固井新技术介绍
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软地层 软地层 硬地层
套管膨胀
压力增加 纵向拉力
Schlumberger Private
硬地层 (横向压力)
• • • •
强度足够高 有一定的弹性（相对较低的杨氏模量） 不可压缩性 (相对较高的泊松比) 微膨胀性
8
FlexSTONE*韧性膨胀水泥体系
高固相含量的韧性可膨胀水泥浆体系，可抵抗应力变化
美国页岩气作业中已使用超过25次 FlexSTONE 固井
• • • 13 in Marcellus 12 in Permian Basin 1 in Fayetteville
11
案例介绍：韧性膨胀水泥在重庆储气库的应用 SPE:14IPTC-P-353-IPT
第一次测井：候凝50小时，测井介质为1.45SG钻井液 第二次测井：固井后用对套管试压35MPa，311.2mm井眼 段钻进至2201m后（即间隔61天），测井介质为1.40钻 井液
Schlumberger Private
图形1 充分分散的 GASBLOK*乳 胶颗粒
图形2 由接合的GASBLOK* 乳胶粒子形成的不 具备渗透性的膜层
18
气窜的防止
Schlumberger Private
顶替过程
扶正器 – 良好的 居中度
稠化、硬化过程
水泥石硬化之后
X分钟
X
GasMigrationAdvis 防气窜软件分析 or* or*
: 2011年5月 –2013年4月 日期 : 1.50 / 1.69 SG 密度 CBL/USIT 测井 : 胶结质量好 注汽日期 注汽温度 :2011年12月 : 310℃
• •
第一口井已进行超过30轮循环周期。 目前生产没有问题 客户计划继续使用热响应水泥。
27
Schlumberger Private
0%
°C 40 °F 4
FlexSTONE
9
200 392
韧性膨胀水泥的优点
在泵送时:
• 优化的水泥浆粘度及固相含量可以达到有效的泥浆清除 • 流体间界面平坦（层流顶替）
Schlumberger Private
泵送结束后:
• 高固相含量，固液相转换时间短及优秀的失水控制可以防止气窜
固化后:
• 在压裂作业中保持水泥石的完整性，防止微裂缝和微环空的产生 • 低孔隙度及低渗透率，可以更好的抵抗流体的侵入及腐蚀
小时
X天 月 X
X年
浆液的顶替
即 程中的液 顶替过 时气窜柱 压力
防气窜 短期内 添加 剂 气窜
长期气窜……
FUTUR*水泥体系是防止长期气窜的绝佳选择
良好的固井技术和水泥浆设计仍是必不可少的
19
Schlumberger Private
热响应水泥
20
高温蒸汽对油井完整性的挑战
井况: 常温下固井 (5 – 50 ℃) 第一次升温需数小时至数天 长期在高温下运行(至344℃) 经历温度周期变化
Schlumberger Private
T
T
产生高应力
产生较低低应力
ThermaSTONE*热响应水泥
23
Thermally responsive 热响应
解决方案: ThermaSTONE* 热响应水泥
优化颗粒匹配
低温下能凝固 高温强度不衰减 热膨胀系数高 导热系数低（降低蒸汽热损失） 低杨氏模量（汽采条件）
用Losseal W进行堵漏： 通过钻头堵漏成功
4 次 (每次100 bbl):
第一次 第二次 第三次 第四次
465 BPH
Schlumberger Private
225 BPH 35 BPH 0 BPH
Density 密度 lBm/galUS SG Expansion 膨胀率 上限 2%
G级水泥 硅粉 抗高温材料
Schlumberger Private
微膨胀性
Young’s modulus 杨氏模量 低于 MPa 4500 0% Steam Injection Temperature 汽采温度 11.7 1.4 14.2 1.7
Schlumberger Private
自动恢复油气井的完整性
12.0 1.44 16 lbm/gal 1.92 SG 20 68
密度
温度范围
138°C 280°F
甲烷浓度
95%mol
油
16
FUTUR* 在意大利地下储气库的应用
问题描述：
在过去超过40年间, 在使用常规水泥浆体系的井中,持续的套压及气体泄漏是 很常见的. 并且这些井靠近城市中心.
