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1、中国石油集团钻井工程技术研究院2011年09月 浙江 杭州,提高水泥环完整性与固井技术展望,报告提纲,一、提高水泥环完整性的重要性二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素三、提高水泥环完整性的措施探讨四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,保护生产管柱和封堵相邻的油、气、水层，固井水泥凝固后形成一个纵向上的水力封隔系统，因此必须在整个油气井寿命期间及报废之后都能实现有效的层间封隔,固井的主要目的,一、提高水泥环完整性的重要性,力学稳定性 水泥环完整性不受破坏，抗压强度不衰退体积稳定性 水泥环体积不发生变化，不出现体积收缩或后期过度膨胀应力稳定性 在井下载荷条件下具有较好的交变应力承载能力温度稳定性
2、 在井下温度变化环境中具有较好的温度适应能力腐蚀环境下的稳定性 在井下腐蚀环境具有较强的抗腐蚀能力,关键：水泥环的长期耐久性要满足后期作业及开发生产需求,特定环境条件下的长期耐久性能,一、提高水泥环完整性的重要性,勘探开发目标趋于复杂,复杂深井 复杂天然气井 非常规天然气 酸性油气藏 储气库（枯竭气藏、盐穴）海外复杂油气勘探开发,更容易引起水泥环密封失效，带来严重危害。水泥环密封完整性需要深化机理和材料研究，确保天然气的安全开采,一、提高水泥环完整性的重要性,环空带压和气窜美国墨西哥湾最为典型油气井报废造成严重经济损失修井作业成本高、危险性大、成功率低,水泥环密封失效带来巨大问题,严重影响天然
3、气井生产和安全，缩短天然气井寿命,一、提高水泥环完整性的重要性,在墨西哥湾的OCS地区，大约有15500口井，有6692口井、大约43%的井至少有一层套管带压,墨西哥湾OCS地区气井随着时间增加环空带压的情况,美国矿产管理服务机构统计,有10153个套管环空带压，47.1%属于生产套管带压，26.2%表层套管带压，16.3%的技术套管带压，10.4%的导管带压环空带压与井的生产寿命紧密相关，老井更易带压，一口井15年可测量出来的带压（一层或几层套管带压）可能性大约为50%。环空带压可以存在于任何时期,一、提高水泥环完整性的重要性,川渝地区、塔里木油田、松辽盆地深层天然气环空带压问题突出,克拉2
4、、迪那2等气田已经出现90多口井生产套管起压，2008年，克拉2气田投入生产的14口井中，有12口井生产套管带压川东北气矿38口高含硫气井中有10口井口环空带压 大庆徐深10、901井等5口井也存在井口环空带压现象,1、复杂天然气井易引起环空密封失效,一、提高水泥环完整性的重要性,致密气、页岩气等勘探开发需要对储层进行大型酸化压裂改造常规水泥环封隔质量难以保证需要优化水泥石力学性能,2、非常规天然气密封要求高,国内拥有非常丰富的页岩气资源，主要盆地和地区页岩气资源量约为15万亿30万亿立方米，与美国28.3万亿立方米大致相当,一、提高水泥环完整性的重要性,3、酸性气藏分布广泛,松辽盆地 川渝地
5、区等 海外部分区块,酸性气体对水泥石产生腐蚀，可能破坏水泥环密封完整性,2002年11月对大庆徐深1井2000米处样品进行了检测，结果表明发生了CO2腐蚀，腐蚀深度1个月左右达到3mm,一、提高水泥环完整性的重要性,周期性注采作业水泥环应力变化大对水泥石的力学性能要求更高,4、储气库建设发展迅速,板808/828地下储气库井环空带压测试结果,已建成或部分建成的储气库：大港、华北、刘庄、金坛盐穴储气库在建或准备建的储气库：新疆呼图壁、重庆相国寺、长庆、辽河等,储气库安全运行至少50年,一、提高水泥环完整性的重要性,5、海外油气田日趋复杂,全球发展，天然气、复杂井将越来越多，水泥环密封挑战更多,在
6、阿姆河右岸气田A区、B区前期统计的193口井中，井口带压的井（发生环空气窜）有39口，占总井数的20.2%；生产套管固井候凝时发生气窜有14口，占总井数的7.3%,一、提高水泥环完整性的重要性,报告提纲,一、提高水泥环完整性的重要性二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素三、提高水泥环完整性的措施探讨四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,特定井下条件井眼尺寸套管性能岩石机械性能预计载荷变化井内压力大幅变化试压钻井液比重加大套管射孔酸化压裂天然气产出温度变化地热井生产注入蒸汽高温高压地层载荷滑移断层压实,1、水泥环胶结失效的主要影响因素,影响因素多，作用周期长，井段距离大，窜气通道小,二、水泥环密
