石油鉆探深井固井技術(shù)課件

石油鉆探深井固井技術(shù)石油鉆探深井固井技術(shù)1深井固井特點高溫度高壓力具有多產(chǎn)層長裸眼小間隙深井固井特點高溫度2國內(nèi)深井井固井技術(shù)簡介（一）套管柱強度設(shè)計在引進先進的設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)表層套管、技術(shù)套管和油層套管承受不同外載進行套管柱強度設(shè)計。套管強度設(shè)計采用應力計算及內(nèi)壓載荷為主載荷的設(shè)計方法。在設(shè)計中考慮了熱應力和腐蝕、套管彎曲等因素。國內(nèi)深井井固井技術(shù)簡介（一）套管柱強度設(shè)計3國內(nèi)深井井固井技術(shù)簡介（二）水泥漿設(shè)計設(shè)計時使用的基本試驗參數(shù)，已由過去的靜態(tài)轉(zhuǎn)為API標準的動態(tài)參數(shù)，即初凝、終凝時間改為水泥稠化時間、抗壓強度和水泥漿的流變性等參數(shù)。運用流變學進行注水泥設(shè)計，一改過去的注純水泥，而轉(zhuǎn)變?yōu)橥茝V使用外加劑調(diào)整設(shè)計水泥漿的性能。國內(nèi)深井井固井技術(shù)簡介（二）水泥漿設(shè)計4

（二）水泥漿設(shè)計推廣了使用沖洗液、隔離液和前置液。依據(jù)固井壓力平衡技術(shù)的原則，即在固井過程中水泥漿的靜液柱壓力大于地層孔隙壓力，水泥漿的動液柱壓力要小于地層破裂壓力，設(shè)計水泥漿密度，控制水泥漿失水,以減少固井對油層的損害。（二）水泥漿設(shè)計5國內(nèi)深井井固井技術(shù)簡介（三）固井工藝1、高壓油氣藏固井技術(shù)高壓油氣井的特點是地層壓力高，固井時容易發(fā)生油氣竄槽。為此加強了對氣竄“失重”機理研究，研究掌握了管外封隔器固井技術(shù)、加防氣竄劑、氣阻劑、降失水劑；加重水泥漿注水泥；井口環(huán)空加壓以及使用多密封特殊套管螺紋等一整套系列的深井固井技術(shù)。國內(nèi)深井井固井技術(shù)簡介（三）固井工藝6（三）固井工藝2、深部油氣藏固井技術(shù)深部油氣藏的特點是高溫高壓，長井段以及套管載荷大等。針對這些特點，掌握了耐高溫水泥及其外加劑處理，分級注水泥尾管（包括套管回接技術(shù)）等。國內(nèi)約40—50%的深井推廣采用了尾管固井、分級注水泥發(fā)法。國產(chǎn)尾管掛和分級注水泥器以形成系列。（三）固井工藝2、深部油氣藏固井技術(shù)7（三）固井工藝3、低壓容易漏失油氣藏井的固井技術(shù)其特點是地層壓力系數(shù)低，封固段長，容易漏失。針對這些特點掌握了堵漏技術(shù)，底密度水泥，微珠水泥，超低密度水泥及泡沫水泥固井技術(shù)。（三）固井工藝3、低壓容易漏失油氣藏井的固井技術(shù)8（三）固井工藝4、含鹽巖層油氣藏固井技術(shù)含鹽巖層的特點是容易發(fā)生塑性流動，鹽巖層溶解。在固井技術(shù)上掌握了按含鹽巖層特點的高強度套管柱，以及采用飽和鹽水鉆井液固井（包括高密度鹽水水泥）等技術(shù)。（三）固井工藝4、含鹽巖層油氣藏固井技術(shù)9（三）固井工藝5、碳酸鹽巖裂縫性油氣藏固井技術(shù)裂縫性地層壓力系數(shù)差異大，易漏、易噴，封固井段較長。針對這些特點掌握了降失水劑、膨脹水泥、防氣竄水泥、尾管工藝及分級注水泥等固井工藝技術(shù)。（三）固井工藝5、碳酸鹽巖裂縫性油氣藏固井技術(shù)10（四）油井水泥

