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1、非常规油气水平井固井技术要求Technical requirements of horizontal well cementing for unconventional oil and gas,二一二年四月,主讲人：刘 伟,Q/SH 0440-2011,提 纲,二、与常规油气标准的联系与区别,三、标准主要内容及确定依据,一、标准制定的目的和意义,四、标准推广建议,固井是指在井眼内按设计要求下入套管柱，并在套管柱与井壁形成的环形空间内注入水泥浆，使之固结在一起的工艺过程。固井工程包括通井处理钻井液、下套管、再循环处理钻井液、注水泥、候凝、测井到装井口交井的全过程。固井是涉及多学科多专业的一个系统
2、工程，核心是如何提高水泥胶结质量，有效封隔油气水层。,一、标准制定的目的和意义,Q/SH 0440-2011,制定标准背景,固井的主要特征：成本高：固井费用约占钻井成本的30-40%时间短：固井作业一般在数小时内完成隐蔽性作业:可控难度大影响因素多:既有客观因素也有主观因素一旦失败，补救难度大，效果差,如何获得好的固井质量？关键在于：1）科学合理的施工设计2）良好的井眼准备3）精心细致的固井准备4）经济合理的费用投入,一、标准制定的目的和意义,Q/SH 0440-2011,制定标准背景,通过本次非常规油气水平井固井技术要求的制定，使非常规油气水平井固井从设计、固井施工准备到固井作业程序、固井作
3、业评价有章可循，规程的制定不仅填补了中石化在该项目上的空白，而且对非常规油气水平井固井施工也有明确的指导作用，还可以帮助解决施工过程中遇到的实际问题，提高固井质量，为下步的储层改造提高良好的井眼条件。,一、标准制定的目的和意义,中石化把非常规油气开发列为公司资源发展战略，并作为十二五打造上游产业的重要举措。实现“东部硬稳定、西部快上产、天然气再翻番、非常规大发展”这一目标。使制定科学、实用、合理的非常规相关标准显得十分必要。,Q/SH 0440-2011,任务来源：非常规油气水平井固井技术要求是根据中石化股份公司下达的2011年中国石化企业标准制修订项目任务书（710012）的通知（中囯石化科
4、【2011】193号项目编号：2011-193）文件的要求，由中国石化石油工程技术研究院承担并起草制订本标准。本标准的制定是由中国石油化工集团公司石油工程管理部提出，由中国石油化工股份有限公司科技开发部归口管理。,一、标准制定的目的和意义,Q/SH 0440-2011,Q/SH 0440-2011,标准的编制过程2011年9月27-10月9日，提出制定标准意见，编写立项书；2011年10月12日-10月24日，确定了标准编写提纲和主要内容；2011年10月24日-11月17日，完善标准征求意见稿，并到八大油田和石油工程技术研究院就标准征求意见稿内容与专家和技术人员进行面对面征求意见，供收集了9
5、0多条意见，并进行修改；2011年11月19日20日，股份公司石油工程管理部、油田勘探开发事业部等相关部门有关专家在北京对该标准进行了审查并提出了修改意见；2011年12月9日，股份公司科技开发部会同石油工程管理部、安全环保局、油田勘探开发事业部等总部相关部门和石油工程技术研究院、胜利石油管理局、中原石油勘探局、河南石油勘探局、江汉石油管理局、西南石油局、勘探南方分公司等相关单位的有关专家在北京对非常规油气水平井固井技术要求中国石化企业标准送审稿进行了审查。并确认后形成标准报批稿。,一、标准制定的目的和意义,结合相关固井行业标准,常规固井作业,特殊固井作业,接近现场实际,编制非常规水平井固井技
6、术要求,经济有效,可操作性,具有一定的先进性,按照标准编写格式,Q/SH 0440-2011,编写原则,一、标准制定的目的和意义,提 纲,二、与常规油气标准的联系与区别,三、标准主要内容及确定依据,一、标准制定的目的和意义,四、标准推广建议,目前非常规油气开采的主要技术手段：水平井+分段压裂,非常规特点,85%采用射孔,采用油基钻井液,大型多级压裂,Q/SH 0440-2011,二、与常规油气标准的联系与区别,非常规固井,具有客观存在性和不可调节性，在一定程度上制约了固井质量的提高,Q/SH 0440-2011,二、与常规油气标准的联系与区别,与常规油气固井工程作业对比的异同点,二、与常规油气
