水平井固井技术.ppt

张宏军 定向井 水平井 固井技术 自我介绍 姓名 张宏军专业 固井工程职称 高级工程师职务 黄河钻井总公司固井首席专家 固井公司副经理电话 0546 8721241mail slgjzhj 内容 井的概念 直井 斜井 定向井 特殊工艺井 救援 普通定向井丛式井 组 多目标井开窗侧钻井水平井分支井大位移井 井 水平探井阶梯水平井三维多目标水平井开窗侧钻水平井连通水平井超薄油层水平井深层水平井短半径水平井穿漏水平井 丛式井 丛式井就是一个平台上钻多口井 两口或两口以上 可能有直井 定向井 水平井或其它井 丛式井可分为 陆地平台丛式井海洋钻井平台丛式井 丛式井垂直剖面图 丛式井水平投影图 多目标井 多目标井就是靶点在两个或两个以上 可以是定向井 水平井或其它井 套管开窗侧钻井 是指在原套管内开窗侧钻的井 它包括套管开窗内侧钻斜井 定向井和水平井 水平井属于定向井家族的一个分支 它的最基本特点 设计的井眼轨迹同油层的走向基本一致 水平段的井斜角达到86度以上 水平井 二开 井眼直径 mm 215 9所钻深度 m 2344 22套管外径 mm 139 7套管下深 m 2341 22水泥返高 m 1200 一开 井眼直径 mm 346 1所钻深度 m 351套管外径 mm 273 1套管下深 m 350水泥返高 m 地面 跨断层水平井 大位移井 大位移井 所谓大位移井就是在原定向井基础上把井眼进一步向外延伸的井 早期 水平位移 3000m 位垂比 1的定向井 目前 位垂比 2的定向井 分支井 主井眼中钻出两个或两个以上井眼的井 我国水平井的发展 水平井技术是20世纪80年代钻井 完井技术的重大成就之一 随着水平井综合能力和工艺技术的发展并成熟化 多样化 在常规水平井的基础上又发展了多种相关钻井新技术 比如 大位移井钻井技术 分支水平井钻井技术 大位移水平井钻井技术等 并逐步成为新老油田开发的重要手段 国内水平井发展历程 近几年黄河钻井水平井固井情况 水平井完井类型及开发油藏 完成井类型大位移水平井分支水平井套管开窗侧钻水平井阶梯式水平井海油陆采水平井连通式水平井 水平井开发油藏类型砂砾岩稠油油藏非稠油边底水断块油藏裂缝性油藏整装高含水油藏地层不整合油藏低渗透油藏 水平井完井工艺 射孔完井 筛管完井 封隔器辅助完井 砾石充填完井 复合完井 水平井固井关键及难点 同直井和常规定向井相比 大斜度井和水平井固井的难度增大 水平井固井的关键技术主要体现在两个方面 一是如何确保有足够强度的套管柱能够克服阻力顺利下至设计位置 二是如何确保在水泥封固段内完全充填优质水泥浆 水平井主要特点 井斜段长 轨迹控制困难 井眼条件差 摩阻系数确定困难 对钻井液要求高 要求钻井液有很强的润滑性 悬浮能力和携砂能力 并能保持井眼稳定 对水泥浆性能要求高 要求低自由水及失水等 对井下工具 附件性能和可靠性要求高 对钻井装备 钻井液设备和固井设备要求高 一般不测井径 对井眼条件预测难度增大 需要有高质量的应用软件和高素质的工程技术人员 水平井固井难点 1 水平井套管下入的难度 2 提高顶替效率的难度 3 钻井液性能对固井质量的影响 水平井固井难点 4 完井方式对固井质量的要求 5 水泥浆性能对固井质量的影响 6 长封固段固井的难点 1 套管的安全下入 考虑主要影响因素 井身结构设计 井眼轨迹 地层特性 复杂地层封固 井眼控制的难易程度 井眼和套管尺寸配合等 套管柱设计 设计的套管允许下入的最小曲率半径能否满足井眼的曲率 套管柱强度 安全系数等实钻井眼控制及规则程度 大狗腿角 糖葫芦井眼 下套管的摩擦阻力计算 井眼干净程度 钻井液的携沙能力 井下的稳定性等 1 水平井套管下入 下套管摩阻 由套管浮重引起的与井壁的摩擦阻力井壁的光滑程度钻井液的润滑性能地层岩性下入深度水平井钻井形成的键槽 岩屑床或固相沉淀同样会增大下套管摩阻井眼弯曲处套管轴向拉力对井壁产生的压力与井身轨迹有关的全角变化率套管刚度的影响位垂比大的井 摩阻更大 套管安全下入的有关计算 满足套管下入的井眼条件API 美国石油学会 和IADC 国际钻井承包商协会 推荐套管允许通过的最大井眼曲率公式 套管允许通过的最大井眼曲率 