井筒无钻井液固井技术.pdf

第 3 3卷 第 4期 2 0 1 1 年 7月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PR0DUCT1 0N TECHN0L0GY Vo 1 ． 3 3 No ． 4 J u l y 2 0 1 1 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 1 0 40 0 3 8 0 4 井筒无钻 井液 固井技术 刘广熙 张学亮 陈 道元 马小龙 刘高军 中原 油田固井工程处 ， 河南清丰4 5 7 3 3 1 摘要空气钻井完井后需要转化好钻井液才能下套管进行固井作业。转化钻井液不仅浪费材料， 还会带来诸如井壁稳定、 防漏、 套管挤毁、 环空封固质量差等一系列技术问题。通过优化水泥浆性能， 采用正、 反注水泥工艺， 实现了空气钻井后不转化 钻井液直接下套管进行固井作业， 既保证了施工安全和质量， 还缩短 了完井周期。现场进行 了9口井的实际应用， 最大井深 3 0 0 0 m， 固井一次成功率 l 0 0 ％， 固井合格率 1 0 0 ％。 关键词 空气钻井 ；固井 ；水泥浆优选 ；钻井 液转化 ；套管挤毁 中图分类号 T E 2 5 6 文献标识码 B Ce me n t i n g t e c hn i que wi t h o ut dr i l l i ng fl ui d i n we l l bo r e L I U G u a n g x i， z H A N G X u e lia n g ， C H E N D a 0 y u a n ， M A X i a 0 10 n g ， L IU G a 0 j u n C e me n t i n gC o m p a n y ， Z h o n g y u a nP e t r o l e u mE x p l o r a t i o nB u r e a u ， Qi n g f e n g4 5 7 3 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t F o r a i r d r i l l i n g ， d r i l l i n g fl u i d n e e d c h a n g i n g a f t e r we l l c o mp l e t i o n ， t o s t a r t c e m e n t i n g ． B u t c h a n g i n g d r i l l i n g fl u i d c o u l d n o t j u s t wa s t e ma t e r i a l ， b u t a l s o c a u s e p r o b l e ms ， s u c h a s w e l l b o r e s t a b i l i t y , c i r c u l a t i o n l o s s p r e v e n t i o n ， c a s i n g c o l l a p s e ， p o o r a n n u l a r c e me n t i n g q u a l i t y , e t c ． By o p t i mi z i n g c e me n t s l u r r y p r o p e r t i e s ， n o r m a l a n d r e v e r s e p u mp i n g c e me n t i n g t e c h n o l o g y wa s t a k e n t o r e a l i z e di r e c t l y c e me n t i ng o pe r a t i o n a f t e r a i r d r i l l i n g c o mpl e t i o n． Afte r t r a ns f o rm i ng d r i l l i n g flui d f o r RI H wi t h c a s i n g c e m e n t i n g o pe r a t i o n ， 1 0 0 ％ c e me n t s l u r r y fi l l i n g wa s r e