中原油田水平井固井技术

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1、中原油田水平井固井技术中原油田水平井固井技术 中原油田固中原油田固 井井 工工 程程 处处 编写： 陈道元 刘秀成 一、前言一、前言 水平井较直井大大增加了井眼生产层中的长度和产 层的泄油面积，大幅度地提高油、气产量，减缓了 水锥、气锥的推进速度，其勘探开发效果相当于直 井的3-6倍，在老油区采用水平井技术可增加储量 动用程度，提高单井产量和采收率。中原油田老区 已进入开发中后期，开发调整井的目的主要是小型 断裂油藏及复杂断块油藏，根据油田的地质构造特 征，直井无法达到地质需要的目的，而水平井可以 不受客观存在的断层影响，钻达设计目的层。 中原油田早在1991年就成功地钻成了第一口水平井，当

2、时国内刚兴起水平井钻井工艺，卫2-25井固井水泥外加 剂使用的是进口产品，固井作业只是按常规的办法进行 ，随后十年间未钻水平井，从2001年开始又不断的进行 水平井的钻井工作，累计钻成水平井5口。为满足完井的 需要，固井开展了相关方面的研究工作，研究出了满足 水平井固井需要的水泥外加剂和工具附件，改变了注水 泥工艺措施，实现了对套管地层间两个界面的有效封固 ，达到了钻水平井的真正目的，其固井技术水平处于国 内领先地位。 二、水平井固井主要存在的难点二、水平井固井主要存在的难点 1、中原油田属于典型的复杂断块油气田，地层复杂 ，压力系统紊乱，井眼轨迹多变； 2、键槽和椭圆形井眼影响顶替效率； 3

3、、钻井的需要，高比重、高粘度、高切力钻井液不 利于顶替。 钻井液和固相物 水泥浆 井壁 套管 4 4、固井物沉淀了井眼底部不易清除、固井物沉淀了井眼底部不易清除( (见下图见下图) ) 二、水平井固井主要存在的难点二、水平井固井主要存在的难点 5、套管下入困难 6、套管偏心 7 7、高边水带形成、高边水带形成( (见下图见下图) ) 套管 水泥 井壁 水带 水泥 井壁 套管 水带 8、固相沉积物对固井质量影响大。处于大斜度井段和水平井段 在注水泥作业后，管柱下部都存在泥浆窜槽问题 9、套管附件要求高。套管附件如果采用直井的浮力装置，注水 泥后实现自动关闭困难，容易造成套管内留水泥塞和蹩压候凝，

4、 影响两个界面的胶结质量； 10、水泥浆性能影响。水泥浆的沉降稳定性和水泥浆 自由水易 在井眼高边一套管水泥井壁水带侧形成水带，造成连通构槽 。见 第7附图。 二、水平井固井主要存在的难点二、水平井固井主要存在的难点 1、水平段长，一般在500m以上； 三、中原油田水平井特点三、中原油田水平井特点 2、造斜点深，一般在井深2000m以下开始造斜； 3、在钻井过程中由于携砂需要，钻井液往往是高粘度、高切力 、流变性差，下套管后（固井前）钻井液性能调整困难； 4、轨迹和排量限制，水平井段井眼下部的砂床（河床砂舟现象 ）不易被清除，从而影响水泥石的胶结质量； 5、由于水泥浆中颗粒的沉降和自由水的析出

5、，易在井眼的高边 形成水带而影响封隔，造成窜槽。 三、中原油田水平井特点三、中原油田水平井特点 6、断层多，地质复杂，易形成“大肚子”井眼，其中钻屑不易被携带干净 ，影响固井质量。(如下图) 井壁 水泥 套管 钻屑 井径扩大区 7、地层压力系统差异大，有高压层，也有低压层，所以套管柱设计复杂。 8、中原油田的水平井均为中、长半径水平井。 四、提高水平井注水泥质量的技术措施四、提高水平井注水泥质量的技术措施 1、优化钻井设计 水平井井身结构设计应考虑完井注水泥问题，要选择合适的套 管/井眼的尺寸比，一般比值应在0.65-0.7范围内，有条件时应 尽可能增大曲率半径，同时，对钻井设计的实施中亦要求

6、： 保持井径规则，避免形成键槽； 井眼轨迹规则，不应有不符合设计要求的全角变化率井段； 凡钻进循环漏失均应进行认真堵漏处理。 2 2、井眼净化、井眼净化 一个清洁、无固相颗粒沉淀的井眼是减少水泥窜槽的重要条一个清洁、无固相颗粒沉淀的井眼是减少水泥窜槽的重要条 件，实践证明，在井斜角大于件，实践证明，在井斜角大于3030的井眼内，泥浆中的固相的井眼内，泥浆中的固相 颗粒在其重力作用下发生下滑，容易在环空底部产生堆积，颗粒在其重力作用下发生下滑，容易在环空底部产生堆积， 而形成而形成“ “岩屑床岩屑床” ”，随井斜角增大越趋严重。在钻井过程中，随井斜角增大越趋严重。在钻井过程中， 应采取各种措施防

