鄂尔多斯水平井固井工艺技术研究项目中期报告定稿文档格式.docx

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水平井固井技术难点分析；

设计优化

2012年6-8月

对鄂北、鄂南的地质状况进行整理，通过查阅资料和现场调研了解国内水平井固井技术和工艺方法，分析鄂尔多斯区块水平井固井的难点，依据后期开采方案要求优化固井设计。

水平段套管固井设计由尾管固井并回接固井方式改变为一次全返全井封固

2

1.固井前（后）置液体系研究；

2.外掺料优选及评价；

3.防漏高强低密度水泥浆体系研究；

4.微膨胀强韧性防窜水泥浆体系研究；

5.水泥浆体系配伍性研究及评价；

6.调研水平井固井工具性能，优选适合鄂尔多斯水平井固井的入井附件。

2012年9-11月

分别选择了长庆、中石化研究院的水泥浆体系及前（后）置液进行了配方调整，并对不同区块进行了配伍性分析；

优选减轻效果较为明显的西安时凯和新郑减轻材料配置低密度水泥浆。

经过调研分析，选择了长庆固井所研制的刚性滚珠螺旋扶正器（树脂）、旋转引鞋、套管关闭阀、加长和进口胶塞。

微膨胀强韧性防窜水泥浆中石化研究院（湿混）其效果优于长庆所（干混）

3

水平段套管固井现场应用

2012年12月-2013年1月

在鄂南工区完成水平井固井5口；

鄂北工区完成水平井固井2口。

水平井固井工艺技术基本形成并得到一定完善

4

技术总结，收集资料，完成项目研究报告

2013年2月-3月

完成固井资料的收集整理，分析形成中期报告，为完善完成项目提供技术支持。

2项目开展的研究工作及取得的主要成果

2.1调研分析水平井固井技术与难点

（1）水平井套管固井难点

1）水平段较长，套管下入困难。

如果井眼准备不充分，很有可能发生卡套管事故。

2）水平段、斜井段套管居中困难，套管易贴井壁。

3）井壁泥饼、斜井段环空岩屑不易被清除干净。

4）在泥浆顶替水泥浆过程中，水泥浆易沿宽边推进，将与泥浆混窜，造成窜槽。

5）水平段环空间隙小，易形成沙床，导致固井施工压力高或者环空憋堵，

6）解决提高顶替效率和固井防漏所产生的矛盾；

7）井斜段、水平段因重力作用水泥颗粒下降，井眼顶部自由水析出形成横向通道，形成窜流；

固相颗粒沉降导致上部水泥胶结疏松，强度下降，导致封固失败。

8）阻流环（回压凡尔）易密封失灵，水平段留长塞，常规国产胶塞在长水平段磨损易导致水泥浆后窜形成较长半塞。

（2）大牛地气田特有固井难点

1）延长组及刘家沟组地层承压能力低，易漏失（漏失当量密度均值顺序：

刘家沟（1.28）<

延长（1.34）<

和尚沟（1.48）<

纸坊（1.59））

2）目的层段多煤层（山西、太原及本溪组，单层厚1-10米）、并有泥岩和砂岩互层情况，垮塌严重，井径大并不规则，水泥一、二界面胶结质量难以保证。

（3）红河油田特有固井难点

红河油田目的层延长组存在高于常规的地层流体压力，延安组地层流体压力较为正常；

上部地层破裂压力低，存在易发生漏失的直罗组地层；

井筒上半段存在多个出水层，包括环河至洛河的各层组，跨度近1000米，存在严重的漏失和水侵风险；

产层含水现象较为普遍。

2.2优化固井设计方案

2012年6月-8月，主要对鄂南和鄂北的《钻井工程设计》进行了详细的查阅，结合鄂尔多斯盆地不同区块的地质特点，分析了该地区水平井固井施工的难点，以国内先进的固井工艺方法为指导，优化固井施工设计。

水平井固井设计变更：

原设计采用三开井身结构，生产层固井（水平井段）采用尾管悬挂固井技术，然后再采用套管回接固井技术完成非目的层的固井施工。

后来考虑到该类型水平井设计垂深与常规井一样，而钻井施工中所用的钻井液比重和低密度水泥浆的比重接近（不会因为静液柱压力的增加而压漏地层），因此，经过专家领导讨论分析认为，固井方式改为一次上返全井封固工艺，既可以节约生产成本和提高生产效率，且能避免尾管回接固井时的风险。

