川西深井固井技术措施评述

收稿日期:2007-01-18;修回日期:2007-08-11

3中石化西南分公司项目“川西地区深井钻井完井工程跟踪研究”

(编号:GJ -47-0507)的研究成果。作者简介:严焱诚(1978—),2005年毕业于西南石油大学应用化学专业,从事钻井、固井液和油田化学外加剂研究。地址:(618000)四川省德阳龙泉山路298号工程技术研究院,电话:0838-*******,E -mail:yanyancheng1978@1631com

钻井工艺

川西深井固井技术措施评述

严焱诚,薛丽娜,廖忠会

(中石化西南分公司工程技术研究院)

严焱诚等.川西深井固井技术措施评述.钻采工艺,2007,30(5):27-29

摘　要:川西近年来部署深井较多,提高深井固井质量一直是人们关注的难点问题。为此,从固井方面存在的一些问题着手,分析了影响固井质量的因素———钻井液、套管居中度、前置液、水泥浆性能以及长裸眼段和易漏失等情况。然后分别对各个影响因素进行了讨论,提出了提高深井固井质量的技术措施。通过试验,前置液达紊流顶替是可以实现的,而采用塞流顶替施工时间太长、采用水泥浆紊流顶替受设备限制和易冲垮井壁;通过调整钻井液性能,降低粘度和动(静)切力,可有效地改善第二胶结面的质量;保证良好的套管居中度、设计优良性能的水泥浆体系、研究高温水泥浆体系,都能够在一定程度上提高深井固井质量,为后期开采打下良好基础。

关键词:深井;固井;固井质量;影响因素;技术措施

中图分类号:TE 256 文献标识码:B 文章编号:1006-768X (2007)05-0027-03

提高深井固井质量是历来密切关注的问题,随着钻井深度的增加,固井完井问题也越来越突出,如水泥浆外加剂的抗高温性能不好,在高温、高压条件下,水泥石变脆,水泥浆流变性能变差,游离液大;在深井窄环空固井时,水泥浆在窄环空间隙中上返时处于高剪切状态,摩阻大,易压漏地层(特别在安全窗口比较窄的井段),而且水泥浆在凝固过程中的“失重”现象较常规井更加严重。尽管在施工前,做了大量的固井方案及试验工作,可是在复验中仍有问题存在,稠化时间与设计发生偏离,水泥石收缩率高,游离液偏大等一系列问题,使固井质量难以提高。此外,井身质量,如糖葫芦井眼,以及易垮地层的存在,也给深井和超深井固井施工带来了一系列的难题。虽然近几年加大了对固井技术的研究,也取得了很大的进步,使施工作业顺利完成,但固井质

量优质率仍然很低[1]

。近几年,川西地区部署了10余口深井,从已完钻深井来看,由于川西地区深层地质构造复杂,井下复杂状况难以预料,难以保证稳定的深井固井质量,特别是长裸眼段的固井质量,由于川西地区气层比较多,长裸眼段固井的气窜问题易发生,造成大量油气资源损失,存在严重的安全和环保隐患。存在的主要问题:①大尺寸套管固井存在顶替效率不高,多数井声幅质量不够好,有的井还有环空气窜问题;②技术套管也存在环空窜气问题;③

生产套管有的下不到位,下到位后有进无返,常有漏

失发生;④小井眼固井质量不易保证。

通过对这些问题的分析总结,深井固井质量的影响因素主要是以下几个方面。

一、固井质量的影响因素

11钻井液的影响

使用钻井液钻井时会在井壁上形成滤饼,不管

其有多薄,固井时都会在井壁上形成一个不可固化层,使水泥环与地层岩石之间存在不同程度的剥离,产生微裂缝,导致界面胶结强度下降,留下层间窜的隐患。固井前对钻井液性能进行调整,降低钻井液动切力、塑性粘度和静切力,既可降低流动摩阻压力,防止顶替过程中泵压过高,压漏薄弱地层;还有利于清除钻井液中的钻屑,预防电测遇阻;也有利于改善滤饼质量,提高第二界面胶结质量,但这一环节

常被工程技术人员忽视[3]

。多数深井及超深井钻井的成败很大程度上取决于钻井液性能的好坏,因而钻井施工单位比较重视钻井液性能调整。但是由于深井、超深井所钻遇的地层较复杂,既有易垮层,又有易漏层,一般在钻井过程中只重视如何钻穿目的层所需的钻井液性能,而不重视如何保证优质固井。

