海相油气田超深井完井固井技术.pdf

文章编号 1000 - 73932008 02 - 0014 - 09 海相油气田超深井完井固井技术 3 信廷富 张宏军 王建仓 刘爱锋 刘 铮 胜利石油管理局黄河钻井固井公司,山东东营 257064 摘要目前世界上的油气资源主要来自海相盆地,而国内海相的勘探开发程度还很低。近年来,塔里木盆地、 四川盆地等 海相相继发现了大型油气田,加速了海相油藏的勘探开发。海相勘探开发是一个世界性技术难题。针对埋藏深、 超深井、 长 裸眼、 压力高、 多套压力层系、 井身结构复杂、 含有害气体等特点,详细地介绍了海相油藏勘探开发的技术难点,并开展了海相 超深井完井固井工艺、 工具、 水泥浆体系及其配套技术研究,通过在现场有针对性的应用,取得了较好的效果,为国内海相油 气田的完井固井工艺提供了一定的技术支持。 关键词海相油藏;超深井;完井;固井;水泥浆体系 中图分类号 TE256; TE257 文献标识码A Completion and cementing technologies for ultra deep wells in marine oil and gas fields XI N Tingfu, ZHANG Hongjun,WANG Jiancang,L I U Aifeng,LI U Zheng Yellow RiverDrilling Corporation, Shengli Petroleum Adm inistration Bureau, Dongying257064, China AbstractAt present, most oil and gas resources in the world is discovered in marine basins . However, the degree ofmarine ex2 ploration and development ismuch lower in China.In recent years, the exploration and development ofmarine oil reservoirs have been accelerated based on the discovery of large scale oil and gas fields in Tarim and SichuanBasins . Marine exploration and development is an international technicalproblem.In view of the characteristicsofmarine reservoirs such as the large burial depth, the long bare hole, the high pressure, the complicated casing program, the multiple for mation pressure gradients and the containing of harmful gas, the technical problems in exploration and development ofmarine oil reservoirs are introduced in detail, and the research on the ultra deep well completion and cementing processes, tools, the cement slurry system, and their support technologies are conducted.Good field application results have been obtained, providing technical support for the completion and cementing processes used in domestic marine oil and gas fields . Key words marine oil reservoir; ultra deep well; completion; cementing; cement slurry system 国内石油天然气勘探经历了由海相到陆相又到 海相的历程。