贝克休斯固井工艺技术介绍

贝克休斯固井工艺技术介绍王军磊Junlei.wang@bakerhughes林宇舟西安BHI公司历史汇报一.水平井概述二.水平井固井工艺技术介绍三.Bakerhughes水平井固井实例介绍四.Bakerhughes水泥浆体系介绍一.水平井概述1.水平井历史背景2.水平井分类3.水平井开发目的4.水平井应用范围一.水平井概述1.水平井历史背景1920’s–第一口水平井在Texas开钻1930’s–数个关于水平井的技术专利在美国专利局申请1940’s~1950’s–水平段长度小于30m1960’s–2口水平井在中国开钻1970’s–水平井重新开钻至今-成千上万口水平井在各地开钻一.水平井概述2.水平井分类长半径〔小曲率〕中半径〔中曲率〕短半径〔大曲率〕超短半径〔超大曲率〕一.水平井概述长半径水平井特点造斜率在3~8°/30m水平井段有2到3局部穿透油层段长可达1200m使用常规旋转钻井装备一.水平井概述中半径水平井特点造斜率在8~20°/30m理论上造斜率可以到达50°/30m穿透油层段长可达900m使用常规旋转钻井或井下马达装备一.水平井概述短半径水平井特点造斜率在5~10°/m穿透油层段长可达300m从一口垂直井中可以钻多口水平分支井使用铰链马达和旋转钻井组合装备一.水平井概述超短半径水平井特点造斜率可达90°穿透油层段长在30~60m水平井段井孔直径<10cm可以打多口水平分支井通过水射流破岩钻孔形成储层泄油井眼一.水平井概述3.水平井开发目的提高生产水平井生产率是垂直井的4~6倍更多的生产层面积裸露在井眼中生产率和生产总量都大大增高一.水平井概述流体几何特性垂直井-径向流水平井-平行流一.水平井概述4.水平井应用范围气水锥进油藏边缘水或气顶活泼的油藏薄油层和稠油油藏裂缝性储层油藏二.水平井固井工艺技术介绍1.工作及参考因素2.水泥浆3.固井施工模拟4.钻井泥浆顶替5.施工执行6.作业后和分析1.工作方案及参考因素1.工作方案及参考因素-因为油气井建井的最终目的是封隔油、气、水层，并在整个油井生产过程中提供管道使其正常生产，所以固井质量的好坏是决个过程的最关键因素。1.工作方案及参考因素井眼几何尺寸-环空间隙>2cm才能减小环空底端窜槽并有助于最优泥浆顶替-建议环空间隙在4cm左右1.工作方案及参考因素泥浆性能-研究说明，钻井泥浆携带岩屑的能力随着井斜角的增大而下降。-钻井泥浆需要合理的设计来保证在固井施工前环空底部没有岩屑沉积。1.工作方案及参考因素套管外膨胀封隔器(ECP)-ECP随套管管柱下入井内，在初次注水泥作业时胶塞碰压后产生径向膨胀，以到达井下环空的机械密封，阻止层间流体互窜。1.工作方案及参考因素ECP应用范围：封隔生产层密封尾管衬圈封隔漏失层1.工作方案及参考因素ECP的使用-在考虑使用ECP以前，要明确ECP的优缺点。虽然关于使用ECP的成功案例很多，但ECP的缺点是在封隔器膨胀以后，流体静压力在封隔器以下传递性很差。如果没有流体静压力的传递，那在封隔器以下的水泥环就有可能发生“气侵〞。虽然封隔器可以阻止气侵通过ECP，但是封隔器以下会有潜在问题发生。1.工作方案及参考因素尾管悬挂器-分为机械式和液压式-在大位移井和水平井中，一般使用机械式-在固井以前和固井施工中可以旋转尾管来提高钻井泥浆的顶替效率-旋转式尾管悬挂器有扭矩限制，在施工设计时需要考虑1.工作方案及参考因素分级固井工具-当水泥浆通过松软地层时，产生的压力可能会超过地层的破裂压力，从而引起漏失。其中一种阻止漏失的方法就是通过分级固井，缩短水泥柱，从而减小水泥浆静压力。