刘硕琼老总--固井技术现状及发展趋势

－1－中国石油集团钻井工程技术研究院2013年11月固井技术现状及发展趋势报告人：刘硕琼－2－报告提纲现代固井技术概要国内外固井技术现状现代固井面临的挑战固井技术发展趋势及研究方向－3－起源1919年Halliburton在俄克拉荷马州成立新方法油井固井公司标志独立于钻机的泵注系统发展借鉴建筑行业发展添加剂体系固井设备仪器仪表API标准一、现代固井技术概要1、现代固井的起源－4－一、现代固井技术概要概念化阶段19081938年，从埋管到注水泥形成一门独立的工艺技术单塞双塞专用管材+专用水泥专门化检测套管注水泥工艺发展阶段19401970年，从单一套管注水泥到形成多种注水泥工艺方法（分级、多管、反循环、延迟、管外注、内插注、挤水泥、打塞、尾管注）管材工具配套化材质配套化（水泥、外加剂、前置液）机理初探（顶替）2、现代固井的发展－5－工艺定型工具及材料条例化设备专门化技术理论化设计科学化水泥及外加剂化学管材力学、加工工艺学形成独立科学制造技术测量技术计算机技术2、现代固井的发展科学化阶段1970目前一、现代固井技术概要－6－固井Cementing钻进过程完井过程储层改造补救支撑套管，建立钻井通道封隔油气水层，建立油气通道堵水，转层水泥塞，挤水泥贯穿油气井建井和生产整个过程一、现代固井技术概要3、固井的目的－7－一、现代固井技术概要1、安装井口装置：控制钻进过程中遇到的高压油气水层2、巩固疏松井段，隔离复杂地层3、封隔地下油气水层，防止上下窜通4、封隔暂不开采的油气层5、钻井或作业中出现井喷时，不会因压井而压裂地层6、为油气生产建立长期稳定的通道7、油气井抢险作业3、固井的目的－8－固井的特点一次性工程：如果质量不好，一般情况下难以补救，且成本高，效果差隐蔽性工程：主要流程在井下，施工时不能直接观察，质量控制往往决定于设计的准确性和准备工作的好坏，受多种因素的综合影响作业要求高、技术性强的系统工程：施工时间短，工序内容多，作业量大，是技术很强的工程油气井的百年大计：固井施工安全及固井质量影响后续工程的进行（开采、压裂增产，寿命及产能）,对产能影响大固井是系统工程、一次性和隐蔽性工程、百年大计工程一、现代固井技术概要－9－4、固井可能带来的危害井喷——灾难性后果（墨西哥湾事故）灌香肠、插旗杆——整井报废，单井段报废，经济损失巨大挤毁套管——整井报废，单井段报废，经济损失巨大油气水窜——单井段报废，降低开发效益环空带压——开发隐患，增加作业成本、环境危害超缓凝——延长作业时间、增加作业成本返高不够——降低封固质量，增加补救作业成本过早套损——单井报废，增加作业成本，降低开发效益……一、现代固井技术概要－10－4、固井可能带来的危害墨西哥湾MC252井喷漏油事故发生在固井后替海水作业时，固井失败是事故的直接原因区块：MississippiCanyonBlock252位于美国路易斯安那州海洋Maconda探区作业水深：1524米离岸距离：77公里油公司：BP钻井承包商：越洋钻探公司（Transocean）固井服务公司：哈里伯顿2010年4月20日晚上22:00左右，BP公司位于墨西哥湾的“深水地平线（DeepwaterHorizon）”钻井平台MissssippiCanyon252#-01井发生井喷爆炸着火事故，造成11人死亡，17人受伤，大面积海域受到严重污染一、现代固井技术概要－11－井筒密封性没有建立或失效环空水泥密封性差，未能封隔油气层管鞋密封失效，导致油气上窜未能及时监测到油气上窜，井控失效反向试压测试结果不准确窜至隔水管前，未能及时监测到油气上窜井控装置失效油气在深水平台上点燃导流至泥浆天然气分离装置时天然气泄漏至钻机平台消防系统未能组织油气点燃防喷器未能及时封井防喷器的紧急模式未能封住井口一、现代固井技术概要－12－选择充氮水泥的原因窄密度窗口，降低液柱压