20世纪,在陆相盆地中找到和开采了 大量的石油和天然气。而后又在四川盆地、 塔里木 盆地、 鄂尔多斯盆地、 渤海湾盆地、 南方及沿海海域 等地区的海相中相继找到了丰富的油气。世界上已 经发现的油气储量90是在海相地层中。虽然在 塔里木、 塔河、 川东北等地区发现了大型海相油气 田,但国内在海相地层中发现的储量不足10。中 国石化到目前为止已发现了具有一定规模和效益的 塔河油田、 普光气田及鄂尔多斯大牛地气田等一批 目标,随着理论与技术的不断深化,海相层系发现的 油气藏越来越多,海相层系是一个重要的勘探领域。 在发现以海相为主的四川盆地川东北普光大气田之 后,普光气田外围已发现毛坝、 双庙、 老君、 通南巴等 一批含气圈闭。近期在元坝地区有了新的发现。 在塔里木、 塔河等油田海相油藏的开发中,形成 了储层预测与识别技术、 油藏描述技术,配套研究了 超深井钻井技术。随着勘探的进行,超深井、 复杂地 层、 盐下层、 山前构造等给完井固井带来了诸多技术 难题,在一定程度上制约了工程技术的发展和海相 第30卷 第2期 石油钻采工艺 Vol . 30 No. 2 2008年4月 O I L DR I LL I NG 2 形成于多旋 回叠合盆地,埋藏深,储层性质难以预测 ; 3 油气 藏改造、 破坏严重,保存条件复杂; 4油气藏分布 复杂,圈闭类型多样,预测难度大。因此,海相碳酸 盐岩油气地质的特殊性与复杂性长期以来制约了国 内海相碳酸盐岩油气的勘探步伐。 2 存在的主要技术难题 2. 1 埋藏超深 山地、 深层、 碳酸盐岩是当今国际油气勘探的三 大难点。油藏埋藏深度一般都超过了5000 m。例 如塔河油田奥陶系海相碳酸盐岩油藏储集空间以 裂缝溶洞为主力储层,埋藏深度在5400～6900 m; 川东北地区地表相对高差达到1200 m,海相碳酸盐 岩储层埋藏深度超过了5000 m。油藏非均质性极 强,具有超深、 高温、 高压、 低渗的特点。井越深,井 身结构越复杂,下套管越困难,下完套管开泵更困 难。只能用很小的排量顶通,小排量循环,泵压很 高,固井施工十分困难。 2. 2 长裸眼、 复杂地层、 多套压力层系 井越深,裸眼段越长,存在不同岩性的砂岩、 泥 岩、 砾岩、 岩盐、 水敏性泥页岩坍塌,裂缝、 溶洞、 盐 水、 气层多且高压或超高压,复杂地层多。出现多套 压力层系,易垮塌、 易漏失,上漏下涌或下漏上涌,防 漏与质量矛盾突出;裸眼段越长,水泥封固段越长, 水泥量增大,存在失重与防窜矛盾,一种水泥浆体系 存在最佳封固长度,要考虑2种或3种水泥浆体系; 地层越复杂,就越会出现“ 大肚子 ” 、 “ 糖葫芦 ” 井眼, 井眼不规则,顶替效率低,固井质量难以保证。 常规的完井固井工艺难以满足工程的需要,需 要采用双级固井、 尾管悬挂与回接、 特殊工具完井等 多种工艺或多种工艺的集合运用。如水平井尾管 筛管顶部注水泥工艺就是集尾管悬挂、 分级固井、 ECP卡封、 防砂完井等多种工艺于一体。需要考虑 多种工艺间的衔接配合及工具的兼顾使用;遇到低 压漏层要进行承压堵漏,提高地层的承压能力。采 用低密度或超低密度水泥浆体系,高压层要采用高 密度防窜水泥浆体系。 2. 3 非标准套管序列 超深井钻井,出现的复杂地层多。为保证安全 钻达目的层,尽力避免复杂情况的产生,需要下入的 套管层次也就越多。这就需要非标准序列和多种扣 型的套管,造成了非标准工具附件的配套和不同扣 型的连接。还要考虑特殊管材的要求例如防 CO2、H2S腐蚀性酸性气体;钻遇盐膏层套管需要加 厚等等。造成了套管与井壁的窄间隙,环空间隙 小导致扶正器的难以下入,不能保证套管居中,下套 管遇阻;顶替时水泥浆易脱水稠化,施工压力过高, 容易造成蹩泵、 井漏、 低返等事故;还有水泥石强度 降低等问题。 例如川东北普光气田一般的井身结构为 “330. 58 mm“273. 1 mm“178. 4 mm“146. 1 mm ,其主要的不足是固井环空间隙小“311. 1 mm 井眼下 “273. 1 mm套管,最大名义间隙为19 mm、 最小只有8. 8 mm;“241. 3 mm井眼下 “193. 7 mm 套管,最大名义间隙为23. 8 mm、 最小为12. 7 mm; “165. 1 mm井眼下 “146. 