04-中原油田水平井固井技术

中原油田水平井固井技术中原油田固井工程处编写：陈道元刘秀成一、前言水平井较直井大大增加了井眼生产层中的长度和产层的泄油面积，大幅度地提高油、气产量，减缓了水锥、气锥的推进速度，其勘探开发效果相当于直井的3-6倍，在老油区采用水平井技术可增加储量动用程度，提高单井产量和采收率。中原油田老区已进入开发中后期，开发调整井的目的主要是小型断裂油藏及复杂断块油藏，根据油田的地质构造特征，直井无法达到地质需要的目的，而水平井可以不受客观存在的断层影响，钻达设计目的层。中原油田早在1991年就成功地钻成了第一口水平井，当时国内刚兴起水平井钻井工艺，卫2-25井固井水泥外加剂使用的是进口产品，固井作业只是按常规的办法进行，随后十年间未钻水平井，从2001年开始又不断的进行水平井的钻井工作，累计钻成水平井5口。为满足完井的需要，固井开展了相关方面的研究工作，研究出了满足水平井固井需要的水泥外加剂和工具附件，改变了注水泥工艺措施，实现了对套管地层间两个界面的有效封固，达到了钻水平井的真正目的，其固井技术水平处于国内领先地位。二、水平井固井主要存在的难点1、中原油田属于典型的复杂断块油气田，地层复杂，压力系统紊乱，井眼轨迹多变；2、键槽和椭圆形井眼影响顶替效率；3、钻井的需要，高比重、高粘度、高切力钻井液不利于顶替。钻井液和固相物水泥浆井壁套管4、固井物沉淀了井眼底部不易清除(见下图)二、水平井固井主要存在的难点5、套管下入困难6、套管偏心7、高边水带形成(见下图)套管水泥井壁水带水泥井壁套管水带8、固相沉积物对固井质量影响大。处于大斜度井段和水平井段在注水泥作业后，管柱下部都存在泥浆窜槽问题9、套管附件要求高。套管附件如果采用直井的浮力装置，注水泥后实现自动关闭困难，容易造成套管内留水泥塞和蹩压候凝，影响两个界面的胶结质量；10、水泥浆性能影响。水泥浆的沉降稳定性和水泥浆自由水易在井眼高边一套管水泥井壁水带侧形成水带，造成连通构槽。见第7附图。二、水平井固井主要存在的难点1、水平段长，一般在500m以上；三、中原油田水平井特点2、造斜点深，一般在井深2000m以下开始造斜；3、在钻井过程中由于携砂需要，钻井液往往是高粘度、高切力、流变性差，下套管后（固井前）钻井液性能调整困难；4、轨迹和排量限制，水平井段井眼下部的砂床（河床砂舟现象）不易被清除，从而影响水泥石的胶结质量；5、由于水泥浆中颗粒的沉降和自由水的析出，易在井眼的高边形成水带而影响封隔，造成窜槽。三、中原油田水平井特点6、断层多，地质复杂，易形成“大肚子”井眼，其中钻屑不易被携带干净，影响固井质量。(如下图)井壁水泥套管钻屑井径扩大区7、地层压力系统差异大，有高压层，也有低压层，所以套管柱设计复杂。8、中原油田的水平井均为中、长半径水平井。四、提高水平井注水泥质量的技术措施1、优化钻井设计水平井井身结构设计应考虑完井注水泥问题，要选择合适的套管/井眼的尺寸比，一般比值应在0.65-0.7范围内，有条件时应尽可能增大曲率半径，同时，对钻井设计的实施中亦要求：①保持井径规则，避免形成键槽；②井眼轨迹规则，不应有不符合设计要求的全角变化率井段；③凡钻进循环漏失均应进行认真堵漏处理。2、井眼净化一个清洁、无固相颗粒沉淀的井眼是减少水泥窜槽的重要条件，实践证明，在井斜角大于30°的井眼内，泥浆中的固相颗粒在其重力作用下发生下滑，容易在环空底部产生堆积，而形成“岩屑床”，随井斜角增大越趋严重。在钻井过程中，应采取各种措施防止形成“岩屑床”，环空泥浆流态对净化速度的影响如下：在井斜角0-45°区域内，层流的净化速度较高，在45-55°区域内，两种流态的效果无多大区别，55-90°区域内紊流的净化速度高，依据上述的结论，下套管前通井应采取如下措施。①在0-45°范围内，必须使泥浆流态为层流，建议泥浆屈服值为9.58MPa，YP/PV值为1以上。②45-55°范围内，两种流态都采用，但以紊流最好；③55-90°范围内，采用紊流洗井，如果不能采用紊流，只能是层流时，必须尽可能的提高YP/PV值。