我國已建立了自己的油井水泥系列。1990年前深井注水泥主要用95度和120度的油井水泥。1991年開始全面推廣國產(chǎn)API系列油井水泥。還研制了低密度水泥、沖氣水泥、不滲透水泥。（四）油井水泥我國已建立了自己的油井水泥系列。19911（五）水泥外加劑

用于深井的主要外加劑有加重劑、降失水劑、降阻劑、防氣竄劑。（五）水泥外加劑用于深井的主要外加劑有加重劑、降失水劑12（六）基礎(chǔ)理論西南石油學院經(jīng)過幾年的研究得出：（1）保證井身質(zhì)量，使套管居中，是提高注水泥漿頂替效率的主要原因。（2）為了提高斜井眼的水泥漿頂替效率，必須控制套管的偏心度，在封固段，安裝套管扶正器。（六）基礎(chǔ)理論西南石油學院經(jīng)過幾年的研究得出：13（六）基礎(chǔ)理論（3）水泥漿及鉆井液的流變性能對水泥漿的頂替效率有明顯的影響；而鉆井液的觸變性對頂替效率有明顯的作用。（4）采用塞流態(tài)及紊流態(tài)注水泥，其頂替效率是很好的；但是塞流無法消除偏心套管內(nèi)水泥漿在各間隙處的返高差異。（六）基礎(chǔ)理論（3）水泥漿及鉆井液的流變性能對水泥漿的頂替效14（六）基礎(chǔ)理論（5）提高水泥漿與鉆井液的密度差，對提高水泥漿的頂替效率有一定的作用；（6）提高返回速度，增大水泥漿的流型指數(shù)和降低粘度的紊流固井，不僅提高同心環(huán)形空間的頂替效率，而且還能夠減少水泥漿的返高差異。（7）增加紊流接觸時間3~9分鐘，對提高窄間隙水泥漿的頂替效率有明顯的作用，如能提高紊流程度，這種作用尤其明顯。上述的研究成果已廣泛應用于現(xiàn)場的生產(chǎn)實踐中。（六）基礎(chǔ)理論（5）提高水泥漿與鉆井液的密度差，對提高水泥漿15（1）井底溫度和壓力高，水泥柱上下溫差大；（2）井眼壓差大易于發(fā)生氣竄；（3）鉆井液密度高、固相含量高；（4）環(huán)空體積小，泵速低，替換困難。深井注水泥的主要困難因素（1）井底溫度和壓力高，水泥柱上下溫差大；深井注水泥的主要困16（一）提高深井注水泥質(zhì)量的方法1合理的水泥漿設(shè)計2工藝技術(shù)措施（一）提高深井注水泥質(zhì)量的方法1合理的水泥漿設(shè)計171、合理的水泥漿設(shè)計水泥漿設(shè)計包括：（1）合理的水泥漿配方（2）水泥漿性能（3）水泥漿量1、合理的水泥漿設(shè)計水泥漿設(shè)計包括：18（1）水泥降配方深井的水泥降配方一般是由API水泥+合理濃度的緩凝劑+外加劑（防止強度的衰退：二氧化硅石英砂）+加重劑材料。對于深井低壓地層可以考慮用泡沫水泥固井。（1）水泥降配方深井的水泥降配方一般是由API水泥+合理濃度19

加入緩凝劑的量要使水泥降有足夠的時間進行混合，泵送和頂替，另外加1小時的安全于量。深井的長尾管的頂部和底部的溫差大，當水泥降注到尾管底部較熱的部分和頂部較冷的部分時必須維持水泥漿的可泵性。但是過度緩凝會導致地面大量的設(shè)備等候侯凝，也不利于防止氣串。加入緩凝劑的量要使水泥降有足夠的時間進行混合，泵送和20

