固井技术的研究与应用

固井技术的研究与应用

一、盛利油田固井技术及固井工具附件研究1.护、防砂完井经过“75”以来的技术研究，盛利油田的多项固井技术已得到改进。随着复杂油藏开发、油层保护、防砂完井等特殊要求,随着工具的完善和新工具的研制开发,原来所谓的常规技术又赋予新内容的工艺技术。目前的完井固井工艺技术,主要针对油藏类型、地质特征、流体性质和开采工艺要求,结合钻井过程中遇到的复杂情况来研究和采取具有针对性的工艺技术。下面介绍几种不同于常规的完井固井工艺技术。1.1尾管及封隔器针对低渗透、稠油、敏感、古潜山裂缝等特殊油藏,为防止水泥浆污染,保护油层,实现低效油藏的高效开发,采用了水平井尾管完井筛管顶部注水泥、水平井防砂(酸洗)完井、筛管选择性(分段)完井、水泥膨胀封隔器完井等工艺,为复杂油藏水平井开发提供了多样选择。水平井尾管筛管(精密滤砂管)顶部注水泥工艺集尾管悬挂、分级箍应用、封隔器卡封于一体。封隔器是密封效果的关键;尾管空心胶塞关闭分级箍;要调整好悬挂器、分级箍、封隔器的压力级别。还研究开发了可打捞式分级箍+封隔器+盲板一体化工具,并成功应用到草104-平14等水平井的筛管顶部注水泥完井施工中,节约了钻分级箍内套和盲板时间,解决了钻后遗留的部分造成下油管遇阻的问题。在胜利油田的郑408区块敏感性超稠油油藏、坨826区块稠油油藏、乐安油田草20稠油油藏、车古201潜山裂缝油藏、纯西梁23区块低渗透油藏等,都采用了水平井(尾管)筛管顶部注水泥、选择性完井固井、水泥膨胀封隔器完井等工艺。实践证明,提高了原油产量,取得了良好的效益。1.2复杂地层的导向膨胀管膨胀管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。胜利油田引进应用了三种膨胀管,分别是:威得福公司生产的ABL割缝膨胀管、ENVENTURE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,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液压或拉力使管柱发生永久塑性变形,达到封隔复杂地层的目的。在川东北的河坝1井应用了ABL割缝膨胀管;在现河油田侧钻井、小间隙井完井固井应用了实体膨胀管;在胜坨油田钻井完井处理复杂地层的漏失和井涌时有了波纹膨胀管。胜利油田在侧钻井完井中已经推广应用了自己研究制造的实体膨胀管。1.3悬挂器固井技术尾管悬挂是一种降低注水泥环空阻力,防止失重和气窜,改善套管柱轴向受力,有利于继续钻进,提高封固质量的固井方法。胜利油田研究开发了多种类型的悬挂器:机械式、液压式、旋转式、封隔式、随位自动脱挂式、自通径式、内藏卡瓦式、可膨胀式等。这里只介绍几种特殊工具应用工艺。(1)旋转尾管固井技术深井、超深井、水平井、大斜度井及大延伸井越来越多,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:有助于尾管的顺利下入到位;有助于提高固井质量;有助于解决小间隙固井问题;有助于防止环空窜流通道的形成。辛176-斜16井是国产旋转工具应用到现场并获得成功的国内第一口井。相比临井,水泥封固质量好,原油产量高。(2)漏失井的防止漏失阻漏作用尾管重叠段间隙小,水泥环薄,固井封隔效果差。固井后失重,高压油气井易发生油气窜。可利用带密封橡胶的尾管悬挂器,按照正常的程序施工,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,尾管悬挂器上的三道橡胶筒发生膨胀,就实现了重叠套管之间的有效密封和上下空间的隔离,自锁后能够实现永久密封,阻止了流体或气体的向上运移,达到了防止油气上窜的目的。漏失井还有防漏阻漏作用。郑408断块、胜坨高压井、浅海尾管完井中应用效果非常好。(3)新型尾管悬挂系统通过液压或机械力将悬挂器本体向外扩胀,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技术。具有环空过流面积大、可以活动尾管以提高顶替效率、密封能力高效等优点。胜利研制的可膨胀尾管悬挂器主要用于侧钻开窗井完井。1.4压力层系、特殊工艺的井固井一次注水泥量过大、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,保证固井质量。分级箍有多种类型,这里介绍两种特殊工艺。(1)液压式分级再压井采用机械式分级箍与连续打开塞,当替量为分级箍到承托环的容积时(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,连续式打开胶塞到达分级箍并坐在打开套上,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,避免了管外水泥浆的静止和水泥浆对钻井液的污染,也避免了液压式分级箍提前打开或打不开可能造成的事故。如:桩古10断块95/8分级固井。(2)尾管悬挂器—尾管分级注水泥工艺。为解决长裸眼多套压力层系、易漏失和高压油气窜造成尾管固井安全和质量问题,为满足深井长裸眼新发现油藏的试油及油藏评价问题。研制开发了尾管悬挂器—液压分级箍及相配套的特殊胶塞系统的尾管分级注水泥工艺技术。该工艺比较复杂,特殊胶塞系统是工艺成功的关键。正确分析计算尾管一级注水泥及替浆的泵压,据此设置分级箍的打开压力。