窜到顶。双凝0.03337.5未气侵。双凝0.0342 5.0未气侵。2双凝0.66(1.37)0.0360.03454.16下部速凝段有气侵，未穿透。单凝(2)0.0360.0315(0.0295)12.52.8h 气窜到顶。3双凝0.66(1.37)0.0315未气侵。备注括弧中的数
11、值为开始气侵时浆柱的压力。12.5 压差比用压差比用(Pc-Pf)/Pc表示，表示，Pc，Pf分别为水泥浆柱原始压力分别为水泥浆柱原始压力和气层压力。和气层压力。15从表可知：从表可知：(a)双凝水泥浆的防气窜效果明显优于单凝水泥浆。在双凝水泥浆的防气窜效果明显优于单凝水泥浆。在相同条件下，单凝水泥浆发生了气窜，而双凝水泥浆却相同条件下，单凝水泥浆发生了气窜，而双凝水泥浆却阻止了气体进入井筒。阻止了气体进入井筒。(b)随着气层压力的增加和压差比减少，双凝水泥浆防随着气层压力的增加和压差比减少，双凝水泥浆防止气窜的效果，同样有一定的限制。从序号止气窜的效果，同样有一定的限制。从序号2的实验可以的
12、实验可以看出，当压差减少了看出，当压差减少了2.5%后，防气窜仍然有效，当压差后，防气窜仍然有效，当压差比进一步减小到比进一步减小到4.16%时，气体同样侵入速凝水泥段，气时，气体同样侵入速凝水泥段，气体虽未穿过该井段，却在下部形成明显的气斑。体虽未穿过该井段，却在下部形成明显的气斑。16(c)水泥浆的缓凝段与速凝段长度比，一般选用水泥浆的缓凝段与速凝段长度比，一般选用2 1的的关系，可得到较好的防气窜效果。关系，可得到较好的防气窜效果。因此，应用双凝水泥浆不仅要考虑两种水泥浆的封隔因此，应用双凝水泥浆不仅要考虑两种水泥浆的封隔长度、初凝时间的差值，还要考虑水泥浆失重、浆柱压长度、初凝时间的差
13、值，还要考虑水泥浆失重、浆柱压力、气层压力以及气侵压力的平衡关系。力、气层压力以及气侵压力的平衡关系。17(3)(3)环空憋回压环空憋回压憋憋回回压压效效果果比比较较序号总液柱压力(MPa)充气压力(MPa）压差比(%)憋回压值(MPa)失水处理情况气侵情况10.1180.0885250.00未放失水气窜到顶20.1200.0900250.02未放失水未侵30.1170.0880250.00放失水气窜到顶40.1180.0885250.02放失水未侵憋憋回回压压的的合合理理时时间间井底压力(MPa)序号憋压开始时间憋压值(MPa)憋压前憋压后增加值传压率(%)5020(初注入)0.01800.
14、1130.1300.017946522(初凝)0.05550.0640.0780.0132318由以上试验结果可见：由以上试验结果可见：(a)两种处理失水方法的试验都说明，井口憋回压对两种处理失水方法的试验都说明，井口憋回压对防止气侵有一定效果，在放失水情况下要憋较大的回压防止气侵有一定效果，在放失水情况下要憋较大的回压才能防止气侵。才能防止气侵。(b)传压率随水泥凝结而不断下降。因此，在地层许可传压率随水泥凝结而不断下降。因此，在地层许可条件下，憋压越早，效果越好。一般可选择水泥浆候凝条件下，憋压越早，效果越好。一般可选择水泥浆候凝60 min前进行憋压。前进行憋压。19 A A值越小，过渡
15、时间越短，防窜效果越好；值越小，过渡时间越短，防窜效果越好；评价标准：评价标准：0 00.1100.110防窜效果极好防窜效果极好0.1100.1100.1250.125防窜效果中等防窜效果中等0.1250.1250.150.15防窜效果较差防窜效果较差 较好的反映了水泥浆的实际抗气窜能力。较好的反映了水泥浆的实际抗气窜能力。)tt0.182(A30BC100BC20 防窜对水泥浆性能的要求防窜对水泥浆性能的要求 高防窜要求A0.110，中等防窜要求A=0.1100.125；自由水量 0.50%；APIAPI失水失水 100 ml2.60g/cm3。混配、泵注困难。上述条件的限制，使得很多提高
16、顶替效率的措施（活动 管柱、紊流顶替、增加浆体密度差等）均无法采取。因此，这两次固井都是难度非常大的小间隙、超高密度、窄压力安全窗口的固井施工。131安四井固井采取的主要技术措施：采用高品位铁矿粉及优化设计粒度分布设计超高密度水泥浆；使用具有二次混配能力和专利的循环喷射搅拌式批混合器；专门研制粘滞型高密度隔离液；综合各种钻井施工数据信息准确估计地层漏失压力当量密度；132 严格按照波动压力预测控制下套管速度，防止压力激动井漏；根据水泥浆高温高压流变性和防窜特性进行平衡注水泥设计；地面与井下模拟试验检验各项设计可靠性；根据完全塞流注替要求调整全部入井流体性能并进行作业。133177.8 mm 技