如果井底的溫度高于110度，水泥中應加防止強度衰減的外加劑。在等于或大于110度時，水泥初凝時具有正常的抗壓強度，但是一定時間后發(fā)生化學變化，失去全部強度。如果井底的溫度高于110度，水泥中應加防止強度衰減的外21（2）水泥漿性能深井水泥漿性能設(shè)計的基本原則是：（1）合理的頂替時間。既要使水泥漿緩慢以保證足夠的頂替時間使最后的水泥漿達到尾管的底部，也要保證溫度較低的尾管頂部的水泥漿能在合理的時間內(nèi)形成抗壓強度；（2）應該是在井底循環(huán)溫度試驗下的水泥漿稠化時間；（2）水泥漿性能深井水泥漿性能設(shè)計的基本原則是：22（2）水泥漿性能（3）應該是在井底靜止溫度下的養(yǎng)護的樣品抗壓強度。但是對于尾管，應該根據(jù)尾管頂部的靜止溫度和壓力試驗水泥漿的抗壓強度；（4）控制水泥漿失水，防止出現(xiàn)環(huán)空橋塞和損害地層。（2）水泥漿性能（3）應該是在井底靜止溫度下的養(yǎng)護的樣品抗壓23（2）水泥漿量

為了有效地封固尾管，應盡可能進行井徑測井以確定水泥漿量。（2）水泥漿量為了有效地封固尾管，應盡可能進行井徑測井242、提高深井固井質(zhì)量的工藝技術(shù)措施（1）鉆井液必須具有良好的流動性，這是保證有效頂替鉆井液的一個重要的影響因素。這是由失水、屈服值和膠凝強度等性質(zhì)決定的。塑性粘度<=5.7Pa屈服值〈=2.39Pa失水<=5ml2、提高深井固井質(zhì)量的工藝技術(shù)措施（1）鉆井液必須具有良好的25(2)注水泥前和注水泥期間活動管柱，上下活動或旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)管柱提供了機械的方法來保證窄環(huán)空能填上水泥（見下圖），而上下活動則是提供了流動速度和波動壓力有助于破壞沖洗井段的鉆井液膠凝。目前有三種方式：動力水龍頭、轉(zhuǎn)盤、動力大鉗。(2)注水泥前和注水泥期間活動管柱，上下活動或旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)管柱26石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件27（2）管柱居中當水泥漿在環(huán)空中向上流動時，管柱居中有助于提高水泥漿的作用力。另外，水泥漿傾向于沿阻力較小的環(huán)空寬邊流動。（2）管柱居中28（4）泵速紊流的頂替效果最好，但是如果達不到紊流，在盡可能高的泵速下頂替較好。（4）泵速29（5）使用隔離液在深井中，鉆井液常是通過大量處理的水基鉆井液或油基鉆井液，它們幾乎與水泥漿不相容。試驗表明使用隔離液能夠大大改善頂替效果。隔離液必須與鉆井液和水泥漿相容。隔離液的密度低于水泥漿，但是應比鉆井液的密度高0.12g/cm^3左右。（5）使用隔離液30（二）確定井底溫度的方法1、確定井溫的重要性在鉆井和完井過程中，精確地確定井底溫度十分重要，尤其是對注水泥漿設(shè)計。井下溫度影響水泥漿的稠化時間、流變性、抗壓強度和凝固時間。溫度估計低了，實際水泥漿的稠化時間或可泵時間縮短。溫度估計高了，實際水泥漿難以凝花費的侯凝時間太長，也不利于防氣串。（二）確定井底溫度的方法1、確定井溫的重要性312、API井底循環(huán)溫度除了水泥的抗壓強度是以井底靜止溫度下試驗外，其余的水泥漿性質(zhì)（如稠化時間和失水）都應該根據(jù)井底循環(huán)溫度來進行設(shè)計。井底循環(huán)溫度的影響因素很多，包括井眼幾何形狀、循環(huán)流量、循環(huán)時間、入口鉆井液（水泥漿）溫度、地溫梯度、熱交換系數(shù)和井深等。測井測量的溫度既不是注水泥時的溫度，也不是水泥時的井底循環(huán)溫度，也不是水泥漿侯凝時的井底溫度。下圖正好說明了這一點。2、API井底循環(huán)溫度32石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件33