7、止形成应采取各种措施防止形成“ “岩屑床岩屑床” ”，环空泥浆流态对净化速，环空泥浆流态对净化速 度的影响如下：度的影响如下： 在井斜角0-45区域内，层流的净化速度较高，在45-55区域 内，两种流态的效果无多大区别，55-90区域内紊流的净化 速度高，依据上述的结论，下套管前通井应采取如下措施。 在0-45范围内，必须使泥浆流态为层流 ，建议泥浆屈服值为9.58MPa，YP/PV值为1以 上。 45-55范围内，两种流态都采用，但以紊 流最好； 55-90范围内，采用紊流洗井，如果不 能采用紊流，只能是层流时，必须尽可能的 提高YP/PV值。 泥饼管柱井眼粘着部位弯曲的裸眼井段中，套管与井

8、壁的摩擦系数泥饼管柱井眼粘着部位弯曲的裸眼井段中，套管与井壁的摩擦系数 很大，也就是说它的摩擦角很大，例如摩擦系数很大，也就是说它的摩擦角很大，例如摩擦系数0.60.6，其摩擦角为，其摩擦角为 3131，即井斜角为，即井斜角为5959。在这样的条件下套管，摩擦角以下井段中的。在这样的条件下套管，摩擦角以下井段中的 套管就不能靠自重下滑了，这段套管的移动就要靠上部套管柱的轴套管就不能靠自重下滑了，这段套管的移动就要靠上部套管柱的轴 向分力推着走，此时钻井液的润滑性是最重要的。由于在大多数地向分力推着走，此时钻井液的润滑性是最重要的。由于在大多数地 层中都可以形成滤饼，泥饼质量是影响摩擦阻力的一个

9、不可低估的层中都可以形成滤饼，泥饼质量是影响摩擦阻力的一个不可低估的 重要因素，在井壁上形成的泥饼越厚，套管嵌入其中越深，接触面重要因素，在井壁上形成的泥饼越厚，套管嵌入其中越深，接触面 积就越大，粘着力也越高，其结果必然大大增加套管下入的阻力，积就越大，粘着力也越高，其结果必然大大增加套管下入的阻力， 如下图。如下图。 3 3、降低摩阻，实现、降低摩阻，实现 套管柱的顺利下入套管柱的顺利下入 因此，合理的设计钻井液是下套管成功的关键所在，在因此，合理的设计钻井液是下套管成功的关键所在，在 下套管前井眼必须加强钻井液的净化处理，清除钻屑沉下套管前井眼必须加强钻井液的净化处理，清除钻屑沉 积床，

10、同时现场应采取一系列强化措施：积床，同时现场应采取一系列强化措施： 优选钻井液。在钻井液中加入润滑剂如玻璃小球，增优选钻井液。在钻井液中加入润滑剂如玻璃小球，增 加其润滑性。加其润滑性。 采用高强度的钢质引鞋并使之起到居中导向作用，以采用高强度的钢质引鞋并使之起到居中导向作用，以 克服井壁泥饼的冲击不致于损坏。克服井壁泥饼的冲击不致于损坏。 采用倒置的套管串结构，即水平段下入壁厚较小的套采用倒置的套管串结构，即水平段下入壁厚较小的套 管，直井段下入壁厚较大的套管，来增加对水平段套管管，直井段下入壁厚较大的套管，来增加对水平段套管 的推进力。的推进力。 套管浮动下入井内，下套管前在水平段及大斜度

11、井段套管浮动下入井内，下套管前在水平段及大斜度井段 替入高密度钻井液，下套管时在相应套管内灌入清水或替入高密度钻井液，下套管时在相应套管内灌入清水或 柴油，使套管承受向上的浮力，能有效地克服大斜度井柴油，使套管承受向上的浮力，能有效地克服大斜度井 段及水平段的高摩阻。段及水平段的高摩阻。 不同泥饼厚度时粘着面积 变化情况 泥饼管柱井眼 粘着部位 4 4、提高套管在井眼中的居中度、提高套管在井眼中的居中度 研究表明水泥浆在同心环空中的顶替是非常均匀的， 而套管偏心是注水泥时钻井液窜槽的主要原因，偏心 环形空间液体的流速、流量及流态在不同间隙处将发 生变化，宽窄间隙的流速差可达几十倍。宽间隙的液

