分支井固井技术

分支井固井技术硕士2004级

现代完井工程1概述主要内容分支井固井的关键技术衬管固井作业乳胶水泥用于分支井固井2分支井固井的关键技术1、分支固井存在的主要问题

（1）钻井液窜槽问题

重晶石沉淀的影响钻井液流变性能的影响井眼倾角的影响3分支井固井的关键技术1、分支固井存在的主要问题

（2）水窜槽问题在环形空间的上半部分及套管内的上部也常常观察到水窜槽的存在。试验表明，水窜槽的程度随井斜角的增大而变大。且温度越高，水泥浆中自由水含量越高。因此，可通过适当的水泥浆设计和混合来控制倾斜井中水窜槽程度。4分支井固井的关键技术1、分支固井存在的主要问题

（3）套管不居中问题

套管不居中是水平井固井质量不高的原因之一，因为水平井的井斜角大，故在重力作用下套管柱往往偏向下井壁。因此，使得注水泥后，在井壁下侧形成的水泥薄，甚至有些地方没有形成水泥环，严重影响封固质量。

5分支井固井的关键技术1、分支固井存在的主要问题

（4）水泥石特性问题

在分支井中，套管是从主井筒内通过在主套管上磨铣的侧孔下入的，对尾管注水泥后，要将留在主井筒内的尾管短管割断取出，在用磨鞋切割尾管期间，水泥柱将承受高的弯曲、压缩和张应力，切割部位水泥环产生裂纹能扩展到整个水泥柱，取出切割下的尾管短管后，下部尾管只靠水泥环支撑，因此，必须采用具有高弯曲强度，压缩强度和抗张强度的耐用水泥。

6分支井固井的关键技术2、提高分支井固井质量的方法（1）提高顶替效率

（a）影响顶替效率的关键因素是钻井液性能，特别是钻井液的屈服值，钻井液的屈服值是衡量钻井液悬浮岩屑及其它固相颗粒能力的指标，不同的屈服值反映了不同的悬浮岩屑及其它固相颗粒的能力。

7分支井固井的关键技术2、提高分支井固井质量的方法（1）提高顶替效率

（b）对于分支井而言，在固井前，循环时间至少是3倍于井筒的钻井液体积循环所需时间，或者循环到进出口钻井液性能达到平衡为止。如果可能，循环时钻井液流态应达到紊流，以帮助消除岩屑或钻井液固相沉淀。8分支井固井的关键技术2、提高分支井固井质量的方法（1）提高顶替效率

（c）在注水泥之前的循环过程中,以及注水泥过程中，管柱的运动，可产生一种促使钻井液流动的驱动力，同时，管柱的运动有助于打碎钻井液聚结的团块和聚积在团块中的疏松岩屑。如果在套管本体上附加有钢丝井壁清洁器，那么将进一步提高钻井液的顶替效率。9分支井固井的关键技术2、提高分支井固井质量的方法（1）提高顶替效率

（d）在分支井固井中，套管的扶正问题比垂直井更为重要。试验表明，套管扶正器的使用对提高顶替效率效果明显。10分支井固井的关键技术2、提高分支井固井质量的方法（1）提高顶替效率

（e）在分支井中使用隔离液和冲洗剂可极大限度地提高顶替效率。试验表明，呈紊流流态的隔离液比其它流态更有助于使胶凝的钻井液团块和固相沉淀运移。当井内是加重的水基钻井液时，使用冲洗剂和隔离液能有助于控制气窜，改善水泥胶结和防止漏失问题。

11分支井固井的关键技术2、提高分支井固井质量的方法（2）水泥浆的设计

（a）水泥浆自由水是导致分支井固井质量不高的原因之一。在其它条件一定的情况下，井眼倾斜角越大，自由水越多。12分支井固井的关键技术2、提高分支井固井质量的方法（2）水泥浆的设计