7、标准的联系与区别,二、与常规油气标准的联系与区别,Q/SH 0440-2011,二、与常规油气标准的联系与区别,Q/SH 0440-2011,二、与常规油气标准的联系与区别,Q/SH 0440-2011,提 纲,二、与常规油气标准的联系与区别,三、标准主要内容及确定依据,一、标准制定的目的和意义,四、标准推广建议,影响固井质量客观因素,井眼,复杂的井身轨迹和不规则的井眼条件 套管居中度小环空间隙小 长封固段。,井壁稳定性差，钻井液性能稍有变动将引起井下工况复杂,具有客观存在性和不可调节性，在一定程度上制约了固井质量的提高,地层,压力体系,泥饼,裸眼井段为多压力层系 钻井过程中“上喷下漏”，而且
8、安全密度窗口窄,钻井液造壁性能较差，泥饼质量不良，井眼净化程度低。,影响固井质量主观因素,固井设计,固井设计不合理，固井设计未能根据地质状况、油藏特点和井眼条件进行科学设计，设计不具有针对性,井眼条件差，造成糖葫芦井眼 地层承压能力差，井内压稳与防漏矛盾突出 钻井液循环处理不够，造成水泥浆顶替效率低,具有可控制的特点，通过合理设计及质量控制措施来有效提高固井质量,井眼处理,执行设计不到位,施工设备,现场执行设计不到位，造成现场施工达不到设计要求,固井施工设备不能满足施工设计要求。如：混合能不够，施工设备发生故障。,工具和附件,固井工具和附件质量不过关，引发固井事故。,Q/SH 0440-201
9、1,标准框架,居中、压稳、替净、密封,固井的主要目的 封隔井眼内的油、气和水层保护油气井套管，延长油气井寿命保护油气层，提高油气产量等,三、标准主要内容及确立依据,三、标准主要内容及确立依据,1 范围2 规范性引用文件3 固井设计技术要求 3.1设计依据3.2资料要求3.3固井工艺设计原则3.4套管柱结构设计3.5套管柱附件3.6前置液设计3.7水泥浆设计要求3.8作业量设计要求3.9施工参数设计要求,4 固井施工准备 4.1井眼准备4.2设备准备5 固井施工作业程序5.1下套管5.2作业程序6 作业评价6.1固井质量评价方法6.2套管试压,Q/SH 0440-2011,三、标准主要内容及确立
10、依据,1、范围本标准规定了陆地页岩油（气）和致密砂岩油（气）水平井固井设计、固井施工准备、固井作业程序、固井质量评价等主要内容和技术要求。本标准适用于非常规油气水平井固井施工作业。,释义及依据把影响固井质量的技术因素都做了规定，涵盖了三个主要标准的内容,Q/SH 0440-2011,2、规范性引用文件GB/T 19139 油井水泥浆试验方法 SY/T 5083 尾管悬挂器及尾管回接装置SY/T 5150 分级注水泥器SY/T 5374.1 固井作业规程第1部分：常规固井SY/T 5374.2 固井作业规程SY/T 5412 下套管作业规程SY/T 5467 套管柱试压规范SY/T 5480 固
11、井设计规范（注水泥流变性设计）SY/T 5724 套管柱结构与强度设计SY/T 6268 套管油管选型推荐做法SY/T 6544 油井水泥浆性能要求SY/T 6592 固井质量评价方法,三、标准主要内容及确立依据,GB/T 24368-2009玻璃表面疏水污染物检测 接触角测量法GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准欧盟标准PrEN 196-1ASTM C 109UI,Q/SH 0440-2011,本部分主要阐述了本标准所引用的相关标准,3 固井设计技术要求3.1 设计依据3.2 资料要求 增加了压裂方案,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据固井是为后期作业顺利进行提供保
12、障，因此要本着有利于提高固井质量、有利于满足地质要求、有利于满足后期分段压裂作业的要求这一原则。,3.3 固井工艺设计原则平衡压力-密度选择套管居中-扶正器提高顶替效率-顶替排量安全施工-避免漏、喷、憋压井下事故,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据补充了套管居中-水平井段套管偏心度应小于30%。Schlumberger、Halliburton Company 套管居中度大于70%。,3 固井设计技术要求,Q/SH 0440-2011,三、标准主要内容及确立依据,Q/SH 0440-2011,四口页岩油气水平井扶正器安放,三、标准主要内容及确立依据,Q/SH 0440-2011,3.4管柱结