为了保证测井及套管下入成功,钻井液中加入

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了含油的润滑剂,增加了钻井液的含油量,在套管外

壁形成一层油膜,该油膜用常规的隔离液很难清洗干净,造成第一胶结面变差。钻井施工方为了保证自身的利益,固井前钻井液性能很难满足固井技术的需要,特别是对今后水平井的钻井中,在水平段使用油基钻井液或者混油钻井液。因而应在固井前调整钻井液性能、研究清洗油污功能的前置液,以提高固井质量。

21套管居中度对固井质量的影响

在套管尺寸一定条件下,井径越大,套管居中度越小,同时井眼的弯曲程度、井径变化率情况也决定了全井套管居中程度。比较好的套管居中度,有利于水泥浆的顶替,关于套管居中度的最佳值,国内外许多研究已达成共识。但是,深井由于井下复杂,既有垮塌层存在,又有缩径层存在,且安全窗口较窄,在下套时很难按理论设计的要求加入套管扶正器,进而也谈不到最佳的套管居中度,如果按设计进行,可能导致下套遇阻,甚至遇卡。为了井下安全,技术人员一般采取折中的办法,既要保证一定的居中度,又要使套管顺利下入。因此,如何实现优质固井质量,就只有在水泥浆性能、前置液及施工措施方面进行研究。根据井下情况,大多数油气田采用低游离液、低失水水泥浆以及有稀释钻井液功能的前置液及塞流顶替技术,在几口深井中实现了优质固井。但有关这方面的理论还不成熟,还有待深入研究。

根据统计资料,套管居中是确保环空水泥环均布的重要一环。当居中度大于65%时,固井质量很好保证,当居中度低于45%时,固井顶替效率小于80%,固井质量就难保证。31前置液对固井质量的影响

①用来隔开钻井液与水泥浆,或提供钻井液抗水泥侵能力,防止钻井液与水泥浆接触污染,且与钻井液有很好的相容性,能够稀释钻井液,降低钻井液的粘度和切力,提高对钻井液的顶替效率,能够有效地冲洗套管壁,提高水泥浆与套管的界面胶结强度,能够帮助剥离井壁上的疏软滤饼,提高水泥环与井壁的胶结质量与水泥浆有很好的相容性,不应使水泥浆发生变稠、絮凝、闪凝等现象。②要求前置液对套管和井壁的粘附力要小,易被水泥浆顶替走,保持水泥浆与两个界面牢固胶结前置液留在界面上,不影响甚至能提高水泥浆的胶结质量;具有一定的对固相的悬浮能力,防止冲蚀的滤饼堆积,特别对大斜度井和水平井尤为重要;③能够控制井下不稳定地层,防止坍塌,对易漏井固井,前置液应有防漏或堵

漏效果;对于高压井固井,前置液应有足够的密度,对于深井固井,前置液应具有热稳定性

[2]～[4]

。由

于钻井过程中多种因素的影响,井眼的横剖面呈不规则的椭圆型或葫芦形,纵剖面呈锯齿形,如果还存在几个“大肚子”冲蚀井段,不管顶替排量多大,都很难将其中的钻井液顶替干净;另外弯曲井眼中套管不易居中,改变了顶替过程中环形空间的流速分布,增加了窄边钻井液的驱替难度。而这些残留的钻井液往往与水泥浆不能相容,严重影响了水泥浆的流变性和胶凝强度的发展。因此,前置液对钻井液要有很好的稀释作用,以便改善其流动性能,易被容易顶替,同时对水泥浆又有分散和缓凝作用,既产生了紊流顶替,又延长了稠化时间。大量的实践证明:在注水泥之前先注入一定量的冲洗液或紊流隔离液,可获得最有效的冲洗和清除效果,特别是对于弯曲井眼中套管不易居中造成的窄间隙的钻井液驱替,效果更为明显。这样就极大地提高了水泥浆的顶替效率,从而改善了水泥浆胶结质量。使用适应本地区钻井液性能的前置液,不但有隔离的效果,还有改变钻井液性能的功能,即前置液能大幅度改变钻井液的粘度和提高滤饼质量,以达到提高固井质量的目的。

在90℃下对前置液进行养护,20m in 后取出测其流变性,并计算其紊流临界排量及塞流临界排量,其结果如表1。

表1　不同井径前置液不同流态下的临界排量井径

(mm )紊流临界排量

(m 3/m in )塞流临界排量

(m 3/m in )24011160109224

1104

0108

从计算结果看,要实现水泥浆在井内的紊流注替是不现实的,一是受施工设备限制,二是因为其排量太大,容易冲垮井壁及造成井漏;再则选择水泥浆的塞流注替,施工时间太长,水泥浆稠化时间调整困难。从前置液的计算结果分析,可实现前置液在环空的紊流顶替,达到提高顶替效率。41水泥浆性能对固井质量的影响

