大庆调整井固井技术研究报告与应用.pdf

个人资料整理仅限学习使用 大庆调整井固井技术研究与应用 杨智光程艳和传键陈晓楼莫继春徐明 称为幂积分函数. 定义为 : 式中 为积分变量 . 1.1.2二次加密调整井的地层压力降压泄压技术 在压力预测的基础上，为保证钻井安全和油井的封固质量，针对一些地层压力较高的地层 和地区，与开发部门协作，实施了钻关、停注泄压技术措施，降低高压层地层压力，减少层间 压差。主要采取以下措施： 1）钻关降压同钻机运行相结合，注水井同时整体降压，实现区块的整体降压，保证地下压 力场的稳定。 2）高压层位注水井提前10-15 天关井 嫩二段底套损后地层压力计算方法 2套损层位为油层非开采层位或萨零组地层压力的计算方法 1.3 三次加密调整井降压泄压技术 通过影响固井质量临界地层孔隙压力系数研究，确定注水井关井井口剩余压力不能超过 3.5MPa；根据降压随时间变化规律确定，基础井网注水井应在待钻井开钻前7-10 天关井降压， 一次加密井网注水井在待钻井开钻前12-14 天关井降压，二次加密注水井在待钻井开钻前15-17 天关井降压； 根据注水井关井距离与压降关系确定: 12 11.2 10.8 9.5 8 . 6 6.1 4.6 2.1.3.水渗流对固井质量影响的实验研究 (1不同渗流流量实验 实验数据见表2-2 。做出了流量与声幅关系曲线见图2-3 。 表 2-2 地层渗透率为350450×10 - 3 m 2 带泥饼渗流实验数据表 工程 序号 流量 (ml/h 声幅值 (% 1 980 34 2 1200 8 3 1600 1517 4 2000 36 5 3200 42 实验 1 渗流流量为980ml/h ，声幅值34% 。在现场取声幅10% 作为优质井。因此在模拟实 验中 , 我们也以10% 作为确定临界流量的标准。从图2-3可知 , 在人造模拟岩心渗透率为350 450×10 -3 m 2、带泥饼的模拟条件下 , 水渗流影响固井质量的临界流量为1300ml/h 。 (2水渗流临界流速计算 在水渗流实验中，水渗流的大小是以渗流流量来衡量的，为了同现场的渗流速度相比较， 在模拟实验中，我们利用示踪剂的办法确定模拟实验中 的过水断面，从而将流量转换成流速。 式 中 :A 过 流 面 积 ,cm 2 ；h 模 拟 岩 心 长 个人资料整理仅限学习使用 度,cm ； 孔隙度； D模拟岩心外径，cm 。 在矿场区块实验中, 利用示踪剂的办法做过注水井注入的水在地层中推进速度实验。注水井 和采油井相距300M,从注水井注入的示踪剂2 个月后从采油井见到示踪剂。注入水在地层中的推 进速度为5m/d。各聚合物驱中心井示踪剂推进速度最小为0. 97m/d，最大的为9. 8 m/d 。水渗 流实验中得出的临界渗流速度为49. 76mm/h即 1.19m/d ，与现场实际是比较吻合的，这为现场控 制小层流体流速提供依据。 2.2 压稳程度预测技术研究 在大庆油田调整井固井中，高压层的固 井质量很难保证，主要是在固井或候凝期不 易压稳高压层，造成水、气窜。因此，压稳 是关系到高压层固井质量的关键因素。 2.2.1水气窜模拟实验装置的结构 水 反映了水泥浆下降规律。初期下降很慢, 中期加快 , 后期减慢。中后期有一个较 明显的分界点K 。 图中曲线 (2 反映了水泥浆胶凝强度发展规律 , 初期发展很慢, 中期加快 , 后期更快。由水 泥浆胶凝强度计算的压力降曲线(3, 对比曲线 (1和(3 可见 , 在 K点以前 , 两条曲线很接近, 反映 在这一阶段 , 水泥浆的压力下降主要由胶凝引起。分析认为, 水泥浆的胶凝强度还不够高, 水泥水 化体积减缩引起的压力降可由水泥浆自由回落而得以部分补充。在K 点以后 , 两条曲线发生偏 离。分析认为, 此时水泥浆已达到了一定的胶凝强度, 水泥浆已停止回落。