7、封失效的原因分析及影响因素,外在因素,水泥石是具有先天缺陷的脆性材料，井下水泥环在射孔弹高能聚流冲击力（4000 MPa）的作用下，会破裂形成宏观裂纹，油气井开发过程中的后续增产措施使这些裂纹进一步扩大，致使水泥环的封隔作用彻底失效通常情况下，水泥浆体积呈现收缩趋势。常规水泥浆体积总收缩率为5%-14%，塑性体收缩率（初凝前）为0.5%-5%，硬化体收缩率（终凝后）为1%-5%，水泥石的收缩使界面产生微间隙，导致发生气水窜,2、常规水泥石存在的不足与缺陷,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,杨氏模量与泊松比示意图,3、水泥硬化后井下温度及压力发生较大变化,压力变化导致水泥环发生开裂,钻井液
8、密度变化导致水泥环收缩使胶结失效,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,微环隙的位置套管与水泥之间出现（内微环隙）水泥与地层之间形成（外微环隙）微环隙产生的原因可能是因井内温度和（或）压力变化使套管发生径向位移而引起，特别是当水泥凝固后井内压力或温度降低时（泥浆比重变化、替入完井液、注入冷水等）水泥环体积收缩也会引起外微环隙出现,3、水泥硬化后井下温度及压力发生较大变化,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,井型：海洋平台水深：91.44m泥浆线温度：4.44井深：5334m井下静止温度：193.3 508mm表层套管：609.6m 339.7mm技术套管：2956.6m 244.5mm技
9、术套管：4572m 177.8mm生产套管：5334m生产套管尺寸：88.9mm采油速度：5000桶/天采气速度：78万方/天,开采一年后水泥环的温度变化情况曲线,开采过程中井眼温度的变化示例,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,3、水泥硬化后井下温度及压力发生较大变化,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,放射状裂隙,变形,分离,二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素,报告提纲,一、提高水泥环完整性的重要性二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素三、提高水泥环完整性的措施探讨四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,油管或套管泄露螺纹连接不好、腐蚀、内管柱热应力破裂或机械破损封隔器漏失顶替效
10、率差井眼条件差前置液设计不合理固井工艺不合适或现场施工过程中出现问题水泥浆设计不合理水泥浆失水量大、稳定性差水泥基质渗透性高、防窜性差体积收缩温度、压力变化等对水泥环损伤水泥石力学性能与地层、套管不匹配水泥环开裂或界面出现微环隙,层间封隔不好或气窜的主要原因,开采时间延长，环空带压的主要原因,三、提高水泥环完整性的措施探讨,造成天然气井环空带压的原因,三、提高水泥环完整性的措施探讨,1、提高顶替效率的措施良好的井眼条件严格通井措施保证套管居中钻井液性能调整合适的隔离液类型及环空高度顶替排量及合适的环空液柱结构合适的施工工艺,顶替效率低,顶替模拟示意图,2、设计满足封固要求的水泥浆体系失水量低（
11、小于50ml）浆体稳定性好（自由液为0mL）过渡时间短抗压强度发展快，并有长期强度稳定性水泥浆防窜性能好水泥石长期体积不收缩应用的外加剂配伍性好，对水泥水化影响小,过渡失水 水泥浆渗透性高,体积收缩 界面胶结差,三、提高水泥环完整性的措施探讨,3、水泥石力学性能能承受井下温度、压力、应化的变化以前抗压强度作为评价水泥浆性能的一项标准现在不能作为是否成为有效层间封隔的指标，还需要其他如杨氏模量、泊松比、抗拉强度、剪切强度、胶结强度进行综合评价根据每口井具体情况，对水泥环在建井、完井、增产和生产作业承受的外载进行分析，然后对套管、水泥、地层进行有限元分析，确定出水泥石的力学性能（如杨氏模量、泊松比