12、体达到了紊流，而窄间隙却在作层流流动，最槽的情 况是宽间隙的钻井液可能完全被顶替，而窄间隙的钻 井液却仍然滞留在原来位置，造成钻井液窜槽。 e 井壁 弹簧扶正器 套管轴线 井眼轴线 图24 井眼中套管弹簧扶正器偏离情况 关于套管在井眼中产生偏心后对固井质量的影响程度 许多学者进行过大量的研究，研究结果表明：居中度 至少要达到67%以上，而且在其它有效措施的配合下 ，才能不至于引起严重的泥浆窜槽。提高套管在井眼 中的居中度最有效的办法是在套管外加入足量的扶正 器，同时，在大斜度和水平井段扶正器安放位置要适 当加密，必要时要加限位器。 5 5、紊流施工、紊流施工 由于紊流注水泥作业，能对井眼产生良

13、好的清洗效果，防止泥由于紊流注水泥作业，能对井眼产生良好的清洗效果，防止泥 浆滞流区形成窜槽。因此，设计的原则是，只要井下条件允许浆滞流区形成窜槽。因此，设计的原则是，只要井下条件允许 ，优先选用紊流施工。紊流顶替接触时间确定可以从下图，优先选用紊流施工。紊流顶替接触时间确定可以从下图1 1 图图2 2 得到。得到。 20” 40”12 340 20 40 60 80 100 接触时间： min 567 顶替效率：% 宽间隙 中间间隙 窄间隙 雷诺数Ret=2369 图1时间、流态与顶替效率的关系 20” 40”12 340 20 40 60 80 100 接触时间：min 567 顶替效率：

14、% 雷诺数 Ret=2855 图2时间、流态与顶替效率的关系 由图可知，当水泥浆处于层流或层流过渡到紊流期间， Re=2369时，接触时间对窄间隙水泥浆顶替效果的影响并不明 显，其顶替效率仅有70%左右，当Re=2855时，各间隙水泥浆 顶替效率接近100%，紊流接触时间为5-6min，一般推荐紊流 接触时间为6-8min。 6 6、活动套管柱、活动套管柱 改变顶替过程液体流场，增加周向和轴向的旋流和回流作用，对顶替改变顶替过程液体流场，增加周向和轴向的旋流和回流作用，对顶替 偏心环空间窄间隙及滞留在井壁的泥糊和泥饼是非常有利的。套管旋偏心环空间窄间隙及滞留在井壁的泥糊和泥饼是非常有利的。套管

15、旋 转时，窄间隙及边壁滞留的钻井液将带入宽间隙，而宽间隙的水泥浆转时，窄间隙及边壁滞留的钻井液将带入宽间隙，而宽间隙的水泥浆 却因旋流作用被挤入窄间隙，从而使偏心环形空间各间隙处的钻井液却因旋流作用被挤入窄间隙，从而使偏心环形空间各间隙处的钻井液 趋于均匀流动，上下活动套管柱（见图趋于均匀流动，上下活动套管柱（见图8 8）能使井壁和套管近壁层的钻）能使井壁和套管近壁层的钻 井液处于剪切和流动状态，破坏了钻井液的胶凝结构和触变特性，提井液处于剪切和流动状态，破坏了钻井液的胶凝结构和触变特性，提 高了水泥浆顶替效果，上下活动套管建议距离为高了水泥浆顶替效果，上下活动套管建议距离为6-126-12m

16、 m， 时间为顶替水泥浆全过程。时间为顶替水泥浆全过程。 7、增加套管在井眼中的浮力效应 在大斜度和水平井段，套管在自重作用 下往往靠近井壁下侧，因此，在替浆过 程中，在大斜度和水平井段替入密度低 的液体，如清水或者柴油作为替浆液， 尽量提高环空钻井液与套管内该段流体 的密度差，增加其浮力，帮助套管扶正 居中，从而提高其顶替效应。 8 8、优化入井内液体体系、优化入井内液体体系 8.18.1水泥浆的设计水泥浆的设计：大量的研究和试验证明：为成功地进行水平井注水大量的研究和试验证明：为成功地进行水平井注水 泥作业，必须严格考虑所用水泥浆性能，与直井和一般的斜井相比，水平井对水泥泥作业，必须严格考虑所用水泥浆性能，与直井和一般的斜井相比，水平井对水泥 浆性能应达到如下指标要求：浆性能应达到如下指标要求： （1）水泥浆游离液为0。因为在水泥浆静止情况下，其中所含的自由 水将聚集在浆体的顶部，形成一个横向贯通的水槽。 （2）严格控制水泥浆失水量。一般控制在50m