1.工作方案及参考因素分级固井工具-分为液压控制和胶塞控制胶塞控制适用于垂直井或井斜角<30°液压控制适用于大位移井或水平井2.水泥浆设计A.一般设计考虑因素水泥浆密度-大于钻井泥浆密度，到达顶替目的-提供足够的过平衡压力，减小水泥浆注入后发生“气侵〞的可能性2.水泥浆设计水泥浆密度-提供足够的抗压强度-保证水泥浆在注入过程中高效顶替，并且不破坏裸眼井段的漏失层抗压强度水泥浆密度水灰比2.水泥浆设计低密度水泥-当API“G〞和“H〞等级水泥按照APISPEC10A程序配成水泥浆时，密度分别为3和3，当需要更轻密度的水泥浆时，要参加添加剂。-最普通的添加剂是水，但是额外的水会稀释水泥浆从而使水泥浆产生固相沉降问题。2.水泥浆设计硅藻土瓜尔豆胶硅质岩硅酸钠（液体或粉末）膨润土低密度水泥浆添加剂2.水泥浆设计低密度水泥其它添加材料-火山灰-天然碳氢化合物〔沥青〕-膨胀珍珠岩2.水泥浆设计低密度水泥-以上这些添加剂、添加材料可以使水泥浆密度低至1.32g/cm3，并且抗压强度大于689KPa。-如果现场施工条件需要配制密度更低，抗压强度更大的水泥浆密度，可使用发泡水泥。2.水泥浆设计发泡水泥-与氮气或空气混合-通常由基体水泥浆和外表活性剂混合产生离散气泡并且维持稳定直到水泥凝固。-可进行实际固井施工的泥浆密度在332.水泥浆设计发泡水泥的特点-提供高效的钻井泥浆顶替作用-较好的控制滤失-形成可压缩水泥，防止“气侵〞-机械性能突出，形成柔性水泥2.水泥浆设计稠化时间稠化时间范围可依据以下公式进行计算：-最短稠化时间=最长充填时间-最长稠化时间=最短稠化时间最长充填时间=从混合水泥浆开始到顶替结束实例：如果最长充填时间为90分钟，那么水泥浆的稠化时间需要在135分钟和230分钟之间。2.水泥浆设计抗压强度-经验说明，抗压强度在大于时可以提供良好的层位隔离。2.水泥浆设计控制滤失-控制滤失是阻止“气侵〞发生的一个重要因素。-最新研究说明，钻井液产生的滤饼决定了水泥浆初始滤失速度-一般滤失量控制在100cc/30min,如果考虑要防止气侵，滤失量控制在50cc/30min。2.水泥浆设计固体悬浮-水泥浆的一个重要性能就是它在水泥填充时和之后的固体悬浮能力。因为水泥浆在泵入大位移井时固体能够从液体中沉积下来，所以水泥浆需要提供足够的屈服值来阻止固体沉降。在水泥充填完成后，水泥浆必须具备悬浮固体的功能直到水泥浆产生足够静态凝胶强度来保持固体处于原位直到水泥浆固化。2.水泥浆设计B.特定设计考虑因素气侵漏失盐层淡水敏感地层2.水泥浆设计气侵的种类-气流穿过泥浆管路-气流穿过微环隙和已破坏的水泥环-气流穿过未固化水泥实验室测试说明气侵发生可能会通过几种不同的途径，认清气侵的种类是制定施工方案防止气侵的关键。2.水泥浆设计气流穿过泥浆槽-气流穿过泥浆槽，有时候也称为长期气侵，通过以下方式发生：水泥浆泵入井内后开始凝胶并且固化同时没有任何气侵发生。在水泥浆固化过程中，会发生塑性收缩。这种收缩虽然很微小，但是会使水泥浆与钻井泥浆滤饼之间的粘合不牢固，从而产生微小裂缝，为气侵的发生提供了通道。这种问题在滤饼比较厚或者钻井泥浆顶替效果很差的条件下更有可能发生。当气流开始穿过滤饼和凝固水泥之间的微小裂缝时，枯燥的气体会从湿润的泥浆滤饼上吸水。随着滤饼脱水，裂缝变宽，更多气体通过，裂缝再次变宽。2.水泥浆设计气流穿过泥浆槽-当气流通过泥浆槽时，它会在环空里逐渐累积，通常在井口外表经过几天，几周，甚至几个月都无法觉察此种现象的发生。