a l i z e d ． I t n o t o n l y s a v e d c e me n t b u t a l s o s e c u r e d s a f e o p e r a t i o n a n d q u a l i t y a n d s h o r t e n e d t h e we l l c o mpl e t i on pe r i od． Ac c o r di ng 9 we l l s a p pl i c a t i o ns wi t h ma xi mu m we l l de p t h o f 30 00 m，o nc e c e me n t i ng s u c c e s s f ul r a t e r e a c h e d 1 00 ％ a n d c e me n t i n g q u a l i ty r a t e wa s a l s o 1 0 0 ％． Ke y wo r d s a i r dri l l i n g ； c e me n t i n g ； s l u r r y o p t i mi z a t i o n ； d r i l l i n g fl u i d t r a n s f o rm i n g ； c a s i n g c o l l a p s e 随着空气钻井技术 的不断完善 ， 空气钻井 被越 来越多地应用于生产实 际之 中。然而 ， 空气钻 井固 井前常需要转化钻井液循环井 眼， 固井后再气举 出 钻井液 ， 干燥井壁后继续空气钻进 ， 作业周期较长。 转化钻井液不仅浪费材料 ， 还会带来诸如井壁稳定、 注水泥封 固质量差等一 系列 问题 ， 影 响钻井 速度 。 为此 ， 研 究 了井筒 无 钻井 液 固井技 术 ， 可 以简 化施 工 程序 、 减少风险 ， 进一步加快钻井完井速度。 1 转化钻井液存在 的问题 1 井壁稳定问题。空气钻井后井壁保持原始状 态， 转化钻井液过程中滤液浸泡地层 ， 对于易发生水 化膨胀 的地层容易产生垮塌， 严重时造成井眼被埋 ， 需要重新修复井眼。 2 井漏问题 。 空气钻井在井壁上不会形成滤饼， 地层 中的孔隙仍然暴露 ， 钻井液密度 比空气密度高， 容易侵入地层 ， 同时对于低压层容易造成井漏 ， 堵漏 需要 花费 大量 的时 间。 3 注水泥问题 。①环空面积大， 驱替排量有限， 加上井眼不规则 ， 顶替效率不可能达到 1 0 0 ％， 因此 ， 封固段固井胶结质量存在一定 的缺陷；②水泥浆密 度高容易造成井漏 ， 达不到设计 的返高 ；③大直径 基金项 目国家科技重大专项 “ 高舍硫 气藏安全钻 井与 完井技术 ” 编号 2 0 0 8 Z X0 5 0 1 7 0 0 2 0 4 部 分研 究内容 。 作者简介 刘广熙 ， 1 9 7 4年生。1 9 9 7年毕 业于大庆石油 学院 ， 现从事石油 固井工作 ， 工程 师。E - ma i l c h e n d a o y v i p ． s i n a ．c o m。 刘广熙等 井筒无钻井液 固井技术 3 9 套管一般采用插入法 固井 ， 容易造成插头损坏浮箍 ， 致使密封失效 ， 水泥浆不能完全进入环空 ， 部分 留在 套管 内；④注水泥后 环空液柱压力大 ， 管 内液柱压 力小 内管注水泥 ， 大直径套管抗挤毁压力低 ， 一旦 压差大于套管抗外挤压力 ， 套管将被挤毁 ， 严重时井 下工具不能取 出， 影响下步作业。 井筒无钻井液 固井 由于不转化钻井液 ， 有效地 避免 了上述 问题 的发生 ， 节约 了大量的时间和钻井 液材 料 。 2 水 泥浆性 能要求 1 空气钻井完井后井 眼保持原始状态 ， 无钻井 液 固井 时水 泥浆不通 过套 管进入环 空 ， 而是直接从 套管与井壁环空注入 ， 因此要求水泥浆滤失水要小 ， 应控制在 3 0 mL以下 ， 不能发生脱水现象。 2 流动性好 ， 到达井底前不能凝固。 3 对无滤饼 的井壁不能发生漏失 ， 具有一定 的 堵漏性。 4 与干燥 的井壁有 良好的胶结性 。 3 水 泥浆性 能的室 内研究 实验材料 嘉华 G级水泥 ， 降滤失剂 ， 锁水剂 ， 减水剂 ， 表面活性剂 ， 堵漏剂。 实验仪器 失 水仪 、 流 动度测试仪 、 堵 漏仪 ， 搅 拌器 、 渗透仪等。 