2011-2013固井质量：平均优质率80%以上，合格率90%以上
13
假如水泥环上承受的应力不是我们预期的情况而水 泥环封固失败了,我们该怎么办呢?
我们如何才能克服水泥浆硬化后出现的问题呢?
Schlumberger Private
14
解决办法: FUTUR* 自愈合水泥
一种以水泥灰混灰设计为基础的技术 • 不改变固井的现场施工 • 将自愈合水泥浆置于油气层上部 在水泥硬化后，如果出现油气层层间封隔 问题后自动起作用
Density
ppg 10 SG 1.2
Controlled by PSD blend 18 design 2.2
Schlumberger Private
Young’s modulus
MPa psi Less than… 3000 435,000
Expansion
Up to… 2%
Temperature
10
案例介绍：韧性膨胀水泥在页岩气水平井固井的应 用– 美国Marcellus（SPE:149440）
问题：25%的井在压裂作业后出现井口带压的问题（常规水泥浆体系）
改用韧性膨胀水泥浆体系后：在固井后以及压裂作业（最大工作压力
9000PSI)后没有套பைடு நூலகம்或气体泄漏
Schlumberger Private
低密度
传统水泥
35 30
酸溶性(wt %)
CemCRETE*
传统油井水泥
低密度 传统水泥
25 20 15 10 5 0
低密度
传统水泥
6
6
Schlumberger Private
韧性膨胀水泥浆体系
7
应力变化大的井对水泥石的要求
储气库井/需要进行压裂的井
压力/温度频繁变化 常规水泥石的完整性容易受到破坏 转变！从固井到井的长期完整性 完整性遭到破坏的方式 • 微裂缝产生 被压裂：抗压强度 < 压力 被拉裂：抗拉强度 < 拉力 • 微环空产生 必须保证环空水泥石的完整性 防止水泥环破坏的要求
电测井段m 第一次 第二次 20-1505 21-1546 总长度 m 1485 1525 优 57.1 50.9 中 37 42.8 差 5.9 6.3 合格率 94.1 93.7
Schlumberger Private
对比
-6.2
+5.8
+0.4
-0.4
结论: 用韧性膨胀水泥固井，在试压后固井质量几乎没有变 化；而用常规水泥固井，在试压后固井质量大大降低 2011-2013固井质量：平均优质率80%以上，合格率95%以上
Schlumberger Private
Photo courtesy of EnCana
后果:
套损、井口升高、水泥环失效
停产修井、蒸汽浪费、产量下降 环境污染
挑战: 套管受热、冷却 水泥石应力挑战
水泥石成分、结构变化(内部产生孔隙)
21
高温蒸汽对水泥环完整性的挑战
热稳定性
• 要保持在高低温下的高强度低渗透 性等 • 高温下(>110℃)的强度衰减
精密的软件模 拟
3
Schlumberger Private
成熟完整的水泥浆体系
4
Schlumberger Private
斯伦贝谢固井体系
5
传统油井水泥和CemCRETE*体系性能比较
160 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 60 50 70
12
案例介绍：韧性膨胀水泥在呼图壁储气库的应用 SPE:163974
新疆油田呼图壁储气库：37口井
固井难点：动态环境下井的完整性
Schlumberger Private
解决方案：FlexSTONE*韧性膨胀水泥浆
• 9 5/8”套管尾浆使用FlexSTONE* (盖层) • 7”尾管使用FlexSTONE* (生产层)
双纤维堵漏体系介绍
28
堵漏技术概述
常规堵漏方法
• 固体颗粒填堵 • 凝胶体系 • 水泥塞 • 基于纤维封堵
Schlumberger Private
常规方法缺点
• 依赖经验
• 裂缝大小敏感
• 无法通过钻具 • 可持续性差
29
Losseal* 双纤维堵漏体系
适用领域