API井底循環(huán)溫度（７８口井不同的井中測量８７個循環(huán)溫度，其中７６次測量是在水基泥漿中進行，１１次在油基泥漿中進行。測量分布在美國的１０個州，井深在１１９０——６９３４米。）（API規(guī)范１０）API井底循環(huán)溫度（７８口井不同的井中測量８７個循環(huán)溫34石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件35石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件36３、關(guān)于井底循環(huán)溫度的新觀點有人認為API圖表過高估計了深井的循環(huán)溫度，可能造成水泥漿過度緩凝，因此應修改。根據(jù)API井底循環(huán)溫度調(diào)查小組的結(jié)論——現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明井底循環(huán)溫度（BHCT）可能與井底靜止溫度(BHST)成線性關(guān)系。BHCT=A１+A２*地溫梯度＋（A１-A２*地溫梯度）＊BHSTBHST=平均地面溫度＋地溫梯度＊垂直深度A1和A2為經(jīng)驗系數(shù)。３、關(guān)于井底循環(huán)溫度的新觀點37（三）高溫水泥漿材料

為了防止高溫時水泥強度衰退，通常在水泥中加入一定的石英砂或石英粉。（三）高溫水泥漿材料為了防止高溫時水泥強度衰退，通常在水38石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件39石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件40石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件41石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件42石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件43（四）防氣竄技術(shù)氣體竄槽會造成層間封隔不好、環(huán)空壓力增加、氣體串流到地面以及生產(chǎn)層或非生產(chǎn)層之間連通等。（四）防氣竄技術(shù)氣體竄槽會造成層間封隔不好、環(huán)空壓力增加44１、氣體串槽機理（１）鉆井液頂替不好注水泥時井眼中的鉆井液頂替不好，因鉆井液膠凝、脫水和收縮會使地層流體進入環(huán)空發(fā)生串槽。１、氣體串槽機理（１）鉆井液頂替不好45石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件46（２）界面微環(huán)空氣體可能通過套管－水泥界面和水泥－地層界面間的微環(huán)空（見圖）發(fā)生流動。在套管－水泥界面產(chǎn)生較大的微環(huán)空可能有各種機理，如鉆井液附在套管上，或“軟環(huán)境”處過量水泥膨脹（離開套管）。１、氣體竄槽機理（２）界面微環(huán)空１、氣體竄槽機理47石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件48