实验方法 水 泥浆 A P I 实验方法 、 硅酸盐水泥 测试方法 。 3 ． 1 水泥浆的滤失水性能 将不 同比列的外加剂掺混在水泥 中配置成水泥 浆 ， 进行滤失水、 流变性实验 ， 实验结果见表 1 。 表 1 水泥 浆性能 注 水泥浆 密度 1 ． 9 0 g ／ c m ， 滤失水 实验条件 7 MP a 、 3 0 mi n 、 3 5℃。 由表 1 可以看出， 8 号配方具有较好的控制水泥 薄， 就像用刷子在墙上刷了一层涂料 ， 将地层孔隙 浆滤失水和改善流动性能 的能力 ， 滤失量 1 9 mL， 低 堵 塞为后 面 的水泥浆 流动创 造条件 。另 外表层套 于气层封 固要求。将滤失水实验后的水泥浆倒 出测 管环空间隙大 ， 不会造成水泥浆流动过程对环空形 流动度 ， 其结果 比实验前降低 5 n l l l l ， 水泥浆仍然具 成堵 塞。 有 良好 的流动性 。将配置好的水泥浆倒在 2 mm 粒 3 ． 2 水泥浆的堵漏性能 径的沙子上， 静止 1 h观察形态变化 见图 1 。 将 8 号配方水泥浆依次放入高温高压堵漏仪中 一 图 1水泥浆滤失形 态 实 验结果 表 明 ， 贴 近砂 子 部位 约 1 mm 变稠 ， 与砂子有 粘接 ， 水泥浆仍 然很稀 ， 说 明水泥浆 与砂 子有好 的胶结性 ， 同时说 明水 泥浆有好 的流动性 。 该水泥浆人井过程 中首先接触井壁 ， 会在井壁上形 成一层 水泥薄层 ， 由于水泥浆 失水较小 ， 这个 层很 进行测试 ， 堵漏仪 中使用不 同直径的钢球 、 缝板模拟 井下 的漏失情况 实验条件 3 5℃、 1 0 MP a ， 结果见 表 2 。可 以看 出， 净 浆不具备堵 漏作用。加入堵漏 剂和 降失 水剂 的水 泥浆具 有较好 的堵 漏效果 。这 是 由于水泥浆 中的长短纤维颗粒相互缠绕 ， 所形成 的絮凝 团容易悬 浮在液体 中 ， 在压差作用下 沉积在 裂缝的端面或表 面后充分填充所形成 的孔隙 ， 又由 于纤维颗粒与裂缝入 口端 多为点式接触 ， 可以形成 稳 定 的架 桥 ， 不 易被液体 冲走 ， 从而取得 很好 的堵 漏效果 。 3 ． 3 水 泥浆的稠化性能 将 8 号配方水泥浆放入高温高压稠化仪中测定 4 0 石 油钻采工艺 2 0 1 1 年 7月 第 3 3卷 第 4期 稠化时间， 实验温度 3 5℃、 压力 1 0 MP a ， 结果见 图2 。 1 0 O 8 O 若 6 O 4 o 2 O O o l 2 3 4 5 时间／ l l 图 2 水泥浆稠化 曲线 从图2 可以看出， 8 号水泥浆表现出了较高的稳 定性 ， 稠化时间 2 8 5 mi n ， 基本上实现 了直角稠化 ， 完 全可以满足施工要求。 挤压力 ， 套管就不会发生挤毁现象。 4 ． 2 保证套管鞋固井质量技术 下套管过程 中套 管接箍会接触井壁， 将井壁上 的岩屑刮下掉入井底 ， 造成套管下不到井底。环空 注水泥时一方 面由于套管下不到井底 ， 水泥浆不能 封 固管鞋下面的井段 ；另一方面先期到达的水泥浆 与井壁接触有混浆现象发生 ， 使套管鞋处封 固不好 。 解决 的方法 1 套管下放至接触井底沉砂 时采 用空气将砂子吹出井眼， 保证套管下到井底； 2 正 注水泥浆 1 0 0 m， 保证套管鞋处固井质量。这样不仅 解决了套管下放到底问题， 同时正注水泥、 管内充满 液体可 以帮助防止套管被挤毁 。 4 技术措施 5 现场应 用 4 ． 1 防挤毁套管技术 元坝 1 0井表层 固井采用井底插入式 固井工艺 ， 注水泥浆 中途发现大量钻井液从套管内返 出， 当时 判断为插人头密封圈失效 ， 随之增加井 口压力 ， 但是 井 口返 出不变 ， 停止注水泥作业。起钻发现悬重增 加较快 ， 上下活动有卡死现象 ， 强行将钻具从井 内起 出后发现插入接头变形 ， 通过打钢印证实套管变形。 事后通过计算分析 ， 认定发生套管挤毁现象是由于 套管 内外压差过大 ， 超过套管抗挤强度。无钻井液 固井管 内没有钻井液， 管 内外压差更大 ， 作用在套管 上更容易挤毁套管 ， 因此正确设计浆柱压力 、 改变注 水泥方法 ， 才能保证套管安全。 采用分段注水泥作业可 以减轻环空液柱压力。 每段水泥浆高度可由下式计算 H p ． ／ 0 ． 0 1 x P I 式中 ， P 为套管抗外挤压力 ， MP a ； P为水泥浆密度 ， g ／ c m ； H为水泥浆柱高度 ， m。 