（油气井工程专业论文）柴达木盆地柴东气田开发固井技术研究与应用.pdf

中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fc e m e n t i n g t e c h n i q u e si nt h e e a s tf i e l d so fc h a i d a m ub a s i n a b s t r a c t t h ee a s tg a sf i e l d so fc h a i d a m ub a s i ni n l u d es e b e i l ，s e b e i 一2a n dt a i n a n g a sf i e l d s ，w h i c hf o r m st h ef o u r t h l a r g e s tg a sp r o v i n c ei nc h i n a t h ef i e l d i sc o m p o s e do fm a n yg a sr e s e r v o i r so c c u p y i n gal o n gi n t e r v a l t h ed e p t h so f g a sw e l li ss h a l l o w ，r a n g i n gf r o m1 3 0 0 mt o1 7 5 0 mi ng e n e r a l t h ec h a n n e l i n g o f t e no c c u r r e di nt h ew e lli nc e m e n t i n ga n d t h ea i mo fp l u g g i n go f f g a s r e s e r v o i r sc o u l d n tb ea t t a i n e d i n a d d i t i o n ，t h em a t c h i n gc e m e n t i n g t e c h n i q u e ss u i t a b l et ol a r g es c a l eg a sf i e l dd e v e l o p m e n th a v e n tb e e nf o r m e d o w i n gt om a n y s i d e dr e a s o n s ，w h i c hm a k e st h ec e m e n tj o bq u a l i t yo ft h ef i e l d b e i n gd i f f i c u l tt ob ec o n t r o l l e do nt h ew h o l e i nl i g h to ft h eg e o l o g i c a l f e a t u r e so ft h ef i e l d sa n dt h ed i f f i c u l t e si nc e m e n t i n g m 8 3 5c e m e n ts l u r r y s y s t e mb e i n go fg o o dc h a n n e l i n gp r e v e n t i o np r o p e r t yw a ss e l e c t e d ，a n dt h e a p p r o p r i a t ec e m e n t i n go p e r a t i o np l a na n dr e l e v a n tm e a s u r e sw e r ed r a w nu pb y t h ea u t h o r s t h r o u g hl a b o r a t o r yr e s e a r c ha n do n s i t et e s t s ，t h em e t h o d so f p r e v e n t i n gg a sc h a n n e l i n ga n dr a i s i n gd i s p l a c e m e n te f f i c i e n c yu n d e rt h e s h a l1 0 wg a sr e s e r v o i rc o n d i t i o n sw e r ef o u n du p ，t h u sf o r m i n gas e to fc o m p r e h e n s i v e l y m a t c h i n gt e c h n i q u e so fg u i d i n gt h ec e m e n t i n gj o bo ft h ee a s t s h a l l o w g a sr e s e r v o i r s b y m e a n so f o p e r a t i n go nt h es p o tf o r s i x w e l 卜t i m e s ，t h ec e m e n tj o bq u a l i t l e sw e r ea 1 1e x c e l l e n tw i t hag o o dz o n e i s o l a t i o n ，s ot h a tt h ed i f f i c u