固井设备及工艺.ppt

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1、2015年7月17日,固井设备及工艺,固井技术重要性及存在问题套管的类型固井设备及工具常规注水泥工艺流程注水泥工艺技术,1、现代固井技术的特点,独立专业体系多专业交叉多学科支撑系统工程一次性工程隐蔽性工程高投资高风险百年大计,地质,力学,化学,数学,材料,冶金,机械,经济,油气井工程,信息工程,管理工程,多专业,多学科,一、固井技术重要性及存在问题,占勘探开发投资比例,各专业投资比例,某深探井投资比例,在整个建井工程技术投资中，固井投资比例在20-30%。,在整个建井工程中，只有固井工程中的套管和水泥浆留在油气井中。,高投资,一、固井技术重要性及存在问题,高风险：小问题带来大麻烦,井喷灾难性后

2、果（墨西哥湾事故）灌香肠、插旗杆整井报废，单井段报废，经济损失巨大挤毁套管整井报废，单井段报废，经济损失巨大油气水窜单井段报废，降低开发效益环空带压开发隐患，增加作业成本、环境危害超缓凝延长作业时间、增加作业成本返高不够降低封固质量，增加补救作业成本过早套损单井报废，增加作业成本，降低开发效益,一、固井技术重要性及存在问题,固井可能带来的危害,作业水深：1524m离岸距离：77km油 公 司：BP钻井承包商：越洋钻探公司固井服务公司：哈里伯顿,11人死亡，17人受伤，大面积海域受到严重污染,一、固井技术重要性及存在问题,井筒密封性没有建立或失效环空注水泥质量差，未能封隔油气储层，导致油气上窜套

3、管鞋装置失效，未能阻止油气上窜未能及时监测到油气上窜，井控失效负压力测试解读错误，油气井完整性未满足要求，就进行下一步的施工井控监督未及时下达指令紧急停车系统失效，造成油气点燃油气在深水平台上点燃导流至泥浆天然气分离装置时天然气泄漏至钻机平台消防系统未能组织油气点燃紧急封井器未能及时密封紧急封井器未能封住井口,一、固井技术重要性及存在问题,选择充氮水泥的原因窄密度窗口，降低液柱压力可能存在的风险泡沫稳定性差水泥浆体积少（总共62桶）水泥浆易受污染减小风险的措施水泥综合性能检测，选择综合性能好的水泥浆体系精确施工套管居中措施安装6个扶正器未考虑其它套管居中措施,一、固井技术重要性及存在问题,充氮

4、水泥体系复杂，影响因素多水泥浆体积少，易受污染（设计62桶，实际充氮水泥45桶）未加降失水剂、泡沫稳定剂未进行全面的室内实验充氮水泥可能稳定性差，氮气会上窜8”井眼下7”套管，接箍处水泥顶替效率问题以及水泥环薄,环空水泥密封性差,一、固井技术重要性及存在问题,充氮水泥中50的泡沫地面条件下不稳定约18.5的泡沫水泥（井下条件）不稳定哈里伯顿公司的充氮水泥浆的屈服值过低（135时的屈服值为2 1b/100ft2）水泥浆的失水量过大（失水为302mL/30min，标准规定为50mL/30min）,委托独立实验室对固井水泥浆进行了超过500次的实验,水泥浆体系存在的问题,一、固井技术重要性及存在问题

5、,套管鞋内2道密封失效（套管内水泥和浮箍阀）充氮水泥易受污染，氮气从浆体中上窜固井后16小时替海水作业，单流阀承受21.4MPa的上顶力，可能造成单流阀损坏井口封隔器未安装锁止滑套，密封系统出现致命的缺陷。,套管鞋内密封失效，密封装置失效,套管鞋内装置未能封隔油气,一、固井技术重要性及存在问题,固井可能带来的危害,台H6-1井339.7mm表层套管固完井候凝时，北东方向约250米冒气水后目前情况,涩北气田气层埋藏浅，分布井段长（），层数多（54-79），气水界面复杂,浅层气、浅层盐水活跃。台H6-1井、台6-7井，一开钻至800m下入表层套管固井后，候凝过程中套管外地表窜出盐水和水溶气，被迫报