13、构设计套管串设计原则 套管串上联接的固井工具及附件应有利于固井施工、提高固井质量和满足后期压裂施工要求套管柱强度校核 应考虑大型压裂时附加的应力载荷,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据由于非常规水平井开发多采用大型分段压裂的改造措施，对管串的密封压力要求较高，目的是增强套管的安全性，为后期持续开采提供保障。,Q/SH 0440-2011,3.5 套管柱附件套管柱附件设计基本原则密封能力应不低于压裂施工的套管柱密封性能；通径不小于套管柱的最小通径，满足完井及后期作业的工具附件能顺利通过。,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据由于以往固井设计套管选型、套管的密封压力只参照钻井设计提供的要求，
14、没有考虑后期完井工具、压裂施工压力对套管及附件的压力和内径要求，因此为了满足非常规油气井开发的需要，减少后期作业过程中一些不必要的麻烦，把问题在萌芽中解决，为后期大型作业顺利进行提供条件。,Q/SH 0440-2011,3.5.2 套管扶正器a)在下套管前应根据主要封固段的岩性、井眼条件、钻井液性能和钻井实际情况选择扶正器类型；b)水平段宜使用聚酯、铝合金等轻质材料制造的刚性扶正器；不规则井段宜使用弹性扶正器；c)套管扶正器安放间距和使用数量按SY/T 5724的规定执行；d)引鞋（浮鞋）后的第1根套管上加12只扶正器。,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据明确了各类扶正器的安放井段，目的是
15、更好发挥各类扶正器的扶正作用，确保 套管居中。,Q/SH 0440-2011,3.5.3 浮箍、浮鞋水平段大于1000m时应采用导向型引（浮）鞋,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据规定了在长水平段井中使用导向型引鞋，由于在水平段套管引鞋与其下方的井壁呈一定角度接触，产生的摩擦阻力非常大，如果将引鞋抬离井壁，摩阻将大大减小。套管抬头技术因而产生，目的利于套管下入,Q/SH 0440-2011,导向头带偏心，下套管时如遇台阶，导向头能自动产生偏转。,3.5.4 套管可下入性设计 增加了在钻井设计中进行套管下入摩阻模拟计算,下套管前应进行模拟校核当下入摩阻大于套管有效悬重时，宜采用套管漂浮接箍,
16、应配置套管下入地面加压系统。,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据明确了当套管下入摩阻大于套管有效悬重时宜采用套管漂浮接箍，应配置套管下入地面加压系统，提高套管下入能力,Q/SH 0440-2011,下套管时，将漂浮接箍连接在套管柱上，在套管内构成临时屏障，漂浮接箍以下的套管柱内充满空气，而漂浮接箍以上的套管柱内充满钻井液降低了下套管时的阻力。,经验摩阻系数（油基泥浆，管内0.25，管外0.35）1）常规下入,根据经验系数，下入载荷大于静止载荷的30%，套管才能安全下入,漂浮下入（空气段1000m）,三、标准主要内容及确立依据,Q/SH 0440-2011,采用常规下入,3.5.5 尾管悬挂
17、器及回接筒设计尾管悬挂器及尾管回接装置除应符合SY/T5083的规定外，对于需要压裂的井，尾管悬挂器和回接装置的密封能力应满足后期压裂要求；尾管悬挂器尽量放置在直井段或井斜30的位置。,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据对套管附件包括尾管悬挂器及回接插筒等增加了满足压裂压力要求的规定，为后期大型开发做保障。,Q/SH 0440-2011,3.6 前置液设计防破乳液设计使用油基钻井液时，宜推荐在冲洗液前使用防破乳液。3.6.2 冲洗液性能要求,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据油基钻井液作为一种优良的钻井液体系常用于页岩油气水平井中，并取得了良好的钻井施工效果。但是就固井施工而言，油基钻