1 mm无接箍套管,名义间 隙为9. 5 mm。其最小的环空间隙仅9. 5 mm,这样 薄的水泥环难以保证固井质量。 2. 4 超高温、 高压油气、 高密度钻井液 井越深,井底温度、 压力越高。对水泥外加剂、 防油气窜、 套管工具附件都提出了更高的要求。例 如胜科1井,井底静止温度达到253℃7026 m , 普光1井井底温度达到126℃井深5700 m ,元坝 1井井底温度达到165℃井深7217 m ,贵州双1 井完钻井底温度达到180℃井深5500. 55 m。目 前国内很少有超过220℃ 的水泥外加剂。要考虑高 温、 超高温水泥浆返到顶部低温的超缓凝问题高 低温差下水泥浆的性能 , 超高温对水泥石强度的 影响。 气层压力高,气窜危险性大。防止固井后环 空气窜是高压气井首先需要解决的技术难题。因为 环空气窜导致层间窜流,直接影响油藏评价、 油田开 发及油井寿命。环空气窜发生后,采用挤水泥也难 以补救。高含硫的气井,发生气窜,弃井的难度和代 价远超过钻成一口井。例如河坝1井嘉陵压力系 数达到2. 03,飞仙关压力系数达到2. 20。河坝1井 “193. 7 mm和 “139. 7 mm尾管固井时,钻井液密度 2. 35 g/cm 3 ,水泥浆密度2. 40 g/cm 3。 51 信廷富等海相油气田超深井完井固井技术 高压需要高密度的钻井液和水泥浆平衡,要研 究高密度水泥浆的稳定性、 流动性、 强度、 失水、 防窜 等性能。选择高密度隔离液提高隔离防污染、 防窜 效果。高密度钻井液,必须高黏高切才能保持悬浮 稳定性,钻井液密度越高,黏度切力越高,顶替难度 越大,顶替效率低。 2. 5 钻遇腐蚀性有毒气体 深部地层大部分含H2S和CO2等有害气体,而 且含量较高。如普光1井的H2S含量达到了196 g/ m 3。H 2S和CO2都属于腐蚀性酸性气体,对套管、 固井工具及其附件易产生氢脆和腐蚀破坏。CO2还 会侵入水泥浆内,影响水泥浆性能,腐蚀凝固后的水 泥石,影响其长期封隔效果。高含H2S和CO2腐蚀 性气体,对水泥环的长期稳定要求高,由水泥环密封 引起的毒性气体泄漏,对油井安全和周围人民群众 生命财产安全带来极大隐患。 2. 6 钻遇盐岩、 盐膏层和高压盐水层 钻遇盐膏层,钻井液和水泥浆都会因钙侵受到 污染,流动性能降低,顶替效率变差。盐岩、 盐膏层 易溶解造成地层不稳定,井径不规则,出现大肚子、 糖葫芦井眼。影响钻井液和水泥浆的有效置换,固 井质量难以保证。盐膏层的蠕动还能挤毁套管。 盐水层Cl - 的含量高, Cl - 对水泥浆有促凝作用,盐 水侵入可污染水泥浆,导致提前稠化或早凝,造成低 返或留水泥塞事故;高压盐水易发生窜槽,严重影响 水泥胶结质量。降低水泥石强度。 3 海相油藏完井固井应考虑的问题 3. 1 完井固井工艺要考虑油藏地质特征 不同的油藏表现出不同的特征,要认识和分析 构造特征、 储层特征、 流体性质,进行潜力产能分析, 结合油藏的温度压力,从提高采收率入手,优选完井 固井工艺。例如塔里木塔河油田,是以奥陶系碳酸 盐岩缝洞型油藏为主的海相油田,其开发方法完全 不同于其它陆上油田,主要从碳酸盐岩缝洞型油藏 的分布规律、 流体特征、 稳油控水等方面深入分析, 确定开发方案,克服了盐膏层纯度高、 水溶性比较 强、 蠕动能力强、 完井固井难度大等难题,通过优化 固井管串结构及水泥浆液柱结构,优选盐水水泥浆 体系,提高了盐膏层段的固井质量。采用了尾管悬 挂与 回 接、 双 级 固 井、 水 平 井、 双 分 支 水 平 井 TK908DH国内垂深最深等完井固井工艺技术,收 到很好的效果。 塔里木哈德油田,是国内最大的海相砂岩油藏, 通过创新油藏理论,准确预测和解释了倾斜油水界 面,针对埋藏深大于5000 m、 构造幅度低小于 34 m、 储层薄且变化大 0 ～29 m、 存在倾斜油水 界面相差90 m、 原油性质分区明显、 储量丰度低 的隐蔽油藏特征。采用水平井包括双台阶水平 井采油,水平井注水开发,实现了高难度复杂水平 井的成功钻井,在小于1 m的薄油层成功完成所有 双台阶水平井,并采取针对性的割缝筛管完井和筛 管顶部注水泥固井工艺,取得了比较好的经济效益。 川东北地区普光气田是一个储量规模大、 埋藏 深、 资源丰度高的整装海相碳酸盐岩气田。