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1、1桩西老桩西老 168168 区块固井技术研究及应区块固井技术研究及应用用胜利石油管理局渤海钻井总公司胜利石油管理局渤海钻井总公司二二 0000 九年十一月九年十一月课题编号胜利石油管理局 科技项目研究报告2桩西老桩西老 168168 区块固井技术研究及应区块固井技术研究及应用用项目名称：项目名称：桩西老 168 区块固井技术研究及应用研究起止时间：研究起止时间：2009 年 1 月 2009 年 12 月负责人：负责人：报告编写人：报告编写人：王轶斌主要研究人员：主要研究人员：王轶斌 等审核人：审核人：审定人：审定人：3目目 录录前言前言11一、课题来源、研究的内容一、课题来源、研究的内容2
2、2（一）课题来源22（二）研究内容22二、课题调研二、课题调研33（一）课题调研的意义33（二）常规水泥浆的性能缺失33（三）水泥石抗冲击韧性机理研究44（四）纤维水泥浆体系防窜性能研究55（五）晶格膨胀剂体系的成熟1111（六）微硅对水泥浆水泥石的改善作用1212三、研究的目的意义与方法步骤三、研究的目的意义与方法步骤1515（一）研究的目的意义1515（二）水泥浆方案设计、选择1515（三）室内试验2121四、现场应用情况四、现场应用情况2929（一）配套工艺措施2929（二）现场应用情况3030五、综合评测五、综合评测3333（一）综合效益分析3333（二）存在和需要解决的问题3333（
3、三）结论和建议3333（四）推广意见33334（五）项目创新点33331前前 言言伴随着胜利油田投入开发四十多年的步伐，胜利油田可采、易采石油储量不断减少。为尽量保持胜利油田稳产高产的局面，水平井、定向大位移井不断增多，石油勘探开发的重心也由陆上逐渐向海上转移，近年来摊浅海钻井及海油陆采井已经成为胜利油田油气产量新的重要增长点。随着海上油田开发的需求和发展，随着大位移井，水平井钻井技术的不断发展，甚至多底井、多分支井的不断应用，对固井技术的发展提出了更高更快的要求以跟上钻井技术前进的脚步。老 168 区块为 2009 年局重点开发区块，该区块地层复杂，油埋藏深度浅，地层压力属正常压力范畴，钻井
4、液密度为 1.10-1.15g/cm3，个别油井地层压力较高。但是井下动态干扰较明显，地层孔隙大，渗透性强，固井作业时既可能发生井漏，又可能因水泥浆的失重而引起油、气窜，影响水泥环的胶结质量；该地区井下地层水发育，往往是油层上下均存在不同的水层，在固井过程中，由于水层的干扰，造成水窜影响水泥石的强度，严重影响固井质量。因此，急需针对该地区地质特征和固井难点，开展固井技术研究，研制开发适合老 168区块的低渗透塑性微膨胀水泥浆体系，制定出一套较完善现场施工工艺技术措施，有效地解决老 168 区块复杂的固井工艺问题，为在老油区复杂区块的完井提供有效的技术支持。本项目的研究内容所涉及的内容推广前景非
5、常广阔，因此开展本项目的研究有着非常深远的意义。2一、课题来源、研究的内容一、课题来源、研究的内容（一）（一） 课题来源课题来源老 168 区块为 2009 年局重点开发区块，位于老河口油田的北部，其南与桩106 块相邻，东部为老 163 块，区域构造位于埕东凸起北部缓坡带上。该地区地层发育比较齐全，自下而上钻遇了前第三系中生界、下第三系沙河街组、东营组及上第三系馆陶组、明化镇组、第四系平原组地层，根据油藏特点制定的开发方案有两个，第一方案 55 口井，其中水平井 14 口，定向井 41 口。第二方案 49 口井，其中水平井 12 口，定向井 37 口。本地区绝大部分井只钻到馆上段，岩性主要为
6、棕红色、浅灰色泥岩与细砂岩、粉砂岩间互层，地层厚度一般在8001000m。实测油层温度为 5762，地温梯度平均为 2.8/100m，属常温系统。老 168 区块方案所设定的井位全部为定向井（水平井） ，井位靶点水平位移离人工岛 2062465m，方案一水平位移 1000m 以内的 18 口，10001500m的 13 口，15002000m 的 12 口，2000m 以上的 12 口，方案二水平位移 1000m以内的 18 口，10001500m 的 13 口，15002000m 的 10 口，2000m 的以上 8口，最大垂位比达 1.70，存在大位移井的固井技术难题。根据老 168 块
7、4 口井的地层水分析化验资料，馆上段地层水总矿化度平均3464mg/L，氯离子平均含量为 1672mg/L，重碳酸根含量平均为 511mg/L，水型为 NaHCO3。( (二二) ) 研究内容研究内容根据胜利石油管理局重点科研项目的要求，以现场施工情况和钻井固井理论为基础，收集国内外大斜度井固井以及低渗透水泥浆体系等相关技术现状的相关资料，学习相关的固井工艺、技术；通过对资料的筛选、分析、总结，提出适合应用于桩西老 168 区块固井技术的研究方案，通过大量的室内研究，并开展现场试验应用，为进一步完善低渗透微膨胀塑性体系以及适应老 168 区块的配套固井工艺措施。3二、课题调研二、课题调研（一）