l t i e si nc e m e n t i n gt e c h n i q u e so ft h es h a l l o w g a sr e s e r v o i r si nt h er e g i o nw e r eb a s i c a ll yr e s o l v e d ，t h u sp r o v i d i n gas t r o n g t e c h n i c a ls u p p o r tf o re x p l o i t i n ge c o n o m i c a l l ya n dh i g he f f e c t i v e l yt h ee a s t g a sf i e l d s k e yw o r d s ：c h a i d u m ub a s i n ， c e m e n t i n gt e c h n o l o g y ， g a sc h a n n e li n g ， c e m e n t i n gq u a li t y ， c e m e n ta d d i t i v e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以注明和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油勘探开发研究院或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 日期：塑 ! 里衫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油勘探开发研究院有关保留、使用学位论文的规定，即： 中国石油勘探开发研究院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅： 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印等其他复制手段保存 论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 签名：瘗丝聋导师签名荤蚴：盆盆堑一一 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 1 1 概况 第一章绪论 1 1 1 概况 柴达木盆地柴东气田( 位于柴达木盆地东部台吉乃尔湖、涩聂湖、达布逊湖三 湖地区，亦称三湖气田) 主要包括涩北一号、涩北二号和台南气田，位于柴达木靛 地三湖坳陷亚区、第四系湖相生气区的台南一涩北构造带上，呈东西向分布，三个 气田同沉积生长且构造简单完整，为封闭弹性水驱气田。 1 1 。2 勘探概况 柴达木盆地柴东气田储量丰度高，且埋藏浅、品质好，经过4 0 余年的勘探， 目前已探明加控制含气面积2 0 0 余平方公里，具有极佳的开发前景。柴达木篙地柴 东气田是中国石油天然气股份有限公司天然气总体发展战略的一个重要组成部分， 是我国的第四大气区，在“西气东输”中占有十分重要的地位，随着涩宁一兰天 然气管道的正式通气，进一步拉开了柴达木盆地柴东气田大规模丌发的序幕。 柴东气田气层埋藏较浅，最浅的为5 1 6 o m ，气层薄、散、多，气层分布井段长， 气、水层间互。台南、涩北一号、涩：i l = - 号气田气层分布的井段分别为：1 0 2 6 8 - - 1 7 0 8 8 m ( 长6 8 2 o m ) 、5 4 3 2 1 5 1 8 5 m ( 长9 7 5 3 m ) 、5 1 6 0 h 1 3 2 0 6 m ( 长8 0 4 6 ) 。 气田气层平均单层厚度一般为l 3 m ，气层平均总有效厚度达1 l o m ，平均气层数为 6 3 个，多的达1 0 0 多层。 柴东气田第四系气层的特殊性在国内实属罕见，在提高顶替效率和保证第二界 面封固质量方面还没有相关的成熟经验可供借鉴。固井是钻井工程各项作业中最为 重要的作业之一，其作业技术措施和质量与气井产能和寿命紧密相关，对勘探丌发 的总体效益影响很大。柴东气田由于气层多，气层分布段长，井深浅，固井时层问 易发生窜槽，达不到有效封隔气层的目的。另外，由于技术等方面的原因，尚缺乏 完全可靠的固井工艺、适合的水泥浆体系及配套的固井技术措施，还没有形成适应 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 气田大规模开发的配套固井工艺技术，在一定程度上影响了气井产能的发挥，也影 响了后续改造措施的实施。 1 2 选题依据及研究思路 1 2 1 项目来源及选题意义 该论题来源于中国石油天然气股份有限公司勘探与生产分公司勘探前期评价 项目，主要是针对柴达木盆地柴东气田来丌展研究工作，旨在通过室内研究与现场 试验，解决该地区浅层气、小间隙井的固井质量问题，提高浅层气固井的技术水平。 1 2 2 选题依据 柴东气田由于气层多，气层分布段长，井深浅，固井时层间易发生窜槽，达不 到有效封隔气层的目的。另外，由于技术等方面的原因，尚缺乏完全可靠的固井工 艺、适合的水泥浆体系及配套的固井技术措施，还没有形成适应气田大规模开发的 配套固井工艺技术，在一定程度上影响了气井产能的发挥，也影响了后续改造措施 的实施。