两组钻杆胶塞和空心胶塞的配合尺寸、剪切销钉压力的设置最为重要。要注意固井过程施工泵压的控制,防止分级箍的提前打开。根据需要悬挂器可以分先坐挂和后坐挂,最好选用机械式或随位自动脱挂式悬挂器。1.5复杂油藏、特殊完井工艺中的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。随着耐高温橡胶的研究和结构的改变,研究应用到复杂油藏、特殊完井要求的工艺中,并取得了较好的效果。在此只介绍水泥充填封隔器技术(两种)和自膨胀封隔器技术。(1)管井固井的应用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,通过内管并选用超缓凝低失水水泥浆体系,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。在胜利油田车201断块等裂缝型潜山油藏应用了该技术,收到较好的效果。还有一种水泥膨胀封隔器工艺——固井碰压后通过压力变换实现膨胀。这种工艺选择的封隔器其结构有所不同,本体安装有一个活塞和单流阀,把它窜接在设计的井段。其前提是设计的管外水泥浆的高度必须大大超过封隔器,并且水泥浆和钻井液密度必须有一个较大的级差。固井碰压后,验证浮箍(回压阀)的密封性。管内放压至井口为零时,管外的水泥浆就会进入单流阀腔内,间隔一段时间,管内蹩压18~22MPa,阀体内的水泥浆就会进入封隔器的胶筒腔内,稳压5min再放压回零。如此反复4~5次,达到水泥浆完全充填并膨胀目的。目前,胜利油田海油陆采的垦东12区块、草桥、王庄等油田的直井和水平井的开发中都应用了此工艺技术,通过采油实践证明效果良好。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)自膨胀封隔法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两种。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。把它串接在高压油、水、气层之间的套管上,膨胀后可防止高压油、水、气窜。2.抗腐蚀性能固井工具针对深井超深井埋藏深、地层复杂、多压力系统、油气活跃、密度高、富含H2S和CO2有害气体、井身结构复杂等特点。研究开发了特殊尺寸、气密扣型、高强度及具有抗腐蚀性能固井工具。研制开发的有全新尺寸抗硫尾管悬挂器、可旋转、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。2.1抗硫尾管悬挂器及固井附件井越深复杂地层越多,井身结构越复杂,套管的层次也越多。一些深井、超深井都采用了非标准的套管序列:∅340mm(∅346mm)、∅273mm、∅194mm、∅146mm。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等问题。研发了∅340mm×∅273mm、∅273mm×∅194mm、∅194mm×∅146mm系列抗硫尾管悬挂器和∅273mm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。针对大位移井,设计制造了偏心引鞋、滚轮扶正器、聚酯或铝质扶正器等套管附件。2.2几种特殊的扣型针对高压气层和腐蚀性气体,为加强套管螺纹的密封性,固井工具附件选用了一些特殊的扣型。可以加工或外协的特殊扣型有TP-CQ、TP-FJ、TP-NF、BGC、35PPF、TS-3SB、NEW-VAM、VAM-TOP、WSP系列、Hunting系列等气密扣型,从而满足了现场施工的需要。2.3采用低硬度材质腐蚀性酸性气体,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,国外采用Ni基高合金钢,由于这种合金钢的价格太高,管材一般采用27CrMoTi,其成分和机械性能相当于API套管的C-90级材质。27CrMoTi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。因此选用27CrMoTi管材加工了系列固井工具附件。二、额外水泥和水泥浆系统1.用抗高温水泥浆体系(1)抗高温缓凝剂。利用磺酸基料、不饱和酸、改进的糖类,添加引发剂,按照不同的配比,在一定条件下,多元共聚制成高温缓凝剂。由于基料聚合物分子主链为碳链结构,热稳定性好。其磺酸基侧基增强了分子链的刚性,提高了产物的热稳定性。同时,在一定程度上抑制了酰胺基团的水解作用,提高了共聚物基团的高温稳定性。不活泼的磺酸基团还有很好的抗盐性,能够抑制NaCl对共聚物的分散作用,抵抗Cl-对共聚物的破坏。用之配制的水泥浆具有初始稠度低、耐温高、抗盐性好、加量与稠化时间成线性关系。例如:用它和其它外加剂配置的抗高温水泥浆体系满足了胜科1井235℃高温固井的需要。(2)抗高温降失水剂。选用耐温好的聚合物基料、AM、NVP,在一定条件下反应,生成的多元共聚物,由于磺酸基团和吡咯烷酮链节的存在,使其具有良好的热稳定性,与其它外加剂配伍可以达到耐温250℃。在盐环境中依然具有良好的降失水性,实测:再NaCl浓度达到18%时,水泥浆的失水量仍达到50ml以下。(3)抗气窜剂。膨胀、非渗透系列外加剂都是较好的防气窜剂。研究开发的乳化聚合物体系——胶乳,利用丁二烯和苯乙烯共聚而成。