石油钻探深井固井技术

深井固井特点高温度高压力具有多产层长裸眼小间隙国内深井井固井技术简介（一）套管柱强度设计在引进先进的设计方法的基础上，根据表层套管、技术套管和油层套管承受不同外载进行套管柱强度设计。套管强度设计采用应力计算及内压载荷为主载荷的设计方法。在设计中考虑了热应力和腐蚀、套管弯曲等因素。国内深井井固井技术简介（二）水泥浆设计设计时使用的基本试验参数，已由过去的静态转为API标准的动态参数，即初凝、终凝时间改为水泥稠化时间、抗压强度和水泥浆的流变性等参数。运用流变学进行注水泥设计，一改过去的注纯水泥，而转变为推广使用外加剂调整设计水泥浆的性能。（二）水泥浆设计推广了使用冲洗液、隔离液和前置液。依据固井压力平衡技术的原则，即在固井过程中水泥浆的静液柱压力大于地层孔隙压力，水泥浆的动液柱压力要小于地层破裂压力，设计水泥浆密度，控制水泥浆失水,以减少固井对油层的损害。国内深井井固井技术简介（三）固井工艺1、高压油气藏固井技术高压油气井的特点是地层压力高，固井时容易发生油气窜槽。为此加强了对气窜“失重”机理研究，研究掌握了管外封隔器固井技术、加防气窜剂、气阻剂、降失水剂；加重水泥浆注水泥；井口环空加压以及使用多密封特殊套管螺纹等一整套系列的深井固井技术。（三）固井工艺2、深部油气藏固井技术深部油气藏的特点是高温高压，长井段以及套管载荷大等。针对这些特点，掌握了耐高温水泥及其外加剂处理，分级注水泥尾管（包括套管回接技术）等。国内约40—50%的深井推广采用了尾管固井、分级注水泥发法。国产尾管挂和分级注水泥器以形成系列。（三）固井工艺3、低压容易漏失油气藏井的固井技术其特点是地层压力系数低，封固段长，容易漏失。针对这些特点掌握了堵漏技术，底密度水泥，微珠水泥，超低密度水泥及泡沫水泥固井技术。（三）固井工艺4、含盐岩层油气藏固井技术含盐岩层的特点是容易发生塑性流动，盐岩层溶解。在固井技术上掌握了按含盐岩层特点的高强度套管柱，以及采用饱和盐水钻井液固井（包括高密度盐水水泥）等技术。（三）固井工艺5、碳酸盐岩裂缝性油气藏固井技术裂缝性地层压力系数差异大，易漏、易喷，封固井段较长。针对这些特点掌握了降失水剂、膨胀水泥、防气窜水泥、尾管工艺及分级注水泥等固井工艺技术。（四）油井水泥我国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年开始全面推广国产API系列油井水泥。还研制了低密度水泥、冲气水泥、不渗透水泥。（五）水泥外加剂用于深井的主要外加剂有加重剂、降失水剂、降阻剂、防气窜剂。（六）基础理论西南石油学院经过几年的研究得出：（1）保证井身质量，使套管居中，是提高注水泥浆顶替效率的主要原因。（2）为了提高斜井眼的水泥浆顶替效率，必须控制套管的偏心度，在封固段，安装套管扶正器。（六）基础理论（3）水泥浆及钻井液的流变性能对水泥浆的顶替效率有明显的影响；而钻井液的触变性对顶替效率有明显的作用。（4）采用塞流态及紊流态注水泥，其顶替效率是很好的；但是塞流无法消除偏心套管内水泥浆在各间隙处的返高差异。（六）基础理论（5）提高水泥浆与钻井液的密度差，对提高水泥浆的顶替效率有一定的作用；（6）提高返回速度，增大水泥浆的流型指数和降低粘度的紊流固井，不仅提高同心环形空间的顶替效率，而且还能够减少水泥浆的返高差异。（7）增加紊流接触时间3~9分钟，对提高窄间隙水泥浆的顶替效率有明显的作用，如能提高紊流程度，这种作用尤其明显。上述的研究成果已广泛应用于现场的生产实践中。（1）井底温度和压力高，水泥柱上下温差大；（2）井眼压差大易于发生气窜；（3）钻井液密度高、固相含量高；（4）环空体积小，泵速低，替换困难。深井注水泥的主要困难因素（一）提高深井注水泥质量的方法1合理的水泥浆设计2工艺技术措施1、合理的水泥浆设计水泥浆设计包括：（1）合理的水泥浆配方（2）水泥浆性能（3）水泥浆量（1）水泥降配方深井的水泥降配方一般是由API水泥+合理浓度的缓凝剂+外加剂（防止强度的衰退：二氧化硅石英砂）+加重剂材料。