（b）水泥浆密度的设计取决于地层性质，同时应考虑固井作业时所产生的附加压力不能超过地层的破裂压力。为了降低水泥浆密度，常采用泡沫水泥、膨胀水泥。泡沫水泥用于降低水泥浆密度，以减轻潜在的地层破裂问题，当固相沉淀和胶凝的钻井液团块不能被运移时，可使用膨胀水泥，以改善水泥固结，防止窜槽。13分支井固井的关键技术2、提高分支井固井质量的方法（2）水泥浆的设计

（c）为了预防在注替水泥和候凝期间水泥浆滤液过量渗入，在封固水平产层段时，应使用降失水剂，以阻止水泥浆大量失水。14分支井固井的关键技术2、提高分支井固井质量的方法（3）隔离液的设计

在分支井钻井中，常常使用油基钻井液和油包水乳化钻井液，因为它们具有润滑性好、失水少等优点，但考虑到固井时，由于亲油环境导致水泥浆跟它接触的表面不相粘接，因此要设计隔离液体系，使其能产生一个亲水环境使水泥浆与其接触的表面粘接，使油层隔绝。在设计隔离液体系时，应考虑以下三个方面：15分支井固井的关键技术2、提高分支井固井质量的方法（3）隔离液的设计

在分支井钻井中，常常使用油基钻井液和油包水乳化钻井液，因为它们具有润滑性好、失水少等优点，但考虑到固井时，由于亲油环境导致水泥浆跟它接触的表面不相粘接，因此要设计隔离液体系，使其能产生一个亲水环境使水泥浆与其接触的表面粘接，使油层隔绝。在设计隔离液体系时，应考虑以下三个方面：16分支井固井的关键技术2、提高分支井固井质量的方法（3）隔离液的设计

在设计隔离液体系时，应考虑以下三个方面：（a）隔离液体系对原浆的作用；（b）选择最好的表面活性剂加到原浆中以获得一个井下亲水环境；

（c）选用隔离液用量和泵入速度以获得最大限度的清洁效果。17分支井固井的关键技术2、提高分支井固井质量的方法（3）采用新型水泥

采用具有高弯曲强度，压缩强度和抗张强度的耐用水泥。18分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究

Haliburton固井公司和Exxon生产研究公司，针对倾斜井和水平井的固井问题，进行了一系列模拟试验。19分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（1）试验装置

20分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（1）试验装置

①图中的模拟装置全长为6.7m，模拟井筒为内径165mm的管子，长约6.4m。在“井筒”内是一根长约5.5m，直径127mm钢管（代替套管），套管的下端是敞开的，管端外侧焊有三个爪子使套管在井筒内居中，套管的上端接有一个特制的水泥头，模拟井筒的外面包有一个可加热或可过滤的筒套，它可以模拟实际的井下温度和地层渗透等等。21分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（1）试验装置

②该装置可垂直，也可以与垂线成60、85的倾斜角。③当模拟水泥封固不渗透地层时，“井筒”的管子可以是内径为165mm的套管。22分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（1）试验装置

④当模拟水泥封固渗透性地层时，“井筒”可换为具有渗透性的粘接砂粒的人造圆筒，它可以使钻井液流过并产生渗透。⑤模拟井温是靠蒸气经过套管定期循环，使温度保持在要求的范围内。23分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（2）试验材料

全部试验使用加重水基钻井液。基浆配方见表。试验中钻井液性能是通过稍微改变膨润土和重晶石浓度或加入少量的生物聚合物来实现的。每次均测量实际钻井液的物理性能，如密度、固相含量、屈服值、塑性粘度、切力和失水等。试验中，水泥浆密度为2.0g/cm3左右，每次试验也要测量水泥浆的密度、屈服值、塑性粘度和失水。