30m 安全系数 API推荐1 8 IADC推荐1 2 1 5 螺纹应力集中系数 API推荐3 0 IADC推荐2 0 2 5 套管管体外径 m 套管管体的屈服强度 MPa 最大井眼曲率确定方法 其公式为 套管允许通过的最大井眼曲率 30m 套管螺纹连接强度 Kn 套管已承受的有效轴应力 kN 套管管体外径 cm K 考虑套管螺纹应力集中等因素的系数 K 1 65 A 套管管体的横截面积 cm2 国内专家提出 更接近于实际 下套管时的摩阻计算 摩擦阻力计算套管对井壁的摩擦力 等于管柱对井壁的法向合力 乘以摩擦系数 1 浮重的法向分力 hAB 0 001LhABQnBF hAB 段浮重的法向分力 kNLhAB 段在水平面上的投影长度 mQn 套管每米质量 N mBF 浮力系数 BF 钻井液密度 g cm3 管柱平均密度 取8 0g cm3 下套管时的摩阻计算 2 套管轴向拉力对井壁的作用在井眼弯曲处 套管柱轴向拉力对井壁产生的压力 它分解为 垂直面上的分力 和空间全角面上的分力 垂直面上的分力 空间全角面上分力 bA WbB 点截面上合成稠向拉力 kN 段井斜角变化量 段井眼全角变化量 下套管时的摩阻计算 3 法向合力与摩擦力套管柱作用在井壁上总法向合力 是由垂直面上分力 和全角面上分力 组成 hAB c s cs整理得 因此 套管对井壁的摩擦力 下套管时的摩阻计算 摩阻系数确定方法 摩擦系数 的推荐取值套管内 2 0 3套管外 0 6实际现场摩擦系数 的确定方法 1 通过分析 总结同一区块已完成水平井套管下入的实际大钩载荷 计算出实际摩阻力 通过反算求得摩阻系数 作为该区块水平井下套管摩阻系数的计算值 2 综合考虑钻井过程起下钻 通井的情况修订下套管摩阻系数 提高水平井固井质量 考虑主要影响因素 1 套管居中 居中度 67 2 顶替效率 大斜度井段 水平井段替净问题 前置液数量 注替流态选择 施工参数确定等 3 水泥浆性能 析水 自由水 集中在大斜度井段 水平井段顶部形成水带而导致油气水窜 沉降稳定性等 4 特殊地层 循环漏失 漏失井段及高渗地层井壁质量问题 对套管下入和水泥胶结质量影响 高压油 气 水层 5 固井施工设备 固井材料 工具性能和质量 2 提高顶替效率 1 紊流接触时间 2 井身轨迹控制与井眼质量 3 套管居中度 4 井眼清洗 1 紊流接触时间 一般要求水泥浆与井壁的紊流接触时间要大于7 10min 水泥浆在水平井段受自身重力的作用易下沉 达到紊流流态的时间要滞后 水泥浆与井壁的接触时间也需要延长 2 井身轨迹控制与井眼质量 很难达到紊流顶替的效果易造成固相的桥堵 憋泵 井斜 方位的调整地层应力岩层的各项异性水平井段穿越时遇到夹层 狗腿键槽椭圆形井眼大井眼 糖葫芦 井眼 3 套管居中度 在套管偏心的情况下 不同的环空流速在环空的宽边和窄变的流态也会不同 总体上会造成顶替效率的不一致在套管严重偏心甚至贴向井壁一侧的时候 出现环空不能完全 替净 而窜槽发生油气水窜时对产层的污染研究表明 套管居中度要达到67 以上 才能获得良好的顶替效率 3 套管居中度 居中度计算公式 式中 Dw 井眼直径 mmDc 套管外径 mmWn 套管与井眼的窄边间隙 mm 3 钻井液性能对固井质量影响 油基泥浆 降低了隔离液或水泥浆对钻井液的驱替效果 使水泥与套管和井壁之间的界面胶结能力下降 存在微间隙 钻井液的滤失量大 易形成较厚的泥饼 难以在固井过程清除 二界面胶结差 高密度和高粘度的钻井液 使水泥浆顶替钻井液更为困难 顶替效率差 4 完井方式对固井质量的要求 套管射孔完井方式封隔油气水层支撑和保护套管为射孔提供坚实的中间介质避免对产层的损害 保护油气层筛管完井方式封固顶部套管避免油气水窜通筛管井段不被水泥污染或封固 5 水泥浆性能对固井质量影响 水平井段 水泥浆在候凝过程中由于重力作用 易在井眼上侧形成游离液通道 引起油气水窜水泥浆的失水量大 易造成对产层的损害水泥浆的流变性能 对流动摩阻 施工压力 顶替效率都有影响 6 长封固段固井的难点 随着井深的增加 长封固段固井越来越多 固井施工受长裸眼 长封固段的限制 导致施工泵压偏高 顶替效率变差 