8、课题调研的意义（一）课题调研的意义油井水泥浆及水泥石的性能与固井作业的质量有着直接的关系，是固井设计、安全施工、保证固井质量的关键指标。为了使固井工作顺利进行，不断提高固井质量，必须要求水泥浆和水泥石具有良好的性能。尤其是随着固井技术的进步，深井、超深井、大位移井、疑难井越来越多，对水泥浆性能要求越来越高。近年来，国外对多种特种水泥的研究运用已相当成熟，防窜、非渗透、微硅水泥，为防气、水窜提供了多种有效途径；膨胀水泥，特别是弹性膨胀材料，为第一、第二界面胶结的改善创造了好的基础；抗腐蚀水泥为保护套管、延长油井寿命起着重要作用。国内在特种水泥浆体系方面也逐步向国际看齐，但因为起步较晚，差距还是明
9、显的。为此我们在基础固井理论及可能适用与老 168 区块的特殊水泥浆体系进行了一些列调研。（二）常规水泥浆的性能缺失：（二）常规水泥浆的性能缺失：1 1、水泥浆体的体积收缩、水泥浆体的体积收缩Sabins 将水泥浆体的体积收缩(HVR)分为两部分：塑性体收缩和硬化体收缩。在养护 120h 后 HVR 超过 5%，其中发生在初凝前的最大塑性收缩量小于0.15%，而硬化体收缩则占 HVR 的 99.85%。HVR 的 90%以上是在水泥浆的强度达到 ASTM 终凝值（0.14MPa）之后。水泥浆体体积的减少主要发生在过渡时间结束以后，即水泥浆体的收缩主要发生在终凝以后。水泥浆体的收缩伴随着水泥石孔
10、隙率的增大，对于水泥石的渗透率（抗腐蚀能力）和抗压强度（胶结性能）均有不良的影响。模拟研究表明，水泥环界面存在 0.01mm 的微间隙就可发生气窜；当微间隙为 0.02mm 时，在 CBL 测井中可能出现较大的振幅；微间隙为0.050.07mm 时，则导致固井质量不合格。上述结果证实了 Drecq 的观点：“水泥浆体的收缩是造成地层流体窜流的核心，如不设法解决浆体的收缩问题，采取再多的工艺措施也是徒劳的” 。2.2. 水泥石的脆性水泥石的脆性水泥石属于有先天微观缺陷的脆性材料，并存在固有的缺陷： 抗拉强度低，在 0.691.38MPa 之间（为抗压强度的 1/71/12） ； 抗破裂性能差，极
11、4限延伸率为 0.02%0.06%； 抗冲击强度低，其断裂功为 2080J/m2（结构钢为 5105 J/m2） ； 弹性模量高（2.56.6GPa） ，泊松比小（0.150.36） 。在射孔作业时，瞬间产生的高温高压聚能射流作用到套管/泥环/岩体/复合体上，可产生高达 41032104MPa 的冲击压力，造成冲击开裂，发生“二次窜流” ，影响后续采油作业。国内外已有部分实践证实：射孔前 CBL/VDL/SBT 测井固井质量为优质，而射孔后 CBL/VDL/SBT 测井质量不合格。吉林油田三井次的CBL/VDL 测井结果也证明了射孔对隔层封固质量的破坏。大庆油田统计了 722口套损井的 990
12、 个套损点，其中在射孔井段附近的套损点占 56.0%，中原油田的 764 口套损井，有 258 口井在射孔段，占 61.4%。（三）水泥石抗冲击韧性机理研究（三）水泥石抗冲击韧性机理研究固井施工中由于某些原因在水泥石中形成许多初始缺陷，在射孔和压裂等作业中产生的冲击载荷作用下，初始缺陷的裂纹尖端处会形成高度的应力集中。依断裂力学理论，随着应力水平的发展，一旦断裂强度因子大于材料的断裂韧性，裂纹将迅速扩展，继而产生宏观的裂纹、裂缝，造成油气层段窜槽，给射孔后开发和改造油层挖掘潜力等增产措施带来极大困难。水泥环的损伤主要有以下三方面的原因：水泥环与套管的弹性和变形能力存在较大差异，当受到由射孔等产
13、生的动态冲击载荷作用时发生扩张引起水泥环径向断裂；高能射孔产生的应力波相互作用、相互叠加，在水泥环中形成拉、压高应变区，由于水泥石材料的抗拉、抗压强度相差很大，造成水泥石的内部断裂；射孔和压裂等作业的冲击作用大于水泥石的破碎吸收能时，水泥环产生破碎。根据断裂力学理论，对于不含裂纹的材料，可以把材料的极限强度作为抵抗断裂的能力；对于象水泥石这样本身含有微裂纹或缺陷的材料，引入断裂韧性这一概念，即在水泥石发生脆断的情况下，确实存在一个临界应力强度因子，它只与材料的属性有关，而与试件的几何形状、尺寸以及外部载荷形式无关。这个l临界强度因子称为水泥石的断裂韧性，它是度量水泥石材料抵抗裂纹扩展能力的参数。要增强水泥石抵抗裂纹发展的能力，就要设法提高水泥石的动态断裂韧性。根据超混合材料原理及断裂力学理论，要改变水泥石的动态力学性能。可以通过在水泥浆中添加适当的外加剂。采