12、等），在生产期间水泥石力学性能能承受应力的变化,三、提高水泥环完整性的措施探讨,更强的柔韧性（更低的杨氏模量）在动态应力变化的环境下保持完整性水泥环在井下环境中体积不收缩,用什么样的水泥浆体系会获得长期良好的封隔,通过什么方法及手段来分析、获取这样的体系？,水泥环变形机理的定量化 基于固体力学结构的二维数学模型 岩石、套管、水泥石力学性能 应力状态分析 具有柔韧性及膨胀性能的水泥浆体系,水泥环出现裂纹,水泥浆体系具有能与地层相适应的弹性，其可压缩性低且不收缩，此外，水泥石结构致密且渗透率低。因此，可能防止由于井内压力增加或温度增加引起水泥环的损坏,三、提高水泥环完整性的措施探讨,采用柔韧性好与
13、地层特性相匹配的水泥浆根据井的具体情况，采用CemSTRESS软件分析并设计水泥浆体系可选用弹性材料和膨胀材料增加水泥弹性，防止微缝隙在变化的井下环境下可以提供长期的层间封隔水泥的弹性可以抵御水泥壳在应力变化下的破裂可防止微缝隙的产生,LifeCem Cement System,ElastiCem Cement System,三、提高水泥环完整性的措施探讨,以CemCRETE为基础优化的固相颗粒分配原理，配合柔韧性颗粒及膨胀剂，杨氏模量可降至1380MPa，最大限度减少微环空的出现，为后期增产工作提供保障，延长油气井的生产寿命,应用于动态应力环境的油、气井 所有的高温高压气井 需要进行压裂增产
14、的井 钻井时泥浆密度变化很大的井 具有潜在微环空的井 施工后，温度和压力有变化的井 需要打水泥塞弃井的井,FlexSTONE柔韧水泥浆,三、提高水泥环完整性的措施探讨,优点能修复微间隙，内水泥环开裂和其他油气窜流通道对水泥环的水力密封性能有自修复作用降低补救和损失油气的成本，延长油气井的开采寿命应用作为领浆和尾浆能应用于生产油、凝析油气、天然气，或油气混合物能应用于打水泥塞和废弃井出现井口带压时提高整个油气井生产期间井口的保护,自密封或自修复水泥,三、提高水泥环完整性的措施探讨,报告提纲,一、提高水泥环完整性的重要性二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素三、提高水泥环完整性的措施探讨四、保证水
15、泥环密封性未来主要发展方向,1、现代固井技术面临形势,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,2、现代固井技术存在问题,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,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，省略后期补救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完全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,核心问题：密封完整性 结构完整性 腐蚀完整性,密封完整性结构完整性腐蚀完整性,基础理论研究,功能性水泥浆体系,配套工艺技术,功能性固井工具,3、未
16、来固井技术发展方向,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,3、未来固井技术发展方向,紧密堆积优化水泥浆设计及技术应用环空带压理论模型建立及技术应用水泥环不收缩及弹塑性改造固井技术的信息化、智能化、集成化、个性化,实现三个完整性的四个主体方向,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,3.1 紧密堆积优化设计水泥浆,对于和水泥密度接近的矿物微粉，其最佳的掺量为1827%,f(z=x/t)=0.7(1-Z)+0.3(1-z)12 松散效应函数g(z=t/x)=(1-z)1.3 墙壁效应函数,（1）一个多相体系由n级颗粒组成，每相颗粒具有一个粒级（2）每相（级）颗粒在其它相（级）颗粒存在时的最大密实度已