水泥浆的压力下降由 水化体积减缩造成。 在胶凝强度发展曲线(2上, 有一个K 点与 K点相对应。在K 点以后 , 胶凝强度迅速发展, 近 似呈直线规律变化, 由于胶凝强度迅速增长, 水泥浆抗窜阻力Pf也将迅速增长, 而此时 , 水泥浆压 力 Pc的降落速度已变慢。因此, 可以认为 , 在 K点以后 , 水泥浆抗窜阻力Pf的增长速度将高于水泥 浆压力 Pc的降落速度。也就是说, 如果在 K点不发生水窜, 在 K点以后将不会发生水窜。我们把K 点叫防窜临界点,K 点所对应的时间叫临界时间tk, 所对的胶凝强度叫临界胶凝强度k。 2.2.3压稳系数研究和压稳程度公式的建立 由以上研究知道，在K 点 不 发 生 水 窜 的 条 件 是 :Pck PfkPw。 为 更 趋 于 安 全 , 令 此 时 Pfk=0, 那么不发生水窜的条件是：PckPw或Pck/Pw1。 我们把 Pck与 Pw的比值叫做压稳系数PSF,PSF 大于 1将不发生水窜,PSF值越大 ,压稳程度越高。 为了求得 PSF，首先求水泥浆胶凝强度 发展的临界点K,在K点之前 ,水泥浆胶凝强度 发展曲线可用以e为底的指数函数来表示。在 K点以后 ,可用直线方程来表示。K点可用两 个方程的交点来求得。 值得注意的是，水泥浆胶凝强度的发展, 临界点发生的时间tk,临界胶凝强度 k都与温度 有关 ,A级净浆不同温度下胶凝强度发展曲线 见图 2-6中的 1线。胶凝强度数据见表2- 4。临界值见表2-5。 由图表可见 ,温度越高 ,水泥浆胶凝强度发展越 迅速 ,tk值越短 , k值越低。 表 2-4 不同温度条件下水泥浆胶凝强度实验数据表 时间 温度 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 图 2-5 不同温度胶凝强度发展曲线 个人资料整理仅限学习使用 A 级 水 356 9 21 90 260 440 510 930 453 14 36 44 160 250 630 1010 554 19 27 55 160 460 1090 抗 窜 水 3515 16 22 37 115 337 634 950 4520 25 30 70 210 800 1050 5520 30 45 130 355 1020 大庆油田调整井目的 层温度一般在35 55 之间 ,在此范围内 ,tk, k与温 度近于直线关系,见图 2- 6。因此 ,对任一温度下的t k,k值可用内插法计得。 表 2-5 水泥浆临界数据表 类温度354555 A 级 原 临界方程3.68e 0.0343t =24.5t-2830 2.57e 0.051t =38t-3170 3.105e 0.065t =46.5t-2685 临界时间 tk min 127 90 61 临界胶凝强度k Pa 282 250 183 抗 窜 水 临界方程8.46e 0.068t =28.02t-1032 12.06e 0.073t =35.3t-1056 15.6e 0.072t =31.5t-715 临界时间 tk min 42 34 26 临界胶凝强度k Pa 148 144 102 还要注意 ,目的层水泥浆达到临界点时,在目的层以上至水泥面,因温度较低 ,水泥 浆 胶 凝 强度 值将低于目的层的临界胶凝强度 k。如果水泥面距目的层较远, 应进行修正。比较简便的方法是 用 k值与水泥面胶凝强度A值的平均值计算。压稳系数推导如下: 式中： c、 m、 s、Lc、Lm、Ls分别为水泥浆、泥浆、 隔离液密度和长度；g 重力加速度； D 井径； d 套管外径； k目的层水泥浆临界胶凝强度； A水泥面水泥浆胶凝强度； Pw目的层地层压力； 实验温度 固井后目的层处环空静水压力 应力波的侵彻、反射和相互作用 2 内压的动力响应 3 封固缺陷的影响 2.3.2 水泥石抗冲击韧性评价参数指标的确定 目前所说的材料的力学性能一般是指材料在准静态下测得的结果。