2.3水平井固井工具的选择

水平井固井工具主要考虑了工具加入套管串以后对整个管串刚度的影响是否能保证管串的正常下入；

附件（扶正器）主要考虑其对套管的支撑能力，保证套管的居中度，选用带旋流槽的刚性扶正器还可以改变顶替流态，有利于提高固井质量；

水平井段的浮鞋、浮箍容易造成关闭球错位导致替浆碰压后回压凡尔不能正常关闭，关井候凝易使套管内替浆液在水化热的作用下致使套管膨胀，水泥浆凝固后放压则使第一界面产生微间隙影响固井质量。

由于以上原因，我们通过市场调研在鄂南油井固井中选择了长庆固井研制的浮鞋（旋转引鞋）、浮箍、加长胶塞、关井阀、树脂旋流（滚珠）扶正器等特殊工具、附件；

鄂北固井选用的是江苏常熟生产的普通浮鞋、浮箍、胶塞和扶正器。

见图2-1，2-2。

A－滚珠；

B－顶丝；

C－销轴；

D－本体。

图2-1滚轮扶正器

图2-2关井阀

2.4水平井固井前置液体系及水泥浆体系研究

2.4.1前置液体系

考虑到为保持井壁稳定，固井前的泥浆性能调整较小，泥浆粘度偏大，为了提高顶替效率及水泥环胶结质量，研发了具有良好的相容性及配伍性,能够起到冲洗、稀释、缓冲、隔离及润湿效果的CXY冲洗液。

该冲洗液易于溶解钻井液形成的泥皮，有利于对井壁泥皮进行有效冲刷从而提高二界面的胶结质量。

（1）前置液基本性能

冲洗液CXY化学成份由表面活性剂、纤维素、无机盐按一定比例和特定工艺制成的混合物，CXY冲洗液性能如下：

前置液：

清水+5%CXY

性能：

ρ>

1.05g/cm3Up:

0.1-0.13Pa.s（60℃）TY:

18.5-25.5Pa（60℃）

前置液中的表面活性剂，改善泥浆与水泥浆的相容性，提高水泥石与套管及井壁的胶结质量。

（2）前置液油溶性性能测试

清水+5%CXY（ρ：

1.05g/cm3），每次取配制好的冲洗液50ml，测试对油的溶解能力及溶解速率，结果如表2-1：

表2-1前置液油溶性性能实验

溶解油的量（ml）

溶解速度

5

7

9

11

13

15

17

19

溶解时间（min）

0.1

0.15

0.2

0.23

0.29

0.31

0.45

0.52

0.6

0.75

溶解速率（ml/min）

10

20

25

30

31

35

29

28.3

从测试结果可以看出，CXY冲洗液对油有很好的溶解能力。

（3）前置液与水泥浆的相容性实验

表2-2前置液与水泥浆的相容性检测数据

流体比例

φ600

φ300

φ200

φ100

φ6

φ3

N值

70%隔离液+30%水泥浆

8

6

0.5695

50%隔离液+50%水泥浆

0.6320

30%隔离液+70%水泥浆

0.4129

（4）前置液设计

利用固井设计软件合理设计前置液的高度，确保紊流接触时间。

根据流变性计算，施工排量在15～221/s或环空返速达0.7～1.1m/s时呈紊流；

实验表明接触时间在3min以上洗油效率达100%，理论计算冲洗液量为2.7～4.2m3，前置液设计注入量≥6m3，从而提高水泥石与套管及井壁的胶结质量。

2.4.2水泥浆体系

2.4.2.1水平井固井对水泥浆体系的要求

（1）井斜段、水平段因重力作用水泥颗粒下降，井眼顶部自由水析出形成横向通道，形成窜流；

水泥浆沉降稳定性是提高水平井固井质量的关键。

（2）水平段环空间隙小，水泥浆自由水、失水和稳定性的细微变化对于水泥环的胶结质量影响很大，要求水泥浆综合性能非常高，特别要求水泥浆具有微膨胀性能，避免水泥浆凝结期间体积收缩影响一、二界面胶结质量；

（3）水平段环空间隙小，水泥环薄，在试采及实施增产措施时，容易造成水泥环一、二界面二次窜流（微间隙、微裂缝），要求硬化后水泥石（环）动态力学性能冲击韧性要高；

（4）水平段环空间隙小，并易形成沙床，导致固井施工压力高或者环空憋堵，水泥浆在小井眼窄环空中（高剪切状态、高压差）迅速失水脱水，发生桥堵蹩泵（井眼较小位置或者安放扶正器位置），造成固井失败。

