现代固井技术讲座.ppt

zms2006,现代固井技术讲座 Seminar on Modern Cementing Technology,主讲 中国海油 张明深 向塔里木油田的领导和朋友们问好！并祝愿您 天天快乐,年年健康 家庭幸福，万事如意！,zms2006,现代固井技术讲座Seminar on Modern Cementing Technology 张明深(中国海洋石油),主讲人介绍张明深1966年毕业于四川石油学院，分配江汉油田固井队1977年调南海西部石油公司,在职期间任固井公司经理、高级工程师、南海西部石油公司固井总监1984年在英国学习和考察BP钻井和多家技术服务1986年在新加坡哈里波顿(Halliburton)公司培训固井技术1992在美国休斯顿TIW公司培训尾管技术1997年被编入中国地质矿业家列传名人录1997完成莺琼地区高温高压深井钻井技术研究1998年荣获中华人民共和国科学技术委员会颁发的国家科技成果完成者证书 19901999年先后在中国海上油气（工程）发表过多篇文章,zms2006,最近业绩介绍,近年来编写了固井工程师一口井一书和现代固井技术在现场的使用经验多媒体讲座资料。三年来，应上海海洋钻探局、胜利油田黄河固井公司、胜利油田渤海固井公司、胜利油田近海钻井、中原油田、大港油田、大庆油田、江汉油田和四川隆昌等9个油田的邀请，举办过现代固井技术在现场的使用经验技术讲座，受到热烈欢迎，讲座资料和 固井工程师一口井被各油田的领导和工程师们誉为经典的资料，精彩的报告，收到良好的效果。,zms2006,现代固井技术讲座Seminar on Modern Cementing Technology 张明深(中国海洋石油),题目 现代固井技术的理论基础和现场经验,zms2006,现代固井技术诠释,世界刚刚经历百年的固井史，却不断有新的发现和创新，这些发现和创新成了现代固井技术发展的理论基础。现代固井技术就是特指那些技术难度高的和复杂井尤其是高温高压深井固井，高压气层防窜工艺技术，特殊固井，计算机应用，水泥浆设计和检验方法的创新等等。这就是现代固井技术的含义。,zms2006,现代固井技术在现场的应用经验,第一部分 现代固井技术发展的理论基础第二部分 现代固井技术在现场使用经验 第三部分 现代固井技术现场应用的保证,zms2006,第一部分,现代固井技术发展的理论基础,zms2006,第一部分 现代固井技术发展的理论基础,API波特兰水泥在高温下强度衰退理论高密度水泥浆不稳定性理论高温水泥浆体系混合水延迟失效理论稠化时间突变理论气窜发生在固井后水泥浆渗透率研究对气窜机理的圆满解说以盐克盐是大套岩盐层固井的理论依据油井百年大计始于固井，地层保护源于注水泥技术,zms2006,第一、API波特兰水泥在高温下强度衰退,这个理论是在1935年发现的，在高温下强度衰退是API波特兰水泥具有的特性而决定的。1.缘于波特兰水泥的成分 2.衰退的根本原因 3.衰退的主要特征 4.解决的办法,zms2006,1.缘于波特兰水泥的成分,API油井水泥也叫波特兰水泥，它是由石灰石黏土混合后煅烧而成的人造胶凝物。波特兰水泥包括如下四种主要化合物:硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）波特兰水泥的名称是由它的创制人Joseph Aspdin 选用的，因为他认为API水泥石与从英国沿海波特兰(Portland)岛上采得的石料相似，便称为波特兰水泥。,zms2006,波特兰水泥由如下四种熟料组成,1.