对于深井低压地层可以考虑用泡沫水泥固井。加入缓凝剂的量要使水泥降有足够的时间进行混合，泵送和顶替，另外加1小时的安全于量。深井的长尾管的顶部和底部的温差大，当水泥降注到尾管底部较热的部分和顶部较冷的部分时必须维持水泥浆的可泵性。但是过度缓凝会导致地面大量的设备等候侯凝，也不利于防止气串。如果井底的温度高于110度，水泥中应加防止强度衰减的外加剂。在等于或大于110度时，水泥初凝时具有正常的抗压强度，但是一定时间后发生化学变化，失去全部强度。（2）水泥浆性能深井水泥浆性能设计的基本原则是：（1）合理的顶替时间。既要使水泥浆缓慢以保证足够的顶替时间使最后的水泥浆达到尾管的底部，也要保证温度较低的尾管顶部的水泥浆能在合理的时间内形成抗压强度；（2）应该是在井底循环温度试验下的水泥浆稠化时间；（2）水泥浆性能（3）应该是在井底静止温度下的养护的样品抗压强度。但是对于尾管，应该根据尾管顶部的静止温度和压力试验水泥浆的抗压强度；（4）控制水泥浆失水，防止出现环空桥塞和损害地层。（2）水泥浆量为了有效地封固尾管，应尽可能进行井径测井以确定水泥浆量。2、提高深井固井质量的工艺技术措施（1）钻井液必须具有良好的流动性，这是保证有效顶替钻井液的一个重要的影响因素。这是由失水、屈服值和胶凝强度等性质决定的。塑性粘度=5.7Pa屈服值〈=2.39Pa失水=5ml(2)注水泥前和注水泥期间活动管柱，上下活动或旋转。旋转管柱提供了机械的方法来保证窄环空能填上水泥（见下图），而上下活动则是提供了流动速度和波动压力有助于破坏冲洗井段的钻井液胶凝。目前有三种方式：动力水龙头、转盘、动力大钳。（2）管柱居中当水泥浆在环空中向上流动时，管柱居中有助于提高水泥浆的作用力。另外，水泥浆倾向于沿阻力较小的环空宽边流动。（4）泵速紊流的顶替效果最好，但是如果达不到紊流，在尽可能高的泵速下顶替较好。（5）使用隔离液在深井中，钻井液常是通过大量处理的水基钻井液或油基钻井液，它们几乎与水泥浆不相容。试验表明使用隔离液能够大大改善顶替效果。隔离液必须与钻井液和水泥浆相容。隔离液的密度低于水泥浆，但是应比钻井液的密度高0.12g/cm^3左右。（二）确定井底温度的方法1、确定井温的重要性在钻井和完井过程中，精确地确定井底温度十分重要，尤其是对注水泥浆设计。井下温度影响水泥浆的稠化时间、流变性、抗压强度和凝固时间。温度估计低了，实际水泥浆的稠化时间或可泵时间缩短。温度估计高了，实际水泥浆难以凝花费的侯凝时间太长，也不利于防气串。2、API井底循环温度除了水泥的抗压强度是以井底静止温度下试验外，其余的水泥浆性质（如稠化时间和失水）都应该根据井底循环温度来进行设计。井底循环温度的影响因素很多，包括井眼几何形状、循环流量、循环时间、入口钻井液（水泥浆）温度、地温梯度、热交换系数和井深等。测井测量的温度既不是注水泥时的温度，也不是水泥时的井底循环温度，也不是水泥浆侯凝时的井底温度。下图正好说明了这一点。API井底循环温度（７８口井不同的井中测量８７个循环温度，其中７６次测量是在水基泥浆中进行，１１次在油基泥浆中进行。测量分布在美国的１０个州，井深在１１９０——６９３４米。）（API规范１０）３、关于井底循环温度的新观点有人认为API图表过高估计了深井的循环温度，可能造成水泥浆过度缓凝，因此应修改。根据API井底循环温度调查小组的结论——现场数据表明井底循环温度（BHCT）可能与井底静止温度(BHST)成线性关系。BHCT=A１+A２*地温梯度＋（A１-A２*地温梯度）＊BHSTBHST=平均地面温度＋地温梯度＊垂直深度A1和A2为经验系数。（三）高温水泥浆材料为了防止高温时水泥强度衰退，通常在水泥中加入一定的石英砂或石英粉。（四）防气窜技术气体窜槽会造成层间封隔不好、环空压力增加、气体串流到地面以及生产层或非生产层之间连通等。１、气体串槽机理（１）钻井液顶替不好注水泥时井眼中的钻井液顶替不好，因钻井液胶凝、脱水和收缩会使地层流体进入环空发生串槽。