6、废,台6-7井273mm表层套管固完井候凝时，地表窜出盐水和水溶气,一、固井技术重要性及存在问题,2、现代固井技术面临形势,一、固井技术重要性及存在问题,3、现代固井技术存在问题,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，省略后期补就作业。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确保 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。,有办法 无把握,核心问题：密封完整性 结构完整性 腐蚀完整性,一、固井技术重要性及存在问题,固井技术重要性及存在

7、问题套管的类型固井设备及工具常规注水泥工艺流程注水泥工艺技术,16,1、表层套管 主要用途：封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层；安装井口、悬挂和支撑后续各层套管。下深位置：根据钻井的目的层深度和地表状况而定，一般为上百米甚至上千米。水泥返高：返升到地面。,二、套管柱的类型,17,2、生产套管（油层套管）主要用途：用以保护生产层；提供油气生产通道。下深位置：由目的层位置及完井方式而定。水泥返高：一般返至拟封固地层以上200m。若拟封层为高压气层有时也需要返至地面。,二、套管柱的类型,18,3、中间套管（技术套管）主要用途：主要用来封隔不同地层压力层系或易漏、易塌、易卡等井下复杂地层。下深位置：在

8、表层套管和生产套管之间由于技术要求下入的套管，可以是一层、两层或更多层，因此每层的下深都必须依据井身结构设计原则来进行合理设计。水泥返高：一般返至拟封固地层以上50200m。若拟封层为高压气层需要返至地面。,二、套管柱的类型,19,4、尾管（衬管）是在已下入一层技术套管后采用，即在裸眼井段下套管、注水泥，而套管柱不延伸到井口。主要用途：减轻下套管时钻机的负荷和固井后套管头负荷；节省套管和水泥。一般适用于深井和超深井。下深位置：必须依据井身结构设计原则来进行合理设计。水泥返高：返至衬管或者尾管悬挂器处，把尾管悬挂器与上层套管紧密连接在一起。,二、套管柱的类型,固井技术重要性及存在问题套管的类型固

9、井设备及工具常规注水泥工艺流程注水泥工艺技术,1、套管柱下部结构引鞋：引导套管入井，防止套管插入井壁或刮削井壁。套管鞋：引导钻具顺利进入套管，防止钻具的接头、钻头被套官底部挂住。,三、固井设备及工具,旋流短节：使水泥浆旋流上返，以利于提高顶替效率，保证注水泥质量。回压凡尔：下套管过程中减轻套管重量；注水泥过程中防止水泥浆倒流，保证水泥浆上返高度。承托环：控制水泥塞高度。,三、固井设备及工具,浮鞋和浮箍(Float Shoe and Float Collar)浮鞋联接在套管串的最下部，其下部形状与引鞋相似，可以引导套管顺利下入，浮鞋内部有一个单流阀（浮阀），其作用是下套管过程中可增大浮力，减小大

10、钩负荷，同时在顶替完毕后，防止水泥浆反流入套管内。自动灌浆式浮鞋（或浮箍）可实现下套管过程中的自动灌浆，当环空压力与套管内压力达到一定值后，浮阀自动开启以实现自动灌浆。浮箍的作用与浮鞋类似，其主要作用是防止水泥浆反流入套管内并实现碰压。,三、固井设备及工具,扶正器：使套管在井内居中，保证管外水泥环均匀分布。分为弹性扶正器和刚性扶正器。,三、固井设备及工具,三、固井设备及工具,有时还会用到封隔器、水泥伞等,水泥伞,三、固井设备及工具,注水泥设备包括：水泥车、水泥罐车、供液车和压塞车。,水泥罐车,水泥车,供液、压塞综合车,2、注水泥设备,三、固井设备及工具,注水泥工具包括：水泥头、顶胶塞、分级箍。

11、,顶胶塞,(a)单塞水泥头(b)双塞水泥头（c)钻杆水泥头,3、注水泥工具,三、固井设备及工具,分级箍,分级固井技术附件,三、固井设备及工具,固井技术重要性及存在问题套管的类型固井设备及工具常规注水泥工艺流程注水泥工艺技术,1、注水泥管串结构,四、常规注水泥工艺流程,32,2、常规固井注水泥工艺流程,四、常规注水泥工艺流程,装水泥头、循环洗井,放下底胶塞、打隔离液,注水泥浆,压顶胶塞,井筒中替换成洗井液,碰压,四、常规注水泥工艺流程,固井技术重要性及存在问题套管的类型固井设备及工具常规注水泥工艺流程注水泥工艺技术,1、多级注水泥工艺技术2、尾管注水泥工艺技术3、内插管注水泥工艺技术4、水泥浆管