在柴达木盆地柴东气田开展固井技术研究，形成适应气田大规模开发的配 套固井工艺技术，为柴东气田的大规模开发提供技术支持是非常必要的。 1 3 工作量和研究成果 1 3 1 完成的工作量 项目立项以来，课题组开展了卓有成效的研究工作和积极的现场试验，取得了 较大的成效。通过近一年来的研究与试验，寻找出了在浅层气条件下防气窜及提高 顶替效率和评价固井质量的方法，形成了一整套指导浅层气固井的综合配套技术。 主要完成的工作有： 对1 9 9 8 2 0 0 2 年柴东气田所钻4 0 口井的固井资料进行了认真调研，对固 井质量不合格井的原因进行了深入分析，从而为采取有针对性的固井技术措施奠定 了基础。 针对柴达木盆地柴东气阳气层埋藏浅、分布井段长、目的层多的特点，进 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 行了大量的室内试验，对水泥浆配方进行了优选。室内共试验2 0 多套水泥浆配方， 选出了适合柴东气田固井用的m 8 3 s 防窜水泥浆体系。 为保证柴东气田浅层气井固井质量，在应用高性能的防窜水泥浆体系的前提 下，采取有效地措施提高顶替效率和防气窜。保证固井质量。 应用m 8 3 s 体系及提高顶替效率和防气窜得技术措施进行固井施工6 井次， 声幅测井幅度( c b l ) 小于1 5 ，v d l 显示第二界面胶结良好，在应用中对m 8 3 s 体 系进行了不断调整与完善。 1 3 2 取得的主要创新成果 通过该论题的研究，柴东气田的固井质量合格率和优质率有了明显提高，为柴 东气田的经济高效开发提供了有力的技术支持，具有很好的社会和经济效益。经过 一年多的攻关，取得的成果有： 确定了适合浅层气固井的防窜水泥浆体系m 8 3 s ； 通过固并工艺配套技术的研究，形成了小间隙条件下综合防窜技术及提高顶 替效率的技术措施： 综合应用上述技术，经现场应用，形成了柴达木盆地柴东气田现场固井的配 套施工工艺。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第二章柴达木盆地柴东气田固井难点及固井现状 2 1 柴达木盆地柴东气田的地质特点及储层特征 柴达木盆地柴东气田( 位于柴达木盆地东部台吉乃尔湖、涩聂湖、达布逊湖三 湖地区，亦称三湖气田) 主要包括涩北一号、涩北二号和台南气田，位于柴达木盆 地三湖坳陷亚区，第四系湖相生气区的台南一涩北构造带上，呈东西向分布，是柴 达木盆地第三纪末期及第四系沉降、沉积的主体气田。三个气田同沉积生长且构造 简单完整，为封闭弹性水驱气田。 柴达木盆地柴东气田储量丰度高，且埋藏浅、品质好，经过4 0 余年的勘探， 目前已探明加控制含气面积2 0 0 余平方公里，具有极佳的开发前景。柴达木盆地柴 东气田是股份公司天然气总体发展战略的个重要组成部分，是我国陆上四大气区 之一，在股份公司“西气东输”中占有十分重要的地位，2 0 0 1 年j 月随着涩一宁一 兰天然气管道的正式通气，进一步拉开了柴达木盆地柴东气田大规模开发的序幕。 2 1 1 地层特征 柴东气田所钻地层主要为第四系七个泉组( q 。) ，地层倾角小，基本无断层。 根据实钻资料，结合电性及地震波组特征，柴东气田的地层划分见表2 1 。 表2 1 柴东气田地层划分及地层岩性表 深度 地层单位岩性描述 界系统组符号上部以浅灰色、少量浅棕灰色泥岩为 主，夹灰色砂质泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩 新第更 0 和钙质泥岩以及灰黑色碳质泥岩薄层，白上 七 而下泥质粉砂岩有所增加。卜部以灰色_ 币| f 浅 个 生 四 新 q i + 2 灰色泥岩、泥质粉砂岩及砂质泥岩为土，拽 泉 灰色粉砂岩、钙质泥岩次之，夹少量黑灰色 组 界系统 2 0 0 0碳质泥岩。 捌g剐嗣田圹长球_【n丑 仪g牮*+醛堡妖吝越欺嫩露爨匠导 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 2 1 2 储层特性及气藏特征 柴达木盆地柴东气田的储层特性及气藏特征如下： ( 1 ) 孔隙度高，渗透率高，胶结性低，成岩状况差 柴东气田储层的孔隙度为2 1 6 4 6 1 ，平均3 1 o ：渗透率为1 7 3 1 6 3 1 x 1 0 1 p m s ，平均为3 2 0 x 1 0 一u 寸，属于高孔隙度、中高渗透率地层。柴东气田地 层的突出特点是岩石欠压实，地层胶结程度差，异常松散；岩性细而杂，泥质含量 高，泥质含量大于3 0 的砂层约占6 0 。 表2 2 柴东气田储层特性及岩性参数表 特性参数粘土矿物成份殛含量岩悄组份及含蕾， 地层水 气田 孔隙度渗透率 科化度 p p m 伊蒙混层伊利石高峙石绿泥石石英长石岩屑含量 碳酸盐 l f f lu m 2 涩北一号 3 0 6 1 0 4 91 7 0 0 0 01 65 61 4 1 4 5 3 52 9 91 4 9 8 涩北二号3 1 5 1 2 2 31 5 0 0 0 0 1 6 5 61 4 1 4 5 7 23 01 5 3 8 台南气田2 6 85 9 2 1 7 0 0 0 0 2 45 21 01 4 55 5 4 2 5 61 8 3 6 ( 2 ) 气层埋藏较浅，层数多，分布井段长 柴东气田气层埋藏较浅，最浅的为5 1 6 m ，气层薄、散、多，气层分布井段长，气、 水层间互。