硅酸三钙-3CaO.SiO2 简写C3S(强度）2.硅酸二钙-2CaO.SiO2 简写C2S（缓凝，稠化时间）3.铝酸三钙-3CaO.Al2O3 简写C3A（早强）4.铁铝酸四钙-4CaO.Al2O3 Fe2O3 简写C4AF,zms2006,波特兰水泥强度衰退,波特兰水泥实质上是硅酸钙材料。通常占材料总量的80%，主要成分是C3S和C2S。这两种化合物的水化物都是硅酸钙(CS)的水化物和氢氧化钙(CH)，即 2 C3S+6H C3S2H3+3CH2 C2S+4H C2S3H3+CH 通常称为“CSH凝胶”（硅酸钙凝胶）在常温 下稳定，在高温下变质，强度下降渗透率增大。这种现象称作“强度衰退”（Strength retrogression)波特兰水泥强度衰退的临界温度是 110（230）,zms2006,2.水泥强度衰退的根本原因,水泥水化后硅酸钙水合物结构发生变化 高温转化 3CaO22SiO23H2O-（-C2SH）-硅酸二钙水合物结构强度降低和对水渗透率增加。（油井水泥对水的渗透率应小于0.1md,但G级水泥在一个月内，其渗透率增加10100倍。）,zms2006,3.强度衰退的主要特征,1.强度降低 Class H cement 290(143)4400psi/24hr.-2600psi/7day2.渗透率增加 Class H cement 320(160)0.031md/3day-4.58md/28day,zms2006,4.水泥强度衰退解决办法,在水泥中加硅粉处理 硅粉在高温下参与化学反应，生成硅酸一钙水化 物，阻止（-C2SH）生成，保持水泥强度。常规密度（1.90g/mL)用200目35%(BWOC)高密度浆(1.90g/mL)用100目35%(BWOC)高温水泥浆设计的新举措 在同一个水泥浆体系中：细目硅粉17.5%（BWOC）粗目硅粉17.5%（BWOC,zms2006,第二、高密度水泥浆不稳定,1）高密度（密度大于1.90g/cm3，需要加进加重材料)的水泥浆不稳定是高温高压深井固井的最大难题2）高密度材料缺乏自身和对其它材料的悬浮作用2）谋求水泥浆悬浮能力的材料与配浆工艺是攻克高温高压深井的关键,zms2006,一种新型材料的发现和配套工艺的产生,关键是谋求有效的材料和工艺1.锰矿粉的发现从此解决了高密度水泥浆 不稳定难题2.科学混拌程序的出现和BP稳定试验的 应用奠定了水泥浆的稳定性,zms2006,第三、高温水泥浆体系混合水延迟失效,1.原因分析 2.基本特征 3.预防方法,zms2006,失效原因分析,1.混合水体系中材料不相容。例如 Halliburton 降失水 剂 Halad-22AL 不能和大容量的高温 缓凝剂相容。高温聚合物才是目前最稳定的材 料，在高温下合成 所以可以用于高温井固井2.木质素磺酸盐在高温下不稳定。如 HR12L、HR13L等十分敏感外还容易分解。,zms2006,失效原因分析,3.使用粘稠材料没有用活性稳定剂或分散剂，或者乳胶材料破乳而失效。4.使用不适用于含盐体系的材料用于含盐体系 而失效。例如Halad344L和Halad413L组成的配方适用于高、中、低温井固井，堪称一个具有创造性的水泥浆体系并有成功的应用经验。（请看下页）由于Halad344L不能用于含盐量大于18%的盐水而使水泥浆体系失效，造成严重的固井问题。,zms2006,延迟胶凝形成的水泥浆体系,配方组成：Halad-413LHalad-344LHR-6L(或者高温缓凝剂）D-Air 2 可以组成一个相当好的防窜水泥浆体系，无自由水、极低的失水量（020），有延迟胶凝特性，可用于低温井和高温井。