18、井液会滞留在界面处并形成油浆和油膜，这将会严重影响水泥环的界面胶结强度，降低水泥环的封固质量，因此在固井注水泥作业前时要注入具有高效润湿翻转冲洗作用的前置液，用于清洗粘附在界面处的油浆、油膜及泥饼，改善环空界面的胶结环境，保证水泥环的封固质量。注入防破乳剂目的是为了防止油基钻井液破乳而产生絮凝，从而引起井下事故。,Q/SH 0440-2011,3.6.3 隔离液性能要求隔离液性能采用具有可加重、悬浮能力和润湿反转作用；在井底循环温度下，控制隔离液剪切应力满足c s m；与钻井、水泥浆密度有一定密度差，与钻井液、水泥浆有良好的相容性；高温条件下的热稳定性高，上下密度差应不大于0.03g/cm3。
19、3.6.4 前置液结构与用量不造成油气水侵和地层坍塌，满足大于10 min紊流冲洗时间；对采用油基钻井液的井，在前置液前推荐打入防破乳液。,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据与钻井、水泥浆密度有一定密度差、剪切应力差，形成一定的通过水利机械作用，起到对油浆和油膜的拖拽作用。有利于清洗油膜紊流接触时间大于10min，目的提高冲洗油膜效果。(哈利伯顿在彭页HF1井试验）,Q/SH 0440-2011,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据 页岩气多级压裂对水泥环柔韧性要求较高，通常的水泥石本身是脆性材料，在冲击载荷作用下，水泥石的抗拉强度和断裂韧性将进一步降低。因此在考虑页岩气井水泥环抗冲击能
20、力，分析射孔对水泥环损伤的原因时,提高水泥石弹性、韧性即提高水泥石动态力学性能对提高固井质量显得极其重要。因此需采用能满足后期压裂要求的水泥浆体系，从而提高水泥环在复杂工况条件下的形变能力，增加水泥石抗冲击破坏的能力。,3.7 水泥浆设计要求3.7.1水泥浆体系选择宜采用既能满足固井质量要求，还要满足后期压裂要求的水泥浆体系,Q/SH 0440-2011,通过对目前已收集页岩气井岩石力学参数、压裂施工参数、套管参数及水泥石力学参数，开展数值模拟分析，弹性模量越低，水泥环内壁受力越小，在压裂过程中水泥石压应力越低，有利于保护水泥环自身的完整性。,3.7 水泥浆设计要求水泥浆性能要求 水泥浆试验条
21、件稠化时间的试验温度其他确定方法；对于使用油基钻井液、水垂比1.5的水平井或水平段长1200m的水平井，稠化时间的实验温度推荐采用井底静止温度。,四、标准主要内容及确立依据,释义及依据对于使用油基钻井液、长水平段井，井底循环温度推荐采用静止温度”，这一要求是基于油基钻井液具有一定保温性，且鉴于多口水平井现场收集的资料，以及建页HF1井实测井温情况，同时也借鉴了国外BP 等公司的经验做法，因此明确这一要求，防止固井事故发生。,Q/SH 0440-2011,3.8 作业量设计要求3.8.1 水泥浆量水泥浆量按SY/T 5480-2007的规定进行设计，对于下钻遇阻多次通井的井（页岩油气井），水泥浆
22、量宜在设计计算的环空容积量上再适当附加。3.8.2 顶替液设计要求应按固井设计要求的性能、在保证管内外压差和井下施工安全情况下，宜提高水平段环空与套管内流体的密度差，增大套管浮力。,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据这一规定是基于大量现场施工经验和教训而提出的。在顶替液密度设计中，为了增大套管的浮力，确保居中度，提高顶替效率，要求尽量提高水平段环空与套管内流体的密度差，这一做法目前已在许多油田水平井固井中应用，但并没在以往的标准中体现。,Q/SH 0440-2011,3.9 施工参数设计要求施工压力施工排量水泥浆流态宜按紊流设计，环空返速推荐不大于钻进时的最高返速当前置液出套管鞋时应确保注
23、水泥排量，使环空达到紊流顶替。,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据源于重替浆、轻注水泥排量的思维，确保冲洗液、隔离液紊流顶替，连续性,Q/SH 0440-2011,提高水泥浆顶替效率的关键（国外经验）,Mud properties-Use HPHT Rheology for Erodibility not Fann 35Thin,stable mud,low non-progressive gels required.Centralization-more than 80%Flow rates-maximise-watch ECDFracture gradient,pore pressur