台南、涩北一号、涩北二号气田气层分布的井段分别为：1 0 2 6 8 1 7 0 8 8 m ( 长6 8 2 o m ) 、5 4 3 2 1 5 1 8 5 m ( 长9 7 5 3 m ) 、5 1 6 o 1 3 2 0 6 m ( 长8 0 4 6 ) 。气田气层 平均单层厚度一般为l 3 m ，气层平均总有效厚度达1 l o m ，平均气层数为6 3 个，多的 达1 0 0 多层。 新涩4 8 井录井共见气测异常4 1 0 5 0 m 5 3 层，电测共解释渗透层3 2 5 1 0 m 1 1 0 层， 其中气层1 8 5 1 0 m 6 7 层，差气层1 8 2 0 m 8 层，气水同层1 5 7 0 m 7 层，含气水层4 9 0 m 2 层，干层3 6 2 0 m 9 层，水层6 5 o o m 1 7 层。其中气层集中分布在4 5 5 0 0 1 3 9 3 o o m 。 新涩3 - 9 井录井共出现气测异常4 9 6 5 0 m 6 3 层，电测共解释渗透层4 0 5 o o m 1 3 0 层，其中气层1 7 3 4 0 m 6 0 层，差气层2 0 9 0 m 11 层，气水同层4 6 4 0 m 1 2 层，含气水 层2 6 _ 8 0 m 1 0 层，干层1 4 o o m 4 层，水层1 2 3 5 0 m 3 3 层。气层主要集中分布在4 4 8 0 0 6 0 0 o o m s n 7 0 0 o o 1 3 7 8 o o m 两段。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 表2 3 为新涩4 8 井、新涩试3 井、新涩3 9 井气水层对比表，表2 4 为涩北一号气 田开发层系划分结果表。 表2 3 新涩4 8 井、新涩试3 井、新涩3 - 9 井气水层对比表 井号 气层 差气层气水同层含气水层水层干层 新涩3 井 2 1 4 7 7 7 f3 2 6 82 3 6 6 4 6 4 1 3 4 3 新涩4 8 井1 8 5 1 6 71 8 2 81 5 7 7 4 9 2 6 5 o 1 7 3 6 2 9 新涩3 - 9 井1 7 3 4 6 02 0 9 1 l4 64 1 22 6 ，8 1 0 1 2 3 5 3 31 4 4 表2 4 涩北一号气田开发层系划分结果表 层系含气面积 井段长度 层组 气层数 k m 2mm 012 8 4 55 4 2 5 5 7 8 53 6 29 2 04 5 8 2 5 6 0 5 02 2 5 32 8 32 6 2 6 5 6 4 7 52 lo i 4 2 8246 6 7 o 一7 0 3 o 3 6 o 5 1 9 837 1 8 o - 7 5 0 53 2 5 小计1 35 8 2 5 - 7 5 0 51 6 8 0 61 865 7 8 0 0 8 3 7 55 7 5 71 9 538 6 0 0 9 0 0 0 4 0 0 i i81 3 739 5 7 5 9 8 5 02 7 5 93 2 961 0 2 2 ，5 - 1 0 5 5 o 3 2 5 小计1 77 8 0 0 1 0 5 5 o2 7 5 0 1 02 8 1 41 0 8 0 o 1 11 3 53 3 5 1 13 0 6 51 1 4 7 0 - l1 9 0 o4 3 0 i i i 1 23 0 231 2 1 2 5 1 2 3 0 01 7 5 小计 1 21 0 8 0 0 一1 2 3 0 01 5 0 0 1 31 7 441 2 5 2 5 - 1 2 8 8 o3 5 5 1 4 3 4 41 21 3 1 0 o 1 3 5 2 54 2 5 1 51 0 471 4 4 0 0 1 4 7 0 03 0 o 小计 2 31 2 5 2 5 1 4 7 0 0 2 1 7 5 合计 3 8 97 05 4 25 - 1 4 7 0 09 2 7 5 ( 3 ) 地层含水量高 柴东气田自上而下保持了很高的含水量，其单位体积的平均含水量为2 4 3 5 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 使粘土具有较强的可塑性。柴东气田有边水存在，各层被稳定的泥岩隔开，且互不连 通，有独立的气、水边界和水动力系统，每个气层下部为含水层，被5 l o m 以上的泥 质砂岩隔开，层数多且薄，气层、水层间互，气水关系复杂，气层生产易受边水及层 间水的影响。地层水以c a c l ：型为主，总矿化度9 6 2 3 0 1 0 4 m g l ，氯离子含量5 3 - - 1 3 3 x1 0 4 m g l 。 2 1 3 柴达木盆地柴东气田的地层压力及温度情况 ( 1 ) 涩北、台南气田地层温度 涩北一号：t = 0 0 4 0 9 d + 6 0 8 4 0 涩北二号：t = 0 0 3 1 7 1 d + 1 2 2 8 8 台南气田：t = 0 0 3 2 d + 1 l 式中t 一地层温度，； 卜深度，m 。 台南气田、涩北一号、涩北二号地温梯度分别为3 2 1 0 0 m 、4 0 9 l o o m 、3 1 7 l o o m ， 气层段温度一般为2 8 6 8 。 ( 2 ) 柴东气田地层压力 涩北一号：p = 一0 0 1 1 9 h + 3 1 6 2 6 9 涩北二号：p = - - 0 0 1 2 2 h + 3 2 2 9 4 6 台南气田：p = 一0 0 1 t 4 h + 3 1 2 1 1 5 式中p 一地层压力，m p a ； h 一海拔高度，m 。 三个气田压力系统都属于正常的压力系统，压力系数为1 1 1 2 0 ，原始地层压 力梯度陆线几乎重合，压力梯度0 0 1 1 4 0 o t 2 2 m p a m 。台南气f f i 气层压力1 0 0 3 2 0 4 2 m p a ，涩北一号为5 8 7 1 7 4 7 m p a ，涩北二号为5 1 9 1 5 3 4 m p a 。 柴东气田地层压力见表2 5 所示。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 表2 5 柴达木盆地柴东气田最大气层压力 井深最人压力 序号构造名称 mm p a 1 台南 1 8 0 02 1 1 3 2 涩北号 1 6 0 01 9 0 0 3涩北二号1 6 0 01 8 8 8 2 2 柴东气田常用的井身结构 2 2 1 涩北气田常用的井身结构 表2 6 涩北气田常用的井身结构 井眼套管 水泥钻井液水泥浆 井段 钻头井深套管直径下深 返高密度密度 m 直径 m层次m m g c m 。g c m m 0 3 0 04 4 4 53 0 0 表层套管 3 3 9 72 9 8地面1 0 5 一1 1 51 9 0 3 0 0 1 0 0 0 3 1 1 21 0 0 0 技术套管2 4 4 5 9 9 7 地面 1 15 - 1 3 219 0 i o o o m 至井深2 1 5 9设计井深气层套管 1 7 7 _ 8 设计下深地面1 2 3 一1 3 51 9 0 2 2 2 台南气田常用的井身结构 表2 7 台南气田常用的井身结构 井眼套管 水泥 钻井液 水泥浆 井段 钻头直径井深套管直径下深 返高密度密度 m m 层次 m mm m g c m 3g c m 3 o 4 0 03 1 1 1 54 0 0表层套管 2 4 4 53 9 8 地面 1 1 0 1l51 9 0 4 0 0 至井深 2 1 59 双心 设计井深气层套管 1 7 7 8 设计下深 地面1 2 6 1 4 5l9 0 9 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 l 一 3 1 11 m m 钻头x 4 0 0 2 4 45 r a m 套管3 9 8 2 1 59 r n m 钻头设汁井深 v j 1 7 78 m m 套管设计井椿 图2 2 涩北气田井身结构示意图图2 3台南气田井身结构示意图 2 3 柴东气田存在的固井技术难题及固井质量现状 2 3 1 柴东气田固井质量现状 1 9 8 7 1 9 9 7 年柴东气田共进行生产套管固井1 8 井次，合格1 3 井次，声幅测井固井 质量合格率为7 2 2 。 1 9 9 8 2 0 0 1 年，通过总结以往的固井施工经验，在室内试验的基础上，柴东气 田固井质量得到了一定改善。1 9 9 8 2 0 0 1 年，柴东气田共进行了4 0 口井的生产套 管固井施工，声幅测井固井质量合格率提高到8 5 ，但是固井质量优质率较低，只 有4 0 左右。固井质量差主要表现为气层段漏封或封固质量不好，气层封固段声幅 值高。有的井气层段存在声幅测井曲线变化大、声幅相对值偏高( 3 0 5 0 ) 的情 况，从后期试气及生产中发现，有部分第一界面声幅测井固井质量良好的井，生产 中发生层间窜流，说明第二界面封固质量差，存在层间窜槽的现象。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 2 3 2 柴东气田固井存在的难题 柴东气田主要是第四系沉降、沉积的主体气田，气层埋藏浅，沉积时间短，储 层疏松，含气段长，由于地质条件的特殊性，固井作业中主要面临以下技术难点： ( 1 ) 层间易发生气窜 柴东气田气藏类型属于多层状边水背斜气藏，气层分布较多，累计厚度大，分 布井段长。低温下水泥浆水化速度缓慢，过渡时间长，水泥石强度发展缓慢，早期 强度低，基质内部阻力小，水泥失重时压稳困难。 天然气不像原油哪样具有高的粘滞力，因而更加活跃：天然气比重明显低于油 和水，在水泥浆中其上浮力更大，故气窜更易更快；天然气分子远比水分子、油分 子的体积更小，因而比水、油更具有穿透能力，容易侵入防窜能力差的水泥基质中， 严重影响固井质量。 候凝过程中水泥浆处于失重状态、环空液柱压力不能再住下传递时，如果水泥 基质的防窜能力差，环空液柱压力加上水泥自身形成的内部阻力低于气水层的压 力，活跃的气体就会侵入到水泥环中，甚至引起层间互窜，从而难以实现层f 叫的有 效封隔。 如涩4 - 6 井，4 l o 1 1 5 0 9 m 井段共有4 7 个气层，固井声幅相对值大于3 0 ；涩 试3 井，3 7 5 7 0 4m 井段共有2 1 个气层，固井声幅相对值大于3 0 。涩4 1 井、 涩4 2 井、涩试1 井和涩4 一1 7 井投产时，产层出水，但是4 口井第一界面检测声 幅值低，说明第二界面的胶结质量差，从而引起了层间互窜。 ( 2 ) 固井时易发生井下漏失 柴东气田地层欠压实，胶结差，岩性疏松。