-解决方法：优化泥浆顶替效率使用可膨胀的水泥添加剂2.水泥浆设计微环隙气流-产生原因：水泥环被破坏-产生条件：钻穿尾管顶部；钻穿套管鞋；在水泥还没形成足够的抗压强度时就进行压力测试2.水泥浆设计微环隙气流解决方法：-在重新钻井或完井操作之前，一定要精确测量井下温度，确保水泥环已经充分固化。2.水泥浆设计气流穿过未固化水泥-产生原因：水泥环在没有完全固化时无法保持过平衡压力，其静液压已经小于地层气压。。2.水泥浆设计气流穿过未固化水泥-水泥环产生的静液压减少主要是静凝胶强度的形成和体积减少〔主要由滤失引起〕的联合效应。当水泥开始候凝失重，静液压开始减少，同时水泥浆发生滤失，体积缩小也相应引起了静液压的减少。当水泥柱无法保持过平衡压力时，储气层气体开始进入到未固化水泥柱。环空中的气泡依靠浮力作用能够一直向上渗出，如果有足够体积的气体一直向上渗出，一条永久的通道就留在了固化水泥环里。2.水泥浆设计气流穿过未固化水泥-解决方法：增加水泥浆密度，从而增加过平衡压力，减小气侵发生的时机。在水泥浆中参加可以控制滤失的添加剂，控制水泥浆体积的减小，减缓静液压的下降。2.水泥浆设计漏失-井下液体全部流入某一地层-很可能是超过了地层的破裂压力梯度通常在固井施工前就要解决漏失问题，解决方法有：降低钻井泥浆密度在钻井泥浆中参加堵漏材料来堵住漏失层泵入胶凝和固化材料堵住漏失层2.水泥浆设计盐层-当水泥浆流过盐层时，关键在于先确认盐层是“可流动〞还是“不可流动〞，因为对应这两种盐层的水泥浆设计是不同的。2.水泥浆设计盐层-可流动盐层解决方法：-高效泥浆顶替和水泥抗压强度的快速形成是成功进行固井施工的关键-当地层温度小于94℃时，盐的存在能够延缓水泥浆的固化，所以应该使用无盐水泥。2.水泥浆设计盐层-不可流动盐层对于不可流动盐层，水泥与盐层的粘合十分重要。如果在盐层下面还存在着高压气层，那么水泥与盐层的紧密粘合十分关键。解决方法：-使用含饱和盐度水泥浆〔如果水泥浆含盐度不饱和，在与盐层接触后，地层盐会溶解在水泥浆中，形成微环隙〕-使用含盐量18%的发泡水泥2.水泥浆设计淡水敏感地层有些地层在与淡水接触后会产生膨胀或坍塌。解决方法：使用油基钻井泥浆在水泥浆中参加氯盐〔3~5%KCl〕，能够有效防止地层坍塌。3.固井施工模拟在实际固井施工前对施工进行模拟，可以优化结果并且减小发生问题的几率。施工模拟的作用优化流体速度从而到达顶替效率最大化确保固井施工中一直不超过井下压裂梯度保持井下足够的过平衡压力，防止井喷优化隔离液和水泥浆性能，提高顶替效率3.固井施工模拟当运行施工模拟实验时，关键因素变量如下：井身几何结构井底循环温度不同温度下液体的流变参数油气水层的孔隙压力井身的压力梯度及深度井眼偏心率套管的居中率4.钻井泥浆顶替成功进行固井施工的另一个重要因素就是顶替钻井泥浆。如果钻井泥浆没有被很好的顶替，那在水泥环中会留下泥浆槽，导致地层间互窜，使水泥环失去作用。决定钻井泥浆顶替效率的因素泥浆性能管道移动管道扶正流体速度隔离液和冲洗液4.钻井泥浆顶替泥浆性能-对钻井泥浆进行处理的目的是为了进行“低移动性泥浆〞循环，创造一个均匀速度剖面，使泥浆通过整个环形空间。循环钻井液的目的是在混合和泵入水泥浆前破坏并移除稠化泥浆。4.钻井泥浆顶替泥浆性能-屈服值钻井泥浆性能（垂直井）属性推荐值最佳值屈服值(lb/100ft2)102塑性粘度(cp)2015钻井泥浆性能（大位移井）井斜角(°)屈服值(22℃)(lb/100ft2)45156020852890304.