地质复 杂,针对上部为低压漏失层,裂缝溶洞发育,采用承 压堵漏技术,提高地层的承压能力;下部为高压气 层,气量大、 压力高、 硫化氢含量高,同一裸眼气层 多、 压力系统复杂。采用了胶乳防气窜水泥浆体系。 采用了正反注水泥技术、 分级、 尾管旋转尾管技 术、 多凝、 防窜、 平衡压力固井等固井工艺技术,确 保了川东北海相复杂超深井固井质量。 3. 2 完井固井工艺技术要结合采油要求 油藏不同采油工艺各异,随着科学技术的进步, 采油工艺服从于油藏和流体特征及降低采油成本, 提高经济效益,完井固井工艺要满足采油的需要。 例如塔河油田的稠油具有超深、 超稠、 高温、 高压、 高黏、 高矿化度、 高硫化氢等特点。稠油在井筒 2000 m以上不具备流动性,完井工艺要考虑大管径 开采及其它稠油开采需要的配套工艺技术的实施。 3. 3 完井固井技术要服务于钻井技术 为保护油气藏和加快钻井速度,不断应用了许 多新的钻井工艺新钻井技术。如空气钻井技术、 泡 沫钻井技术、 欠平衡钻井技术,还有各种水平井、 分 支井、 多底井等钻井技术。完井固井技术要根据钻 井新工艺、 新技术带来了的新情况、 新问题,分析影 响固井质量的新因素,研究新工艺,开发新工具,合 成新材料,优选新的水泥浆体系,满足不同钻井技术 开发油藏的需要。 3. 4 要考虑特殊完井固井工艺对工具附件的选择 固井工艺要正确选择具有针对性的固井工具和 套管附件。例如水平井尾管筛管顶部注水泥工艺。 要选择液压式悬挂器、 压差式分级箍、 全橡胶式管外 封隔器并设置不同的压力级别。如果选择一般封隔 器或不用管外封隔器,在水平段就不能实现周向密 封,不能隔离筛管,水泥浆就会与筛管的钻井液置 61 石油钻采工艺 2008年4月第30卷第2期 换,水泥浆不仅固死筛管,还会严重的污染目的油 层。如果底部漏失,情况会更严重,造成的损失更 大。 4 海相深井、 超深井完井固井技术 4. 1 工艺技术 4. 1. 1 尾管固井 尾管悬挂是一种经济效益高,注 水泥环空阻力较低,有利于改善套管柱轴向设计的 固井方法。常用于深井超深井的固井作业。悬挂器 有多种类型机械式、 液压式、 旋转式、 封隔式、 自动 脱挂式、 自通径式、 内藏卡瓦式、 可膨胀式等。 1旋转尾管固井工艺。深井、 超深井、 水平 井、 大斜度井及大延伸井越来越多,这些有较高难度 的井,尾管下入过程中摩阻大和水泥浆顶替效率低 等问题更为突出。旋转尾管固井技术就是利用旋转 悬挂器和旋转水泥头完成尾管固井的一种工艺。其 优点① 有助于尾管的顺利下入到位。在尾管下入 过程中,如果遇阻,普通尾管悬挂器不能有任何转 动,而旋转尾管悬挂器可以转动管串,这无疑将有助 于克服阻力,使尾管顺利下入到位。② 有助于提高 固井质量。旋转尾管并结合循环冲洗,将有利冲洗 井壁上的泥饼。水泥在尾管环空流动过程中,如再 加上转动尾管的搅拌作用,水泥自身的胶结、 水泥与 套管的胶结以及水泥与井壁的胶结质量,都将好于 井壁有泥饼,水泥无搅拌状态下的胶结质量。③ 有 助于解决小间隙固井问题。旋转又能够帮助小间隙 中套管的下入的顺利。水泥浆在套管的旋转的过程 中能够均匀分布在套管周围。④ 有助于防止环空窜 流通道的形成。套管在井中是不可能完全居中的。 水泥浆一般会尽可能选择通道宽松的一侧流动,这 样一来,空间小的一侧往往有泥浆滞留,既顶替效率 差,形成窜流通道。而当套管进行旋转时,套管周边 均会有水泥浆通过,所以可避免窜流通道的形成。 2封隔式尾管固井工艺。由于尾管重叠段间 隙小,水泥环薄,固井封隔效果差;对于长裸眼、 长封 固段、 窄间隙井固井后发生失重。高压井特别是高 压气井固井后易发生油气窜。利用带密封结构的尾 管悬挂器,按照正常的程序座挂、 倒扣、 注水泥、 替钻 井液、 碰压后,上提送入工具,当送入工具上的施压 机构张开后,坐在回接筒的上端面上,下放钻具加 压。尾管悬挂器密封结构上的三道橡胶筒在压力作 用下实现膨胀,膨胀的橡胶就实现了重叠套管之间 的有效密封和上下空间的隔离。由于设计有自锁装 置,能够实现永久密封。这样就阻止了流体或气体 的向上运移。到达了防止油气上窜的目的。 3可膨胀尾管悬挂器技术。通过液压或机械 力将用可膨胀管材制成的悬挂器本体向外胀开,使 其外径可与上一级套管内径间形成牢固锚定联接, 实现悬挂尾管重量的新型尾管悬挂器技术。