1997年 首次用于9口探井固井，水泥段长度1200m左右，68小时检查固井质量，全部水泥段从上到下胶结优等。,zms2006,混合水延迟使用对稠化时间的严重影响典型例子,zms2006,基本特征和预防方法,1.延迟超过8hr稠化时间大幅度缩短，使用过夜的混合水固井逃脱不了失败的命运；2.高温固井必须对混合水做延迟试验;3.严格控制混合水配制时间（固井前13hr配好为宜）；4.尽可能使用聚合物缓凝剂材料5.严格分析水泥浆体系中材料的相容性，使水泥浆体系设计有安全性和可行性。,zms2006,新开发的水泥浆体系延迟试验取得理想结果,zms2006,第四、稠化时间突变理论,1.只有在高温条件下稠化时间可能出现突变，突变的规律是 温度升高，稠化时间缩短。其根本原因是“提高温度加快水泥的水化速度”。温度的变化是稠化时间突变的直接原因。2.井底循环温度（BHCT）超过120稠化时间有突变 的可能，可以认为它是稠化时间突变的临界温度。3.从临界温度起井底循环温度每5的变化，稠化时间 将有大幅的变化。因为耐高温水泥对微小的化学变化反应敏感,zms2006,高温水泥浆稠化时间突变典型例子,zms2006,稠化时间突变理论,4.高温水泥浆设计必须引进稠化时间突变 试验。5.不言而喻，准确的井底循环温度（BHCT）的计算是多么的重要。6.此次讲座将讲解四种鲜为人知的 BHCT 计 算模式，它将结束固井工程师设计中的苦 恼。,zms2006,为什么 BHCT 的计算是工程师的苦恼,1）如果BHCT估算不准确将会影响对缓凝剂的 正确选择2）使用API标准，可是旧的API标准受地区影 响，误差过大（020），因此不能使 用3）使用经验计算公式，却不符合井底实际情况4）缺少应有的设备或仪器，不能获得井里准确 的BHCT5）因此它从来就是固井工程 师的难题,zms2006,第五、气窜发生在固井后,水泥水化的结果静压在降低。稠化时间试验是在动态中进行，无明显变化。一旦水泥浆被顶替到位，静压迅速减少，直到变成混合水的静压。经过试验，这段时间大约1hr.在这期间如果不对水泥浆进行适当的处理，天然气将会侵入水泥机体沿水泥界面流动，最后导致井涌或井喷。油田的事实充分证实了这一理论的发现。（The hydrostatic pre.gradient gradually decreases to of the mix water.),zms2006,气窜发生在固井后的启示,1.这就说明气窜发生的时间，如循环中泥浆含气量过高，不合适的冲洗液 等。当然固井期间也有气窜的发生的可能性，那就是环空静压小于地层孔隙压力。2.气窜发生在固井后有急性气窜也有慢性气窜。所有有 关静压降低和水泥 浆性能的变坏导致气窜属于急性气窜；固井 后水泥或套管受到地下水腐蚀或受到岩盐层塑性移动产生剪切作用而导致气体流动，属于慢性气窜，气窜使固井百年大计完全破灭。,zms2006,气窜发生在固井后的启示,3.管外液体密度控制不科学。液柱静压满足不了 压稳地层的需要；4.水泥浆失水量过大，造成水泥结构收缩，上面 的液柱不能与地层孔隙压力建立平衡5.水泥水化，形成胶凝结构，此时的渗透率最高 结构疏松，气体找到窜槽通道，当然良好的水 泥浆设计可以 避免这种现象的发生；,zms2006,气窜发生在固井后的启示,6.不合理的预冲洗液的应用造成对地层的破坏 引发气侵；7.水泥浆是气窜最主要因素。从静压的变化 观点看水泥浆，它既是气窜的主要因素也是防窜的主要工程；从水泥浆的渗透率设计来说它是最有效的 防窜工艺。