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1、中国石油集团钻井工程技术研究院 2011年09月 浙江 杭州,提高水泥环完整性与固井技术展望,报告提纲,一、提高水泥环完整性的重要性 二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素 三、提高水泥环完整性的措施探讨 四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,保护生产管柱和封堵相邻的油、气、水层，固井水泥凝固后形成一个纵向上的水力封隔系统，因此必须在整个油气井寿命期间及报废之后都能实现有效的层间封隔,固井的主要目的,一、提高水泥环完整性的重要性,力学稳定性 水泥环完整性不受破坏，抗压强度不衰退 体积稳定性 水泥环体积不发生变化，不出现体积收缩或后期过度膨胀 应力稳定性 在井下载荷条件下具有较好的交变应力承载能
2、力 温度稳定性 在井下温度变化环境中具有较好的温度适应能力 腐蚀环境下的稳定性 在井下腐蚀环境具有较强的抗腐蚀能力,关键：水泥环的长期耐久性要满足后期作业及开发生产需求,特定环境条件下的长期耐久性能,一、提高水泥环完整性的重要性,勘探开发目标趋于复杂,复杂深井 复杂天然气井 非常规天然气 酸性油气藏 储气库（枯竭气藏、盐穴） 海外复杂油气勘探开发,更容易引起水泥环密封失效，带来严重危害。水泥环密封完整性需要深化机理和材料研究，确保天然气的安全开采,一、提高水泥环完整性的重要性,环空带压和气窜美国墨西哥湾最为典型 油气井报废造成严重经济损失 修井作业成本高、危险性大、成功率低,水泥环密封失效带来
3、巨大问题,严重影响天然气井生产和安全，缩短天然气井寿命,一、提高水泥环完整性的重要性,在墨西哥湾的OCS地区，大约有15500口井，有6692口井、大约43%的井至少有一层套管带压,墨西哥湾OCS地区气井随着时间增加环空带压的情况,美国矿产管理服务机构统计,有10153个套管环空带压，47.1%属于生产套管带压，26.2% 表层套管带压，16.3%的技术套管带压，10.4%的导管带压 环空带压与井的生产寿命紧密相关，老井更易带压，一口井15年可测量出来的带压（一层或几层套管带压）可能性大约为50%。环空带压可以存在于任何时期,一、提高水泥环完整性的重要性,川渝地区、塔里木油田、松辽盆地深层天然
4、气环空带压问题突出,克拉2、迪那2等气田已经出现90多口井生产套管起压，2008年，克拉2气田投入生产的14口井中，有12口井生产套管带压 川东北气矿38口高含硫气井中有10口井口环空带压 大庆徐深10、901井等5口井也存在井口环空带压现象,1、复杂天然气井易引起环空密封失效,一、提高水泥环完整性的重要性,致密气、页岩气等勘探开发需要对储层进行大型酸化压裂改造 常规水泥环封隔质量难以保证 需要优化水泥石力学性能,2、非常规天然气密封要求高,国内拥有非常丰富的页岩气资源，主要盆地和地区页岩气资源量约为15万亿30万亿立方米，与美国28.3万亿立方米大致相当,一、提高水泥环完整性的重要性,3、酸
5、性气藏分布广泛,松辽盆地 川渝地区等 海外部分区块,酸性气体对水泥石产生腐蚀，可能破坏水泥环密封完整性,2002年11月对大庆徐深1井2000米处样品进行了检测，结果表明发生了CO2腐蚀，腐蚀深度1个月左右达到3mm,一、提高水泥环完整性的重要性,周期性注采作业 水泥环应力变化大 对水泥石的力学性能要求更高,4、储气库建设发展迅速,板808/828地下储气库井环空带压测试结果,已建成或部分建成的储气库：大港、华北、刘庄、金坛盐穴储气库 在建或准备建的储气库：新疆呼图壁、重庆相国寺、长庆、辽河等,储气库安全运行至少50年,一、提高水泥环完整性的重要性,5、海外油气田日趋复杂,全球发展，天然气、复
6、杂井将越来越多，水泥环密封挑战更多,在阿姆河右岸气田A区、B区前期统计的193口井中，井口带压的井（发生环空气窜）有39口，占总井数的20.2%；生产套管固井候凝时发生气窜有14口，占总井数的7.3%,一、提高水泥环完整性的重要性,报告提纲,一、提高水泥环完整性的重要性 二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素 三、提高水泥环完整性的措施探讨 四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,特定井下条件 井眼尺寸 套管性能 岩石机械性能 预计载荷变化 井内压力大幅变化 试压 钻井液比重加大 套管射孔 酸化压裂 天然气产出 温度变化 地热井生产 注入蒸汽 高温高压 地层载荷 滑移 断层 压实,1、水泥环胶结
