固井质量问题及其原因分析（PPT82页)

技术交流20010年8月固井质量问题及其原因分析下午10时42分2主要内容1、概述2、环空窜流的类型及成因3、固井质量影响因素分析4、固井系统工程设计理念5、单项技术6、常见固井质量问题及其原因下午10时42分3固井，就是在钻井作业钻达一定的井深以后，在井眼中下入套管，把水泥浆注入到套管外环形空间（简称环空）某预定位置，并使其在预定时间内迅速硬化、凝结，与地层、套管良好胶结，形成优质、完整、具有良好层间封隔能力的水泥环，进而密封环空、实现层间封隔的工艺过程。一、概述下午10时42分4固井目的：钻井：封隔井下复杂情况，如塑性盐层、高压水层、大段泥页岩以及疏松破碎带等，为泥浆循环提供良好的井眼通道，为顺利进行后续钻井作业奠定基础，从而防止井眼失稳，减少井下复杂和事故，以缩短建井周期，降低油气勘探开发成本。一、概述下午10时42分5固井目的：完井：提供良好的井眼条件。只有层间封隔良好的井眼，才能实施分层作业，如分层测试等；才能实施酸化、压裂等强化开采措施；才能根据油田长期开发的需要选用适宜的开采方式，如分层开采、分组开采等。一、概述下午10时42分6固井目的：开发：提供良好的油气流通道；防止油气资源散失而提高采收率；防止油气藏能量散失而延长自喷生产时间，降低油气生产成本；防止套管外油、气、水互窜而影响油气井的正常生产，并节约修井费用；支撑、保护套管，防止套管因受力或受地层流体腐蚀而损坏，确保油气井寿命满足油田长期开发的需要；便于实施压裂、酸化、分层注水、分层开采等强化开采措施等。一、概述下午10时42分7固井的特点一次性工程,如果固井质量不好,或出现固井事故，难以补救，且补救费用高；隐蔽工程,主要流程在井下,施工时不能直接观察,施工时间短。受多种因素的综合影响；费用高，花钱多；承前启后，钻井-采油；一、概述下午10时42分8层间封隔失败的后果环空窜流：在注水泥作业后，由于水泥浆体系设计不合理，或固井工程设计不合理，或注水泥施工操作不合理，水泥浆未能完全充满待封固的环形空间，或未能形成优质、完整的水泥环，或未与欲封固井段的地层、套管良好胶结，不能在油气井正常生产寿命期间有效密封环空而导致井口冒油、气、水，或油、气、水在地下层间互窜的现象。一、概述窜至地面明显地下窜流隐蔽套管；环空窜流通道；高压层；低压层；一、概述层间封隔失败的后果：环空窜流下午10时42分10一、概述环空窜流的危害下午10时42分11美国一、概述环空窜流的危害下午10时42分12一、概述环空窜流的危害下午10时42分13一、概述环空窜流的危害下午10时42分14环空窜流的危害：钻井：由于不能有效封隔井下的复杂地层，将影响后续钻井作业的顺利进行，从而影响油气井的建井周期和建井成本，甚至影响整个区块的勘探、开发进程。完井：由于地层之间未能得到良好的层间封隔，将无法根据油田长期开发的需要，进行分层测试、分层开采等分层作业。一、概述下午10时42分15环空窜流的危害：开发：难以进行分层测试、分层开采或分组开采等措施，致使部分储量难以动用，不利于提高产量和采收率；油气藏本身的能量、资源将通过窜流通道散失，不利于提高产量和采收率；高压地层水将通过窜流通道进入油气藏，影响油气资源在地下分布、运移，甚至对油气藏造成严重的破坏，如油气层水淹。一、概述下午10时42分16环空窜流的危害：开发：酸液、压裂液等注入流体通过窜流通道进入非目的层，将降低增产措施的实施效果，同时，注入流体乱窜将使波及地区的地层压力发生变化，从而影响油气田的正常生产及合理开发，甚至造成严重事故，如断块复活导致套管成片地被破坏；套管得不到水泥环的良好保护，易被地层流体、注入流体腐蚀损坏，从而影响油气井的正常生产，甚至无法满足油田长期开发的需要。一、概述下午10时42分17固井质量要求：不论是钻井、完井还是开发，对固井质量的要求，都可以归结为：套管：有足够的强度，能承受井下多种外力的作用，耐腐蚀、不断、不裂、不变形。