12、外封隔器固井技术5、挤注水泥和打水泥塞,五、注水泥工艺技术,1、多级注水泥工艺技术,利用注水泥分级箍，把水泥浆分成两级（或三级）进行固井的方式称为分级固井。（1）分级固井的应用范围 一次注水泥封固段太长，顶替泵压过高，一般注水泥设备难以满足施工要求。低压易漏失井固井时，由于一次封固段太长，环空压力过高，容易引起固井漏失和污染产层。因一次封固段太长，上下温度太大，水泥浆性能无法保证固井要求。油气分布不均，不连续且中间间隔距离太长时。分级固井是油气层保护和长封固段固井的有效手段之一，分级箍也常与管外封隔器配合使用。,五、注水泥工艺技术,根据分级箍循环孔的打开与关闭方式的不同，分级箍可分为机械式分级

13、箍、液压分级箍和全通径分级箍。,（2）分级箍的类型,利用机械式分级箍由打开滑套、关闭滑套、剪切球、防转动装置和本体等部件组成，另外还包括打开塞、关闭塞。,1）机械式分级箍,五、注水泥工艺技术,把接有分级箍的套管串下入井内后循环洗井；注前置液和水泥进行第一级固井；一级水泥浆注完后，压入一级胶塞。一级胶塞可顺利通过分级箍下行，到达浮箍后实现碰压，完成第一级注水泥；投入打开塞（重力下行），打开塞作于打开滑套上，加压剪断铜制剪切球从而打开分级箍旁通孔，循环冲洗掉分级箍以上多余的水泥浆，循环等待一级水泥浆有一定的胶凝强度；通过分级箍旁通孔进行第二级注水泥作业；二级注水泥完毕后压入关闭塞，关闭塞坐封在关闭

14、塞滑套上，加压剪断剪切球，关闭分级箍通孔并实现碰压；关井侯凝；钻掉分级箍内的关闭塞和打开塞。,五、注水泥工艺技术,2）液压式注水泥分级箍,威德福生产的液压分级箍及带自动膨胀式封隔器的液压分级箍。,其原理是：在一级胶塞碰压后继续加压，形成一个向下的作用力，将下滑套打开从而露出循环孔。分级箍关闭时仍需要关闭塞对循环孔进行关闭。,五、注水泥工艺技术,3）全通径注水泥分级箍（短接）,全通径式注水泥分级箍没有打开塞和关闭塞，而是利用内管柱和专用的工具打开和关闭循环孔，打开方式有上提下放式和旋转式两种，通过上提、下放（或转动）打开循环孔，如图所示。和普通分级箍一样，全通径分级箍接在套管串设计部位，下入套管

15、串后，在套管内下入专用工具，用内管注完一级水泥后，通过专用工具打开循环孔进行第二级追水泥作业，完成后完毕循环孔，起出专用工具。,五、注水泥工艺技术,2、尾管注水泥工艺技术,(1)尾管悬挂器,尾管悬挂器的型号按坐挂方式分为机械式（包括轨道管式和J形槽式）、液压式、液压机械联合式。按锥体机构分为单锥单液缸、双锥单液缸、双锥双液缸。按功能分为常规式、封隔式、旋转式、防腐型。,五、注水泥工艺技术,目前常用的是液压式悬挂器。液压式尾管悬挂器是依靠专门的送入工具，通过井内蹩压来实现尾管座挂，可用于任何井型。其工作原理为：使用配合专用的送入工具，将尾管悬挂器及尾管下入到井内设计深度，投球，当球到达球座后憋压