而众多的研究和工程实 践表明，材料在动载下的力学性能与静态下的情况相比有显著的差异，对于属于脆性材料的水 泥石来说更是如此。经过大量的调研工作和实验分析，初步确定了评价水泥石抗冲击韧性的三 个代表参数：动态弹性模量、破碎吸收能和动态断裂韧性。 2.3.3实验装置的研制及原理 2.3.3.1 HOPKINSON 水泥石动态力学性能实验装置 霍布金森实验技术是在二十世纪初期发展起来的，现已成为确定材料动态力学性能广泛应 用的一种实验方法。 如一长杆呈弹性状态，则在杆端处的 扰动将以弹性波速c=(E/ 1/2 向杆 的远处传播，式中为材料的弹性模 量，为材料的密度。因此，通过研 究距离杆端一定距离处的效应，就可 以了解杆端处所产生的应力和应变。 霍布金森实验装置示意图如图2-7 所 示。 高压气室使子弹获得所需速度且 与输入杆做对心碰撞，使此杆得到压缩波，即入射波。当入射波行进到右端面时，由于杆 图 2-7 霍布金森实验装示意图 个人资料整理仅限学习使用 与试件的声阻抗不同，形成反射波和透射波。透射波由吸收杆扑获，最后由阻尼器吸收。 由压杆上的应变 片记录下应变波形，经超动态应变仪放大后存于存储器，经过离散、数字化，最后通过计算机 处理，输出应力、应变数据及曲线。 2.3.3.2模拟射孔及验窜实验装置的研制 根据射孔对水泥环损伤的机理分析，与现场完井射孔工艺相结合，利用相似理论和加载条 件设计出了射孔综合模拟实验装置，同时，为了验证射孔对水泥环的损伤给井下水泥环密封性 能带来的影响，研制出固井水泥环验窜装置 结合水泥石力学性能实验和模拟射孔实验可以看出，具有较好抗冲击性能的水泥石应以下 列指标为应达到的最低标准： 图 2-10 水泥石动态应力- 应变曲线 个人资料整理仅限学习使用 动态弹性模量 由示踪剂的显示，绝大多数的水是从弹孔周围的第一界面渗入的。因此，可以肯定出 水只有一小部分是由于水泥石的渗透率造成的，而进入第一界面的水压力致使水泥环破裂。从1 、 2实验可以看出，如果使用粘砂套管，第一界面强度提高，则水泥环的抗窜能力会相应提 高。 (2 第 9实验为未射孔的原浆水泥环的验窜结果，在使用粘砂套管的前提下，7和8 实验的水泥环的抗窜能力已接近射孔前原浆水泥环的抗窜能力。这说明这两种配方的水泥石因 力学性能的改变而承受住了射孔瞬间产生的大变形，水泥石的韧性得到了明显的改善。 个人资料整理仅限学习使用 3 应用技术研究 3.1 高抗窜水泥浆体系的研究应用 3.1.1锁水抗窜剂的研制和作用机理 锁水抗窜剂具有速凝、早强、抗渗、胶凝强度发展迅速、过度期短、补偿“水泥浆失重” 等抗窜特性。 常规性能实验见表3-1 。 表 3-1 净浆和锁水抗窜水泥浆常规性能实验数据 类型密度 g/cm3 流动度 cm 凝结时间 h:min 初始稠度 Bc 稠化时间 min 8 小时抗压强度 MPa A级净浆1.90 23 2:20/0:27 15-20 90 7.2 抗窜水泥1.90 24-25 1:00/0:10 15-30 50-60 16.5 注：凝结时间、抗压强度实验条件为：45，常压；稠化时间实验条件为38， 18.9MPa。 3.1.2高抗窜水泥浆的研究 (1 高抗窜水泥外加剂的组成 高抗窜水泥外加剂在锁水抗窜剂的基础上，添加了加重剂，优化了膨胀剂。 (2 高抗窜水泥浆的防窜原理 固好高压层的基本条件是：固井后，固井液悬浮作用 2冲洗作用 3）压稳作用 3.2.2 室内评价实验 1）稳定性实验 进行了密度在1.00 1.85g/cm 3 范围内的高密度冲洗隔离液的沉降稳定性 8h24h48h72h 净 浆 0. 44 1. 90 24. 0 2: 30/ 0: 30 1130 10- 15 175/ 70 1. 