（２）界面微环空气体可能通过套管－水泥界面和水泥－地层界面间的微环空（见图）发生流动。在套管－水泥界面产生较大的微环空可能有各种机理，如钻井液附在套管上，或“软环境”处过量水泥膨胀（离开套管）。１、气体窜槽机理水泥－地层界面的气串可能发生在有厚泥饼的情况。另外，注水泥后的水泥体积收缩和压力损失会导致产生微环空。见下图（试验结果）。（３）水泥的渗透性在未凝固的脱水水泥浆中，甚至在凝固不久的水泥里，水泥的渗透率相当高，气体可能通过渗透通过水泥浆本体进入井眼（见下图）。一旦气体侵入环空中，它就可以通过所有的途径运移。（４）水泥浆柱的压力损失当水泥进入环空后不久，环空水泥柱的压力开始下降（见图）。当水泥柱传递的压力低于地层的气体压力时，气体就容易进入水泥柱内。２、深井防气窜技术１）防气窜的工艺技术措施２）防气窜的特种水泥外加剂１）防气窜的工艺技术措施（１）提高顶替效率旋转、上下活动套管，紊流顶替，增大钻井液与隔离液及水泥浆的密度差。１）防气窜的工艺技术措施（２）降低水泥浆失水降低水泥浆失水就可大大减少环空水泥浆体的损失速度。体积损失与压力损失成正比，因而降失水又大大减少压力损失速度。１）防气窜的工艺技术措施（３）增加环空间隙１）防气窜的工艺技术措施（４）改变稠化时间使用不同绸化时间的水泥浆，以便尽可能延长水泥浆柱压力作用的时间。１）防气串的工艺技术措施（５）使用可膨胀式管外封隔器，防止气体通过微环空达到地面。１）防气串的工艺技术措施（６）减少水泥柱长度通过直接减少注水泥返高可以做到这一点。２）防气窜的特种水泥外加剂（１）膨胀水泥它是通过凝固水泥的体积膨胀来封微环空。商业性的膨胀水泥在普通硅酸盐水泥中加入无水磺化铝酸钙、硫酸钙和石灰。２）防气窜的特种水泥外加剂（２）不渗透水泥它是在水泥从初凝到凝固之间的过度期间内，通过水泥结构的物理和化学变化形成一个不渗透的阻挡层来防止气串。在普通水泥中加入发泡活性剂，利用地层进入的气体形成泡沫水泥，对另外的气体形成一层不渗透的阻挡层。水泥浆中加入发泡活性剂可以使气体运移阻力增加５倍。（见下图）２）防气窜的特种水泥外加剂（３）硅石微粒水泥它能将空隙水束缚在水泥骨架内，另一方面因为小颗粒硅石微粒可以充填在水泥颗粒之间。见下图。２）防气窜的特种水泥外加剂（４）触变水泥防气串的一个方法就是改变胶凝强度，以便在水泥停止流动之后形成静胶凝强度（见图）。过平衡压力丧失之后形成239帕的静胶凝强度越快，则阻止形成气串的可能性就越大。２）防气窜的特种水泥外加剂（５）延迟胶凝强度水泥防气窜方面的一个最新发现就是Halliburton服务公司研制的延迟胶凝强度水泥。使用了一种具有降失水和改善胶凝强度发展的水泥外加剂。当大部分失水发生时，水泥静胶凝强度发展延迟了，而延迟阶段后，水泥浆失水减少了，水泥浆迅速通过它的过度时期。失水和静胶凝强度这两项不同时发生，实际压力损失将大量减少，从而防止气窜。２）防气窜的特种水泥外加剂（６）可压缩水泥可压缩水泥是在普通水泥中加入一种能产生气体的外加剂，在水泥泵入井之后产生气体，这些气体体积很小，在井下条件下约占水泥柱体积的３％。产生的极小而且是分散的，以至浮力不会引起气体的上移、聚集和形成窜槽。深井和超深井钻井井身结构设计方法在具有复杂地质环境的地区进行深井和超深井钻探时,由于在钻达目的层前要钻穿多套压力及岩性不同的地层,钻井工艺技术面临岩性差异大以及易发生井漏、井喷等事故的挑战,这些地区的钻井特点超出了常规井井身结构和套管与钻头系列设计所考虑的范畴。因而,进行复杂地质环境下的深井和超深井井身结构设计以及进行可封隔多个复杂层位的套管与钻头系列优选研究,显得尤为重要。传统设计方法的基本原理传统井身结构设计遵循的基本原则是:在有效保护油气层的前提下最大限度地保证裸眼井段的安全钻进,避免钻进过程中发生漏、喷、塌、卡事故,确保钻井施工安全,顺利钻达目的层。设计的基本依据是所钻地区的地层特性剖面、地层孔隙压力剖面