其优 点外形尺寸小,入井过程安全方便,环空过流面积 大,在固井过程中可以活动尾管以提高顶替效率,密 封能力高效等常规悬挂起不具备的优点。 国际上比较典型的有①英国里德公司开发 HETE - LH可膨胀悬挂器。世界上唯一可以分别使 用钻杆、 连续油管和电缆3种工具进行尾管送入和 悬挂器座挂的新工具。原理在高压液压力作用下, 可膨胀悬挂器本体发生膨胀,本体外径紧贴上层套 管内壁上。继续蹩压剪断销钉,上体送入工具,锁紧 锚从悬挂器本体中分离出来。②美国TI W公司的 XPAK悬挂器。其独特的设计是将用于扩张尾管悬 挂器本体的膨胀器和回接筒巧妙的结合在一起。回 接筒下端是个多级圆弧形外表,膨胀后的悬挂器本 体与回接筒之间形成金属对金属的气密性密封结 构。③ 哈里伯顿公司的VersaFlex悬挂器。其是在 可膨胀悬挂器外表安装了多组橡胶。其座放工具工 作方式不同。当固井碰压后,在液压力的驱动下,膨 胀锥下行膨胀尾管悬挂器本体座挂。橡胶形成密 封。④ 威德福公司的EXR悬挂器。在固井前先行 膨胀座挂,然后进行注水泥替浆作业,最后用膨胀工 具进行完成完全膨胀并密封。 4. 1. 2 分级注水泥 对于一次注水泥量过大、 水泥 封固段过长、 存在多套压力层系、 特殊要求、 特殊工 艺的井固井,通过分级箍满足注水泥施工,满足特殊 工艺要求,提高固井质量的目的。分级箍分为机械 式、 液压式、 机械液压双作用式、 连续打开式。分级 箍选择的原则根据工艺要求选择分级箍类型;位置 要选在井径规则、 井壁稳定处,且距离上层油层较近 距下层油层较远处。分级箍上下最好要加刚性扶正 器。 由于海相超深井固井的复杂性,超深井分级注 水泥工艺一般选择机械式分级箍。从安全施工、 防 止事故方面考虑,最好还是选择连续式工艺。连续 式没有机械式重力打开塞的下落时间,避免了一级 固井顶部水泥浆的污染和稠化可以造成憋漏、 打不 开分级箍等事故的发生。其工艺因工具不同而异。 1连续打开间隔注水泥工艺。选用机械式分 71 信廷富等海相油气田超深井完井固井技术 级箍、 连续式打开胶塞,在一级固井替钻井液快碰压 时,连续式打开胶塞到达分级箍并坐在打开套上,继 续施压推动打开套下行,分级箍开启循环孔建立循 环。待一级固井的水泥浆凝固后,再进行二级固井 施工。如果二级固井后水泥浆液柱压力不会导致下 部漏失,可以连续二级固井。其工艺流程按设计要 求连接机械式分级箍并下至预定位置;开泵循环正 常后注前置液;注水泥;释放挠性塞;替钻井液;当替 量为分级箍以下到碰压座的容积时最好略少点 , 释放连续打开塞;继续替钻井液,当替量达到分级箍 以上容积时蹩压,打开循环孔建立循环;循环出多余 水泥放掉,待二级固井。优点没有机械式重力打开 塞的下落时间。 2连续打开连续注水泥工艺。选用带封隔器 的分级箍、 连续式打开胶塞,施工程序相同。只是在 打开分级箍之前先膨胀封隔器封隔器膨胀的压力 小于打开分级箍的压力。封隔器膨胀后阻断了上 下环空液柱压力的传递,可连续进行二级固井施工。 4. 1. 3 筛管顶部注水泥 为满足油藏开发和保护 油气藏的需要,筛管完井技术越来越多的应用到水 平井、 分支井和特殊油藏稠油、 敏感等的开发中。 目前有深直井筛管顶部注水泥、 水平井尾管 顶部注水泥、 筛管选择性完井等工艺。这些工艺都 是需要特殊工具附件配合应用完成的。其中水平井 尾管筛管顶部注水泥工艺具有代表性。此工艺集尾 管悬挂、 分级箍应用、 封隔器卡封于一体。管串结构 为引鞋筛管串 1～2根套管盲管管外封 隔器分级箍套管串尾管悬挂器送入工具。 此工艺的关键是选择全橡胶封隔器增加密封效果; 改造尾管空心胶塞的下部结构以满足关闭分级箍的 需要;选择液压式分级箍;调整悬挂器、 分级箍、 封隔 器的压力级别。 此外,现场为避免多个特殊工具附件的不可靠 性,不选用分级箍和封隔器。其管串结构引鞋筛 管串1～2根套管盲管旋流管回压阀套 管串悬挂器。缺点高密度的水泥浆容易置换下 部低密度的钻井液,水泥浆下沉,造成水泥固死筛管 的事故。 4. 1. 4 封隔器辅助完井固井 随着耐高温橡胶的 研究和应用,管外封隔器辅助完井已经应用到漏失 井、 高压井、 多套压力层系、 特殊工艺完井中,并取得 了较好的效果。在此只介绍水泥充填封隔器技术和 自膨胀封隔器技术。 1水泥充填封隔器技术。封隔器一般都采用 钻井液充填,在液压作用下实现膨胀。深井、 超深井 地下温度增高、 压力增大,在复杂地质情况下会很快 失效。