因此水平井水泥浆失水控制严格，要求小于50ml。

2.4.2.2防漏固井水泥浆体系研究

（1）复合减轻材料的化学成分研究

复合减轻材料是由膨胀珍珠岩、微粒硅、有机材料和无机填充材料复制而成，外观为灰色固体粉末。

膨胀珍珠岩是珍珠岩矿砂经预热、瞬时高温焙烧膨胀后制成的一种内部为蜂窝状结构的白色颗粒状的材料。

决定膨胀珍珠岩原料工业价值的，主要是它们在高温焙烧后的膨胀倍数。

膨胀倍数：

k0>

5-15倍,容重：

80kg/m3-200kg/m3，莫氏硬度：

5.5-7，密度（比重）：

2.2-2.4g/cm3，耐火度：

1300-1380℃，折光率：

1.483-1.506。

质量要求：

A玻璃质纯洁，透明度好，颜色浅。

B没有或有轻微脱玻璃化作用。

C不含或少含晶质物。

D化学成分：

表2-3膨胀珍珠岩的化学成份

矿石类型

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

K2O

Na2O

MgO

H2O

珍珠岩

68-74

±

12

0.5-3.6

0.7-1.0

2-3

4-5

0.3

2.3-6.4

②微硅粉是在冶炼硅铁合金或工业硅时，通过烟道排出的硅蒸汽氧化后，经特别设计的收尘器收集得到的无定形、粉末状的二氧化硅（SiO2）。

微硅粉的主要化学成分是SiO2，含量可达85—96%，其元素包括Fe2O3、Al2O3、CaO、K2O、Na2O、MgO、C等。

微硅粉SiO2含量均在90%以上，平均粒径在0.15-0.20μm，比表面积为15000-20000m2/kg，具有极强的表面活性。

表2-4微硅粉组成

化学性能

指标

物理性能

≥85%

比表面积

≥15000m2/kg

CL

≤0.02%

烧矢量

≤6%

含水率

≤3%

（2）复合减轻材料的配伍性试验研究

表2-5复合材料的配伍性实验数据表

实验条件

℃/MPa

轻质材料

外加剂

水灰比

密度

g/cm3

析水

ml

强度

1d/2d

MPa

T30/T100

min

初稠

Bc

水泥

%

轻珠

GSJ

GQD

50/25

65

--

1.0

1.30

1.5/2.5

245/265

70

1.31

0.5

3.2/4.8

165/185

70/30

60

40

1.1

1.12

3.8/4.2

175/200

0.9

1.24

4.3/6.7

135/155

0.90

4.2/6.1

155/165

1.20

3.3/4.5

80

0.80

1.46

4.8/7.3

135/145

1.52

4.8/8.0

90/105

85

0.85

1.48

1.4/3.9

105/117

1.57

1.5/3.9

100/120

90

0.65

4.5/6.4

170/180

1.59

5.5/6.8

140/150

0.60

1.55

4.5/6.9

135/150

0.55

1.62

7.2/9.5

105/115

0.50

1.68

9.5/14.4

185/250

14

95

1.75

12.5/17

105/125

16

通过上述实验数据可以体现出该体系具有以下特点：

（1）该体系密度调配范围大，可实现1.12--1.75g/cm3范围内的调控；

（2）该体系施工性能优良，初始稠度低，流变性优良，过度时间短，析水量较低；

（3）该体系成本低，在1.12--1.35g/cm3内的浆体成本比漂珠体系可降低25%左右；

（4）该体系具有一定的可膨胀性，对防止漏失具有一定的效果；

2.4.2.3微膨胀防窜水泥浆体系研究

（1）膨胀剂评价

加量对膨胀率的影响：

利用水泥膨胀试验仪器测定“晶体”膨胀剂的线性膨胀率。

试验结果表明，在合适的加量范围内，掺有GP1、GP2、GP3、GFC的水泥浆与同条件下的原浆相比，具有良好的膨胀效果，有效补偿了水泥浆凝固后的“化学收缩”。

“晶体”膨胀剂加量一般为1.0%～3.0%，水泥石净线性膨胀率在2.5%以上（见表2-6，图2-3）。

随着膨胀剂加量的增加，水泥线性膨胀率增大，当膨胀剂加到一定程度时，其膨胀的趋势趋向于平缓。

膨胀剂加量在3.0%以内时，GFC膨胀效果要好于GP1、GP2、GP3。

表2-6油井水泥膨胀剂加量对水泥膨胀性能的影响

类型

加量

膨胀率

净膨胀率

嘉华G原浆

-

-3.20

原浆+GP1

-2.17

+1.03

2.0

-0.59

+2.61

3.0

+0.16

+3.36

原浆+GP2

-2.70

+0.50

-0.89

+2.31

-0.69

+2.51

原浆+GP3

-0.31

+2.88

-0.19

+3.01

-0.05

+3.15

原浆+GFC

0.0

+3.2

+0.5

+3.7

+0.8

+4.0

图2-3膨胀剂加量与净线性膨胀率的关系

时间对膨胀率的影响：

为了测定时间对膨胀剂膨胀率的影响，使用自行研制的水泥体积膨胀率试验装置。

试验表明，掺有膨胀剂的水泥浆随时间的延长，其膨胀效果有所不同。

掺有“晶体”膨胀剂的水泥浆在初凝之前，其水泥浆呈先膨胀后收缩的趋势，但在初凝至终凝之间，水泥凝固过渡阶段处于收缩状态，原浆收缩比加有膨胀剂的水泥浆收缩要大的多（见图2）。