17、知（3）不同粒径颗粒间的交互作用通过壁效应和松开效应考虑（4）不同堆积过程的压实程度通过压实指数K来反映,（1）Aim和Goff模型,（2）固体悬浮模型,（3）可压缩堆积（CPM）模型,紧密堆积理论发展历程,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,堆积模型示意图,含水化膜颗粒的紧密堆积,提高单位体积水泥浆中的固相含量有效降低/增加水泥浆密度降低水泥石收缩提高水泥石的强度滚珠效应改善流变性,3.1 紧密堆积优化设计水泥浆,紧密堆积设计水泥浆的优点,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,3.1 紧密堆积优化设计水泥浆,主要攻关内容,多组分固井水泥浆紧密堆积模型研究紧密堆积功能性材料研究超高密度水泥浆
18、体系研究及现场应用超低密度水泥浆体系研究及现场应用,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,固井防窜技术研究主要经历的三个阶段,天然气井窜流模式,3.2环空带压理论模型建立及技术应用,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,3.2环空带压理论模型建立及技术应用,水泥浆胶凝失重数学模型的建立油气井长期生产条件下，水泥环缝隙发展和窜气发展数学模型的建立窜流模拟装置建立与评价方法建立预防及处理环空带压的综合措施及技术方案,关键技术问题：将油气井窜流模型由现有的定性化评价向定量化评价转变,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,3.2环空带压理论模型建立及技术应用,环空带压主要影响因素研究 压力、温度变化对
19、水泥石胶结性能的影响研究 胶凝失重数学模型建立 防窜评价装置设计与评价方法研究 防止环空带压水泥浆体系方案研究 预防及处理环空带压的综合措施 单井防窜的个性化设计,主要攻关内容,三、保证水泥环密封性未来主要发展方向,3.3 水泥环不收缩及弹塑性改造,水泥环损坏情况,微环隙,微裂缝,水泥环的固有力学特性,体积收缩导致层间胶结失效,应力变化导致水泥环发生损伤,水泥环损坏情况,微环隙,微裂缝,微环隙,水泥石的力学性能表现为脆性，对水泥石中添加柔性材料进行改性是提高其力学性能的最有效手段水泥浆体的水化收缩(HVR)是其固有特性。研究结果表明，在养护120小时后，HVR超过5%，其中内部体积收缩则占HV
20、R的99.85%,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,关键技术问题,3.3 水泥环不收缩及弹塑性改造,脆性改造材料技术 防止收缩的材料技术 非水泥基新型材料技术 膨胀、弹性水泥浆评价装置设计与评价方法研究 长期稳定封隔技术,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,LifeCem Cement System,ElastiCem Cement System,柔性外掺料研究开发 膨胀材料研究开发 膨胀弹性水泥配方研究 非水泥基新型材料研究 膨胀弹性评价装置建立与评价方法研究 膨胀弹性水泥石长期封隔性能研究,主要攻关内容,3.3 水泥环不收缩及弹塑性改造,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,固井作业
21、信息化技术发展过程简图,提高固井质量，实现长期密封,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,3.4固井技术的信息化、智能化、集成化、个性化,斯伦贝谢公司固井设计及监测软件CemCADE固井设计软件TDAS油管及套管设计与分析软件WELLCLEAN顶替效率模拟软件CemSTRESS应力分析软件CemACT固井监测软件InterACT数据实时传输软件BJ公司的CEM FACTS PLUS固井设计、固井优化、实时监测与数据采集固井结束后的总结哈里伯顿注水泥设计及模拟系统OptiCem RT反演井下水泥浆的实时位置实时反演环空及薄弱点的ECD,保证安全施工对比设计及施工的泵压，以便其他井进行修正,四、保证水泥环密封性未来主要发展方向,3.4固井技术的信息化、智能化、集成化、个性化,三、保证水泥环密封性未来主要发展方向,以个性化设计为主导，设计固井模拟装置，开发模拟软件，形成包括施工、质量、窜流、漏失、密封等的定量模拟技术开发固井工程参数的实时采集与控制系统，实现固井工程的信息化、智能化建立工程指挥的专家控制平台系统建设大型固井数据库及技术软件平台系统,谢谢！,