把普通封隔器的胶筒换成耐高温高压并加长 胶筒的密封长度,改造阀系。按照设计串接在套管 柱上,通过内管并选用优质的水泥浆,在压力作用 下,经限压阀进入胶筒腔内,橡胶膨胀变形与井壁紧 密接触形成密封,封闭和分隔环形空间。当胶筒腔 内压力达到一定值时,限压阀关闭,进液孔堵死,实 现永久性关闭。放压后上提内管,开泵将多余的水 泥浆循环出地面。根据复杂地层和油藏开发的需 要,可以选择多个封隔器并依次充填,达到保护油 藏,提高采收率的目的。 2自膨胀封隔器辅助完井技术。自膨胀封隔 器通过在套管外硫化上自膨胀橡胶而实现膨胀封 隔。按膨胀的介质分遇水膨胀和遇油膨胀2种。 遇油膨胀是通过吸收烃类物质产生膨胀,其膨胀过 程为扩散过程;遇水膨胀是通过渗透作用吸收水分 发生膨胀。两种自膨胀封隔器具有各自的适用领域 和使用条件。把它串接在套管上,下在高压油、 水、 气层的顶部,膨胀后可防止高压油、 水、 气窜。 遇水自膨胀封隔器的基本材料是遇水膨胀橡 胶,它是一种具有弹性密封和遇水膨胀双重作用的 功能弹性体,在基体橡胶中加入亲水性组分如高 吸水树脂、 聚氨酯而制成。当与水接触时,水分子 通过表面吸附、 毛细管作用等进入其内部,与橡胶中 的亲水性物质形成极强的结合力,随着水分子的不 断增加,橡胶发生膨胀形变,在抗形变力与渗透压达 到平衡时,遇水膨胀橡胶保持相对稳定。 4. 1. 5 柔性膨胀管 深井、 超深井和复杂地层带来 了许多钻井完井技术难题。钻井过程中钻遇不同的 压力层系以及盐膏层、 坍塌地层、 油气水互层等复杂 地层,且差异越大钻井的难度越大。柔性管技术作 为一项新技术,已经应用到钻井、 完井、 修井及其它 作业中。可以优化井身结构,封隔坍塌、 井漏及高压 地层,用于完井及修补套管。目前引进应用了3种 类型的柔性膨胀管,分别是威得福公司生产的 ABL割缝膨胀管,壳牌和哈里伯顿合资的ENVEN2 TURE公司生产的实体膨胀管,俄罗斯TATNEFT公 司生产的波纹膨胀管。其工作原理基本一致就是 将柔性膨胀管管柱用钻具送到目的层位,用机械或 液压的方法,由上而下或由下而上通过压力或拉力 使管柱发生永久塑性变形,达到封隔复杂地层的目 81 石油钻采工艺 2008年4月第30卷第2期 的。通过应用对比实体膨胀管需要较高的压力 40 MPa且注水泥; ABL割缝管需要注水泥,只 起加强筋作用。波纹管比较方便不注水泥,膨胀 压力12～18 MPa。目前正在国产化。还缺乏系列 化。 4. 1. 6 盐膏层固井 针对超深、 盐膏水溶、 蠕动,完 井固井难度大等特点。通过选用KO - 140T15. 8 mm高钢级厚壁套管,优化井身设计、 固井管串结构 及水泥浆液柱结构,采用抗盐、 抗高温、 抗污染、 高密 度水泥浆体系,提高了盐膏层段的固井质量。 4. 1. 7 深井水平井、 分支井完井固井 根据深井水 平井井身结构、 完井要求,采用选择性完井固井、 防 砂筛管完井固井等工艺。分支井主井眼采用双级固 井工艺,保证了大直径套管的固井质量;分支水平井 段采用挂钩式悬挂器、 筛管顶部注水泥工艺保证了 分支井与主井眼交汇处的承压密封性,采用了低失 水、 零自由水、 防气窜、 沉降稳定性好的水泥浆体系, 保证了封隔质量,达到了设计要求。 4. 1. 8 平衡压力固井 所谓平衡压力固井就是指 在固井之前、 过程中、 之后,环空液柱的压力综合,高 于地层的空隙压力,低于地层的破裂压力。即环空 不发生漏失或油气窜。高密度钻井液要选用加重隔 离液;要考虑双级水泥失重的影响,底部水泥浆的胶 凝强度在达到240 Pa时,上部水泥浆的胶凝强度要 小于48 Pa;采用直角稠化;双凝或多凝水泥浆体系; 不能平衡时,可实施环空补偿压力。 4. 2 水泥浆体系 1设计原则。根据颗粒级配紧密堆积理论, 通过优化混合物料的粒度分布,提高水泥浆体系的 密实程度,可以使水泥浆体系有较高的强度和较好 的流变性能。 2稳定性。水泥浆在高温高压条件下,浆体 不发生分层离析,形成的水泥石纵向密度分布要基 本一致,析水小、 体积收缩小。 3流变性和密度。根据钻井液的密度和完井 固井设计的要求,正确选择材料的类型和级别粒径, 选择配伍性好的水泥外加剂,在保证密度的情况下 具备有良好的流变性。 4防窜性。防窜性对于深高压井、 超深井非 常重要,水泥浆体系要稠化过渡时间短直角稠 化、 防窜能力强。 