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1、保护油气层钻井完井技术 固井技术 汪海阁汪海阁 中国石油勘探开发研究院中国石油勘探开发研究院. .钻井所钻井所 20022002年年7 7月月 保护油气层钻井完井技术提纲 l一、概述 l二、钻井过程中造成储集层损害的因素 l三、保护储集层的钻井技术 平衡压力钻井技术 欠平衡钻井技术 l四、保护储集层的固井技术 l五、保护储集层的完井技术 l六、保护储集层的射孔技术 四、保护储集层固井技术 保护储集层固井技术 l国内外研究概况； l固井作业中地层损害的原因； l水泥浆对地层损害的研究； l水泥浆污染机理分析； l保护储集层的固井技术。 引言 l 固井作业是钻井完井的重要环节。固井质量的好坏 不仅
2、直接影响到今后钻井的安全，而且还影响到油 气井的长期开采生产和总的采收率。同时它和其它 作业一样，也会造成对储集层不同程度的损害，甚 至造成油气资源的严重损失。需要指出的是，固井 作业对地层的损害不仅有和钻井液引起的地层损害 相似的原因和规律，也有其特殊的作用机理和规律 国外对固井作业影响油气层损害研究 l 重视水泥浆滤失量对油气层损害的研究。研究水泥 浆滤液渗漏到油气层，特别是对水敏性地层造成的 损害。通常水泥浆在高温高压下滤失量可达500 200Oml/7MPa.3Omin。美国在这方面进行了大量的 摸拟试验，为防止滤失量过大，他们对技术套管和 油层套管固井水泥浆的滤失量，均有一定控制范围
3、 ，油层套管固井水泥浆滤失量规定为 20OmL/7MPa.30min，油层尾管固井规定为100 5OmL/7MPa.30min。 国外对固井作业影响油气层损害研究 l 重视环空气窜机理的研究。高压油气井固井后往往发 生环空气窜。为了控制气窜，国外学者进行了多方面 的探讨，包括气窜原因和气窜机理的研究。认为气窜 的原因有：水泥浆水化后凝固过程中体积收缩引起内 部压力降；水泥浆的“失重”造成压力降低；环空桥 堵，影响压力传递，造成环空压力降低；自由水析出 和运移形成气体通道等。为了防止环空气窜，可使用 防气窜剂，地层封隔工具，分级注水泥技术等。 国外对固井作业影响油气层损害研究 l 重视水泥浆流变
4、学的研究。利用流变学理论指导固井设计和施 工，以提高固井质量，它已成为人们的共识。普遍认为，采用 紊流顶替是提高顶替效率的重要措施。当水泥浆处于紊流流态 时，流速高、动能大，液流中的每个质点的流速和方向都在不 断变化。由于质点的不规则运动，有利于置换出滞留在不规则 环空的钻井液，并冲刷和携带出粘附在套管壁上的滤饼和油膜 ，使水泥浆能充满环空，以形成一个强度高旦完整的水泥环， 保证环空封隔，防止油气水窜。防止损害油层。进行水泥浆流 变学设计时，可选择水泥外加剂，达到合适的水泥浆流变性能 。国外应用的水泥浆流变模式很多。其中最常用的有宾汉模式 、事律模式和修正幕律模式。 国外对固井作业影响油气层损
5、害研究 l 重视提高注水泥顶替效率的模拟试验和研究。哈利伯 顿和道威尔公司认为提高顶替效率的重要措施是：紊 流顶替、套管扶正、转动和上下活动套管.采用滤饼 刷、使用分散剂，提高水泥浆与钻井液的密度差等。 l 此外，还采用优质的隔离液、冲洗液，以及品种齐全 的水泥外加剂，改善水泥浆性能。还采用合理压差固 井技术、分级注水泥技术、尾管固井技术、管外封隔 固井技术等.以满足各种复杂井和低压井中保护油气 层的需要。 国内对固井作业影响油气层损害研究 l 固井水泥浆滤液对油气层损害的机理研究，油井水 泥降滤失剂的研究，以及滤失量控制指标的研究等 。 l 通过模拟实验，弄清了水泥浆的“失重”机理，找 到了