力可能存在的风险泡沫稳定性差水泥浆体积少（总共62桶）水泥浆易受污染减小风险的措施水泥综合性能检测，选择综合性能好的水泥浆体系精确施工套管居中措施安装6个扶正器未考虑其它套管居中措施一、现代固井技术概要－13－充氮水泥体系复杂，影响因素多水泥浆体积少，易受污染（充氮水泥45桶）未加降失水剂未进行全面的室内实验充氮水泥可能稳定性差，氮气会上窜环空水泥密封性差一、现代固井技术概要固井可能带来的危害－14－充氮水泥中50％的泡沫地面条件下不稳定约18.5％的泡沫水泥（井下条件）不稳定哈里伯顿公司的充氮水泥浆的屈服值过低（135℉时的屈服值为21b/100ft2）水泥浆的失水量过大（失水为302mL/30min，标准规定为50mL/30min）委托独立实验室对固井水泥浆进行了超过500次的实验水泥浆体系存在的问题一、现代固井技术概要－15－套管鞋内2道密封失效（套管内水泥和浮箍阀）充氮水泥易受污染，氮气从浆体中上窜油气进入套管内另一个的原因可能是：浮箍阀未能转换或者密封失效套管鞋内密封失效，密封装置失效套管鞋内装置未能封隔油气一、现代固井技术概要－16－在前期统计的193口井中，水泥未返到井口的有97口，占总井数的50.3%盐膏层套管挤毁10口，占总井数的5.18％井口带压的井（发生环空气窜）有39口，占总井数的20.2%生产套管固井候凝时发生气窜有14口，占总井数的7.3%盐膏层段固井质量不合格150口，占总井数的77.7％固井可能带来的危害在扬古伊和皮尔古伊气田区域，由于Yan-10井、Pir-7井、Pir-5井等井在揭开目的层后发生强烈井喷，不仅造成井眼报废，更为严重的是使大量天然气沿报废井眼或套管外环空（固井质量极差）上窜，在上部储层发育且盖层封闭性较好的地层中形成了不同规模的“人工气藏”土库曼斯坦阿姆河右岸气田固井一、现代固井技术概要－17－墨西哥湾的OCS地区，大约有15500口生产井、关闭井及临时废弃井。据统计，有6692口井约43%至少有一层套管环空带压。在这些环空带压的井中，共有10153层套管环空带压，其中47.1%属于生产套管带压，16.3%属于技术套管带压，26.2%属于表层套管带压，10.4%属于导管带压。大部分井下入几层套管柱，从而使判定环空带压的原因与采取有针对性的补救措施困难，每口井补救费用高达100多万美元固井可能带来的危害一、现代固井技术概要－18－固井可能带来的危害台H6-1井339.7mm表层套管固完井候凝时，北东方向约250米冒气水后目前情况涩北气田气层埋藏浅，分布井段长（408.0-1738.2m），层数多（54-79），气水界面复杂,浅层气、浅层盐水活跃。台H6-1井、台6-7井，一开钻至800m下入表层套管固井后，候凝过程中套管外地表窜出盐水和水溶气，被迫报废台6-7井273mm表层套管固完井候凝时，地表窜出盐水和水溶气一、现代固井技术概要－19－5、固井的关键技术要求一、现代固井技术概要一次作业成功率提高固井一次作业成功率，是确保工程技术安全的关键，是提高固井质量的保障，可以省略后期补就作业有效封隔实现层间有效封隔，是后续安全钻井的保障，是提高开发效益的保障长寿命固井的长期封固质量，是延长油气井寿命的关键，是提高单井综合经济效益的关键－20－6、现代固井技术的科学内涵现代固井工程，隶属于油气井工程二级学科，是油气井工程二级学科的一个主要分支。涉及到地质学、力学、化学、油气井工程、机械工程、冶金工程、材料科学与工程、管理科学、经济学等多学科，是一个系统工程。现代固井工程，从工程实际角度，可以划分为固井工艺技术与方法、固井水泥浆体系和固井装备与质量控制三个单元。一、现代固井技术概要－21－现代固井技术与其他专业关系现代固井工程是石油工程技术领域的一个重要环节，并形成独立专业体系。与地质、钻井、完井、测井、井下作业、油气田开发等各个专业有着密切关系。