24、ePipe movement-rotate if possible.Hole size knowledge important.Spacer design/volumes-at least 10 min contactSpacer ErodibilityShutdown PeriodCirculatable Hole,三、标准主要内容及确立依据,Q/SH 0440-2011,4 固井施工准备要求4.2 井眼准备井身质量 井身质量应满足Q/SH0439-2011的要求(全角变化率不应大于完井管柱的全角变化率限定值)4.2.2 漏失井 对固井过程中可能漏失的井应先堵漏，承压合格后方可以下套管,三、
25、标准主要内容及确立依据,释义及依据来源新的钻井井身质量标准影响非常规固井质量的一重大因素就是井眼质量，井眼质量的好坏决定了套管下入的难易。,Q/SH 0440-2011,4.2.3 通井划眼要求 对不规则井段(井径小于钻头直径井段、起下钻遇阻、遇卡井段、井斜变化率或全角变化率超过设计规定井段）或油气显示井段认真划眼通井，选用一到两趟满眼钻具组合通井，使通井管柱刚度不低于套管串的刚度并通井至井底,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据借鉴中石化各油田通井的成功做法及经验。明确了通井钻井组合-目的确保后期套管顺利下入水平井的造斜井段，对套管柱造成一定弯曲应力，增大了套管下入摩阻，为了确保套管能顺利
26、下入井内，最后一趟通井管柱刚度不低于套管串的刚度。,Q/SH 0440-2011,三、标准主要内容及确立依据,Q/SH 0440-2011,水垂比达到2.06，垂深621.31m,水平段长1022.28m最大造斜段狗腿度达35/100m,模拟通井3次5趟，最大摩阻180KN。,下套管时间48小时/27小时,井身结构、井眼轨迹,泌页HF1井5小时,4.2.4 套管下入井眼准备对于斜井段和水平段宜短起下并分段循环处理钻井液，充分冲洗岩屑，清除岩屑床；应用钻井时最大排量洗井，上返速度不大于钻进时的最高返速，同时应活动钻具防粘卡；提高钻井液的携岩能力。4.2.5 注水泥浆前井眼准备注水泥前调整泥浆性能
27、，低粘、低切。注水泥前充分循环钻井液，钻井液循环2周以上,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据下套管后-提高钻井液的携岩能力，固井前-低粘、低切提高顶替效率。确保90%的钻井液循环出井眼-借鉴Schlumberger Company。,Q/SH 0440-2011,5 固井作业程序要求5.1下套管 水平井下套管作业应按SY/T 54122005的规定执行5.2 固井作业程序技术要求尾管回接固井要求对于采用油基钻井液的井，在进行套管回接时，需采用具有润湿反转特性的冲洗液,三、标准主要内容及确立依据,Q/SH 0440-2011,释义及依据目的是为了彻底清除套管内壁的油基钻井液，提高回接套管固井
28、胶结质量。,6 作业评价6.1固井质量评价 固井质量的评价方法按SY/T 65922004中的规定执行6.2套管试压 套管柱试压评价方法按SY/T 54672007的规定执行。,三、标准主要内容及确立依据,释义及依据与常规油气井固井一致，没有合适标准参照（满足测试和压裂要求）,Q/SH 0440-2011,提 纲,二、与常规油气标准的联系与区别,三、标准主要内容及确定依据,一、标准制定的目的和意义,四、标准推广建议,Q/SH 0440-2011,四、标准推广建议,进行标准宣贯培训,认真贯彻执行,适时修订,从征求意见开始，已经在灌输本标准的理念，从征询各油田专家的反馈意见来看，各方面对制订本标准持肯定态度，接受本标准的的基本条件已经存在。在征求意见的过程中，许多油田、分公司组织专家进行集体讨论。另外，在标准编写修改过程中，中石化工程院固井完井所在泌页HF1井、涪页HF1井固井施工过程中尝试采用标准中的条款，为贯彻标准打下了良好的基础。,由于水平有限编写仓促，在标准的编写过程中还存在许多不完善或欠合理之处，敬请各位在使用过程中及时给予指导和帮助，便于标准修订时不断改正，我们将虚心接受，目的就是能使标准更符合实际，更有指导和规范意义，达到经济性、适用性的目的。联系方式：中石化工程技术研究院固井完井所 中石化胜利钻井院完井所 刘 伟 魏绪伟 手机：手机：电话：,谢谢大家!,