泥饼管柱井眼粘着部位弯曲的裸眼井段中，套管与井壁的摩擦系数很大，也就是说它的摩擦角很大，例如摩擦系数0.6，其摩擦角为31°，即井斜角为59°。在这样的条件下套管，摩擦角以下井段中的套管就不能靠自重下滑了，这段套管的移动就要靠上部套管柱的轴向分力推着走，此时钻井液的润滑性是最重要的。由于在大多数地层中都可以形成滤饼，泥饼质量是影响摩擦阻力的一个不可低估的重要因素，在井壁上形成的泥饼越厚，套管嵌入其中越深，接触面积就越大，粘着力也越高，其结果必然大大增加套管下入的阻力，如下图。3、降低摩阻，实现套管柱的顺利下入因此，合理的设计钻井液是下套管成功的关键所在，在下套管前井眼必须加强钻井液的净化处理，清除钻屑沉积床，同时现场应采取一系列强化措施：①优选钻井液。在钻井液中加入润滑剂如玻璃小球，增加其润滑性。②采用高强度的钢质引鞋并使之起到居中导向作用，以克服井壁泥饼的冲击不致于损坏。③采用倒置的套管串结构，即水平段下入壁厚较小的套管，直井段下入壁厚较大的套管，来增加对水平段套管的推进力。④套管浮动下入井内，下套管前在水平段及大斜度井段替入高密度钻井液，下套管时在相应套管内灌入清水或柴油，使套管承受向上的浮力，能有效地克服大斜度井段及水平段的高摩阻。不同泥饼厚度时粘着面积变化情况泥饼管柱井眼粘着部位4、提高套管在井眼中的居中度研究表明水泥浆在同心环空中的顶替是非常均匀的，而套管偏心是注水泥时钻井液窜槽的主要原因，偏心环形空间液体的流速、流量及流态在不同间隙处将发生变化，宽窄间隙的流速差可达几十倍。宽间隙的液体达到了紊流，而窄间隙却在作层流流动，最槽的情况是宽间隙的钻井液可能完全被顶替，而窄间隙的钻井液却仍然滞留在原来位置，造成钻井液窜槽。e井壁弹簧扶正器套管轴线井眼轴线图24井眼中套管弹簧扶正器偏离情况关于套管在井眼中产生偏心后对固井质量的影响程度许多学者进行过大量的研究，研究结果表明：居中度至少要达到67%以上，而且在其它有效措施的配合下，才能不至于引起严重的泥浆窜槽。提高套管在井眼中的居中度最有效的办法是在套管外加入足量的扶正器，同时，在大斜度和水平井段扶正器安放位置要适当加密，必要时要加限位器。5、紊流施工由于紊流注水泥作业，能对井眼产生良好的清洗效果，防止泥浆滞流区形成窜槽。因此，设计的原则是，只要井下条件允许，优先选用紊流施工。紊流顶替接触时间确定可以从下图1图2得到。20”40”1’2’3’4’020406080100接触时间：min5’6’7’顶替效率：%□——宽间隙——中间间隙×——窄间隙雷诺数Ret=2369图1时间、流态与顶替效率的关系20”40”1’2’3’4’020406080100接触时间：min5’6’7’顶替效率：%雷诺数Ret=2855图2时间、流态与顶替效率的关系由图可知，当水泥浆处于层流或层流过渡到紊流期间，Re=2369时，接触时间对窄间隙水泥浆顶替效果的影响并不明显，其顶替效率仅有70%左右，当Re=2855时，各间隙水泥浆顶替效率接近100%，紊流接触时间为5-6min，一般推荐紊流接触时间为6-8min。6、活动套管柱改变顶替过程液体流场，增加周向和轴向的旋流和回流作用，对顶替偏心环空间窄间隙及滞留在井壁的泥糊和泥饼是非常有利的。套管旋转时，窄间隙及边壁滞留的钻井液将带入宽间隙，而宽间隙的水泥浆却因旋流作用被挤入窄间隙，从而使偏心环形空间各间隙处的钻井液趋于均匀流动，上下活动套管柱（见图8）能使井壁和套管近壁层的钻井液处于剪切和流动状态，破坏了钻井液的胶凝结构和触变特性，提高了水泥浆顶替效果，上下活动套管建议距离为6-12m，时间为顶替水泥浆全过程。7、增加套管在井眼中的浮力效应在大斜度和水平井段，套管在自重作用下往往靠近井壁下侧，因此，在替浆过程中，在大斜度和水平井段替入密度低的液体，如清水或者柴油作为替浆液，尽量提高环空钻井液与套管内该段流体的密度差，增加其浮力，帮助套管扶正居中，从而提高其顶替效应。