8.维持固井全过程环空静压对地层的超平衡压 力是防窜工艺的核心,zms2006,气窜发生在固井后的启示,9.根据水化过程静压降低原理，研究水泥浆候凝特点，发现了候凝技术，全面实现固井全过程环空静压对地层的超平衡压力10.研究水泥浆渗透率，开发乳胶产品，实现水泥零渗透率，满足防窜条件。,zms2006,水泥浆失重效率计算模式,1.水泥浆候凝方法计算是固井特殊计算覆盖固井全过程的最后部分2.它根据水泥浆水化过程静压随时间逐步减少的特点，对环空施加回压以补充水泥浆柱减少的静压。3.水泥浆从初凝起开始失重，一般在水泥浆候凝1hr前开始环空加压。4.因此它是固井后环空加压的科学方,zms2006,水泥浆失重效率计算模式,Gp=(Ps-Pw)/60 Gp=(Ws-1)h/6000,Gp-水泥浆失重效率 Ps水泥浆静压力 Pw水柱压力 Ws-水泥浆密度 h-水泥浆柱,zms2006,第六水泥浆渗透性导致气窜是对气窜机理的圆满解释,1.有学者研究发现，气体除了在胶凝之中的水泥浆中渗透之外，还可通过渗透率很高（比如在静液柱压力降低期间测得的渗透率为300md)的胶凝的或凝固水泥的孔隙结构发生气窜。在水泥开始凝固时出现连通孔隙，气窜是由于水泥孔隙不稳定的渗透性造成的。2.不稳定的渗透性导致气窜，这比水泥水化液压降低更难处理，因此水泥浆渗透性导致气窜是对气窜机理最圆满的 解说。请看试验结果。,zms2006,水泥浆渗透率与水泥浆类型,zms2006,气层固井防窜技术,1.防窜工艺的研究以水泥浆结构为重点，固井专家试图用延缓作用在气层上面的压力下降直到水泥充分硬化且不渗透为止。例如用管外封隔器，由于失水和化学受缩使封隔器以下水泥浆体积减少，导致这一段的水泥中过早的发生气窜。此外还用可压缩水泥、膨胀水泥、触变水泥、不渗透水泥。但可压缩水泥（泡沫水泥）在高压下几乎不可压缩；膨胀水泥最终还是造成对水泥的自身破坏；触变水泥滤失量很高而不方便使用，唯有加入乳胶添加剂的不渗透水泥获得成功的应用。,zms2006,气层固井防窜技术,2.乳胶技术在1982年申请专利，现场应用效果广泛的承认。它的发现是以水泥浆结构学说为理论依据的。乳胶的加入提高了水泥的抗拉强度、降低了渗透率、没有自由水。这三点就是水泥浆防窜的基本条件。,zms2006,第七以盐克盐是盐岩层固井的理论基础,盐岩层固井源于“微环隙”固井方法。水泥与套管，水泥与地层之间获得良好固结质量，对于有效的封隔地层来说是很重要的。固结不好会影响采油和注水效果。泥浆顶替不良、造成水泥与地层胶结不好、由于内部压力或热应力导致套管受缩和钻井液或地层流体引起的水泥污染，都可能导致地层间的窜通。在这种情况下在水泥与套管或水泥与地层之间的界面上常常出现较小的间隙叫做“微环隙”。在水泥中加入10%以上至饱和盐水，凝固后的水泥出现膨胀，提高了封固质量。,zms2006,盐层固井的重要概念,1.盐水水泥浆，CaCl210%(BWOW):速凝 CaCl210%(BWOW):缓凝2.盐水水泥浆的滤液可以减轻非膨胀性页岩的 裂解并抑 制水敏性粘土的膨胀和运移；3.但对于水敏性地层，水泥浆的的含盐量应为与地层含 盐量达到平衡的最小值4.被只有10%的盐污染的淡水水泥浆，其稠化时间缩短 30%，水泥浆粘度提高100%,zms2006,盐层固井的重要概念,5.国外经验，含有30%的盐水水泥浆体系 不但具有良好的施工性能，更重要的是 具有适当的稠化时间和抗压强度。6.出现高浓度的CO2 可将硅粉由35%减少为20%（BWOC）.(well cementing Erik B.Nelson)7.