生产套管固井时环空间隙小( m 2 1 5 9 m m 井眼下入中1 7 7 8 m m 套管) ，封固段长( 水泥浆要求返出地面) ，采用常规 密度( 1 _ 8 5 1 9 0 9 c m 3 ) 水泥浆固井。固井过程中如果环空的压耗大或施工不当， 易形成高的过平衡压力，固井过程中很容易漏失，造成水泥浆低返。不但会漏封气 层，影响封固质量，水泥浆渗入地层还对储层造成很多大的伤害。 如新涩4 8 井下套铣筒到井深7 1 8 o m 开泵循环发生井漏，7 0 m i n 共漏失密度为 1 3 5 9 c m 3 的钻井液1 2 m 3 ，漏速l o m 3 h ，泵压1 2 m p a ，排量1 2 m 3 m i n 。后低排量循 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 环1 0 小时，共漏失钻井液8m ，漏速0 8 m ：h 。泵压1 m p a ，排量0 4 m m i n ，后循环 观察，恢复正常。该井井径较规则，井径扩大率6 ，水泥浆设计附加3 0 ，固井过 程中井口失返，水泥浆没有返出井口，通过测井后计算共漏失水泥浆1 2 5m l 。 ( 3 ) 水泥浆配方设计困难 在过去的二十几年内，国内对注水泥的研究主要集中于中深井井注水泥以及其 它一些特殊注水泥方面，由于这些方面的研究技术性强，经济效益更大。对于低温 浅井气窜的研究较少。柴东气田井下的温度低，在中深井和温度较高的井段证明是 很成功的预防措施和注水泥技术就不适应于这些浅地层固井。 为加快水泥的水化速度，提高早期强度，要加入早强剂或促凝剂。但是一般的 早强剂或促凝剂会破坏降失水剂的降失水效果，与降失水剂配伍的早强剂及促凝剂 少。以前固井中这个问题都没有解决好，控制了水泥浆滤失量，水泥石的早期强度 低，甚至长时间不凝固；加入早强剂，提高了早期强度，水泥浆的滤失量又得不到 控制，二者很难同时兼顾。 适合柴东气田的水泥浆体系要求低温快凝、低失水量、高早强、高聚内阻力、 短过渡、流动性好，并有利于保护储层。室内很难筛选满足此性能要求的的配方。 ( 4 ) 缺少配套的固井工艺技术 柴达木盆地柴东气| 千| 第四系气田的特殊性在国内实属罕见，在提高顶替效率和 保证第二界面封固质量方面还没有相关的成熟经验可供借鉴。由于技术等方面的原 因，还没有形成适应气田大规模开发的配套固井工艺技术。 如以前固井时为提高顶替效率采用高速顶替，排量控制在1 5 1 8 m 。，但是由 于环空间隙小，封固段长，环空压耗大，固井过程中易发生漏失，造成水泥浆低返 不但会漏封气层，而且也会对储层造成伤害。 以前固井时为了达到紊流顶替，而在水泥浆中加入过多的分散剂，虽然使水泥 浆在环空较低返速下达到紊流，但是由于分散剂量加入过多，水泥浆的稳定性变差， 候凝期间在水泥环内、套管与水泥环及地层与水泥环的界面处形成水环与水带，反 而影响了对地层的封固。 从上述分析可知，要提高柴东气田的的固井质量，除采取有效措施提高顶替效 率外，还应优化水泥浆性能，降低水泥水化时的基质渗透率，改善水泥浆的胶凝特 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 性，增加水泥浆中游离水的粘滞力，堵塞水泥内网架结构间的空隙。增加水泥处于 失重状态时的内部阻力，是防止气窜，提高固井质量的关键。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 第三章防窜水泥浆配方研究 柴东气田气层分布范围广，纵向分布多，层间距离短，由于井深浅，更加剧了 气窜的趋势。因此，防止固井候凝时的气窜问题是要首先考虑的问题。 目前防止气窜的技术主要有两种：一种是优化常规注水泥作业，另外一种是改 善水泥浆的性能。水泥浆在环空中顶替到位后，水泥浆向地层过量失水、水泥水化 引起体积收缩及胶凝强度发展缓慢等因素，是诱发环空气窜的主要原因，尤其是失 水量过大和胶凝强度发展缓慢是造成气窜的主要因素。 基于这种情况，要保证固井质量，必须在保持近平衡压力的情况下提高水泥浆 的防窜能力。因此，首先要在水泥浆体系上下功夫，使水泥浆体系具有较短的过渡 时间，较快的强度发展，水泥浆失重时基质内部阻力大，渗透性低，胶凝强度发展 快，下图为随胶凝强度的增加，气体侵入方式的变化图。 密 度 差 上 浮 随胶凝强度的增加，气体侵入方式的变化 相 离 析 通 道 微 孔 隙 置 换 内 封 闭 阻 断 对浆体结构的破坏、侵入为力学行为 图3 i 随胶凝强度的增加，气体侵入方式的变化图 1 4 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 3 1 m 8 3 s 防窜水泥浆配方研究 3 1 1 防气窜水泥浆体系应满足的条件 柴东气田独特的地质特点，决定了水泥浆体系必须具有良好的防气窜能力。为 保证固井质量，所选择的水泥浆体系应满足以下条件： 具有较好的可泵性，密度能够控制在1 8 5 1 9 2 9 c m 3 之间，流动度大于 2 l c m 。 过渡时间短。水泥浆稠度为1 0 0b c 的稠化时间t 。( m i n )与稠度为3 0b c 的 稠化时间t 。( m i n ) 愈接近，说明水泥浆的阻力变化速度愈快，防窜能力愈强。