水泥－地層界面的氣串可能發(fā)生在有厚泥餅的情況。另外，注水泥后的水泥體積收縮和壓力損失會導致產(chǎn)生微環(huán)空。見下圖（試驗結(jié)果）。水泥－地層界面的氣串可能發(fā)生在有厚泥餅的情況。另外，49石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件50（３）水泥的滲透性在未凝固的脫水水泥漿中，甚至在凝固不久的水泥里，水泥的滲透率相當高，氣體可能通過滲透通過水泥漿本體進入井眼（見下圖）。一旦氣體侵入環(huán)空中，它就可以通過所有的途徑運移。（３）水泥的滲透性51石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件52（４）水泥漿柱的壓力損失當水泥進入環(huán)空后不久，環(huán)空水泥柱的壓力開始下降（見圖）。當水泥柱傳遞的壓力低于地層的氣體壓力時，氣體就容易進入水泥柱內(nèi)。（４）水泥漿柱的壓力損失53石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件54２、深井防氣竄技術(shù)１）防氣竄的工藝技術(shù)措施２）防氣竄的特種水泥外加劑２、深井防氣竄技術(shù)１）防氣竄的工藝技術(shù)措施55１）防氣竄的工藝技術(shù)措施（１）提高頂替效率旋轉(zhuǎn)、上下活動套管，紊流頂替，增大鉆井液與隔離液及水泥漿的密度差。１）防氣竄的工藝技術(shù)措施（１）提高頂替效率56１）防氣竄的工藝技術(shù)措施（２）降低水泥漿失水降低水泥漿失水就可大大減少環(huán)空水泥漿體的損失速度。體積損失與壓力損失成正比，因而降失水又大大減少壓力損失速度。１）防氣竄的工藝技術(shù)措施（２）降低水泥漿失水57１）防氣竄的工藝技術(shù)措施（３）增加環(huán)空間隙１）防氣竄的工藝技術(shù)措施（３）增加環(huán)空間隙58１）防氣竄的工藝技術(shù)措施（４）改變稠化時間使用不同綢化時間的水泥漿，以便盡可能延長水泥漿柱壓力作用的時間。１）防氣竄的工藝技術(shù)措施（４）改變稠化時間59１）防氣串的工藝技術(shù)措施（５）使用可膨脹式管外封隔器，防止氣體通過微環(huán)空達到地面。１）防氣串的工藝技術(shù)措施（５）使用可膨脹式管外封隔器，防止氣60１）防氣串的工藝技術(shù)措施（６）減少水泥柱長度通過直接減少注水泥返高可以做到這一點。１）防氣串的工藝技術(shù)措施（６）減少水泥柱長度61石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件62２）防氣竄的特種水泥外加劑（１）膨脹水泥它是通過凝固水泥的體積膨脹來封微環(huán)空。商業(yè)性的膨脹水泥在普通硅酸鹽水泥中加入無水磺化鋁酸鈣、硫酸鈣和石灰。２）防氣竄的特種水泥外加劑（１）膨脹水泥63２）防氣竄的特種水泥外加劑（２）不滲透水泥它是在水泥從初凝到凝固之間的過度期間內(nèi)，通過水泥結(jié)構(gòu)的物理和化學變化形成一個不滲透的阻擋層來防止氣串。在普通水泥中加入發(fā)泡活性劑，利用地層進入的氣體形成泡沫水泥，對另外的氣體形成一層不滲透的阻擋層。水泥漿中加入發(fā)泡活性劑可以使氣體運移阻力增加５倍。（見下圖）２）防氣竄的特種水泥外加劑（２）不滲透水泥64石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件65２）防氣竄的特種水泥外加劑（３）硅石微粒水泥它能將空隙水束縛在水泥骨架內(nèi)，另一方面因為小顆粒硅石微粒可以充填在水泥顆粒之間。見下圖。２）防氣竄的特種水泥外加劑（３）硅石微粒水泥66石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件67２）防氣竄的特種水泥外加劑（４）觸變水泥防氣串的一個方法就是改變膠凝強度，以便在水泥停止流動之后形成靜膠凝強度（見圖）。過平衡壓力喪失之后形成239帕的靜膠凝強度越快，則阻止形成氣串的可能性就越大。２）防氣竄的特種水泥外加劑（４）觸變水泥68石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件69２）防氣竄的特種水泥外加劑（５）延遲膠凝強度水泥防氣竄方面的一個最新發(fā)現(xiàn)就是Halliburton服務公司研制的延遲膠凝強度水泥。使用了一種具有降失水和改善膠凝強度發(fā)展的水泥外加劑。當大部分失水發(fā)生時，水泥靜膠凝強度發(fā)展延遲了，而延遲階段后，水泥漿失水減少了，水泥漿迅速通過它的過度時期。失水和靜膠凝強度這兩項不同時發(fā)生，實際壓力損失將大量減少，從而防止氣竄。２）防氣竄的特種水泥外加劑（５）延遲膠凝強度水泥70２）防氣竄的特種水泥外加劑（６）可壓縮水泥可壓縮水泥是在普通水泥中加入一種能產(chǎn)生氣體的外加劑，在水泥泵入井之后產(chǎn)生氣體，這些氣體體積很小，在井下條件下約占水泥柱體積的３％。產(chǎn)生的極小而且是分散的，以至浮力不會引起氣體的上移、聚集和形成竄槽。２）防氣竄的特種水泥外加劑（６）可壓縮水泥71深井和超深井鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

