宁东油田固井技术分析与研究

摘要: 针对宁东油田的地质特点及固井中存在的漏失、气窜等技术难点,进行了漏失和气窜的机理研究,找到了影响固井质量的主要因素;同时结合主要的固井工艺展开分析研究,从理论上完善了宁东油田固井工艺技术措施,为现场的应用与推广奠定了理论基础。

Abstract: For the geologic feature and the leakage, gas breakthrough and other technical difficulties ofcementing, we developed the research in mechanism of the leakage, gas breakthrough, found the main factors which effecting the quality ofcementing; at the same time, we improve the technology and measures ofcementing in Nindong oil field and laid a theoretical foundation for the promotion and application for the site, throughout combined with the cementing process to analyze the major study theoretically.

关键词: 宁东油田;漏失;气窜;固井工艺

Key words: Nindong oil field;leakage;gas breakthrough;the technology of cementing

中图分类号:TE3文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)25-0239-02

0引言

宁东油田位于鄂尔多斯盆地西缘复杂冲断带马家滩断褶带和天环凹陷连接处,属于低压、低渗透油田,其主要开发特点:①滚动开发,即先打探井,后打开发井,边打边研究布井方案。②油层特点是低渗透油藏,油层存在油水同层和油层底水现象,部分井原油伴生气严重。③地层存在裂缝,钻井过程中漏失严重,经过堵漏后,部分井在固井前仍存在渗漏现象。固井封长和质量受漏失的影响比较严重。这些都给固井工作带来了较多的困难。

1固井主要技术难点

地层、地质结构复杂,断层较多,易发生漏失;

部分井含有原油伴生气,水泥浆在候凝过程中易发生气窜;

地层岩性不稳定,井眼条件差,受钻井液冲蚀严重,部分为丛式斜井,井眼不规则,套管居中度差,顶替效率低;

一次固井作业水泥浆封固段较长 ,施工压力高,不宜达到紊流顶替排量;

油层段多,埋藏深度深,主力油层分布在700多米长井段,受温度和压力的影响大,同一种水泥浆很难满足各层的封固要求。

2固井主要工艺研究

2.1 防漏工艺技术

2.1.1 降低井底静液柱压力宁东油田地质、地层结构复杂,断层较多,在钻井过程中漏失情况较多,通过实践分析对比,对现场施工情况及设计进行反推,确定此区块最大承压能力当量密度为1.45 g/cm3,工程设计中水泥浆返高要求达到封固住洛河水层以上。因此,降低井底静液柱压力只能降低水泥浆比重着手,通过大量室内试验和现场实践确定尾浆采用比重为1.75的水泥浆能够保证封固的质量和水泥石强度。

2.1.2 降低环空流体摩阻通过对固井替浆过程的分析,在尾浆出套管前,环空静液柱压力由泥浆、隔离液和低密度水泥浆静液压力组成,远远低于破裂压力,此前尽可能采用大排量替浆,保证隔离液通过目的层时达到紊流,提高冲刷井壁上的虚泥皮的效果;而在尾浆出套管时降低排量,根据尾浆稠化时间尽可能降低替浆排量(5-10l/s),以此降低环空流动摩阻,同时尾浆出套管后以塞流的流型顶替到位。

通过调整水泥浆的流变性降低水泥浆的流动阻力。

2.2 环空窜流及控制技术油气井注水泥后,环空窜流在两种情况下可能产生。①由于地层环空液柱压力与地层压力不平衡关系的变化,使地层中的流体进入环形空间,产生纵向流动而发生环空窜流;②由于顶替效率低,环空中存有泥浆带而产生流体通道,从而发生环空窜流。地层中最活跃的是气体,气体的粘度比地层水的粘度低80-100倍,发生窜流的可能性最大,宁东油田就属这类情况。

2.3 固井顶替效率有效的驱替泥浆,提高注水泥的顶替效率是防止钻井液窜槽,保证水泥胶结质量和水泥封固效果的前提。顶替效率是固井施工过程中较难控制的因素,通过国内外研究发现影响注水泥顶替效率因素主要有如下六种因素:套管在井内的居中度;液体在环空间的流动状态;紊流时液体流过;隔层位所接触的时间;钻井液的触变性;钻井液与水泥浆的流变性能;水泥浆与钻井液的密度差。

2.3.1 套管在井内的居中度套管偏心引起环形空间间隙的不对称变化,液体的流速,流量,及流态在不同间隙中将发生变化,从而影响顶替质量,宽间隙范围内的水泥浆达到了紊流,而窄间隙范围内的水泥浆却有可能做层流流动,液体流动的不均匀性,给注水泥作业带来以下问题:

在现场,一般用扶正器来减少套管的偏心程度,提高顶替效率。如果扶正器失效和加放位置不当,都不能保证套管居中。斜井中套管在自重作用下贴在下井壁形成许多切点,在切点处易滞留泥浆。如何保证套管居中,从两个方面考虑。

首先是扶正器的强度,扶位力要大于套管侧压力。其次扶正器的加放位置要正确有效,这两点对套管居中相当重要。现场上一般在油层段每3根套管加放一只扶正器,油层段上部每10根加一只,井口加2只刚性扶正器,保证套管居中。