(1)川西多数深井、超深井井温都超过120℃,

因此需采用高温、高密度水泥浆体系固井。高温水泥浆体系普遍存在稠化时间不易调整的问题,因为高温缓凝剂加量敏感。油井水泥的牌号及批号对水泥浆稠化时间都有很大的影响,即使同一牌号的水泥,新生产的水泥与放置一段时间后的水泥,即使用同一配方配制成的水泥浆稠化时间也可能相差60

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2007年9月

Sep.2007

m in,有的甚至更大。因而经常出现设计好的方案,在施工前复检时性能发生较大的偏离。

(2)高温水泥浆体系普遍存在高温条件下游离液偏大、水泥石收缩率高的问题,这样的水泥浆体系很难达到优质固井质量的要求。因而高温水泥浆体系的研究仍然需要深入研究。

通过对防气窜水泥浆体系的完善和研究,研究和运用了漂珠-微硅低密度防气窜水泥浆体系、低失水防气窜水泥浆体系、低失水非渗透水泥浆体系、低失水膨胀水泥浆体系、发气膨胀性型防气窜剂水泥浆体系、高温加砂防气窜水泥浆体系及塑性水泥浆体系。应用于多口气井的固井施工中,固井质量有了大大的提高。塑性水泥浆体系运用在深井小尺寸尾管固井施工中,解决了深井油层尾管固井环空间隙小,水泥环薄,水泥石抗冲击力差,易破碎的难题。

51长裸眼段及易漏失井段对固井质量的影响水泥浆密度与地层承压能力相适应,防止发生漏失;水泥浆体系在井下高温高压下要有足够长的可泵时间;长封固段固井,上部水泥石要尽可能快的强度发展[5]。深井及超深井固井经常遇到长封固段和易漏井段的固井问题。长封固段尾管固井和易漏层段的固井,经常出现在钻井过程中不发生漏失,而在下完套管后却发生漏失的现象。由于井深,钻井技术人员往往不同意采取堵漏措施,而采用的低密度水泥浆密度也不会低于钻井液,因而无法保证固井过程中不发生漏失。因此,有必要进行防漏堵漏抗高温水泥浆体系的研究,因为下套完成后,若采取堵漏措施,对堵漏配方的颗粒级配要求较严,若颗粒级配不合理,只能是打入堵漏液后静止不漏失,而循环后又出现漏失,因而成功率小。若采用防漏堵漏水泥浆体系,可容易地解决这些问题。低密度高强度水泥浆体系在破裂压力较高地层采用该项技术也是一个提高固井质量的好途径。

川西深井长裸眼井段内断层多,地层破碎,泥页岩水敏性强,可能包含不同岩性的砂岩、泥页岩、砾和盐岩层段,易垮塌,气显示层多而且超高压,同一井段地层压力系统不完全一致,故不容易确切掌握漏层位置。这些复杂因素造成固井过程顶替困难,很容易漏失低返,导致固井质量不高。