在具有復雜地質(zhì)環(huán)境的地區(qū)進行深井和超深井鉆探時,由于在鉆達目的層前要鉆穿多套壓力及巖性不同的地層,鉆井工藝技術(shù)面臨巖性差異大以及易發(fā)生井漏、井噴等事故的挑戰(zhàn),這些地區(qū)的鉆井特點超出了常規(guī)井井身結(jié)構(gòu)和套管與鉆頭系列設(shè)計所考慮的范疇。因而,進行復雜地質(zhì)環(huán)境下的深井和超深井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計以及進行可封隔多個復雜層位的套管與鉆頭系列優(yōu)選研究,顯得尤為重要。

深井和超深井鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在具有復雜地質(zhì)環(huán)境的地區(qū)進72石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件73傳統(tǒng)設(shè)計方法的基本原理

傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循的基本原則是:在有效保護油氣層的前提下最大限度地保證裸眼井段的安全鉆進,避免鉆進過程中發(fā)生漏、噴、塌、卡事故,確保鉆井施工安全,順利鉆達目的層。設(shè)計的基本依據(jù)是所鉆地區(qū)的地層特性剖面、地層孔隙壓力剖面、地層破裂壓力剖面、地區(qū)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計系數(shù)以及已鉆井的資料等。設(shè)計的基本原理是根據(jù)裸眼井段的力學平衡關(guān)系,使每兩層套管之間的裸眼井段滿足以下力學平衡方程。

傳統(tǒng)設(shè)計方法的基本原理傳統(tǒng)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循的基本原則是:在74石油鉆探深井固井技術(shù)ppt課件75

傳統(tǒng)的設(shè)計方法是自下而上、自內(nèi)而外逐層確定每層套管的下入深度。其步驟是:①從目的層深度Ｄ開始,根據(jù)上述裸眼井段須滿足的約束條件,向上確定出安全裸眼井段的長度Ｌ1,從而確定出第一層技術(shù)套管應下入的深度Ｄ1=Ｄ-Ｌ1。一層技術(shù)套管應下入的深度Ｄ1開始,按照同樣的方法確定出Ｄ1上部的安全裸眼井段的長度Ｌ2,從而確定出第二層技術(shù)套管的應下入深度Ｄ2=Ｄ1-Ｌ2。依此類推,一直到井口,逐層確定出每層套管的下入深度。

傳統(tǒng)的設(shè)計方法是自下而上、自內(nèi)而外逐層確定每層套管的下761

按照這種傳統(tǒng)的方法設(shè)計出的井身結(jié)構(gòu),每層套管下入的深度最淺,這樣可使套管費用最少。由于這種井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是自下而上進行設(shè)計的,因而,上部套管下入深度的合理性取決于對下部地層特性了解的準確程度。也就是說,其設(shè)計結(jié)果的可靠性是以對下部地層的巖性特征、地層壓力特性的充分了解為前提條件。1

按照這種傳統(tǒng)的方法設(shè)計出的井身結(jié)構(gòu),每層套管下入的深度最77這種以每層套管下入深度最淺、套管費用最低為目標的設(shè)計方法,非常適用于已探明地區(qū)開發(fā)井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計。但對于深井、超深井,尤其是新探區(qū)的第一口新探井的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計,由于對下部地層的特性了解不充分,就難以應用這種傳統(tǒng)的方法自下而上合理地確定每層套管的下入深度。對于新探區(qū),如果根據(jù)粗略掌握的下部地層資料用傳統(tǒng)方法設(shè)計出了井身結(jié)構(gòu),而在實鉆過程中下部地層的特征發(fā)生了變化,根據(jù)原來掌握的地層資料所設(shè)計的套管又已經(jīng)下入到井內(nèi),這樣就有可能由于上部套管下入深度不合理而給下部井段的鉆進帶來麻煩。因此,應結(jié)合深層鉆井,尤其是深探井鉆井的特點,對現(xiàn)有井身結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行改進。

這種以每層套管下入深度最淺、套管費用最低為目標的設(shè)計方法,非78改進的設(shè)計方法

對深層鉆井,尤其是深探井鉆井來說,在對