两个 时间间隔越长，说明阻力变化速度愈慢，防窜能力愈弱。为保证固井质量，所选择的 水泥浆体系的过渡时间应小于3 0 m i n 。 施工结束后，水泥浆的胶凝强度迅速增长，使之越过临界胶凝强度。 注水泥完毕，水泥浆应迅速由液态转变为固态，以减少与产层的接触时间。 抗压强度迅速发展，并有长期的强度稳定性。 水泥浆处于失重状态时，水泥石基质渗透性低，内部阻力大，能抵御气体的 窜入。 顶替及候凝过程中，水泥浆具有小的滤失量：水泥浆处于失重状态时，固化 后水泥石渗透性低，气体难以进入水泥环。 在保证固井质量，实现对气层的有效封隔的同时，固井作业对气层具有一 定的保护作用。 3 1 2 水泥选型 柴东气田设计井深一般为1 2 0 0 1 6 0 0 m ，气层段温度约为2 8 6 8 。c 。根据a p i 油井 水泥适用范围的要求，比较适用的水泥有两种，一种是a 级水泥，另一种是g 级水泥。 a 级水泥是一种粗磨的水泥，仅有普通型( o ) 。其化学成分和细度类似于a s t m c l 5 0 i 型。a 级水泥试验时的水灰比为0 4 6 。a 级油井水泥通常在无特殊性能要求循 环温度低于4 5 的浅井中使用。 g - 级油井水泥作为基本水泥使用，加速凝剂或缓凝剂后，可在各种井深与温度 范围内使用，此种水泥有中抗硫酸赫型( m s r ) 和高抗硫酸盐型( h s r ) 。g 缴水泥试 中国石油勘探开发研究院硕+ 学位论文 验时的水灰比为0 4 4 。 表3 1a 级水泥和g 级水泥的成分区别 a s t m 通常潜在的晶相( 质量分数) ，常规细度 a p i 级别 标号 c 3 sb c 2 sc ac 4 a fc m g ai4 52 7 1 1 81 6 0 0 g 5 0 3 0 51 2 1 8 0 0 从上表中可以看出，a 级水泥的c 擅含量高，g 级水泥的c 。a 低。c 擅的存在加速 了c 。s 的水化，另外c ，a 的存在对早期强度增长特别有效，这可能是水化物中结晶 状的水化铝酸盐对水化硅酸盐起着增加作用。然而，当c 止超过了一定量时水化产 物强度反而会降低。 c 。a 容易与硫酸盐反应生成钙矾石( a f t ) ，不利于水泥石的长期稳定，所以对于 中抗硫酸盐型水泥c 4 限定为8 ，对于高抗硫酸盐型c ，a 最大值限定为3 。如果油 井水泥中c 。a 的量大于6 5 或更多，水泥浆将具有更强的触变性。 室内试验了几种a 级水泥，由于水泥颗粒粗、浆体稳定性差、稠化时触变性强、 水泥本身质量差，不适合浅井固井用。并且柴东气罔气层多，固井要求高，所以综 合考虑最后采用嘉华g 级高抗硫油井水泥作为固井用基本水泥。 3 1 3 水泥外加剂的优选 目前油田应用比较广泛的发气型膨胀剂的主要成分是铝粉。在一定的井温条件 下，铝粉和碱性水泥浆发生化学反应，能在一定程度上弥补由于水泥失重及体积收缩 引起的压力降低及体积损失。 ( 1 ) 发气型防气窜剂z g 一3 z g 一3 是以金属铝粉为控制主剂的水泥浆外加剂，在一定的井温条件下，铝粉和 碱性水泥浆发生化学反应，在浆体内产生均匀分布面又互不连通的微小气泡。其化 学反应式为： 一 2 a 1 + c a ( o h ) 。+ 2 h 。0 ：c a ( a i o ：) 。+ 3 h 。f 水泥浆失重、环空液柱压力降低时，浆体膨胀产生一定的附加压力，使得水泥浆 1 6 中国石油勘探开发研究院硕十学位论文 柱对地层的瞬时有效压力保持一定值，或至少要大于地层压力。由于可压缩性气体的 产生，使水泥浆的可压缩性增加，也可以弥补由于水泥浆失水及水化作用所导致的体 积的损失。 z g 一3 具有以下几个方面的性能特点： 较合适的发气时间 z g 一3 加入水泥中在不同的温度下的发气时间见表3 ，2 所示。从表3 2 可以看出， 随着z g 一3 加量增加，发气时间基本不变；当温度增加时，其开始发气的时间提前， 但总的发气持续时间基本不变。柴东气田的井底循环温度在4 0 5 0 。c 之间，而该时 间正是水泥浆从液态向固态过渡、水泥液柱失重的时间，可以满足固井水泥浆失重 时的压稳及补偿水泥失重压力降低的要求。 表3 2z g 一3 发气时间试验结果 加量 养护温度发气时间 序号水泥品种 水灰比 m l n 1 g 级高抗 0 20 4 6 4 57 0 1 4 0 2 g 级高抗o 40 。4 65 5 7 2 1 4 4 3 g 级高抗0 50 4 66 5 4 5 1 3 5 较好的膨胀率 在不同的温度下加入z g 一3 后水泥的膨胀率见表3 3 所示。 表3 3z g 一3 膨胀率试验结果 z g 3 加量 0 20 30 5 养护温度 4 505 5 06 5 o4 5 05 5 06 5 o4 5 05 5 o6 50 2 h 膨胀率 6 ，08 62 7 ，5 2 1 43 4 8 3 6 32 7 23 303 4 0 最终膨胀率 7 o2 0 0 2 7 52 3 33 643 7 62 8 33 6 43 8 o 对水泥浆性能影响小 z g 一3 对水泥浆性能的影响见表3 4 所示。从表3 4 可以看出，z g 一3 对水泥浆 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 密度、流动度、初终凝时间基本无影响，但在常压下，随着z g - 3 加量的增加，水 泥石强度呈逐渐降低的趋势。