5温度适应性。井越深温度越高,不仅要适 应高温或超高温的要求,还要考虑同一种水泥浆体 系封固段上下温差对筹划时间和强度的影响。 4. 2. 1 抗高温、 超高温体系 温度对水泥浆的影响 最敏感,温度超过110℃ 就要选用抗高温的缓凝剂 和降失水剂,考虑高温会使降失水剂分子结构突变, 导致水泥浆体的稳定性变差,表现为浆体稠度突然 升高,对安全施工不利。抗高温水泥浆体系的另一 个缺陷是,在高温下,水泥石的强度发展缓慢,一般 形成强度的时间在72 h以上,特别是当水泥浆被顶 替到低温井段候凝时,水泥石的强度发展会变得更 为缓慢,对于高压油气井固井质量极为不利。要考 虑水泥石在高温下的强度衰退问题。考虑高温、 高 压、 长封固段井的失重和油气窜槽问题。这是困扰 超深井、 超高温、 高压井的大难题。目前国内具有耐 温220℃ 的水泥浆体系。 4. 2. 2 防窜水泥浆体系 目前防窜水泥浆体系由 膨胀水泥浆体系、 胶粒防窜体系、 非渗透体系、 胶乳 体系。对于超深、 高温、 气井防窜,胶乳体系现场使 用效果比较好。 利用高分子材料研究的丁苯胶乳水泥浆体系具 有抗高温、 低失水、 稠化时间可调、 直角稠化、 稳定 性、 流变性好,胶结强度高,防窜能力强等特点。现 场湿混于水中,配浆时不起泡且易于水化。适宜温 度30～160℃,可应用于6000 m的超深井固井。 4. 2. 3 增强低密度、 超低密度水泥浆体系 漂珠、 水泥颗粒、 微硅颗粒和自制颗粒级配增强增塑料为 主构成的四级颗粒填充结构体系。可显著提高低密 度水泥浆的稳定性和防窜能力,水泥石的综合强度。 与其它外加剂也有良好的配伍性。实践证明,增强 增塑低密度水泥浆体系克服了常规低密度水泥浆所 存在的固有缺陷,具有较好的动态弹性模量,水泥环 的抗冲击能力强。具有稳定性好,流变性好,游离液 低,水泥石强度高等特点。其性能系数SPN值小, 说明此水泥浆的防气窜能力强。根据现场需要可以 配制密度1. 2～1. 50 g/cm 3 的水泥浆体系。应用美 国3M公司的人造空心微珠耐温600℃,耐压124 MPa可以配制低于 1. 00 g/cm 3 的超低密度水泥浆 体系。据报道在墨西哥湾已经应用密度为0. 647 g/ cm 3 的超低密度水泥浆,我们已经研究成功密度 0. 95 g/cm 3 水泥浆体系,依然具有良好的性能。 4. 2. 4 钻井液转化固井液MTC体系 对于长裸 眼、 小间隙、 超常封固段等复杂井,作为保护套管的 充填水泥浆,可在钻井液中加入一些可水化的材料, 使钻井液在一定条件下转变成具有一定强度的固井 91 信廷富等海相油气田超深井完井固井技术 液。应用矿渣、 硅粉、 激活剂、 缓凝剂、 表面活性剂以 及降失水剂等材料可以配制出高性能的固井液,可 以防止井漏。还有助于改善第二界面胶结质量。 4. 2. 5 抗盐高密度体系 针对超深、 高压、 存在盐 膏层的情况,选用铁矿粉、 硅粉、 悬浮剂及水泥外加 剂,利用颗粒剂配原理,调配成抗盐、 高密度水泥浆 体系,具有稳定性好、 流变性好、 强度高等特点。现 场已经应用密度2. 60 g/cm 3 的抗盐高密度体系,满 足异常高压油气井完井固井的需要。 4. 2. 6 复合纤维水泥浆体系 复合纤维是由无机 纤维和有机纤维组成的,无机纤维选择了一些矿物 纤维,具有一定的刚性;有机纤维多选自韧性好的植 物纤维和部分高分子纤维,具有较好的可塑性和一 定的变形能力,而且变形后有一定的塑性强度抗 拉、 抗折强度。柔性与刚性的材料配合使用,才能 发挥最好的封堵裂缝的效果。符合桥堵材料的特 性。选择不同长度分布、 不同长径比的纤维,改性后 与水泥干混成一定比例的复合纤维水泥,配浆后各 种纤维混杂无序、 均匀分散浆体中,当复合纤维水泥 浆进入裂缝内纤维架桥结网后,水泥颗粒充填网孔, 并借助水泥的水化胶凝与裂缝固结。起到堵漏承压 的作用。既可以用来承压堵漏也可以用于漏失井、 窄间隙井固井。 复合纤维水泥浆体系具有好的流变性、 合理的 稠化时间、 低失水性,具有高抗压强度、 低渗透率、 较 高的胶结强度和韧性,可提高水泥环的抗冲击性,保 障水泥环射孔后的完整性,可提高第二界面的固井 质量,对提高油气井寿命具有重要意义。 4. 