提高套管抗外挤强度，克服盐层塑性运 动。8.聚合物外加剂提高盐岩层固井质量（SPE17259）,zms2006,聚合物外加剂提高盐岩层固井质量-推荐的最新产品和配方,能改善水泥浆失水性能，具有特殊的 流变性不会明显增加稠化时间不会损害水泥抗压强度立即能保护塑性地层中的套管柱,zms2006,第八油井百年大计始于固井，油层保护取决于注水泥技术,1.固井的目的和意义2.地下水对水泥和套管的破坏3.添加剂对水泥和油层的腐蚀4.注水泥技术与地层相互适应5.消除井下隐患，保证固井质量,zms2006,1.固井的目的意义,a.固井的目的就是要实现水泥对油、气、水 层及其层与层之间的有效封隔；b.固井作业是一口井整个施工中最重要的 组成部分，没有任何因素比固井质量对 油井产能的影响最大；c.油井百年大计始于固井。,zms2006,2.地下水对水泥和套管的破坏,A.地层硫酸盐水对水泥和套管的破坏B.砂岩层出水对水泥的损坏C.注水泥工艺的缺点对地层或水泥的破坏水泥浆滤液对水泥对地层的损坏,zms2006,A.地层硫酸盐水对水泥和套管的破坏,为什么有些井打完水泥塞后再次开钻，井里返出“蜂窝煤”？如果地层含有硫酸镁或硫酸钠水溶液 水泥受到硫酸盐溶液腐蚀后就变成疏 松的水泥块,有人风趣地说,井里出了”蜂窝煤”蕴藏着对水泥和地层的破坏。,zms2006,地层水怎么腐蚀水泥,硫酸盐溶液中的硫酸根离子夺取石灰中的钙离子生成可溶性的硫酸钙，而硫酸钙再与C3A 反应生成体积比C3A更大的硫代铝酸钙颗粒，引起水泥石膨胀。（化学反应如下）MgSO4+Ca(OH)2-Mg(OH)2+CaSO43CaAl2 O310H2O+CaSO4 2H2 O-3CaAl2 O3 CaSO4 12H2 O（硫代铝酸钙）,zms2006,什么样的水泥不易受腐蚀,a.水泥熟料中铝酸三钙（C3A）含量低的水泥能 抗腐蚀；b.铝酸三钙（C3A）在API 水泥中有三种含量 即 15%、8%和3%；,zms2006,如何调整铝酸三钙（C3A）含量控制抗硫酸盐,15%（O）-C3A 8%（MSR）-3%（HSR）-,普通水泥中抗硫酸盐水泥高抗硫酸盐水泥1.经验数据，地层水硫酸盐含量超过 3000mg/L选用高抗硫酸盐水泥。2.可选用“J”级水泥，但J级水泥不属于波特兰水泥，因为它不含C3A,zms2006,B.砂岩层出水对水泥的损坏,油砂中的水也起有害作用，因为它可使砂岩中的页岩杂质膨胀，从而减少油层渗透率。,zms2006,C.注水泥工艺的缺陷对地层造成的破坏,1.淡水水泥浆不适应与某些泥页岩或膨润土地层固井。因为滤液介质会使地层不稳定、粘土或硅砂运移；2.对含有水敏性地层的含盐层固井使用盐水水泥浆的含盐量应为与地层含盐层达到平衡的最小值，并充分地控制失水。这里的最小值应是30%，不是饱和盐水，因为饱和盐水是37.2%的NaCl(BWOW)，饱和盐水使水泥浆过度缓凝。,zms2006,注水泥工艺的缺陷对地层造成的破坏,3.地层水如果存在硫酸盐溶液，而错误地使用 氯化钙快速水泥，会加速水泥的损坏。因为氯化钙水泥的最终渗透率较高，因此对硫酸盐的抵抗能力降低。4.在水泥浆设计中错误地将不能用于含盐水泥浆中的添加剂用于盐水水泥浆中，造成固井事故，因而不得不采用挤水泥等方法补救固井质量，可能对套管造成损坏，特别是高压挤水泥作业时把套管挤坏。,zms2006,注水泥工艺的缺陷对地层造成的破坏,5.注水泥过程盲目地提高顶替速度会造成严重井漏，影响地层封固质量。例如水泥浆注入套管时，会产生“自由降落”或“U型管效应”，有自动达到平衡的趋势。