二、结论

(1)保证钻井的井身质量,为固井施工作业提供良好的井眼条件。

(2)采用前置液紊流顶替技术,尽量提高顶替效率,较完全清出井内钻井液,达到替净,提高固井质量。

(3)水泥浆性能要求低失水、低收缩、高的早强度,调节外加剂加量,最优化水泥浆配方。

(4)提高套管居中度可采取两项措施:一是提高井身质量;二是合理地设计套管扶正器的卡放数量、位置。

(5)固井前一定要充分循环、调整钻井液性能,尽可能将井眼准备充分。

(6)采用多级注水泥方式以解决川西多个压力系统的问题。

参考文献

[1]　莫军.塑性水泥体系在川西固井中的应用研究[J]1天

然气工业,2005,25(11):72-751

[2]　张明霞,向兴金,童志能,等1水泥浆前置液评价方法

总论[J]1钻采工艺,2002,25(6):81-831

[3]　李早元,郭小阳,杨远光1固井前钻井液性能调整及

前置液紊流低返速顶替固井技术[J]1钻井液与完井

液,2004,21(4):31-331

[4]　马文英,张辉,田军1提高第二交界面固井质量的钻

井液与前置液研究[J]1钻井液与完井液,2003,20

(4):27-301

[5]　李友臣,吴旭辉,张轩1固井前置液技术研究[J]1西

部探矿工程,2005(1):128-1291

[6]　钟福海,陈光,邓艳华,等1长封固段低密度水泥浆固

井技术[J]1钻井液与完井液,2005,22(增刊):93-

951

[7]　王成文,等1深水固井面临的挑战和解决方法[J]1钻

采工艺,2006,29(3)1

[8]　刘其明,等1中江地区井壁力学稳定性研究[J]1钻采

工艺,2006,29(5)1

[9]　马发明,等1四川地区性须家河组小井眼钻井技术研

究[J]1钻采工艺,2006,29(4)1

[10]陈武,等1油气操作成本预测方法研究[J]1钻采工

艺,2006,29(5)1

(编辑:黄晓川)

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maxi m u m VonM ises stress on casing,only considering casing te m2 perature change is not enough.So,earth stress should be consid2 ered when calculating maxi m u m Von M ises stress on casing.

Key words:earth stress,coup ling,temperature field,ther mal stress,casing failure,finite ele ment analysis

CHEN Y ong,born in1979,now he is studying f or his Doc2 t or’s degree in South west Petr oleu m University,is engaged in the research on well engineering.Add:Doct or Grade2005,South west Petr oleu m University,Xindu D istrict,Chengdu City610500,Si2 chuan Pr ovince,P.R.China　Tel:86-28-83032210　E-mail:chenxiao_111@https://www.360docs.net/doc/c66902341.html,.

M ECHAN I CAL ANALY S I S O F W E LL TEST I NG DOW N-HOL E STR I NG I N D EEP W E LL W I TH HTHP AND I TS APPL I CAT I O N

DO U Y i hua1and Z HANG Fuxiang2(1.Xi’an Shiyou Uni2 versity;2.Tari m O ilfield Co mpany),D PT30(5),2007:17-20 Abstract:The paper analyzed the characteristics of p r oduc2 ti on test and well testing string in high te mperature and high p res2 sure wells.Based on considering the casing p r ogra mme,tubing and downhole t ools combinati on,external l oads,and influences of high p ressure and high te mperature,the l ongitudinal buckling forces of the strings were analyzed,and the buckling critical l oad was obtained.Then,the computati onal methods and f or mulae f or calculati ons of downhole casing l oad,stress and l ongitudinal de2 for mati ons were deduced.W ith the verificati on by laborat ory and oilfield experi m ent,a p ractical calculati on p r ocess of well testing strings mechanics was for med.Based on the carrying out mechan2 ics analysis,the useful conclusi ons and operati on suggesti ons were obtained.

Key words:down-hole string,f or mati on testing,HPHT well,mechanical analysis;app licati on

DO U Y i hua,born in1964,graduated fr om China University of Petr oleu m(East China),South west Petr oleu m University and North west Technical University in1984,1987and1998,and ob2 tained Bachel or’s degree,master’s degree and doct or’s degree res pectively,Now he is being engaged in the teaching and re2 search on petr oleu m m ining machinery and petr oleu m engineering. Add:Xi’an Shiyou University,26-401#,Xi’an City710065, Shanxi Pr ovince,P.R.China　Tel:86-29-85275243　E-mail:yhdou@vi https://www.360docs.net/doc/c66902341.html,

REAS O NS O F D R I LL I NG T OOL FA I L URE I N TAR I M O I L F I E LD

L I N Y uanhua1,LUO Faqian2,S H I Taihe1,ZHANG Zhi1, S U J ianwen2and L I U Yuanyang2(1.Key Laborat ory of TubingMe2 chanics and Envir on mentalBehavi or,South west Petr oleu m Univer2 sity;https://www.360docs.net/doc/c66902341.html,PC Tari m O ilfield Co.),D PT30(5),2007:21-23 Abstract:Geol ogic configurati on of p ied mont structure-lithofacies z one is comp lex,and the aggressive drilling technol ogy is app lied in Tari m O ilfield.So,the service envir on ment of drill2 ing t ool in downhole is bad and the operating mode is comp lex. These induced in transiti onal z one p ierce ment of drill p i pe and many scre w thread failures of t ool j oint.This paper discussed the reas ons of drillstring failures in Tari m oilfield considering drilling technol ogy and material characteristic of drill p i pe.These reas ons include high technol ogy challenge of drill p i pe caused by aggres2 sive drilling,covibrati on and reversal move ment of drill string in2 duced by high r otati onal s peed,and mechanical p r operty index of drillstring’s material,etc.