因此 ， 地 面施工可以采用间隙注水泥方式 ， 第 1 次注水泥后 ， 等水泥浆完全凝固再进行第 2次或第 3 次注水泥作业 ， 这样上部 的浆柱压力就不会再作用 在下部管柱上， 始终使环空液柱压力小 于套管抗外 该技术于 2 0 1 0年在元坝新 开井表层 固井 中进 行 了应用 ， 至 目前共实施 9口井 ， 固井一次成功， 固 井质量合格 。 元坝 2 2 2 井 是元 坝地 区部署 的一 口重点海相 探井 ， 一开空气钻井完井后 ， 0 4 7 6 ． 2 5 1 T l r n套管下入 5 0 0 ． 1 9 m， 采用井筒无钻井液固井工艺。由于没有进 行测井 ， 按井径扩大率 1 0 ％计算水泥用量。水泥浆 体系采用优选的 8 号配方 ， 水泥密度 1 ． 9 0 g ／ c m 。下 套管前用 06 0 0 mm扶正器通井 ， 并大排量空气携砂 ， 确保套管顺利下入。考虑地层少量出水以及下开次 用气体开钻， 不下 入浮箍 只下入引鞋 ；考虑套管抗 外挤强度低 ， 此次 固井采用多次注水泥方式 ， 先封固 下 部 4 7 m 穿鞋 ， 第 2次灌人 并封 固 2 0 0 m， 第 3 次灌入并封固 2 5 3 m 戴帽 至水泥浆返出地面。第 1 次注入水泥浆 1 5 m ， 第 2次注入水泥浆 3 6 m ， 第 3次注入水泥浆 4 1 m ， 水泥浆返 出地面 2 m。 。候凝 4 8 h测声幅 ， 固井质量合格。 元陆 5井 是元坝地 区部署 的一 口重点 陆相探 井 ， 二开空气钻井完井后 ， 0 2 4 4 ． 5 mm套管下入 3 0 0 0 m， 采用井筒无钻井液固井工艺。该井是 目前采用井 筒无钻井液 固井最深 的一 口井。考虑到井深， 同时 刘广熙等 井筒无钻井液 固井技术 0 2 4 4 ． 5 i n i n套管抗外挤强度高 ， 设计注水泥方式为 第 1 次采用正注水泥 ， 水泥返高至 2 0 0 0 m， 第 2次从 环空反 注水泥至井 口。由于没有进行测井 ， 按井 径 扩大率 1 0 ％计算水泥浆用量。设计水泥浆密度 1 ． 9 0 g ／ c m ， 采 用防漏 、 防塌 、 保水 性好 的水 泥浆 体系 ， 第 1 次正注水泥在 8号优选配方 中加入适量的缓凝剂 延长水泥浆稠化时间 ， 水泥浆稠化时间 3 1 5 mi n 。现 场施工第 1 次正注水泥浆 9 0 i n 。 ， 候凝 1 2 h ；第 2次 反注水泥浆 5 5 m ， 水泥浆返出地面 2 1 T I 。候凝 4 8 h 测声幅， 固井质量合格。 6结论 1 优化水泥浆性能 ， 严格控制水泥浆滤失量 ， 改 善水泥浆流变性 ， 增强水泥浆防漏 、 堵漏能力是保证 水泥浆顺利到达井底的关键因素。 2 采用正 、 反注和分段注水泥工艺 ， 不仅可 以保 证套管鞋 固井质量 ， 而且可 以有效地 防止一次 注水 泥挤毁套管的现象发生 。 3 井筒无钻井液固井技术不仅解决了空气钻井 转化钻井液 的一系列技术 问题 ， 而且环 空水泥浆 不 与钻井液接触， 不存在顶替效率问题， 实现了 1 0 0 ％ 的环空充填 ；不需 附加水泥量 ， 减少 了现场排污 ， 有 利于保护环境 。 参考文献 [ 1 ] 刘崇建， 黄柏宗， 徐同台， 等 ． 油气井注水泥理论与应用 [ M ]． 北京 石 油工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2] 王斌 斌 ， 王瑞和 ． 固井水 泥浆 流变规律 实验研 究 [ J ]． 石 油钻采 工艺 ， 2 0 1 0 ， 3 2 2 4 2 4 5 ． [ 3] 林强， 郑力会， 冯建华 ， 等 ． 平落 0 0 6 ． 5井空井固井初探 [ J ]． 钻采工艺， 2 0 0 8 ， 3 1 1 3 1 3 2 ． [ 4] 孙鹏程， 兰秀元， 崔顺利 ． 气液转换技术在毛坝 8井的 应用 [ J ]． 西部探矿工程， 2 0 0 9 ， 2 1 1 2 4 7 ． 4 9 ． [ 5] 张金成， 位华， 于文红 ． 空气钻井技术在普光气田的应 用 [ J ]． 石 油钻 采工艺 ， 2 0 0 6 ， 2 8 6 8 - 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