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1、水平井固井技术,中国石油集团工程技术研究院,谭 文 礼 联系电话：（022）66310273 地址：天津市塘沽区津塘公路40号,本讲义分两个部分 第一部分 水平井的特点、固井要求、固井技术措施描述 第二部分 油井水泥、外加剂与水平井固井水泥浆体系介绍,第一部分 水平井的特点、固井要求、固井技术措施描述,目 录,水平井定义 完井方式 固井的意义 注水泥要求 问题和技术关键 固井设计与工艺技术 提高固井质量的措施 水泥浆配方实例,当最大井斜大于55。60 。时称为大斜度井。 井斜达到85。以上时，并在目的层有水平延伸的井段，称为水平井。,水平井定义,根据曲率半径划分水平井为三类： 1）长半径水平井
2、：曲率半径的范围为914305m;井斜变化为0.66 。 /m0.197 。 /m;水平井段长度6101524m。 2）中长半径水平井：曲率半径的范围为21328m;井斜变化为0.26 。 /m1.64 。 /m;水平井段长度457610m。 3）短长半径水平井：曲率半径的范围为126m;井斜变化为5 。/m10 。/m;水平井段长度91122m。,水平井定义,1、 裸眼完井 2、 筛管完井 3、 筛管及下封隔器完井 4、 筛管，盲管及下封隔器完井 5、 一半筛管及下封隔器完井 6、 一半注水泥一半筛管完井 7、 同心筛管完井 8、 套管注水泥、封隔器、筛管完井 9、全部套管注水泥完井,水平井
3、完井方式,1）延长油井的使用寿命； 2）提高采油速度； 3）可进行增产作业，保证二次、三次采油的技术实施。,水平井固井的意义,水平井对注水泥的要求,由于水平井的井下轨迹特点，下入的套管将可能承受地层纵向下塌应力，因此水泥环的支撑作用的重要性就显得非常重要。 另外，水平井很难判定生产层出水或是侵入水，或是环空窜通引起出水，因此水泥作业的质量非常关键。,注水泥作业要求为： 1）封隔注水泥段内各组产层和其它渗透性岩层，防止层间窜通； 2）水泥环必须连续而坚固，支撑和保护套管柱； 3）支撑并巩固不坚定的砂岩层等； 4）控制地层压力。,水平井对注水泥的要求,1）为了稳固井壁常常用高密度钻井液，从而造成水
4、泥浆顶替钻井液的难度加大，顶替效率很难提高； 2）这些井常常用油基钻井液钻井，这样井下岩石表面由于泥浆的污染而成为亲油特性，亲油物质如何被清除，为固井水泥浆营造良好的亲水界面成为水泥浆能否较好胶结的根本条件，这样固井过程中必须采用良好的冲洗与隔离液体系，有效地清除粘附油基泥浆或油膜成为固井的关键技术之一；,问题和技术关键,3）这类井为了有效地清除岩屑，防止岩屑沉降，通常也采用具有较高粘度和切力的泥浆，由于泥浆的粘附性强，触变结构大，流动性差，这样有效地顶替泥浆成为很难解决的问题； 4）为有效地驱动和清除泥浆，只有增大排量，进行大排量的循环作业，这就带来了漏失、高渗透性地层的稳定等问题，造成下套
5、管不利以及井径不规则，从而影响到水泥的胶结质量。,问题和技术关键,5）水泥浆在凝固过程中，由于重力作用，易在井眼上侧形成游离液通道，引起油、气、水的窜问题。 6）水平井的斜井段常常会形成键槽，岩屑易堆积，造成井眼低侧水泥环窜槽。,问题和技术关键,7）套管的下入问题。套管能否顺利下入，这涉及到钻井问题，关系到井身剖面质量、井眼轨迹以及钻井液性能，因此对套管柱的强度、管串结构需进行合理的设计，尤其是尾管下入时的加压与冲洗循环技术，注水泥时使用可提放旋转套管工艺以及套管的居中技术问题。,问题和技术关键,8）井眼几何形状与直井有很大的不同，由于存在椭圆形井眼与岩屑堆积，清除岩屑的沉积和固相颗粒是提高顶