但当压力增加后，与净浆相比，虽然水泥石强度略有 降低，但仍可满足后续改造对水泥石强度的要求。 表3 4z g 一3 对水泥浆各种性能的影响 水 流 常压2 4 h 序加灰密动养护初凝终凝强度 2 1 m p a 、2 4 h 号 h 比度度温度时间时间 m p a 强度 g c m 3 c mm l n m l n 抗压 m p a 1 8 82 4 04 5 1 4 11 6 91 5 o1 6 1 100 4 61 8 72 4 55 51 1 51 4 02 1 02 2 3 1 8 82 4 o6 51 0 91 2 12 4 22 5 - 3 1 8 92 3 54 5 1 4 51 7 21 3 81 5 6 20 20 4 61 8 82 4 55 51 2 51 4 51 2 61 5 2 1 8 82 4 o6 51 1 91 4 01 1 71 4 8 l8 82 4 04 51 4 61 7 61 1 o1 5 1 30 40 4 61 8 72 3 55 51 3 01 4 7l o 21 4 7 1 8 72 4 o6 5“91 3 49 6 1 4 2 ( 2 ) 降失水剂m 8 3 s 对于气井固井来说，筛选性能优良的降失水剂至为关键。国内目前的降失水剂 从降失水机理方面来说，主要分为两种类型：一种是成滤饼型的降失水剂，另一种 是成膜型的降失水剂。第一种主要有s z - 1 、m s 一8 8 、x s 、$ 2 4 、h s 一1 等类型，失水 量最低可以控制在l o o m l 左右，防窜性能一般；第二种主要有6 - 6 0 s 、j 一2 b 、r c 一8 0 0 、 t d s 、s t 2 0 0 r 、j - 1 、j - 2 、m 8 3 s 、t w 2 0 0 s 等，失水量可以控制在5 0 m l 以内，防窜 性能好，对水泥浆其它性能的影响小。 第一种类型的降失水剂控制失水量一般( 大于l o o m l ) ，并有缓凝作用，低温下 与早强剂配合使用时，失水会失控，此种降失水剂主要适用于中深井固井。以前曾 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 在柴东气田固井中应用过此种降失水剂，效果并不明显，说明此种类型的降失水剂 不适用于浅层气井固井。 第二种类型的降失水剂主要通过“成膜”来控制失水，对水泥浆体系基本无缓 凝作用，静止时有微触变作用，会形成弱结构，能有效防止自由水的析出。 根据国内现有外加剂的性能、使用状况及柴东气田钻井完井的特点、环空气窜 的特性，经过大量室内试验及分析对比，参考山西煤层气井固井成功的经验，考虑 采用m 8 3 s 作为防窜水泥浆的降失水剂比较合适。 m 8 3 s 是一种以高分子化合物为主的材料，水泥水化后m 8 3 s 能降低水泥基质的 渗透率，改善水泥浆的胶凝特性。加入m 8 3 s ，可以大大提高水泥浆的防窜能力。作 为一种高分子化合物。m 8 3 s 能改变混合水的性能，在不妨碍水泥正常水化的前提下， 控制其“聚合”与“交联”的物化速度，增大其分子量，能增加游离水的粘滞力， 堵塞水泥内部网架结构间的孔隙，达到增强水泥抵抗油水侵入的阻力。在水泥浆与 地层问的压差作用下，在界面处形成致密的低渗透滤失膜，保证了水泥浆体系的低 失水，增加了气体窜入的阻力。同时，形成的不渗透膜，也可以保持环空的液柱压 力，对气体的侵入也起到一定的阻挡作用。当水泥凝固后，m 8 3 s 能堵塞水泥基质中 的孔隙，降低水泥石的渗透率，减少了气体窜入的可能性，也可以有效抗击射孔的 冲击。 m 8 3 s 体系的性能特点 完全分散水泥浆，提高了水泥浆的施工性能，水泥浆在凝固前具有良好的流 变性和沉降稳定性。 可有效控制失水( a p i 失水一般可控制低于5 0 m t ) ，降低了对气层的污染， 提高了气井的产能。 非常短的过渡时间( 小于3 0m i n ) ，稠化曲线呈近似“直角”。 降低水泥石的渗透率，防止环空窜流。 中国石油勘探开发研究院硕士学位论文 9 0 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 0 o1 2 0 0 0 1 0 0 0 * 球舯0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 1 t 32 m 8 3 s 加量与失水量的关系图 ，j l = ! = 墨型! l 115225 m 8 3 s 的加量( ) 提高水泥石的弹性及抗拉强度，增强了水泥石的抗冲击能力；桥堵微裂缝， 抑制微裂缝的扩展；降低射孔时水泥环的破裂度。 可有效提高水泥与地层、水泥与套管问界面胶结强度，有利于层间分隔。 m 8 3 s 的失水特性 水泥浆中m 8 3 s 加量达到一定值( 大于1 5 ) 时，失水量就可以控制在5 0 m l 以 内，加量再增大时，失水量降低很少，见图3 2 。 下表为m 8 3 s 水泥浆的失水性能。 表3 5m 8 3 s 的失水性能 l m i n 失水7 5 r a i n 失水 3 0 r a i n 失水 a p i 失水量 水泥浆配方 密度。g l c m 3 m l m l m lm l 嘉华g 级水泥6 0 0 9 + 1 3 漂珠 + 5 微硅+ 3 9