施工的风险加大 同时带来候凝过程失重引起油气上窜 影响固井质量 成为水平井固井新的矛盾 1 下套管技术措施2 固井管串结构和固井工艺3 套管居中度与扶正器4 水平段套管的漂浮技术5 隔离液设计6 水泥浆体系设计7 施工参数设计 技术措施和应用 1 下套管技术措施 下套管前通井 短起下 划眼调整钻井液性能 大排量洗井在斜井段及水平段打入润滑泥浆模拟下套管作业加大灌泥浆的频率 避免长时间的静止分段灌满泥浆和循环 2 管串结构和施工工艺 套管 或尾管 射孔完井低渗透油藏管串结构 浮鞋 旋流套管 浮箍 套管串 固井工具的选型 引鞋带回压凡尔的钢质引鞋 浮鞋 浮鞋 浮箍自动回位的弹簧式结构分级箍液压打开式分级箍机械打开式分级箍的位置应选择在井斜角不超过30 的井段内 以使打开塞能顺利达到分级箍 筛管完井固井 天然裂缝性碳酸盐岩或硬质砂岩储层单一厚储层或不要求层段分隔的储层岩性较为疏松的中 粗砂粒储层等筛管顶部注水泥套管串结构 引鞋 筛管串 套管 盲板 管 短套管 套管外封隔器 套管 分级箍 套管串 筛管完井固井管串 盲引鞋 筛管 套管 盲管 管外封隔器 液压分级箍 热力补偿器 3 套管居中度与扶正器 利用刚性扶正器对套管的良好支撑能力 在水平段交错安放刚性扶正器和弹性扶正器在引鞋 浮鞋 上部加一只刚性扶正器在造斜井段 每两根或一根套管加一只弹性扶正器根据井眼状况做具体的设计在保证套管能顺利安全下入的前提下 尽可能多下扶正器 以提高套管居中度 3 套管居中度与扶正器 套管扶正器使套管柱与井壁产生更多的点接触 减少了面接触 或可以避免接触面积进一步扩大 相对减小了下套管摩阻 合理使用扶正器的前提 下套管前通过通井 循环等手段将井眼清洗干净 减少沉砂调整钻井液性能以维护井壁稳定水平井固井扶正器一般采用滚轮刚性扶正器与弹性双弓扶正器交叉使用 3 套管居中度与扶正器 扶正器一般是依据地层 井斜与井径变化 选择钢性 滚轮 与弹性扶正器 4 水平井段套管漂浮技术 替入轻质 低密度 顶替液水平段以至斜井段套管内提高套管的上浮力减少对下井壁的压力清水 柴油等易造成顶替过程高泵压漂浮接箍降低下套管摩阻 5 前置液设计 设计原则 在保证井下安全的前提下 井下不垮塌 不引起气侵等 其数量越多 越能提高水泥浆对钻井液的顶替效率 一般冲洗液和隔离液按1 2比例设计 性能要求 1 具有良好的相容性 2 具有一定的密度差 钻井液 前置液 水泥浆 差值为0 12 0 24g cm3 3 一般占环空300 500m 紊流接触时间 7min 4 对于油气较活跃的井 要考虑环空的压力平衡 5 前置液设计 驱油型冲洗液亲水性满足最小紊流接触时间低密度领浆的冲洗隔离作用设计占环空高度300m 密度控制在1 65 1 70g cm3较好的携砂能力进一步清洗井眼延长水泥浆与井壁的接触时间 提高顶替效果 6 水泥浆体系设计 采用双凝水泥浆体系尾浆 主要目的层段短过渡时间的速凝水泥浆领浆 稠化时间适当延长根据施工时间调整领浆 尾浆的时间差减少候凝过程中失重现象发生 避免油气上窜 6 水泥浆体系设计 水泥浆性能设计要求 1 水泥浆的自由水 析水 为零 严格控制到零 可有效防止大位移井及水平井高边出现自由水带窜槽 2 具有良好的稳定性 水泥石上下密度差 0 02g cm3 否则在大斜井段或水平井段的垂直剖面上易形成上稀下稠 井眼高边强度偏低 6 水泥浆体系设计 3 API失水 50ml 30min 失水会加大油气层污染 导致水泥浆变稠 流动阻力增大 影响顶替效率 因此 应严格控制水泥浆失水量 50ml 4 水泥石具有一定的抗冲击韧性 提高水泥石的抗冲击韧性 有利于提高大斜度及水平井段的封隔完整性和正常生产寿命 6 水泥浆体系设计 5 具有微膨胀特性 膨胀可使体系在凝结过程中水泥环充填满环形空间 避免因体系收缩产生微环隙 可提高封隔井段水泥环与套管及地层间的胶结强度 用微膨胀水泥浆体系封固大位移井及水平井 有利于有效封隔地层 防止层间窜流 6 水泥浆具有防窜性能 水平井固井 由于井斜角大 在水泥浆凝结过程中 容易形成较大的自由水和产生体系沉降 井眼高边易形成油气窜流的通道 因此 对水泥浆体系的防窜特性要求更高 6 水泥浆体系设