2.3.2 液体在环空间的流动状态液体的紊流状态和均匀的流速剖面,能保证水泥浆均匀顶替钻井液的效果。水泥浆的紊流程度越高,这种作用越明显。

2.3.3 紊流时液体流过封隔层位所接触的时间紊流时液体流过封隔层位所接触的时间越长,对封隔层井壁和套管外壁冲刷效果越好,顶替效率就越高。

2.3.4 钻井液的阻力和水泥浆的动力是决定两相液体顶替效果的基本因素阻力:钻井液的流动性能,环形空间的几何尺寸,特征以及近壁层的厚度。近壁层厚度愈大,滞留在边壁的钻井液会多,钻井液的窜槽愈严重。动力:水泥浆与钻井液流动的压力梯度,水泥浆与钻井液交界面上速度差引起的牵引力以及密度差引起的浮力。

增大水泥浆动力,减少钻井液阻力,是保证两相液体流动的基本措施,而实现两相液体界面的均匀顶替则是提高水泥浆顶替效率所要解决的主要问题。

2.3.5 钻井液与水泥浆的流变性只有流动才能产生直接作用于井壁并清除胶凝泥浆,从力学的角度来看,要清除附着在井壁上的胶凝泥浆,必须要有一定的力,这个力主要是水泥浆的剪应力,即水泥浆顶替过程中的动力。所以水泥浆的剪应力要大于钻井液的胶凝强度,才能有效清除胶凝泥浆,降低泥浆粘切对于提高顶替效率非常重要;当水泥浆的剪应力与泥浆胶凝强度接近时,接触时间对清除泥饼至关重要;用前置液稀释泥浆,对提高顶替效率非常有益。

根据宁东油田的实际情况,在井下条件确定的情况下,影响顶替效率的决定性因素是钻井液与水泥浆的流变性能,水泥浆有效驱替钻井液的根本在于其在流动过程中产生的剪切应力的大小。从流动计算的相关公式可以知道,液体在紊流时产生的剪切应力最大,但同样大小的剪切应力也可以通过增加流体的塑性粘度和屈服值获得。而从现场固井的实际出发,紊流顶替技术的应用是有一定的局限性,只有从提高水泥浆的塑性粘度及屈服值来达到更好的顶替效率。

2.4 固井水泥浆流变性的设计在宁东油田的实际施工中,达到紊流顶替的可能性较小。①由于固井要求封固段长,在现场施工过程中压力大,紊流顶替容易引起压力激荡,固井过程中易发生井漏、蹩泵,造成固井施工的失败,所以,现场顶替速率低,达不到水泥浆紊流所要求的临界速度;②注水泥设备满足不了快速注水泥的要求;综合上述两方面的原因,在室内设计水泥浆的流变性时,是基于水泥浆在固井中以层流顶替为主。对现场所使用的钻井液体系进行定性分析,主要是测定了塑性粘度及屈服值。数据见表1。

从现场钻井液取样分析可以看出,现场所使用的钻井液体系其屈服值基本在5-9Pa之间,塑性粘度在10-18之间。所以依据钻井液性能及现场固井设备情况,设计固井水泥浆体系顶替以层流顶替为主。固井用水泥浆塑性粘度一般设计为140―200cp,屈服值一般设计为12―30Pa,其水泥浆体系在室内配制出来的初始稠度应达到15―20Bc。

宁东油田常规井井身结构(见表2):

根据宁东油田井深及井身结构,对水泥浆体系进行了现场施工摩擦阻力及壁面剪切应力计算,表3为几口井的计算结果:

从上述数据中,壁面剪切应力远大于钻井液屈服值,虽然难以确定实际的钻井液胶凝强度,但可以初步判断,在固井前充分循环钻井液以及采用相应的技术措施,钻井液胶凝强度应介于屈服值和壁面剪切应力之间。所以,在顶替过程中,水泥浆进行层流顶替,完全可以清除泥浆。

2.5 目的层段水泥浆体系针对宁东油田固井的具体情况和特殊要求,优选了能够控制水泥浆稠化时间、过渡时间、滤失量、稳定性、流变性、胶结强度、防窜能力等性能的多功能复合GSJ+GCA防窜低失水水泥浆体系。

添加剂对水泥浆性能控制能力受其加量、试验条件、水泥品牌、配浆水质等因素影响。通过调研,采用GSJ+GCA固井水泥添加剂进行细致的室内化验和多次现场应用基本克服了水泥品种、配浆水质的影响,并且在加量在一定范围内水泥浆体系的稠化时间、抗压强度、流变性对试验条件的影响并不敏感,保证了其实用性和现场的适应能力,便于现场操作和应用。

3结论

①合理的施工参数及技术措施,是固井质量的保证,固井质量的好坏,是技术措施、施工质量以及水泥浆配方的综合表现,应首先保证施工质量,才能保证固井质量。②采用有效的防漏措施是保证宁东油田固井质量的基础。③通过防窜机理研究,对提高宁东油田的固井质量起到了指导性的作用。

参考文献:

[1]董杰等.提高高压油气固井质量的技术探讨.技术交流材料.

[2]刘崇健等.油气井注水泥理论与应用.石油工业出版社.