6、替效率的关键技术之一； 9）由于套管自重的作用，易靠近井壁下侧，形成严重的偏心，降低了水泥浆的顶替效率； 10）地层的垂直应力直接作用在套管柱上，造成套管挤扁变形而强度破坏问题以及水泥环无法进行保护作用的问题。,问题和技术关键,1、关于钻井设计问题 国内外经验：井眼与套管间隙不宜小于38mm，或选择合适的套管/井眼的尺寸比，比值应在0.650.77之间。 为下套管和改善水泥环质量，有条件时尽量增大曲率半径。,固井设计与工艺技术-井眼准备,钻井设计实施中的要求： （1）保持井径规则，防止出现大尺寸和小尺寸井眼； （2）井眼轨迹规则，防止出现全角变化率井段； （3）避免形成键槽； （4）钻近过程中
7、漏失时，需进行堵漏和防漏失处理。,固井设计与工艺技术-井眼准备,2、井眼的处理 1）钻井液的处理。钻井液的流变性影响注水泥质量。完井后，井眼几何形状和井身轨迹已无法改变，因此可控因素只有调整钻井液性能，目的是有效地冲洗和携带增斜井段和水平井段的岩屑。,固井设计与工艺技术-井眼准备,岩屑携带取决于的因素有： （1）流体密度与流变性能（p和。）； （2）环空流速； （3）岩屑形状、密度与尺寸； （4）井斜角的变化。 可控参数为：流速与流体的流变性。,固井设计与工艺技术-井眼准备,2）冲洗和携带岩屑的流速。最低环空流速由井下条件如承压能力、密度与动切力决定。一般为0.917m/s1.52m/s的范围
8、。,固井设计与工艺技术-井眼准备,环空排量,3）下完套管后循环的要求。一般为井筒容积的3倍，相当于循环23周。 4）动切力。 。水平井段注水泥窜槽的主要原因在于钻井液中的固相（岩屑或加重材料）在井眼下侧沉降，水泥浆不易顶替该处泥浆而形成窜槽的条带。要使沉屑与固相颗粒携带走或悬浮在浆体中不沉降，钻井液必须有一定的动切力，这种动切力对泥浆来说需有一个最低的动切力（称为临界动切力），该临界动切力有两层含义：在该临界动切力以下的钻井液将呈现出连续的固相沉槽；防止沉槽出现所需的动切力随着井斜角减小而减小。,固井设计与工艺技术-井眼准备,固井设计与工艺技术-井眼准备,不同井斜角钻井液的临界动切力,固井设计
9、与工艺技术-井眼准备,防止固相沉降和携带岩屑，除了动切力外，与钻井液的塑性粘度有关。一般要求动塑比大于1。如胜利油田的经验为：控制。大于9.58Pa，而。/p的比值大于2.0。,固井设计与工艺技术-井眼准备,5）套管的顺利下入对井眼的要求。 弯曲裸眼井段，套管下入在井壁上有较大的摩擦阻力。即摩擦系数大，摩擦角大。在55 。60。井斜角时，套管柱将不可能靠自重而下行，需要施加一定的力，克服阻力，当水平位移对垂深的比例达到一定程度时，就可能产生过大的摩擦而阻止套管的下入，因此要对井壁进行处理，降低摩擦系数。影响摩擦系数的因素有： 地层岩性；下入深度；井壁光滑程度；钻井液特性（类型与润滑性等）。,固
10、井设计与工艺技术-下套管的摩阻计算,1）摩擦阻力的计算 套管对井壁的摩擦力F等于管柱对井壁的法向合力P乘上摩擦系数： F= P 2）摩擦力对轴向载荷影响 上提套管柱时，其有效合成轴向拉力Wu为： Wu =Wb + F Pt /St 式中Wb -套管柱设计合成拉力，kN； Pt -抗拉强度，kN； St -抗拉安全系数（取1.8）；当Wu Pt /St ，则应以较低转速转动套管慢慢上提。,固井设计与工艺技术-下套管的摩阻计算,3）套管柱的附件选择 套管串上主要附件包括：引鞋、回压阀（浮箍）、分接箍、尾管悬挂器、扶正器、刮泥器、水泥伞及管外封隔器。, 浮鞋浮箍的选择（厂家、数量） 封隔器（压力级别
11、问题、密封的可靠性问题） 悬挂器的选择（液压、机械） 筛管的类型（饶丝、隔缝、金属棉等),工具、附件的选择问题,固井设计与工艺技术-水泥浆设计,1）设计需要达到的几项标准 水泥浆游离液为零。可使环空上端积水带控制到最小。 稳定性：上中下密度差0.05g/cm3。形成的水泥石性能均匀一致，有利于与接触界面的胶结。,控制水泥浆产生固相沉降和游离液的重要性 水泥浆的稳定性永远是一项重要性能，特别在斜井中尤为重要，有两项参数可以确定水泥浆的稳定性：游离液和固相沉降。游离液之所以重要，是因为它能浮在大斜度、水平井井眼的顶部而形成一横向流道，井内流体可以自这条横向流道内流动（Keller等人，1987），