6、发生气窜的主要因素以及防止措施。 l 进行了水泥浆流变模式研究，各油田应用流变学模 式进行流变学固井设计，指导固井施工。 国内对固井作业影响油气层损害研究 l 石油院校还应用激光技术进行了提高顶替效率的动 态模拟试验和研究，用透明相似液进行顶替试验。 认为提高顶替效率的措施是：提高套管居中度，改 善水泥浆和钻井液的流变性能，使水泥浆和钻井液 的密度保持一定差值，实行紊流顶替，紊流接触时 间不少于8l0min，以及活动套管等。 国内对固井作业影响油气层损害研究 l 十四种固井方法，即：尾管固井方法；分级注水泥 方法；岩盐层及膏盐层饱和盐水水泥浆固井方法； 热采井固井方法，其中包括地错预应力和高温
7、加砂 水泥固井；高压油气井固井方法，包括防气窜水泥 浆、两凝水泥浆，加回压固井技术；低密度水泥浆 固井方法；超低密度泡沫水泥浆固井方法；大斜度 定向井固井方法；高早强水泥浆固井方法；内管注 水泥固井方法；使用管外封隔器的固井方法；反循 环注水泥方法；延迟注水泥方法；挤水泥补救固井 方法。 国内对固井作业影响油气层损害研究 l 七种油气藏固井技术，即：稠油油藏固井技术；古 潜山油藏固井技术；碳酸岩盐油气藏固井技术；高 压油气藏固井技术；含岩盐油藏固井技术；低压低 渗透油藏固井技术；特低渗透砂岩油藏固井技术。 保护储集层固井技术 l国内外研究概况； l固井作业中地层损害的原因； l水泥浆对地层损害
8、的研究； l水泥浆污染机理分析； l保护储集层的固井技术。 水泥浆对油气藏的损害 l 水泥浆是由水泥、水、各种化学添加剂组成的具有 一定密度的混合液体。不论何种注水泥工艺，水泥 浆必然接触储层，由于水泥浆的滤失量较钻井液的 滤失量大得多，不加降滤失剂的水泥浆滤失量一般 在1500-2000ml/7Mpa.30min，而加有降滤失剂的水 泥浆一般可控制在3005OmL/7MPa.3Omin.因此， 在注水泥作业中，水泥浆不可避免地对各类储层都 会造成不同程度的损害。 固井作业中地层损害的原因 l 1.环空封隔质量不好，引起油气层间互窜和窜到地 面 这是固井作业中最令人头痛而且后果最严重的一类损害
9、 。主要原因有： 水泥浆顶替效率不好，水泥浆环中有大量钻井液槽带 ；水泥与地层和套管胶结情况不好，形成环隙；水 泥浆凝结过程中，由于失重造成静水压力低于油气层压 力，使油气水侵入水泥浆形成通路。 固井作业中地层损害的原因 l 2.水泥浆颗粒引起的地层损害 固井作业中，不可避免要使用含有大量水泥浆颗粒的水 泥浆。水泥浆中粒径为530m的颗粒约占固相总量的 15%，而多数砂岩油藏的孔隙直径大于这个数值，因此 水泥浆颗粒有可能进入地层，并在孔隙中水化固结堵塞 孔隙或喉道，造成油气层的永久堵塞。 固井作业中地层损害的原因 l 2.水泥浆颗粒引起的地层损害 目前对这一损害还未取得一致认识，有人认为水泥浆
10、对 地层的污染是在钻井液污染地层之后，钻井液已在地层 表面和近井壁层形成远比水泥浆滤饼更为致密的内外钻 井液泥饼，水泥浆颗粒很难通过这两个屏蔽层进入地层 ，即使进入地层，其侵入深度也非常有限。根据苏联 COBOAEBCKHM的研究表明，水泥浆对地层的损害，其渗透 率下降率为5060%，污染深度约为2m，2cm以后的岩心 渗透率下降率为020%，这说明颗粒损害只发生在岩心 的前2cm，2cm后几乎不存在颗粒损害，这2cm的损害带完 全可以被射孔射穿，可以说对地层损害影响十分有限。 固井作业中地层损害的原因 l 3.水泥浆滤液引起的地层损害 固井时，水泥浆柱的压力要比钻井液柱大，所以井底压差高再加
11、上水 泥浆的滤失量比钻井液大数十倍，既使加降失水剂也大于钻井液滤失 量，而且含有各种离子和较高碱性的滤液（pH值为11.512）进入地 层后，加速了粘土矿物的解理、分散和运移，并形成毛细管阻力，降 低了油气层的渗透率。根据现有的研究表明，水泥浆滤液对地层的损 害确实存在，但非常有限。根据哈里伯顿服务公司的的研究，采用淡 水水泥浆滤液和不同含盐量（5%、10%、18%和饱和盐水）的盐水水泥 浆滤液，在压力为21MPa，温度140，养护砂岩岩心24h后，岩心污染 前的渗透率为5510410-3m2，污染后，渗透率下降率为2030%， 12块岩心的平均下降率为24.15%，结论是水泥浆滤液对地层损害