8、优化入井内液体体系8.1水泥浆的设计：大量的研究和试验证明：为成功地进行水平井注水泥作业，必须严格考虑所用水泥浆性能，与直井和一般的斜井相比，水平井对水泥浆性能应达到如下指标要求：（1）水泥浆游离液为0。因为在水泥浆静止情况下，其中所含的自由水将聚集在浆体的顶部，形成一个横向贯通的水槽。（2）严格控制水泥浆失水量。一般控制在50ml/30min·7MPa。(3)严格控制水泥浆颗粒沉降。水泥颗粒向井眼下侧发生沉降现象，并且形成疏松的水泥环，控制标准为水泥石上、中、下密度差小于0.08g/cm3。(4)缩短稠化过渡时间，形成直角稠化。有利于阻止地层流体的侵入，防止地层流体在环空形成窜槽。8.2冲洗隔离液的设计在注水泥之前，先注入冲洗隔离液，目的是清除水泥封固段附着在套管外壁和井壁的稠泥浆，使水泥在两个界面均有较高的胶结强度，冲洗液与钻井液相混时相溶性要好并能获得一个亲水环境，冲洗液的流变性要好，保证在低速下实现紊流，使两个界面都得到有效冲洗，一般设计为400-500米环空体积，紊流接触时间10min。9、水泥浆选择对于水平井的水泥浆应该严格达到以下几条标准：水泥浆自由水较小，甚至为0。有较好的沉降稳定性。较短稠化过渡时间。流变性好，易实现紊流顶替。凝固后的水泥石无收缩现象产生。从1991年开始中原油田共计完成水平井5口，其中2001年以来完成水平井4口，采用上述技术固井4口均获得成功，固井质量通过VDL和成像测井解释，水泥面同钻井液界面清晰，无混窜现象，层间封隔良好，固井质量评定为良好。五、现场应用水平井固井情况井号斜深（M）垂深（M）水平段长（M）最大井斜度（0）完井方式封固段长（M）解释方式质量卫2-2532812746.594699.1151/2〞1281CBL合格云2-平1320022397959451/2〞1500CBL成像良好濮2-平1287923703809351/2〞879CBL成像良好文92-平13680317737695尾管830CBL成像优质胡5-平12610208563592尾管1340CBL成像优质五、现场应用文92-平1井基本情况该井是文留地区第一口水平井，位于文留地区东部文110东块反向屋脊构造高点，地层倾角20-30°，目的层为S3上砂组第1小层，油层厚度2m左右，为达到开发的需要，在钻井过程中，多次修改地质设计，使井眼轨迹发生了较复杂的变化，设计完钻井深4065m，由于主力储层逐渐尖灭，不得不提前完钻，实际完钻井深3680m，垂深3177m，水平位移606.2m，最大井斜角94.9°，实际水平段长376.5m，水泥封固段长830m，采用5-1/2“尾管完井，这在中原油田水平井固井中尾管完井首次应用，固井作业难度相当大。施工过程及效果2002年4月20日开始下套管，按设计套管柱结构下入φ139.7mm、N80钢级、壁厚9.17的套管82根，套管柱加55只双弓扶正器，套管下入过程正常。施工中，首先注入密度1.0g/cm3冲洗液6m3，密度1.70g/cm3的低密度水泥浆8m3做隔离液，然后注入1.90g/cm3设计配方的水泥浆33m3，采用CPT-Y4水泥车替浆，排量1.60-1.70m3/min，水泥浆返速1.1-1.25m/s，达到了紊流顶替效果，尾管和倒扣座挂一次成功，固井施工全过程顺利，候凝48h，经VDL和成像测井解释，水泥面同钻井液界面清晰，无混窜现象，层间封隔良好，固井质量评定为良好，达到了设计要求。六、结论1、优化钻井设计是保证套管顺利下入和固井成功的先决条件；2、为了破坏岩屑床，下套管前应对不同的井斜段进行划眼通井，钻井液流态0-45°范围内使用层流较好，45-55°两种流态均可，但紊流最好，55-90°紊流最好。3、提高钻井液的动塑比（Yp/PV）值，有利于清除不同井斜角的“岩屑床”，其Yp/PV1。4、优化套管扶正器设计，提高套管在井眼中扶正居中度能有效提高环空顶替效率。5、水平井套管附件的研制，解决了套管鞋易插入