17、术套管固井：一级领浆配方H+70%325目铁矿粉+2%WG +1.5%ST200S+0.26%ST200R+0.7%SXY2+0.1%HS2A+0.1%消泡剂+42%水水泥浆性能 密 度：2.40 g/cm3 造浆率：90%水 灰 比：43%液固比：24.6%自 由 水：0.5%API失水：25ml 稠化时间：442min/6570MPa 抗压强度：20MPa/600.1MPa24h134一级尾浆配方一级尾浆配方H+70%325H+70%325目铁矿粉目铁矿粉 +2%WG+12.5%D600+0.9%D135+2%WG+12.5%D600+0.9%D135+3.2%D604+0.1%D144+
18、24.6%+3.2%D604+0.1%D144+24.6%水水水泥浆性能水泥浆性能密密 度：度：2.40 g/cm2.40 g/cm3 3 造浆率：造浆率：90%90%水水 灰灰 比：比：43%43%液固比：液固比：25%25%自自 由由 水：水：0.5%API0.5%API失水：失水：10 ml10 ml稠化时间：稠化时间：280min/65280min/6570MPa70MPa抗压强度：抗压强度：25MPa/6025MPa/600.1MPa0.1MPa24h24h135二级浆配方二级浆配方H+70%325H+70%325目铁矿粉目铁矿粉 +40%200+40%200目铁矿粉目铁矿粉+2%W
19、G+10%D600+2%WG+10%D600+0.8%D135+3.2%D604+0.1%D144+34%+0.8%D135+3.2%D604+0.1%D144+34%水水+15%200+15%200目铁矿粉目铁矿粉水泥浆性能水泥浆性能密密 度：度：2.56g/cm2.56g/cm3 3 造浆率：造浆率：104%104%水水 灰灰 比：比：48%48%液固比：液固比：22%22%自自 由由 水：水：0.5%API0.5%API失水：失水：20ml20ml稠化时间：稠化时间：208min/65208min/6570MPa70MPa抗压强度：抗压强度：25MPa/6025MPa/600.1MPa0
20、.1MPa24h24h136177.8 mm技术套管固井施工结果l 水泥塞面2807.74ml 水泥返高2160ml CBL测井优良l 环空压力,关井72小时无显示137127 mm油层套管固井127mm 套管固井设计顶替排量计划序号注入液类型注入量(m3)排 量(m3/min)注入时间(min)累计时间(min)设计返深(m)1隔离液50.1505014522水泥浆100.110015022003顶替泥浆31.390.1313.9463.9138127mm 套管固井施工主要参数记录注入液类型密 度(g/cm3)注入量(m3)排 量(m3/min)用 时(min)隔离液2.5550.225第一
21、次2.4550.1水泥浆第二次2.465.10.1160(含配浆时间)顶替泥浆2.5533.90.1350(含倒车时间)139 趋势吻合 平均误差6.31%024681001020304050注入量，m 3泵压，M P a实际泵压设计泵压1401、研究如何准确掌握井下温度l注水泥作业设计基础科学依据 外加剂、作业时间、材料成本l不明原因作业失败潜在影响 井漏、低返、憋泵、井口与层间窜流l井底静止与循环温度的准确测量 工程随钻测量、开发数据统计、测温工具与工艺l变温工程流体、地层岩石热物理特性参数测定 模型精度基础l计算机资料整合与温度模拟器开发 设计手段 141l高温高压变温升梯度下入井流体流
22、变特性测定l流变模式本构方程与计算模式选定l含温流变模型的建立、求解及拟合l变井径、分温度梯度井段校正l管内、环空、小间隙摩阻与排量标定l工程当量循环密度科学计算的仿真设计建立142l 利用三条压力预测线利用三条压力预测线l 利用随钻工作液参数记录和泵压记录利用随钻工作液参数记录和泵压记录l 利用漏失实验数据利用漏失实验数据l 利用憋泵压力和循环启动泵压数据利用憋泵压力和循环启动泵压数据 l 仿真模拟仿真模拟143l体系组分评价与合理选定 外加剂、外掺料、基本水泥、纯度、细度、级配l体系工程特性与后续作业工况要求协调 低与超低、高与超高、淡水与盐水、岩层蠕变、高温稳定、酸溶与抗酸溶、增塑性、抗
23、腐蚀l体系组分设计与配方设计l配套前置液体系设计l特种处理剂l提高地层承压能力特种流体144l水泥浆与水泥石防窜能力评价技术l防止固井后环空窜流的量化设计方法l流变性匹配与顶替流态、环空浆柱结构确定l冷浆入井对高温井管柱设计与尾管作业安全l水泥浆对产层伤害的评价与保护措施l套管、水泥环、地层三重耦合变形对水泥工程性能设计要求l小间隙延迟注水泥与液体水泥体系应用145l腐蚀源评价分析与类型确定l腐蚀介质对管材腐蚀速度影响及寿命预测l腐蚀介质对水泥石长期稳定性的影响l防腐技术对策与时效性评价l水泥环力学性能与测井声波响应关系l特殊轨迹井套管柱下入摩阻预测l各层套管外水泥返高与变形分析146l水泥循环温度预测模拟器l注水泥数据采集与实时监测指挥系统l特殊轨迹井下套管摩阻预测分析系统147谢谢大家！