24分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（2）试验材料

流体类型配方1.92g/cm3

钻井液水：1130kg膨润土：6.75kgCMC：0.1kg重晶石：184kg木质素磺酸盐、苛性钠：1.8kg1.44g/cm3

钻井液水：1360kg膨润土：8.8kg重晶石：83.7kg褐煤、苛性钠：0.45kg2.00g/cm3

水泥浆水：15kgH级：42.3kg缓凝剂：0.5%分散剂：0.5%25分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（3）试验程序

①在82℃以下，采用6L/s的排量循环1h，即循环返速为0.91m/s，模拟渗透性地层试验时，地层压差保持在0.7～1.75MPa。②开始循环钻井液1h后，停泵24h，温度保持在93℃，在不循环期间模拟测井和下套管作业。26分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究

（3）试验程序

③在82℃的温度下，再以6L／s的排量循环1h，与此同时混合水泥浆，并使混合的水泥浆加热到82℃，混合水泥浆的体积为1.74～2.9m3。27分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（3）试验程序

④泵入一定体积的水泥浆到模拟装置内，泵入量一般采用1.16m3或2.32m3，1.16m3容积相当于模拟井与套管环空长183m，泵入水泥浆的排量为2L/s，8L/s或14L/s，为简化步骤，不用胶塞，使水泥浆在套管内和环空一起养护凝固。28分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（3）试验程序

⑤完成注水泥浆之后，把整个系统封闭起来并把养护温度提高到110℃，在顶替试验后取钻井液和水泥浆样品作流变性和物理性能试验。29分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（3）试验程序

⑥水泥浆养护至24h后，拆开试验仪器，把模拟的试验“井筒”切成10小段，然后逐节编号，靠近水泥头的一段为第一号，依此类推，见图，然后对每节的端面照相，分析确定每节的顶替效率。在分析中，顶替效率定义为环形面积中水泥石部分面积的分数。水泥浆顶替试验30分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究

（3）试验程序

⑦在某些试验中，还应对每节水泥切片做水泥胶结试验，在模拟井筒外侧钻一个孔通到这节的环形空间，接上试压泵、压力表和管线等，见图。测定并记录被泵入到环空中的水刚刚流到这节的未端所需要的压力，通过水压胶结试验来证实水泥与地层、水泥与套管胶结的好坏和窜槽的严重程度。

水压胶结试验图31分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（4）试验结果序号倾角地层钻井液水泥浆m固相%s①/0ms10/10失水②低温/高温ss③/0cVm3速率Kg/min顶替效率上部/下部120不渗透1.461.45201834/931/72/22/213/1414/282.016/3218/3010.453.1598/983456601.921.911.941.913029302036/491/1583/2461/113/53/56/103/1310/138/117/2011/112.023/2923/2921/3320/3021211.83.153.151.899/7788/8093/8799/9232分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（4）试验结果

序号倾角地层钻井液水泥浆m固相%s①/0ms10/10失水②低温/高温ss③/0cVm3速率kg/min顶替效率上部/下部7891011121385不渗透1.902229272828312629/253/655/856/1455/1172/1956/192/22/32/44/54/45/75/912/2511/139/158/149/267/136/132.016/3024/2925/3015/3017/3020/3018/2910.453.151.81.81.80.453.1596/3195/4574/4899/5199/5597/6898/8033分支井固井的关键技术3、分支井固井的实验研究（4）试验结果序号倾角地层钻井液水泥浆m固相%s①/0ms10/10失水②低温/高温ss③/0cVm3速率kg/min顶替效率上部/下部14④151617181985不渗透1.401.461.401.391.391.4312131420121631/634/444/965/2372/2578/472/32/32/39/105/519/269/349/128/126/118/105/102.020/3021/2915/2919/3114/2920/2811.892/1499/2393/5099/5999/6799/9920⑤1.452036/122/414/292.015/3011.891/3734衬管固井作业1、旋转、上下活动衬管的衬管悬挂系统TIW公司生产的旋转与上下活动衬管的衬管悬挂系统，是目前石油公司主要选用的衬管固井设备；该设备用于长半径、中半径分支水平井固井完井简图见图。35衬管固井作业1、旋转上下活动衬管的衬管悬挂系统衬管固井完井简图36衬管固井作业1、旋转上下活动衬管的衬管悬挂系统（1）装置的3个主要部件“LG”型安装接箍