7、失效的主要影响因素,影响因素多，作用周期长，井段距离大，窜气通道小,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,外在因素,水泥石是具有先天缺陷的脆性材料，井下水泥环在射孔弹高能聚流冲击力（4000 MPa）的作用下，会破裂形成宏观裂纹，油气井开发过程中的后续增产措施使这些裂纹进一步扩大，致使水泥环的封隔作用彻底失效 通常情况下，水泥浆体积呈现收缩趋势。常规水泥浆体积总收缩率为5%-14%，塑性体收缩率（初凝前）为0.5%-5%，硬化体收缩率（终凝后）为1%-5%，水泥石的收缩使界面产生微间隙，导致发生气水窜,2、常规水泥石存在的不足与缺陷,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,杨氏模量与泊松比示
8、意图,3、水泥硬化后井下温度及压力发生较大变化,压力变化导致水泥环发生开裂,钻井液密度变化导致水泥环收缩使胶结失效,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,微环隙的位置 套管与水泥之间出现（内微环隙） 水泥与地层之间形成（外微环隙） 微环隙产生的原因 可能是因井内温度和（或）压力变化使套管发生径向位移而引起，特别是当水泥凝固后井内压力或温度降低时（泥浆比重变化、替入完井液、注入冷水等） 水泥环体积收缩也会引起外微环隙出现,3、水泥硬化后井下温度及压力发生较大变化,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,井型：海洋平台 水深：91.44m 泥浆线温度：4.44 井深：5334m 井下静止温度：1
9、93.3 508mm表层套管：609.6m 339.7mm技术套管：2956.6m 244.5mm技术套管：4572m 177.8mm生产套管：5334m 生产套管尺寸：88.9mm 采油速度：5000桶/天 采气速度：78万方/天,开采一年后水泥环的温度变化情况曲线,开采过程中井眼温度的变化示例,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,3、水泥硬化后井下温度及压力发生较大变化,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,放射状裂隙,变形,分离,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,报告提纲,一、提高水泥环完整性的重要性 二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素 三、提高水泥环完整性的措施探讨 四
10、、保证水泥环密封性未来主要发展方向,油管或套管泄露 螺纹连接不好、腐蚀、内管柱热应力破裂或机械破损 封隔器漏失 顶替效率差 井眼条件差 前置液设计不合理 固井工艺不合适或现场施工过程中出现问题 水泥浆设计不合理 水泥浆失水量大、稳定性差 水泥基质渗透性高、防窜性差 体积收缩 温度、压力变化等对水泥环损伤 水泥石力学性能与地层、套管不匹配 水泥环开裂或界面出现微环隙,层间封隔不好或气窜的主要原因,开采时间延长，环空带压的主要原因,三、提高水泥环完整性的措施探讨,造成天然气井环空带压的原因,三、提高水泥环完整性的措施探讨,1、提高顶替效率的措施 良好的井眼条件 严格通井措施 保证套管居中 钻井液性
11、能调整 合适的隔离液类型及环空高度 顶替排量及合适的环空液柱结构 合适的施工工艺,顶替效率低,顶替模拟示意图,2、设计满足封固要求的水泥浆体系 失水量低（小于50ml） 浆体稳定性好（自由液为0mL） 过渡时间短 抗压强度发展快，并有长期强度稳定性 水泥浆防窜性能好 水泥石长期体积不收缩 应用的外加剂配伍性好，对水泥水化影响小,过渡失水 水泥浆渗透性高,体积收缩 界面胶结差,三、提高水泥环完整性的措施探讨,3、水泥石力学性能能承受井下温度、压力、应化的变化 以前抗压强度作为评价水泥浆性能的一项标准 现在不能作为是否成为有效层间封隔的指标，还需要其他如杨氏模量、泊松比、抗拉强度、剪切强度、胶结强