7 3. 2 20. 2 24. 2 29 D R K 0. 44 1. 91 25. 5 1: 12/ 0: 11 45 10- 5 86/ 100 1. 92 6. 95 23. 5 26. 9 29. 5 0. 38 1. 96 23. 0 1: 02/ 0: 09 42 12- 8 75/ 100 1. 92 7. 96 24. 5 28. 0 31. 2 0. 461. 89 27. 0 1: 26/ 0: 11 38 9- 5 93/ 100 1. 72 6. 72 22. 1 25. 7 28. 3 个人资料整理仅限学习使用 从表 3-6 的实验数据和图3-2 的稠化曲线可以看出: 与哈尔滨级净浆相比，DRK水泥浆体 系在满足现场施工的前提下，凝结时间缩短了1 个小时左右，8 小时抗压强度提高了一倍左右， 24 小时抗压强度提高了16% ，具有速凝、早强的特性；API 失水小于100mL,水泥浆保持液态稠 化时间小于30BC ）时间相对较长，稠化曲线接近“直角稠化”，过渡时间短小于10 分钟）， 强度发展迅速，有利于防止和控制水、气窜的发生。 3.3.2 DRK提高水泥环抗冲击能力的室内评价实验 为了验证加入增韧剂和降失水剂等外加剂后的水泥石的动态力学性能是否满足开题指标 要求，又对DRK水泥浆体系进行了水泥石动态力学性能实验和室内模拟射孔及验窜实验。实验 结果见表3-7 、表 3-8。 从表 4-18 中实验数据可以看出：加入DRK后，水泥石的动态力学性能与级净浆相比，动 态断裂韧性提高了339%,动态弹性模量降低了19.8%, 破碎吸收能提高了91.3%。 表 3-7 DRK水泥石动态力学性能实验数据 配方 动态断裂韧性 MPa ·m 1/2 动态弹性模量 GPa 破碎吸收能 J×10 -1 /cm 3 净浆0.087 19.72 13.7 DRK4% 0.382 15.4 26.3 DRK8% 0.385 15.0 27.2 注：实验采用哈尔滨级油井水泥，W/C 0.44 表 3-8 射孔及验窜实验数据 图 3-2 稠化实验曲线 个人资料整理仅限学习使用 序号配方水泥环裂纹描述验窜压力 MPa 1 净浆弹孔对面有几处长约300mm 的裂纹2.0 2 净浆未射孔14.0 石棉无裂纹6.0 4 碳纤维 0.7% 表观无裂纹8.5 5 JDB 12% 表观有微裂纹7.5 6 LDB 10% 表观无裂纹10.0 7 DRK4 表观无裂纹12.5 8 DRK8 表观无裂纹13.0 注：实验采用哈尔滨级油井水泥，W/C 0.44 4 结论 1）在地层压力预测和压力控制技术上取得突破。通过对地层压力与固井质量关系规律研 究，确定影响固井质量的临界地层孔隙压力系数，确定注水井关井井口剩余压力和合理的钻关 措施；完善了小层压力控制技术，建立了小层流体流速预测和控制方法； 2）在固井模拟实验、检测方法上取得突破和创新。自行设计研制了水渗流模拟实验装置、 水气窜模拟实验装置、射孔模拟实验装置、霍布金森实验装置，可模拟地层动态环境，进行固 井质量影响因素的检测分析，发展了固井模拟技术； 3）在压稳理论研究上取得突破和创新。首次提出了具有指导意义的压稳系数概念，建立了 压稳程度的计算公式；得出了抗水窜临近条件，给出了水泥浆的失重规律和胶凝强度发展规 律； 4）在压稳应用技术上得到进一步提高。研制出了高密度抗窜水泥浆和高密度冲洗隔离液， 较好地解决了水泥浆高密度与流变性差和高密度冲洗隔离液悬浮稳定性差的问题； 5）在射孔对水泥环损害机理及对策研究上取得突破和创新。确定了水泥石抗冲击韧性评价 参数，研制开发了DRK抗冲击韧性水泥浆体系； 6）在配套技术的研究与应用上取得突破。根据压稳理论，分区块进行固井设计，制定出了 适用于大庆油田调整井薄差层固井配套技术措施。