该接箍带有连接器，带动衬管旋转的“RP”花键和花键接头，加长短节和“B”型可回收密封装置接收筒。“LG”型安装接箍37衬管固井作业1、旋转上下活动衬管的衬管悬挂系统（1）装置的3个主要部件“R”型密封工具在调整钻井液和固井作业期间，通过花键把扭矩传给安装接箍和悬挂器本体。座封工具上的安装连接器与安装接箍内的螺纹以反扣连接，把整个衬管连接于座挂工具之下。连接器通过锁钉固定于方形轴上，此时旋转块的位置正好与花键槽相咬合，地面驱动钻具的旋转通过咬合的旋转块与花键传递给悬挂器，从而带动衬管旋转。38衬管固井作业1、旋转上下活动衬管的衬管悬挂系统（1）装置的3个主要部件“R”型密封工具“R”型密封工具39衬管固井作业1、旋转上下活动衬管的衬管悬挂系统（1）装置的3个主要部件“R”型液压悬挂器它有滑行锥体，卡瓦、卡瓦臂、压缩弹簧、在连接体下部有活塞与坐封套相连接。其工作原理是：当固井碰压后，通过增加管内压力剪切销钉使活塞向上运动、活塞推动坐封套及卡瓦沿滑行锥体上行，使卡瓦外张至上一层套管壁并咬紧，实现衬管悬挂。“R”型液压悬挂器的优质螺纹抗扭矩强度大。悬挂器呈整筒型结构，有承受最大内压力的特点。销钉可预防过早坐封。40衬管固井作业1、旋转上下活动衬管的衬管悬挂系统（1）装置的3个主要部件“R”型液压悬挂器“R”型液压悬挂器41衬管固井作业（2）旋转与上下活动衬管固井简化程序（a）按设计的衬管串结构顺序下入衬管、旋转与上下活动衬管悬挂系统，送入钻具、固井方钻杆及旋转水泥头等。（b）注水泥固井、在固井期间靠地面旋转并上下活动钻具使衬管作相同的运动，如图所示。1、旋转上下活动衬管的衬管悬挂系统42衬管固井作业（2）旋转与上下活动衬管固井简化程序（c）释放顶替胶塞，用顶替液顶替水泥浆。增加管内压力打开套管外封隔器充填水泥浆，根据预计的充填所有管外封隔器所需水泥浆体积,向管外封隔器挤水泥浆直至使所有的封隔器完全充满水泥浆，实现管外密封，如图所示。1、旋转上下活动衬管的衬管悬挂系统43衬管固井作业（2）旋转与上下活动衬管固井简化程序（d）下放钻具重量，剪断固定连接器的销钉，并使旋转滑块与花键槽脱离，右旋钻具倒扣，使座封工具的连接器与安装接箍脱离，如图。1、旋转上下活动衬管的衬管悬挂系统44衬管固井作业（2）旋转与上下活动衬管固井简化程序（e）起出“R”坐封工具，衬管固井工作结束，如图。1、旋转上下活动衬管的衬管悬挂系统45衬管固井作业套管外封隔器是随着水平井完井技术的发展而研制的一种固井新技术。尽管生产套管外封隔器的厂家不同，但工具的结构原理却都是一样的，是液压式封隔器。2、套管外封隔器46衬管固井作业（1）套管外封隔器的作用①提供地层之间的隔绝；②允许选择酸化、压裂或其它生产作业；③在双级固井中可以减少对低压层的压力；④筛管衬管完井中，使用管外封隔器可把不需要固井的筛管和要固井的无孔衬管分隔开，使低压产层与水泥浆分隔；⑤制止固井后所形成的窜槽。2、套管外封隔器47衬管固井作业（2）套管外封隔器的种类