水泥环：良好的层间封隔，不出现环空窜流。可根据层间封隔效果判定固井质量的原因。一、概述下午10时42分18固井的主要目的是层间封隔，一旦出现环空窜流，就表明层间封隔失败，因此，要实现固井的目的，必须有效防止环空窜流。环空窜流是一个非常复杂的物理、化学作用过程，影响因素多，且各因素之间相互影响、相互制约；既可由某些因素单独作用形成，也可由某些因素综合作用形成；不同的影响因素，其作用时间、作用方式、作用原理都有所不同。二、环空窜流的形态及其成因下午10时42分19因此，要防止环空窜流，需对其本身、其影响因素及其作用机理、作用规律有系统、科学、全面的认识。只有这样，才能在进行固井工程设计和固井作业时，对其进行全面的掌握和控制，掐断环空窜流形成的渠道，有效防止环空窜流，从而获得优良的固井质量。二、环空窜流的形态及其成因环空窜流的两个必要条件动力←层间压差：客观存在、改变不了通道←水泥与地层、套管胶结形成良好层间封隔中的薄弱环节，即水泥石本体，或水泥石与地层、套管之间的连接界面、。二、环空窜流的形态及其成因地层水泥石套管下午10时42分21二、环空窜流的形态及其成因窜流通道水泥石本体•大肚子、窄边死泥浆、指进泥浆窜槽•候凝，地层流体窜槽、侵入•自由水通道、严重分层•水泥水化裂缝，收缩、膨胀•水泥石破碎解体，高温、冲击、射孔•井壁残存泥饼•套管、地层表面油湿•微环隙，管内憋压候凝•地层流体动态干扰•界面胶结破坏，PT变化、冲击固井界面下午10时42分22•死泥浆、泥饼•套管、地层表面油湿出现时间注水泥凝结后候凝•自由水通道、分层•水泥水化裂缝•地层流体侵入•动态水干扰•管内憋压、微环隙•提前作业、动井口•水泥石破碎解体•界面胶结破坏二、环空窜流的形态及其成因下午10时42分23固井是一项涉及多学科的系统工程，影响因素多，且各因素之间相互影响、相互制约，既可单独作用影响固井质量，也可综合作用影响固井质量，因此，要提高固井质量，必须对固井质量影响因素及其作用机理形成全面、清晰的认识，只有这样才能在固井工程设计和固井作业时对其进行全面的掌握和控制，从而获得优良的固井质量。三、固井质量影响因素分析根据固井作业涉及的对象分井眼条件地层条件作业目的套管钻井液水泥浆前置液注水泥施工固井质量影响因素三、固井质量影响因素分析（1）井眼类型根据井眼剖面形状，可分为常规直井、定向井、水平井、特殊结构井等；根据钻井目的，可分为探井、评价井、开发井、调整井、注入井等；根据井下复杂情况，可分为高温高压深井、超深井，低压易漏井，热采井、小间隙井等。不同的井型，其作业要求和难点也有所不同，可根据具体情况制定相应的技术标准，并选用适宜的技术措施。三、固井质量影响因素分析-井眼条件（2）井眼参数主要包括井深、井径、返高及上层套管程序，可影响环空浆柱结构、注水泥过程中的环空流动压耗、顶替流速、流态以及水泥浆、冲洗液、隔离液的用量。（3）井眼质量包括井径规则程度、井眼光滑程度、井径扩大率，以及井眼的清洁、畅通程度等。可影响安全下套管、环空流动压耗，以及水泥浆的量及其对钻井液的顶替效率。三、固井质量影响因素分析-井眼条件（4）环空间隙影响水泥浆对钻井液的顶替流速、流态，从而影响顶替效率，以及平衡注水泥设计。另外，小间隙水泥环抗冲击能力较弱，其长期密封性能对水泥石的力学及厚度有特殊要求。（5）井内温度、压力影响水泥浆的流变性、稳定性和注水泥施工的安全性，以及水泥石的强度等性能。三、固井质量影响因素分析-井眼条件（1）地层岩性剖面可影响水泥与地层之间的界面胶结及密封能力，从而影响固井第二界面的层间封隔质量。（2）地层压力可影响环空浆柱结构、水泥浆体系性能、平衡注水泥施工设计、顶替流速、流态和在候凝过程中压稳地层流体、防止地层流体窜槽等一系列影响固井质量的关键环节。三、固井质量影响因素分析-地层条件（3）地层流体特性包括组分、状态(静态、动态)，可影响水泥浆的正常凝结过程，妨碍其形成优质、完整的水泥环；另外，可通过化学腐蚀作用破坏水泥石的化学、力学稳定性从而影响水泥环的长期密封性能。