钻井泥浆顶替泥浆性能-屈服值-在大位移井时钻井泥浆所需屈服值明显要大于其在垂直井时的屈服值-更高的屈服值是为了确保在钻井过程中固体不从钻井泥浆中沉降，落在井壁底端，影响固井质量。4.钻井泥浆顶替泥浆性能-滤失量-钻井泥浆的滤失量和在井壁形成滤饼的厚度有直接关系，滤失量越大，滤饼越厚。滤饼越厚，产生长期气侵的可能性越大，所以要控制泥浆的滤失量。4.钻井泥浆顶替泥浆性能-凝胶强度(10秒/10分钟的凝胶强度)如果10秒/10分钟的凝胶强度差异很小，说明当泥浆静止后不会快速形成凝胶强度。〔推荐〕如果10秒/10分钟的凝胶强度差异很大，说明钻井泥浆在井下会形成触变性泥浆，难以处理和顶替。4.钻井泥浆顶替管道移动-在钻井泥浆顶替过程中，管道移动，不管是旋转还是往复运动，都能够提高泥浆在环空的顶替效率。测试条件：钻井泥浆3,水泥浆33/min,偏心率为60%管道移动顶替效率（%）不移动6520转/分钟974.钻井泥浆顶替管道扶正居中-在大位移和水平井中，套管在井眼内充分居中能够提高顶替效率。如果套管不能居中，由于重力作用就会倾斜靠在井壁底部，这样也就不可能形成一个完整的水泥环。套管居中可以形成均匀一致的流体通道，这样钻井泥浆会很容易被顶替。4.钻井泥浆顶替流体速度-流体形态可以分为三种：紊流，层流，活塞流。其中紊流的流速最快，剪切力最大，能够破坏稠化泥浆，也是实现高效泥浆顶替的最正确流态。4.钻井泥浆顶替隔离液和冲洗液功能：-隔离不兼容液体〔钻井液和水泥浆〕-协助顶替过程4.钻井泥浆顶替隔离液和冲洗液决定隔离液和冲洗液种类的因素：-需要被顶替的钻井泥浆类型〔油基/水基〕-钻井泥浆和水泥浆的密度及控制井眼所需静液压-裸眼井段的地层类型〔淡水敏感层/漏失层/盐层〕-所需溶液能力〔固相悬浮能力〕4.钻井泥浆顶替隔离液和冲洗液常用的水基冲洗液：泥浆冲洗液〔包含分散剂和外表活性剂〕硅酸钠溶液盐水〔KCl/NaCl)-参加外表活性剂的作用是稀释钻井液，移除泥浆，提高顶替效率。4.钻井泥浆顶替隔离液和冲洗液-硅酸钠冲洗液功能提高顶替效率通过降低水泥浆的滤失量来控制气侵抵消中和某些钻井液添加剂对水泥浆的缓凝作用控制漏失4.钻井泥浆顶替隔离液和冲洗液-隔离液一般密度比较大，而且不与钻井液和水泥浆发生化学反响，通常分为水基和油基，并且以紊流流态泵入井下。-通常在施工设计中，隔离液与钻井液和水泥浆的兼容性实验以及隔离液的固相悬浮性能测试也是参考因素之一。5.施工执行套管设备浮力装备-浮力装备为套管提供浮力，并防止在泵送结束后水泥再次进入套管内。扶正器-分为弓形弹簧式和钢性两种。5.施工执行套管设备胶塞-胶塞用于防止泵入井下的液体相互混合和污染，并且提供了一种当水泥浆顶替到环空后停止循环的方法。一般在泵入水泥浆前后都要使用胶塞，下部胶塞通常先于水泥浆之前打入井下，上部胶塞在水泥浆之后打入。当上部胶塞打入到底部时，液体循环停止。5.施工执行配置水泥浆-配置水泥浆，到达其设计密度对于良好固井施工是十分重要的。使用目前的水泥混合装备，精确度可以到达3。如果水泥浆实际密度大于设计密度，有可能会引起漏失；如果水泥浆实际密度小于设计密度，有可能引起气侵或者更加严重的井喷。5.施工执行泵送-在泵入隔离液和水泥浆的同时，钻井泥浆也要保持动态运转。钻井泥浆一旦处于静态会对顶替作用产生影响，同时也对固井质量产生影响。-当泵送速度高于设计速度时，摩擦阻力增大，当量循环密度增加，可能会引起漏失。-当泵送速度低于设计速度时会影响顶替效率。6.作业后流程和分析在固井施工完成后，水泥浆需要静止等待直到水泥环到达最终抗压强度的70%。等待时间是通过超声波分析仪测试水泥浆抗压强度来得出的。