一、现代固井技术概要－22－固井在钻井工程中的经济份额钻完井工程占勘探开发投资比例美国建井各专业投资比例一、现代固井技术概要－23－某重点深探井工程技术投资比例固井在钻井工程中的经济份额在整个建井工程技术投资中，固井投资比例在20%-30%在整个建井工程中，只有固井工程中的套管和水泥浆留在油气井中一、现代固井技术概要－24－报告提纲现代固井技术概要国内外固井技术现状现代固井面临的挑战固井技术发展趋势及研究方向－25－1、国外固井技术现状国内外早期固井现场施工自1903年开始固井以来，经过固井工作者100多年的努力，固井技术有了很大进步，在固井工艺、水泥及外加剂、固井工具及附件、固井装备等方面均有了较快的发展，形成了适应不同地质及钻井条件的配套固井技术，基本满足了不同条件下固井的需要－26－技术趋势1903现代固井起步注水泥浆固井提高顶替效率理论形成进行水泥浆流变性设计1940-1970形成以失重理论为代表的油气水窜槽理论进行水泥浆体系稳定性设计防止水泥石微裂隙导致的井口带压技术超高温超高压及特殊井的完井固井方法研究向信息化、智能化发展更注重封隔效果，更注重水泥石力学性能1970-20002000-今固井百年技术历程固井的发展历程1、国外固井技术现状－27－油井基本水泥由一两种发展到13种外加剂已发展到14大类200多个品种注水泥装备向操作自动化、密度控制精确化、大能量和大功率方向发展普遍采用计算机控制技术对配浆及施工过程进行连续监控固井计算机模拟、仿真与监控技术，提高了固井方案设计、现场施工的准确性固井质量评价从单一向综合到目前的关注长期胶结质量复杂地层固井技术日趋完善−深井超深井高温固井−高压油气井固井−盐膏层固井−低压易漏失井固井−海洋深水固井−多压力系统综合防窜固井−非油气井固井（储气库、煤层气、热水井等）固井工具已形成系列−双级（多级）注水泥器−可旋转的尾管悬挂器−带封隔器的尾管悬挂器−遇油气膨胀封隔器−适应大位移的固井工具国外固井技术主要进展1、国外固井技术现状－28－国外外加剂及水泥浆体系近年来发展很快，目前已开发了适应不同地质及钻井条件的固井水泥浆体系，较好地满足了低压易漏长封固段井、高压油气井、深井超深井、酸性气体、寒带低温固井、海洋深水固井及复杂条件下挤水泥的需要配套紧密堆积型水泥浆体系适应不同地层及地质特点的水泥浆体系1、国外固井技术现状（1）水泥浆体系的发展－29－LiteCRETE低密度水泥浆。密度可低至0.96g/cm3，密度1.20g/cm3的水泥浆24h抗压强度大于14MPa，水泥浆性能可与常规密度水泥浆相媲美超低密度水泥浆技术。结合了加入微珠和充气产生泡沫2种配制低密度水泥浆的方法，制备出密度更低、性能更加优良的超低密度水泥浆(ULCS)密度为1.44g/cm3的LiteCRETE与1.89g/cm3常规密度水泥浆性对比LiteCRETE高性能低密度水泥浆适应低压易漏长封固段固井PSIMD（1）水泥浆体系的发展－30－高性能超低密度水泥浆HGS电镜照片－31－适用条件水泥浆密度最高可以达2.88g/cm3应用温度范围为32～232℃性能特点水泥浆低粘、低切，流变性好，固井过程中环空压耗小适合于小间隙、安全密度窗口窄情况下的固井，能降低环空压耗，有助于防止漏失水泥石抗压强度高（比常规水泥高30%）、渗透率低Micromax加重剂与水泥的颗粒级配DensCRETE高性能高密度水泥浆适应高压油气井固井（1）水泥浆体系的发展－32－应用温度范围10-260℃，对温度不敏感水泥密度范围：1.20-2.88g/cm3应用水质：淡水或盐水加量：0.1-0.9加仑/袋对水泥的适应性强，加量低，流变性好UniSLURRYUniSLURRY通用型水泥浆体系通用型水泥浆体系高温抗盐水泥浆体系斯伦贝谢UniSLURRY水泥浆：抗温可达260℃(BHST)，抗盐可达饱和哈里伯顿Halad-344/41