12、不是 非常严重。有人用Berea砂岩岩心也做了试验，实验表明岩心和水泥浆 滤液接触后，渗透率无明显变化。 固井作业中地层损害的原因 l 3.水泥浆滤液引起的地层损害 造成这样结果的原因是水泥浆滤失特点和滤液的性质。首先，水泥浆 的失水是一次性的，不可能象钻井液那样不断补充。固井施工时间加 上水泥浆初凝时间也不过几小时，即使水泥浆失水再大，其滤失量也 十分有限，也就是说其污染半径远不及钻井液滤液。其次，虽说水泥 浆滤液有较高的pH值，但阳离子浓度也非常高，反过来抑制了粘土的 膨胀和水化，有利于这些矿物的稳定。但产生以上结论的试验都是静 态试验，岩心长度有限，大多数没有模拟井下条件，还需要进一步研
13、 究证实。 固井作业中地层损害的原因 l 4.水泥浆滤液中无机物结晶沉淀对地层的损害 由于水泥浆在水化过程中将游离和溶解出大量的无机物 离子，在压差作用下含有大量离子的自由水就会进入地 层形成水泥浆滤液，在滤液中有较多的Ca2+、Fe2+、Mg2+ 、OH-、和离子。在静止状态下，由于高pH值的存在， 这些离子以过饱和状态溶解在滤液中。但进入地层后， 在一定条件下，将结晶析出或沉淀出Ca（OH）2、CaSO4 、CaCO3这些结晶物和沉淀物将堵塞孔道，降低油气层渗 透率。其污染深度将与水泥浆滤液污染深度接近。 水泥浆对地层的损害特点 l 压差大。在实际固井施工中，一般水泥浆密度大于钻井 液密度
14、。且环隙小，施工中产生的流动阻力、剪切速度及 压力激动都大于钻井液。这势必为颗粒和滤液进入地层提 供了良好的外部条件。 l 固相含量高。对钻井液我们可用无固相盐水清洁液或其 它无固相液体取代传统钻井液。而在固井作业中，水泥浆 的水泥颗粒是不能取代的，而且其粒级分布不同，5 30m的颗粒占15%左右，而大于44m的颗粒占4.8%左右， 这对地层损害会产生不同程度的影响。但由于颗粒直径较 大，因此侵入地层深度一般不大。 水泥浆对地层的损害特点 l 滤失时间短且滤失率高。水泥浆API失水远大于钻井液失 水，而且更难以控制，但由于施工时间短，滤失时间有限 ，反过来限制了水泥浆滤液和颗粒污染的深度。总的
15、说来 ，在有内外泥饼的情况下，水泥浆对地层的损害以滤液进 入地层造成损害为主。 l 滤液离子浓度高。以上谈到的各种离子的浓度积都大于 标准的溶解积，也就是说是过饱和的，很可能在地层中结 晶沉淀。 l 水泥浆污染处于钻井液污染之后，如有优质内外泥饼， 将大大限制水泥浆滤液和颗粒的污染程度。 保护储集层固井技术 l固井作业中地层损害的原因； l水泥浆对地层损害的研究； l水泥浆污染机理分析； l保护储集层的固井技术。 水泥浆对地层损害的研究 l 在动态和静态情况下，水泥浆对未受钻井液污染地 层的损害 在条件相似的情况下，动态污染比静态污染严重。 在动态情况下由于水泥浆滤液的滤失量比钻井液大数 倍，
16、在相近的时间内，水泥浆对地层的损害要比钻井液 严重得多。 水泥浆的失水愈大，对地层的损害愈严重。高渗透率 的地层，压差愈大，损害愈严重，相反低渗透率的地层 损害较轻。 水泥浆对地层损害的研究 l 钻井液污染地层后，水泥浆对地层的损害 在钻井液第一次污染后的岩心，水泥浆再次污染，其渗透率下降 一般不大，平均为20%左右。 水泥浆对岩心再次污染，污染程度与水泥浆的滤失量关系不大， 却和钻井液的滤失量有一定的关系。一般泥饼质量好，即使水泥浆 滤失量偏大，污染也较轻微，相反却污染严重。 在有泥饼和无泥饼条件下进行水泥浆污染，对渗透率下降影响不 大。但对滤失量却有一定影响，元泥饼的滤失量比有泥饼的滤失量 大些。 钻井液外泥饼和内泥饼对水泥浆再次污染岩心有明显的阻挡作用， 一般泥饼的渗透率为10-210-310-3m2数量级，大大低于被污染 岩心的渗透率，这样井下岩心的实测滤失量比API标准测出的滤失 量要低几十倍，且随岩心原有渗透率的降低而急剧下降，不考虑这 些问题而单用API标准测