声波测井和水泥胶结测井当使用声波测井作为主要评价工具来评价固井质量时，同时使用水泥胶结测井是十分必要的。会影响水泥胶结测井结果的因素微环隙地层效应低抗压强度水泥浆薄水泥环软地层未居中套管套管厚度6.作业后流程和分析固井评价程序将通过超声波分析仪得出的水泥浆真实传播时间提供给测井公司，这样就排除了使用假定水泥阻抗值输入测井软件的情况。使用钻井液阻抗作为基线，这样可以排除对于脉冲回声测井仪得到的原始数据的误算。使用水泥胶结测井，同时使用脉冲回声测井仪提供额外的评价数据在水泥环测井之前不要进行套管的压力测试，以免产生微环隙确保等待水泥固化时间最少要到达抗压强度为或到达水泥环72小时抗压强度的90%。在有无压力的条件下分别进行水泥环测井评价，用来判断微环隙的存在全面分析总结水泥环评价数据，决定是否进行挤水泥等工作三.Bakerhughes水平井固井实例介绍位于阿巴拉契亚的页岩井水平井固井井况：测量井深：4176m垂直井深：2118m井底静态温度：57℃套管：直径套管鞋：4157m浮箍：4145m水泥柱位置：366m〔表层套管内〕三.Bakerhughes水平井固井实例介绍位于阿巴拉契亚的页岩井水平井固井模拟：根据工况进行水泥浆设计，并使用CMFacts进行固井施工模拟，得出以下结果：三.Bakerhughes水平井固井实例介绍位于阿巴拉契亚的页岩井水平井固井扶正器偏心率、扭矩和拉力计算三.Bakerhughes水平井固井实例介绍位于阿巴拉契亚的页岩井水平井固井最终井下流体位置三.Bakerhughes水平井固井实例介绍位于阿巴拉契亚的页岩井水平井固井循环密度当量〔ECD〕三.Bakerhughes水平井固井实例介绍位于阿巴拉契亚的页岩井水平井固井施工流程三.Bakerhughes水平井固井实例介绍位于阿巴拉契亚的页岩井水平井固井使用WellTemp对井下循环温度进行预测三.Bakerhughes水平井固井实例介绍位于阿巴拉契亚的页岩井水平井固井最终施工设计和确认程序当完成初步实验室测试后，就可以通过软件模拟进行包含所有泵入井下液体和钻井泥浆性能的最终施工设计。再次进行软件模拟可以预测出井口和井下压力，以及环空的顶替效率。最终确认程序：从现场取得水泥，水样，及各种添加剂的样品，送到实验室中进行测试，确保现场泵送时间与实验室测试的水泥稠化实验时间相吻合。四.Bakerhughes水泥浆体系介绍SetforLife™水泥体系SetforLife概念SetforLife理念SetforLife系列DeepSet™体系DuraSet™体系EnviroSet™体系LeanSet™体系PermaSet™体系XtremeSet™体系FireSet™体系SetforLife™水泥体系SetforLife概念“SetforLife〞系列在油井的生产周期中提供层位隔离的作用“SetforLife〞体系用于解决可能发生的各种井下难题,例如硫化氢腐蚀，产生浅层水流和气侵等现象，或高温及其他井下问题“SetforLife〞体系能够相互结合以到达克服井下复杂状况的目的SetforLife™水泥体系Setforlife理念进行良好的固井操作根据井下条件调整水泥体系注重每口油井的固井目的和客户需要整体–所有的实验数据都是建立在不同的水泥体系根底上的，而不是通过单一调整某种成分的用量来到达所需目的保持高质量的固井工作才能保证“setforlife〞的水泥体系发挥作用DeepSet水泥体系用于控制在深水环境中浅层气浅层流的发生在低温下提供早期抗压强度快速增加低滤失