套管外封隔器分为两种：一种是具有加强层的膨胀元件；一种是没有加强层的膨胀元件。2、套管外封隔器48衬管固井作业（2）套管外封隔器的种类

具有加强层的膨胀元件：充填液没有选择要求，诸如钻井液和水泥浆均可，在充填后即可承受高压差，并有扶正套管居中的能力，如图所示。2、套管外封隔器套管外封隔器膨胀前后对比49衬管固井作业（2）套管外封隔器的种类具有加强层的膨胀元件：这种管外封隔器的膨胀元件可膨胀长度一般为3m或稍短一些，即使在椭圆型截面的裸眼井中，也可以膨胀而密封环形空间。无加强层类则要求适当充填水泥浆。封隔器在水泥浆凝固硬化后可以保持较大的压差，但没有扶正套管的能力，其膨胀能力较大，元件的可膨胀长度为3m或更长一些。2、套管外封隔器50衬管固井作业（2）套管外封隔器的膨胀程序

2、套管外封隔器套管外封隔器膨胀程序51衬管固井作业（1）浮箍、浮鞋装置3、其它套管附件选择浮箍、浮鞋装置52衬管固井作业（2）套管扶正器套管扶正器之目的是扶正套管，提高固井质量。

目前扶正器有两种类型：一种是刚性支撑的带有坚硬叶片的扶正器；另一种是片状弹性扶正器。分支井用扶正器设计，最重要的是要考虑扶正器之间套管的下垂点。3、其它套管附件选择53衬管固井作业（2）套管扶正器

3、其它套管附件选择刚性扶正器aTIW；b

螺旋叶片型；c120分布叶片。54衬管固井作业（2）套管扶正器

3、其它套管附件选择弹性扶正器55衬管固井作业套管扶正器的安装图示3、其它套管附件选择扶正器安装示意图56衬管固井作业（3）分级箍分级箍分为顶替胶塞打开式和液压打开式两种，液压打开式分级箍，它是在第一级关闭座封后，靠增加套管内压力到预定值来打开的。这两种系统各有其特点，应根据井下情况选用。3、其它套管附件选择57衬管固井作业（3）分级箍在大多数情况下分级箍是与水泥浆充填管外封隔器相结合用于衬管固井，或者用于采用割缝管的分支井与油层以上的气顶及地层进行封固隔离的固井作业中。在分支井的衬管固井中使用分级箍，其安放位置一般处于水平段以上。分级箍用于分支井固井，既可以避免固井中的漏失，还可以减少水平段固井长度，有利于提高固井质量。3、其它套管附件选择58乳胶水泥用于分支井固井作业在分支井中，尾管是从主井筒内通过在主套管上磨铣的侧孔下入的，对尾管注水泥后，需将留在主井筒内的尾管短管割断取出。在用磨鞋切割尾管期间，水泥柱将承受高的弯曲，压缩和张应力。切割部位水泥壳产生的裂纹能扩展到整个水泥环。在取出切割下的尾管短管后，下部尾管只靠水泥支撑。因此，必须采用具有高弯曲强度，抗压强度和抗拉强度的耐用性水泥。常规水泥不具有这种性能，乳胶水泥具有这些性能，最适合这种应用。59乳胶水泥用于分支井固井作业根据油井水泥及建筑水泥的测试标准，乳胶水泥与非乳胶水泥相比具有以下特性：

（1）较高的抗弯强度；

（2）较高的抗拉强度；

（3）较高的防裂性；

（4）较低的渗透率；

（5）较小的收缩率；1、乳胶水泥的性能60乳胶水泥用于分支井固井作业（6）较好的粘接强度；（7）较好的抗压强度；（8）控制气体运移；（9）不用分散剂就有较好的流变性；（10）较好的控制滤失；（11）较短的凝结时间；（12）较低的水灰比。1、乳胶水泥的性能61乳胶水泥用于分支井固井作业