加入水泥中可以提高水泥的抗折强度和胶结性能,具有成膜性和不渗透性,具有较好的防窜效果。研发了中低温和高温以及抗盐多种胶乳及配套外加剂。(4)复合纤维增韧剂。复合纤维是由无机纤维和有机纤维组成,无机纤维选择了一些矿物纤维,具有一定的刚性;有机纤维选用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,变形后有一定的塑性强度(抗拉、抗折强度)。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,既可以用来承压堵漏,也可以用于漏失井、窄间隙井固井。具有改善弹性模量,提高水泥石的塑性,阻止射孔裂纹的作用。2.超深井水泥浆体系(1)高强超低密度(<1.00g/cm3)水泥浆体系。应用美国3M公司的人造空心微珠(耐温600℃,耐压124MPa)可以配制密度低于1.00g/cm3的高强超低密度水泥浆体系。在墨西哥湾已经应用密度为0.647g/cm3的超低密度水泥浆。胜利油田已经研究成功密度0.85g/cm3水泥浆体系,依然具有良好的性能。密度0.95g/cm3的水泥浆体系已经成功应用到伊朗的低压油气田多口油井固井施工中。(2)抗高温(150℃<T<250℃)大温差(60℃~90℃)抗盐水泥浆体系。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。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。对于高温、高压、长封固段井的失重和油气窜槽来说,大温差水泥浆体系更重要。胜利油田已经研发了耐温220℃、温差60℃~90℃的水泥浆体系,成功完成了高古5、盐探2、樊172等高难度井的固井施工。(3)防气窜水泥浆体系。利用高分子材料合成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℃~150℃,可应用于6000m的超深井固井。抗盐的可用于海水配制胶乳防窜水泥浆。(4)增强增塑低密度水泥浆体系。漂珠、水泥颗粒、微硅颗粒和颗粒级配增强增塑材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,提高水泥石的综合强度。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,水泥浆的防气窜能力强。根据需要可以配制密度1.10~1.50g/cm3的水泥浆体系,满足了东辛、纯梁油田井深大于3000m的井水泥浆返出地面,保护套管的需要。(5)塑性微膨胀水泥浆体系。利用橡胶粉、复合纤维等塑性材料,加入其它水泥外加剂,配制成塑性微膨胀水泥浆体系。具有良好的流变性、合理的稠化时间、低失水性,具有高抗折强度、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,可增加水泥浆的搅动能量,提高顶替效率,可提高第二界面的固井质量,可以用于承压堵漏和漏失井的固井,在坨121、坨128、河50、永3、官2断块推广应用,显著提高了一、二界面的固井质量。三、固井技术研究实践证明,固井质量的薄弱环节主要是第二界面的胶结质量差,也是造成油、气、水互相串通的主要原因。主要研究的对象就是如何提高第二界面的固井质量。为解决固井二界面胶结质量问题,国内外先后研究并采用了紊流顶替、稠浆慢替、活动套管、膨胀挤压、纤维增韧、刮泥器等措施和方法。这些物理方法的应用对油气井界面的胶结质量有所改善,由于二界面问题的复杂性和现场施工条件的局限性,所能达到的效果是有限的,复杂井的二界面固井质量问题依然突出。研究采用化学的方法如:界面激活技术、界面清洁驱油技术、界面增强技术、界面固化技术等。通过改善界面胶结环境,达到提高界面固井质量的目的。1.外加剂对水泥石强度的影响将高炉水淬矿渣添加到钻井液中,使其转换成固井液,具有流变性好、沉降稳定性好、与钻井液的相容性好、顶替效率高、成本低、一二界面胶结质量好等特点。在中低温井已经广泛使用,通过优选高温外加剂,合理选择配方,可以应用到深井或作为充填水泥浆体系,用来保护套管。但存在整个环空的固化体容易脆裂、高温性能变异等固有问题,又会因射孔而可能导致更为严重的层间互窜,影响油气开采效果。为解决水泥石强度衰减问题,研究采用了在钻井液中掺入了矿渣,水泥中也按比例掺入矿渣,井壁滤饼中的矿渣和水泥浆中的矿渣在被激活剂激活后,形成比较高的界面强度。已发展成钻固一体化技术,胜利油田每年应用30多口井,二界面封固质量有所提高。2.水泥浆界面胶结强度的提高采用一种复合的表面活性材料,通过润湿翻转、离子吸附等方法,驱除井壁上油污,再利用一种象黏合剂的活性剂,涂在套管和井壁的表面,提高一、二界面的胶结强度。在现场采用前置液的方式,先注驱油剂,再注界面增强剂,改善水泥浆的胶结环境,提高界面的固井胶结质量。界面驱油剂、增强剂的应用,显著提高了二界面的固井质量。3.水滤浆固化胶结技术利用创新的理论和方法,研制滤饼改性剂和凝饼形成剂,采用化学方法固化滤饼,把滤饼变成凝饼,实现水滤浆+滤饼+地层岩石三位一体的整体固化胶结,获得整体胶结的力学性能和微观结构,形成固化整体,进而增强整体的固结强度和密封强度,满足高压压裂和有效开采的需要。试验10口井,二界面优质率显著提高,该项技术达到国际先进水平,现在正大力推广。4.球化纳米颗粒目前国内粒