图2-4“晶体”膨胀剂的膨胀率与时间的关系

注：

配方1.嘉华G级水泥+1%GFC+44%水；

配方2.嘉华G级水泥+2%GFC+44%水；

配方3.嘉华G级水泥+3%GFC+44%水；

配方4.嘉华G级水泥+44%水

膨胀剂对抗压强度的影响：

膨胀剂对抗压强度的影响试验结果见表3.5，由表3.5可知GP1、GP2、GP3、GFC能大幅度提高水泥石的抗压强度，常压70℃/24h强度大于21MPa，与同条件下的原浆相比，其强度值可提高15%以上，甚至高达70%。

表2-7膨胀剂对抗压强度的影响

抗压强度

20.7

25.7

27.7

24.5

23.3

24.2

24.6

24.1

26.4

30.3

30.4

33.8

35.5

膨胀剂对水泥浆初始稠度及自由水的影响：

试验证明，掺有膨胀剂的水泥浆略有增稠现象，其流动度也相应减小，但初始稠度可控制在20Bc以内。

一般来说，水泥浆配方中很少单独使用膨胀剂，通常与降滤失剂、分散剂等联合使用，能配制出综合性能优越的水泥浆体系。

“晶体”膨胀剂GP1、GP2、GP3、GFC能降低水泥浆自由水析出，其自由水含量小于0.5%，甚至为0（见表2-8）。

这说明膨胀剂能有效降低水泥浆自由水含量，有助于改善水泥浆的沉降稳定性能，在水平井和大斜度井有着广泛的应用前景。

表2-8膨胀剂加量对抗压强度的影响

自由水

0.4

⑤结论

A“晶体”膨胀剂加量一般为1%～3%，可使水泥石净线性膨胀率大于4%。

B“晶体”膨胀剂能有效降低水泥浆自由水含量（小于0.5%，甚至为0）。

C“晶体”膨胀剂GFC在相同实验条件下各项性能优于GP1、GP2、PG3。

（2）降失水剂GSJ评价

通过高分子化合物与水泥相容性实验、分析及微观结构对比，进行了室内高分子改性反应，引入与水泥浆相容性好的金属离子，使得高分子材料在碱性条件下，通过引发剂作用，产生交联，形成致密的分子膜，降低水泥浆的API滤失量。

同时能够在水泥浆中形成网状结构，改变了水泥石的内部结构，增加了水泥石的密实性，从而减弱进入水泥浆体系的气体，增加其运移阻力；

同时高分子网状结构的形成，使其抗冲击韧性加强，降低了水泥石的弹性模量；

由于其主要为复配材料组成，所以形成水泥浆体稳定性好，具有一定的微膨胀性，对浆体流变性影响小，浆体流动性好，有利于提高注水泥顶替效率，具有较高的防气窜、气侵能力，同时解决了水泥浆低失水与短候凝、水泥浆流变性相互影响关系。

表2-9GSJ降失水剂评价

加量

温度

℃

密度

初始稠度

BC

稠化时间

失水

抗压强度（Mpa）

24h

48h

1.5

1.90

26

22.5

75

24

23

25.3

67

24.4

26.3

1.7

83

18

23.5

78

23.9

25.6

72

26.7

1.89

106

23.6

26.2

98

24.3

27.3

24.9

28.9

水泥浆自由水≤1ml；

塑性：

增加抗折强度、抗冲击韧性及改善弹性系数15—20%

（3）缓凝剂评价

缓凝剂是影响水泥浆性能的另一个主要因素，依据长庆气田的地质特点，主力气层温度从北到南65℃--85℃，通过室内试验、分析，依据目前油田所使用的各种缓凝剂的评价，室内通过组合复配，合成一种新型缓凝剂GH-3，其主要特点是加量小，对温度的敏感性降低，缓凝作用与加量成为线性关系，对水泥浆的其它性能不产生副作用。

表2-10GH-3缓凝剂性能室内对比分析表

缓凝剂类型

缓凝剂%

温度℃

稠化时间min

初凝

h

终凝

抗压强度（Mpa/24h,常压）

GH-2

0.03

135

150

170

16.5

110

136

18.1

96

125

21.0

0.04

143

165

16.2

0.05

167

180

195

15.9

0.07