12、度进行综合评价 根据每口井具体情况，对水泥环在建井、完井、增产和生产作业承受的外载进行分析，然后对套管、水泥、地层进行有限元分析，确定出水泥石的力学性能（如杨氏模量、泊松比等），在生产期间水泥石力学性能能承受应力的变化,三、提高水泥环完整性的措施探讨,更强的柔韧性（更低的杨氏模量） 在动态应力变化的环境下保持完整性 水泥环在井下环境中体积不收缩,用什么样的水泥浆体系会获得长期良好的封隔,通过什么方法及手段来分析、获取这样的体系？,水泥环变形机理的定量化 基于固体力学结构的二维数学模型 岩石、套管、水泥石力学性能 应力状态分析 具有柔韧性及膨胀性能的水泥浆体系,水泥环出现裂纹,水泥浆体系具有能与
13、地层相适应的弹性，其可压缩性低且不收缩，此外，水泥石结构致密且渗透率低。因此，可能防止由于井内压力增加或温度增加引起水泥环的损坏,三、提高水泥环完整性的措施探讨,采用柔韧性好与地层特性相匹配的水泥浆 根据井的具体情况，采用CemSTRESS软件分析并设计水泥浆体系 可选用弹性材料和膨胀材料增加水泥弹性，防止微缝隙 在变化的井下环境下可以提供长期的层间封隔 水泥的弹性可以抵御水泥壳在应力变化下的破裂 可防止微缝隙的产生,LifeCem Cement System,ElastiCem Cement System,三、提高水泥环完整性的措施探讨,以CemCRETE为基础优化的固相颗粒分配原理，配合柔
14、韧性颗粒及膨胀剂，杨氏模量可降至1380MPa，最大限度减少微环空的出现，为后期增产工作提供保障，延长油气井的生产寿命,应用于动态应力环境的油、气井 所有的高温高压气井 需要进行压裂增产的井 钻井时泥浆密度变化很大的井 具有潜在微环空的井 施工后，温度和压力有变化的井 需要打水泥塞弃井的井,FlexSTONE柔韧水泥浆,三、提高水泥环完整性的措施探讨,优点 能修复微间隙，内水泥环开裂和其他油气窜流通道 对水泥环的水力密封性能有自修复作用 降低补救和损失油气的成本，延长油气井的开采寿命 应用 作为领浆和尾浆 能应用于生产油、凝析油气、天然气，或油气混合物 能应用于打水泥塞和废弃井 出现井口带压时
15、提高整个油气井生产期间井口的保护,自密封或自修复水泥,三、提高水泥环完整性的措施探讨,报告提纲,一、提高水泥环完整性的重要性 二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素 三、提高水泥环完整性的措施探讨 四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,1、现代固井技术面临形势,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,2、现代固井技术存在问题,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,复杂井一次作业成功率有待提高 提高固井一次作业成功率，是确保工程技术安全的关键，是提高固井质量的保障，省略后期补救作业 复杂层间有效封隔能力不强 实现层间有效封隔，是后续安全钻井的保障，是提高开发效益的保障 长寿命封固质量无法完全确保
16、固井的长期封固质量是延长油气井寿命的关键，是提高单井综合经济效益的关键,核心问题：密封完整性 结构完整性 腐蚀完整性,密封完整性 结构完整性 腐蚀完整性,基础理论研究,功能性水泥浆体系,配套工艺技术,功能性固井工具,3、未来固井技术发展方向,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,3、未来固井技术发展方向,紧密堆积优化水泥浆设计及技术应用 环空带压理论模型建立及技术应用 水泥环不收缩及弹塑性改造 固井技术的信息化、智能化、集成化、个性化,实现三个完整性的四个主体方向,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,3.1 紧密堆积优化设计水泥浆,对于和水泥密度接近的矿物微粉，其最佳的掺量为1827%,f(z=x/t)=0.7(1-Z)+0.3(1-z)12 松散效应函数 g(z=t/x)=(1-z)1.3 墙壁效应函数,（1）一个多相体系由n级颗粒组成，每相颗粒具有一个粒级 （2）每相（级）颗粒在其它相（级）颗粒存在时的最大密实度已知 （3）不同粒径颗粒间的交互作用通过壁效应和松开效应考虑（4）不同堆积过程的压实程度通过压实指数K来反映,