12、Nilson和Skabins，1988）。,游离液产生后沿着环空高边聚集，形成低密度液体连通，而在低边又会形成松散的水泥颗粒沉积，照样不与井壁胶结，引起层间窜流和气体运移。因此，减少或消除游离液和水泥颗粒沉降，就可以增加大斜度、水平井的整体性和稳定性，有助于延长开采寿命。在水平井水泥浆试验时要严格控制游离液为零。,沉降和游离液产生的原因 水泥浆是水泥颗粒在水中的高浓度悬浮体。在稀悬浮液中，固体颗粒的沉降遵循Stockes定律，单个颗粒的沉降速度由它的大小和密度决定。在稠悬浮液中，固体颗粒通常以受阻的方式沉降。,在受阻沉降过程中，大多数颗粒的沉降速度远远地低于单个颗粒在稀悬浮液中的沉降速度。“受
13、阻沉降”是指颗粒之间的粘结作用将水泥颗粒粘结在一起，并使她们在沉降过程中保持位置不变。 颗粒浓度高和颗粒之间粘结作用强导致沉降速度降低。这种作用阻碍游离液向上移动，保证水泥浆体的均匀稳定。 产生的原因可归为：水泥颗粒分布不合理、外加材料颗粒与水泥浆不匹配、相分离、材料之间密度差很大、分散剂掺量过大、悬浮材料或增粘材料因温度增加而失效等。,稳定性和游离液的测试方法,测试要求：常温水泥浆易制备，流动度18cm，稳定无沉降。 BHCT下无沉降和游离液。 游离液测试新方法：BHCT下搅拌，倾斜45。、 2h静置测定。,提高水泥浆稳定性的方法,提高水泥浆稳定性的主要方法是增加水泥浆的粘度和胶凝强度。 增
14、加水泥浆的粘度。 方法：1）增加水泥、控制固相颗粒的细度、降低W/C等； 2）加入悬浮剂或增粘剂，诸如纤维素、生物聚合物等。缺点：低温增稠导致配浆困难，温度升高粘度降低。该方法应慎用，需要良好配套材料和技术措施才可选用。, 增加水泥浆的胶凝强度（或切力）。 胶凝强度就是使静止的水泥浆产生流动所增加的最小外力，也称静切力，它一般不超过48pa。 胶凝强度过大，导致泵压增大，循环困难，产生压漏地层或蹩泵的问题。 方法：多价离子物质、膨润土等。 注意：防止絮凝稠物的产生。,（3）新一代方法。通过设计水泥颗粒大小和分布，达到最优堆积和良好的流变性。,2）API失水量 水平井注水泥要求失水量控制在40m
15、L/30min以下。 失水分为两个阶段: 1)注水泥顶替过程的动失水; 2)候凝阶段的静失水。 失水过大影响：水泥浆的流变性、稠度变化、顶替性能、“闪凝”现象、水泥浆的胶结等。,3）水泥浆切力的要求 在满足紊流顶替条件下，切力应满足的关系式为： 水泥浆隔离液泥浆 4）直角稠化和塑性状态到硬化状态时间短：防止流体侵入和窜流。 5）入井液体密度大小应满足关系式为： 水泥浆隔离液泥浆且三者应较接近。尤其是注意在井筒温度条件下，加重隔离液应保持固相的悬浮稳定。,提高水平井固井质量的措施,1、井眼净化技术,由于大位移井和水平井的水平位移大，以及井眼长，清除钻屑就成为主要的问题。又因在井眼的低边形成了钻屑
16、沉积床，而使问题进一步复杂化。下面列出了大位移井和水平井的水平位移井眼净化的可行性的14种方法。,钻屑沉积床,提高环空返速,塔尔萨大学的研究表明，在各种井斜角下，无论使用层流还是紊流，提高钻井液的环空返速都能提高清井效果。有研究表明在40-60的井斜角下，清洁井眼需要的泵排量最高。,增大钻杆直径。由于增大钻杆的直径能够提高环空流速，所以能改善井眼净化。 使用层流（045）。同时尽可能地增加钻井液屈服值将提高清井效果。 使用紊流, 增大钻井液比重。在保持钻井液性能不变的情况下，增加钻井液比重能够改善井眼的净化效果。 增大钻井液屈服值（层流） 增大YP/PV比（大于1，YP单位磅/100英尺，PV 的单位厘泊），尤其是在层流返速的情况下。 降低钻井液静切力 在斜井中，触变性非常不利于钻屑的输送，在钻柱不转动时更是如此。稠化的钻井液在井底形成了一层几乎不流动的流体层，而使钻屑滞留在井底，这种影响对细颗粒来说尤为严重。,使钻柱居中 旋转钻柱 上下活动钻柱 划眼起下钻 周期性划眼起下钻能搅动