（4）地层气窜潜力不同气窜潜力的地层，需要使用不同的防窜水泥浆体系，并采取适当的压稳防窜候凝措施。三、固井质量影响因素分析-地层条件（1）返高影响水泥浆的量、浆柱结构、顶替流速流态度以及候凝过程中的压稳。（2）后续强化开采措施对返高及拟实施强化开采措施井段的水泥石强度、固井质量有特殊要求。三、固井质量影响因素分析-作业要求（3）后期工况变化不同的井别，有不同的后期工况变化，但都要求水泥环具有良好的长期密封性能。水泥浆凝结后，井内温度、压力的变化可影响水泥石与地层、套管的界面胶结及密封能力，从而影响水泥环的长期密封性能。三、固井质量影响因素分析-作业要求（3）后期工况变化高温下水泥石强度衰退、解体，导致水泥环密封性能失效。水泥石耐腐蚀能力不足，水泥石所处化学环境的变化，如地层水离子组分发生变化，均可影响水泥石的化学、力学稳定性，从而影响水泥环的长期密封性能。三、固井质量影响因素分析-作业要求（1）类型(油基、水基、脂基等)不同类型的钻井液在地层和套管表面的润湿性，可影响水泥石对地层、套管的界面胶结强度及密封能力，从而影响第一、第二界面的层间封隔能力。（2）密度影响环空浆柱结构、平衡注水泥设计等与井底有效压力相关的各个环节，如压稳和防漏。三、固井质量影响因素分析-钻井液（3）流变性(粘度、切力、触变性)是否利于顶替，可影响水泥浆对其的顶替效率。是否利于降低循环压耗，影响平衡注水泥。（4）滤饼质量薄而韧且容易被冲洗液分散的滤饼有利于安全下套管、提高水泥对地层、套管的胶结能力，从而提高联结界面的胶结、密封质量。三、固井质量影响因素分析-钻井液（1）表面粗糙度及清洁度影响水泥与套管之间的界面胶结能力，从而影响层间封隔效果。（2）抗拉、承压及耐腐蚀能力影响套管的安全以及油气井的生产寿命。（3）套管丝扣连接丝扣连接强度对于安全下套管、套管柱抗拉强度有重要影响。丝扣连接的密封能力对气井的安全生产有重要影响。三、固井质量影响因素分析-套管（1）体系可根据不同的分类指标进行分类。不同体系具有不同的特殊性能，以满足封隔不同地层的需要。（2）稳定性目前，主要考核指标为失水、析水和悬浮稳定性（水泥石柱上下的密度差）。失水、析水、水泥石柱上下的密度差越小，体系越稳定。水泥浆体系稳定是安全施工、候凝过程压稳、形成优质水泥环的重要物质基础。三、固井质量影响因素分析-水泥浆（3）流变性可影响现场配浆、平衡注水泥、顶替流速、流态以及最终的顶替效率。（4）施工安全性合理的稠化时间，既可确保注水泥施工操作安全进行，又可缩短候凝时间。（5）适应性对材料性能的微小变化、温度波动、液灰比波动有较强的适应性，影响施工的安全、效率及质量。三、固井质量影响因素分析-水泥浆（6）凝结过程中的防窜能力水泥浆具有适当的防窜能力，既有利于在候凝过程中压稳地层流体、防止地层流体侵入环空、降低固井质量，又有利于降低体系的成本。（7）水泥石强度及长期稳定性水泥石强度应足以支撑、保护套管，并满足后续施工的需要。主要体现为抗高温强度衰退和抗地层流体腐蚀的能力。三、固井质量影响因素分析-水泥浆（8）水泥环的力学、热学性能在油井生产过程中，水泥环所处环境条件不可避免地要发生变化，如由热采引起的温度变化，由酸化、压裂引起的压力变化，以及由蒸汽吞吐引起的周期性应力等。水泥石应具有一定的力学、热学性能，以适应这些工况的变化，并维持良好的界面胶结、密封能力，使水泥环具有良好的长期密封性能。三、固井质量影响因素分析-水泥浆不同的密度、类型，有不同的特殊性能，以满足不同固井作业的需要。可影响冲洗、隔离的效果，从而影响水泥浆对钻井液的顶替效率。用量影响接触时间、顶替效率，亦影响环空浆柱结构设计和平衡注水泥设计。能否与钻井液、水泥浆良好相容，可影响顶替效率和施工安全。可能冲垮、泡垮地层而影响井眼的稳定性。三、固井质量影响因素分析-前置液（1）安全下套管将套管安全下至井底，有利于