在出现自由降落时不得随意增大排量，否则会因为流出量过大压裂地层，造成对地层的破坏。,zms2006,3.添加剂对水泥和油层的腐蚀,水泥浆滤液来自水泥和添加剂。水泥浆滤液的PH值很高（1212.5），且有很多钙离子，使粘土矿物不稳定。高PH值的滤液会引起碳酸钙、石灰或硅 酸钙等水化物沉积。溶解于滤液中的钾 离子会形成碳酸钾沉积物。然而都是水泥浆的失水量过大引起的,zms2006,4.注水泥技术与地层相互适应,a.水泥浆体系与井下条件相适应b.水泥浆性能符合地层情况c.施工工艺与地层相适应,zms2006,a.水泥浆体系与井下条件相适应,1.高温高压井用抗高温高密度水泥浆体系。其重点是谋求高密度水泥浆体系的稳定性。2.高压气井固井使用防窜水泥浆体系如乳胶水泥浆体系。以谋求水泥浆无自由水、快速形成抗压强度和水泥石无渗透性的防窜性能3.在循环容易漏失的松软地层和破裂压力梯度很低地层，常常需要低密度水泥浆。通常用飞灰、硅藻土、膨 润土和珍珠岩作填料，但密度不得低于1.5g/cm3。我 们也曾用硅烟作基料研制过1.51.8g/cm3 2000psi/24hr 的低密度水泥浆（现场未用）。,zms2006,水泥浆体系与井下条件相适应,4.井下有大套盐岩层使用盐水水泥浆固井。用聚合物外加剂水泥浆体系固井，既解决盐层大溶性问题又能阻止地层的塑性运动。5.国外专家研究发现，如果高温井里出现高浓度的CO2，硅粉的加入量从35%减少为20%，可提高水泥抗CO2的能力。6.高温高压深井产层有H2S怎么办？H2S的腐蚀对象主要是套管，要选用防硫套管套管和高强度套管。,zms2006,b.水泥浆性能符合地层情况,水泥浆失水是易漏地层的关键 最能影响地层稳定的水泥浆性能应该是水泥浆的失水量，高离子滤液会引起水敏性地层疏松脱落，可以降低产层的渗透率，特别是流经易漏失层，形成厚的泥饼，造成桥堵，压破地层是对地层最大的危害。,zms2006,对漏失地层的认识,漏失层分类疏松或高渗透地层自然裂缝地层诱发的垂直或水平裂缝地层多孔和洞穴地层,zms2006,漏失层的特征,zms2006,从固井过程认识漏失,zms2006,水泥浆失水量设计,1.在油层井段水泥浆失水量不得高于 50mL/30min.2.在渗透性地层之下如果存在气层，桥 堵很可 能引起 气窜，在这种情况下，水泥浆的API失水量应 很低，一般在 2030mL/30min.3.对于高密度水泥浆，流动性能设计很重要，特别是 在低排量情况下，API失水量应当很低，低于 50mL/30min.,zms2006,c.施工工艺与地层相适应,在中国南海海域，井深在15002000m有大段的以伊利石/蒙脱石为主的页岩层，固井质量不好，因为淡水配制的水泥浆不适应它，用盐水水泥浆与伊利石/蒙脱石地层配伍，提高了固井质量。这就说明，含盐水泥浆的滤液可减轻非膨胀性页岩的裂解，并抑制水敏性粘土的膨胀与运移。含盐水泥浆可提高与水敏性地层的固结质量。页岩层要用盐水固井，从百年大计出发。,zms2006,固井质量控制体系要点,主要着眼于关键程序1）固井全过程有严密的现场施工设计；2）水泥浆设计。其中高密度稳定性设计是 它的基础；3）套管作业。下放速度控制是关键；4）循环与顶替作业。控制激动压力；4）水泥浆候凝。是否需要施加回压，压力大小取决于 开始施加回压的时间；5）应急措施。着眼于固井的关键环节可能出现 的问题，按现代固井技术要求，应急措施是固井设计不可缺少的部分.,zms2006,下面内容预告,敬请听讲：第二部分现代固井技术理论综合应用经验,