量无游离水DeepSet水泥体系已经在现场施工中得到验证深度>2134m温度>0℃DeepSet水泥体系技术参数密度范围g/cm3温度范围0~38℃DuraSet水泥体系拉力强度和弹性性能改进机械性能增强可以发泡压裂韧性提升适用于温度和压力变化较大的油井DuraSet水泥体系DuraSet水泥体系是井壁暴露在压力快速下降或热循环环境下的最正确选择DuraSet水泥体系可以以所有API等级的水泥为根底进行配制DuraSet水泥体系大与多数水泥添加剂兼容各种水泥添加剂的结合可以调整DuraSet水泥体系，以到达不同油井的特殊要求DuraSet水泥体系技术参数密度范围–g/cm3温度范围–最高可到达230℃DuraSet水泥体系EnviroSet水泥体系与环境兼容且可以到达当地环境要求通过调整可以满足每口油井的要求在井下高诱导应力的情况下仍能保持良好的层位隔离根据现场条件确定水泥浆的最终配方EnviroSet水泥体系技术参数密度范围：g/cm3温度范围:21-149℃LeanSet水泥体系高性能超低密度水泥水泥体系中液固体积比最正确化包含超轻颗粒且可以发泡配方设计弹性化以满足不同需求LeanSet水泥体系适用于压裂梯度较低的油井技术参数密度范围–g/cm3温度范围–0~232℃PermaSet水泥体系C-S-H相相互咬合，形成水泥石的强度其中的氢氧钙石局部不对水泥石强度有奉献相反，氢氧钙石会与酸性物质发生反响，形成容易被腐蚀的CaCO3解决的出发点是降低水泥中氢氧钙石的含量PermaSet体系与API体系抗酸性比照压碎的水泥块200F/3000psi条件下暴露于CO290天紫色表示高PH值〔碱性〕失去紫色的意味着由于碳酸化反响，生成CaCO3，失去了碱性PermaSet体系配方PermaSet+20%S-8+5%BA-90+3%KCl+0.6gpsUltraMax+0.2gpsCD-33L+0.1gpsR-8L+0.02gpsFP-9LPermaSet--以Pozzoland材料取代Potland材料--抗碳酸化盐--抗地层盐水侵入--抗收缩S-8--抗强度衰退BA-90--防气窜剂--降低水泥渗透率--提高耐压强度--补偿水泥的收缩UlraMax--降失水剂，同时不影响缓凝作用--提供高级别的控水性能--减少粘度的增加--使用温度范围广--良好的配伍性R-8L--高温缓凝剂FP-9L--消泡剂CD-33L--分散剂PermaSet水泥体系使用根底材料以到达全球适用化环境友好型凝固时产生热量低机械性能增强(弹性强度高)技术参数密度范围–g/cm3温度范围–4~232℃XtremeSet水泥体系应用于高温高压的油井技术参数密度范围–g/cm3井下温度–149℃~316℃压力最高可到达276MPaFireSet水泥体系适用于地下煤气化操作和热采井技术参数密度范围–g/cm3井下温度–10℃~316℃SetforLife水泥体系一览体系名称BHST(℃)Density(g/cm3)应用范围MinMaxMinMaxDeepSet0381.381.87深水系统伴有浅层流浅层气DuraSet212321.082.40改良的机械性能以保证水泥的长期牢固性EnviroSet211491.442.40与环境高度兼容的水泥体系LeanSet02320.961.56超低密度且高抗压强度的水泥体系PermaSet42321.562.16抗腐蚀水泥体系XtremeSet1493161.922.76用于高温高压环境FireSet103161.782.28用于地下煤气化操作谢谢！