3 完井固井工具附件 针对海相深井、 超深井埋藏深、 多压力系统、 气 层活跃、 密度高、 富含H2S和CO2有害气体、 井身结 构复杂等特点。要求固井工具具有特殊尺寸、 气密 扣型、 高强度及抗腐蚀性能。国内研制开发的有全 新尺寸抗硫尾管悬挂器、 可膨胀尾管悬挂器、 双级箍 及其配套附件和系列实用新型、 非标准序列的固井 工具和附件。 4. 3. 1 非标准序列的固井工具和附件 常规套管 系列是“330. 58 mm、 “229. 23 mm、 “179. 9 mm、 “127 mm “139. 7 mm ,非标准套管序列“330. 58 mm “330. 83 mm、 “273 mm、 “178. 43 mm、 “146 mm。采用此特殊尺寸的套管结构,降低了钻井完井 风险。但是,造成了上部环空间隙变小、 固井工具性 能要求高问题。例如根据川东北地区地质、 井身结 构和特殊固井完井要求,研发了 “330. 58 mm “273 mm、 “273 mm “178. 43 mm、 “178. 43 mm “146 mm系列抗硫尾管悬挂器和 “273 mm小尺寸 双级箍以及相配套的水泥头、 浮箍浮鞋、 扶正器等固 井附件。固井工具采用扣型有TP - CQ、TP - FJ、TP - NF、TP - 3SB、VAM - TOP、WSP - 1T等气密扣型, 从而满足了现场施工的需要。 4. 3. 2 抗硫化氢附件 腐蚀性酸性气体,对固井工 具及其附件易产生氢脆和腐蚀破坏。套管大多采用 抗腐蚀合金钢,固井工具及附件国内外普遍采用C - 90、L - 80等低硬度的材质;对于高浓度H2S井, 国外采用Ni基高合金钢,由于这种合金钢的价格是 一般管材的20倍以上,难于应用推 广。管材 27Cr MoTi,其成分和机械性能相当于API套管的C - 90级材质。27Cr MoTi具有良好的抗H2S腐蚀能 力,可以满足含H2S腐蚀条件下的完井应用。 4. 3. 3 新型井身结构固井工具附件 针对 “508 mm、 “330. 58 mm、 “273 mm、 “178. 43 mm、 “146 mm 系列实际应用中存在井控能力弱、 固井难度大、 无接 箍及小接箍套管操作难度大、 小井眼及小钻具钻探 能力不足等问题。尝试新井身结构系列,即 “609. 6 mm “508 mm、 “458 mm “406. 4 mm、 “342. 9 mm “298. 45 mm、“266. 7 mm“203. 83 mm、“ 178. 18 mm “153 mm、 “127. 63 mm “120. 65 mm 系列。要积极开展新型井身结构条件下固井工具附 件研究,提高新结构井的固井质量。 4. 4 其它技术与措施 4. 4. 1 承压堵漏,提高地层防漏能力 由于井深复 杂情况多,加之套管层次有限,不可能用套管把各种 复杂情况分开。大多数井在同一裸眼段钻遇不同压 力的多套地层,为了保证固井质量,在打开高压层或 固井施工前,利用桥堵材料、 凝胶、 纤维水泥浆进行 承压堵漏,提高地层承压能力。 4. 4. 2 流变学设计,提高顶替效率 有效地驱替钻 井液,提高水泥浆顶替效率是防止窜槽、 保证水泥环 胶结质量和密封效果的前提。选择合适的流态,尽 可能地采用紊流顶替;达不到紊流时,采取塞流或采 用紊流-塞流复合顶替技术;规则、 干净、 稳定的井 眼,有利于提高固井质量;在保证井眼安全的情况 下,尽可能降低钻井液的黏度和切力并优化环空浆 体结构,提高水泥浆的顶替效率。 4. 4. 3 优化浆柱结构,避免水泥浆失重 高压油气 井、 长封固段井采用双凝或多凝水泥浆体系时,各级 02 石油钻采工艺 2008年4月第30卷第2期 水泥浆体系的稠化时间要形成阶梯状,从下至上依 次延长30 min,持续保持液柱压力传递直至高压油 气井段水泥凝固。 5 国内海相油气田探勘开发实例 5. 1 塔里木盆地塔河油田 塔河油田位于塔里木盆地沙雅隆起阿克库勒凸 起西部,是国内发现的第一个陆上古生界海相奥陶 系碳酸盐岩岩溶缝洞型、 亿吨级特大型油气田。 塔河油田含油面积由“ 九五 ” 末的630 km 2 扩大 到2840 km 2。塔河油田 94的油藏是高自然递减 的大型整装岩溶裂缝、 孔洞型奥陶系碳酸盐岩油藏, 储集类型、 储藏空间分布十分复杂,裂缝、 断裂的分 布具有非常强的非均质性,综合含水率50 ,自然 递减率30。根据这些世界难题,制定