16、，压力通过悬挂器本体上的传压孔传到液缸内，压力推动活塞上行，剪断液缸剪钉，再推动推杆支撑套，并带动卡瓦上行，卡瓦沿锥面涨开，卡瓦锁紧在锥体和外层套管之间，实现座挂。坐封后继续打压，憋通球座，即可建立正常循环。,五、注水泥工艺技术,（2）尾管固井胶塞,尾管固井采用复合胶塞，如图6-20所示。上胶塞为钻杆胶塞，装在井口水泥头中；下胶塞为尾管胶塞，固定于在送入工具中心管的下部，尾管胶塞是内空的。顶替式，钻杆胶塞下行到尾管胶塞时，插入尾管胶塞内孔进行复合，从而剪断尾管胶塞的固定销钉一起下行，复合胶塞到达球座时实现碰压，复合胶塞与球座锁紧在一起。,五、注水泥工艺技术,(3)尾管固井施工程序,浮鞋+套管+

17、浮箍+套管+球座+套管组合+尾管悬挂器总成+送入钻具+水泥头。,1）投球，开泵以小排量泵送铜球，当球到达球座位置后，泵压开始上升。憋压至1112MPa，稳压二分钟后，缓慢下放。当总悬重下降到等于送入钻具总重量时(此时送入钻具回缩距等于或接近计算值)，即座挂成功。2)下压510t，继续憋压剪断球座(剪断泵压约17MPa)，并循环泥浆。3)停泵后，确保载荷支撑套承压510t，然后正转进行倒扣。累计有效倒扣圈数应不少于20圈。4)上提钻具1.51.8 m，根据悬重判断反扣是否倒开。5)将钻具放回到倒扣前位置，准备注水泥.6)用常规方法注水泥。7)压钻杆小胶塞，替泥浆。当小胶塞到达大胶塞位置前1m左右

18、，应降低排量，注意泵压表的变化。如果观察到了泵压明显上升后又回到正常值，说明大小胶塞已经复合。8)当替浆量剩1.5m3左右时降低排量，碰压。8)放回水，检查浮箍、浮鞋密封情况，卸管汇。9)正转24圈，上提钻具13立根，开泵，循环一周，冲出多余水泥浆。10)起钻，候凝。,五、注水泥工艺技术,3、内插管注水泥工艺技术,在表层套管或大尺寸套管固井时，由于套管直井大、管内浆体流速低、作业时间长，水泥浆和钻井液也间混浆现象严重造成固井质量差、或者是由于对下部附件结构（承托环、浮箍或浮鞋）造成严重冲击。为此，对大尺寸套管经常采用内管固井方式。,(1)内管固井工具 内管注水泥的主要工具是内管注水泥器，包括插

19、座和插头两部分。注水泥内管为钻杆，当插头进入插座后适当加压即可实现接头处的密封，如图所示。,五、注水泥工艺技术,(2)内管固井原理 下套管之前，把内管注水泥插座安装在第一根套管底部，固井时，把内管注水泥插头接在钻杆柱的下端，下放钻柱把注水泥插头插入插座内，利用密封装置实现密封，循环钻井液正常后开始从钻杆内注水泥，水泥浆注完后投入钻杆胶塞、替浆碰压后起出钻杆，完成注水泥作业。,五、注水泥工艺技术,4、水泥浆管外封隔器固井技术,（1）使用条件1）解决复杂井固井质量，例如解决高压气层的气窜（包括调整井高压流体窜动）；2）控制漏失层，防止水泥浆漏失；3）多层的薄油层固井质量；4）增强套管居中效果时使用

20、；5）满足封隔（控制气窜或漏失）并进行有效注水泥时应用。,五、注水泥工艺技术,水力膨胀式管外封隔器是由钻井液等作为膨胀介质，在井下恶劣条件（如高压差、不利环境、轴向载荷、冲刷井眼、管子偏心）下，容易失效。把普通封隔器的胶筒换成耐高温高压并加长胶筒的密封长度，改造阀系。按照设计串接在套管柱上，通过内管并选用优质的水泥浆，在压力作用下，经限压阀进入胶筒腔内，橡胶膨胀变形与井壁紧密接触形成密封，封闭和分隔环形空间。当胶筒腔内压力达到一定值时，限压阀关闭，进液孔堵死，实现永久性关闭。,（2）工作原理,五、注水泥工艺技术,5、挤注水泥和打水泥塞 挤水泥作业是修补固井质量的主要措施。而打水泥塞主要用于回填报废井处理井漏堵填枯竭层等。,五、注水泥工艺技术,谢谢！,