Key words:drilling t ool failure,p ierce ment,screw thread, failure reas on,vibrati on

L I N Y uanhua(professor),born in1971,is engaged in the research and teaching of oil well p i pe and drilling technol ogy in South west Petr oleu m University.Add:Key Laborat ory of Tubing Mechanics and Envir on mentalBehavi or,Southwest Petr oleu m Uni2 versity,Xindu D istrict,Chengdu City610500,Sichuan Pr ovince, P.R.China　Mobile Phone:139********　E-mail:yhlin28@ https://www.360docs.net/doc/c66902341.html,

STU DY O N THE LO ST C I RCULAT I O N AN D SEAL2 I NG M ECHAN I S M I N COM PL EX H I GH D I P CRACK FO R M AT I O N

SH I X i a ob i n g1,X I O NG J iyou1,CHE N Ping1,X I A Hongquan1and CA I Zhang wei2(1.State Key Laborat ory of O il and Gas Reservoir Geol ogy and Exp l oitati on,South west Petr oleu m University;https://www.360docs.net/doc/c66902341.html,PC Sichuan D rilling&Pr oducti on Technol ogy Re2 search I nstitute),D PT30(5),2007:24-26

Abstract:The geol ogic and drilling situati ons are comp lex in high di p f or mati on.Specially,the circulati on l oss occurs high fre2 quency,it restricts the drilling efficiency badly.The circulati on l oss tr ouble has t o be overcomed t o get safe and fast drilling.It is the key t o know the circulati on l ossmechanis m,but the level is on qualitative analysis and half fix quantify stage,it is necessary t o study the mechanis m more.I n this paper,a sealing off l ost circu2 lati on model was established based on non-Ne w t on fluid fl ow method and grain randomness moving la w in the crack.Based on the distributi on of fracture and characteristics of drilling,the l ost circulati on p ressure p r opagati on la w and sealing off strength char2 acter of drilling fluid and sealing fluid in fracture were studied. The researches offer theoretic f oundati on for p reventi on and sealing off circulati on l oss in comp lex high di p crack f or mati on.

Key words:high di p confor mati on,fracture leakage,FE A, l ost circulati on,sealing

SH I X i a ob i n g,born in1967,is a doct or and ass ociate p r o2 fess or,is engaged in the teaching and research on petr oleu m engi2 neering.Add:State Key Laborat ory of O il and Gas Reservoir Ge2 ol ogy and Exp l oitati on,South west Petr oleu m University,Xindu D istrict,Chengdu City610500,Sichuan Pr ovince,P.R.China　Tel:86-28-83032734　E-mail:shixbyy@https://www.360docs.net/doc/c66902341.html, RESEARCH O N CE M ENT I NG M EASURES F O R D EEP W E LL I N W EST S I CHUAN

YAN Yancheng,XUE L ina and L I A O Zhonghui(Engineer2 ing Technol ogy I nstitute of Sinopec Southwest B ranch),D PT30 (5),2007:27-29

Abstract:There are more deep wells dis posed in s outhwest of Sichuan p r ovince.According t o s ome p r oblem s in cementing,this article analyzed the influence fact ors on ce menting quality,such as drilling fluid,casing centralized,p repad fluid,ce ment slurry per2 for mance,l ong open hole secti on and easy leaking off etc.,and put for ward the technicalmeasures of i m p r oving ce menting quality. By experi m entati on,the p repad fluid turbulent fl ow can be real2 ized.But p lug fl ow will lead t o l ong ce menting ti m e,slurry turbu2 lent fl ow is li m ited by equi pment and easily burst wellface.By ad2 justing the ability of drilling fluid and reducing viscosity and shear2 ing f orce,the quality of second cons olidati on interface was i m2 p r oved effectively.I n additi on,ensuring good casing centralized, designing op ti m izing slurry system and studying slurry system w ith high temperature can enhance ce menting quality of deep well.

Key words:deep well,ce menting,ce menting quality,influ2 ential fact or,technical measures

YAN Yancheng,born in1978,graduated fr om App lied Che m istry Depart m ent of South west Petr oleu m University in2005, is engaged in the research on drilling,ce menting fluid and addi2 tive.Add:Engineering Technol ogy I nstitute of Sinopec South west B ranch,298Longquanshan Road,Deyang City618000,Sichuan Pr ovince,P.R.China　Tel:86-838-2552822　E-mail: yanyancheng1978@https://www.360docs.net/doc/c66902341.html,

? DR I L L I N G&PRODUCTI O N TECHNOLOGY Vol.30No.5Sep.2007