• 天然裂缝的堵漏，对裂缝尺寸不敏感
℃ 250
24
350
道达尔实验室验证
Schlumberger Private
G + Silica G级加砂水泥
(SPE 117709)
Light cement 轻质水泥
(SPE 117709)
ThermaSTONE* 热响应水泥
(SPE 137710)
Photos courtesy of Total
Schlumberger Private
套管热应力作用
• 温度和压力的周期性变化 • 要求高温条件下的韧性
热膨胀性
• 要求环空与套管相近的热膨胀性 • 环空填充满水泥无其他流体
22
热膨胀性及其作用
常规水泥 热膨胀系数: 9-10·10-6 degC-1 ThermaSTONE*热响应水泥 热膨胀系数: 13-15·10-6 degC-1
固井新技术介绍
当前固井挑战
页岩气水平井固井 地下储气库固井 高温高压井固井 油基泥浆固井 重油开采井固井 漏失 油气井完整性
– 套管带压
Schlumberger Private
2
一体化的固井解决方案
井筒完整性
Schlumberger Private
成熟完整 的水泥浆 体系 施工的精细化控制 设计、施工、评价的一致性
Losseal* 体系组成
Schlumberger Private
• 基液（隔离液悬浮剂或泥浆） • 双纤维 – 粗纤维, 坚硬 – 细纤维, 柔韧 • 固体颗粒（颗粒剂配）
Losseal* 产品种类
• Losseal W • Losseal Reservoir
30
案例-沙特Aramco
•井况： 井架: Ensco-76 Halliburton assigned (探井, 海井) 井号: 井眼: 深度: 漏失情况: MNIF-92 16寸 3038m 漏失速度(88方/小时 以上)
3口注汽井注汽运行成功
26
巴林后期跟踪
应 用试验
Surface Casing (9 5/8”, @1,580ft) 14.1 lbm/gal
• • •
截至2013年4月已进行45次固井作业 吞吐井运行工况调试 7天注汽然后7天生产
Schlumberger Private
• • •
Production Casing (7”, @1,822ft) 12.5 lbm/gal
25
加拿大 (SAGD) 后期跟踪
加拿大亚伯达 • • 3个客户13次作业 在三个地区钻了注汽井和观察井
Schlumberger Private
• • • •
日期 密度
: 2010年12月 – 2011年12月 : 1.65SG (5 1/2” 尾管)
注汽日期 : 2011年5月 (3 口注汽井) 注汽温度 : 250-300 ℃
17
GASBLOK*防气窜体系
GASBLOK*作用原理
乳胶粒子接合所形成的薄膜把水 化后的水泥粒子结合起来，使得 水泥石不具备渗透性，防止气窜。 GASBLOK*体系是目前世界上最为 防气窜水泥浆体系设计 气侵程度的评价－ Gas Migration Advisor*(GMA) 行之有效的防气窜体系
Schlumberger Private
与油气的接触会激发水泥石的自修复功能 水泥石中的有效物质将膨胀增大，从而
恢复层间封隔
预防并阻止 • 表层套管渗漏 • 环空持续套压 • 意外的，不可控制的油气泄漏
在不中断生产的情况下，恢复油气井 的完整性
15
FUTUR*自愈合水泥产品规格
具有广泛的油气井适用范围
22% 63%
无套压的井 有套压的井
78% 37%
Schlumberger Private
UGS 油田 “A” 方案： 总共: 37 口井 结果：
UGS 油田 “B” 总共: 38 口井
固井采用了自愈合水泥体系以克服水泥封固失败的风险
从2007年2月起完成的36 次FUTUR-G作业中,没有 一例作业后出现套压
渗透率(mD)
140 120 100 80 60
降失水 (mL)
固相含量 (%)
40 20 0
Schlumberger Private
低密度
传统水泥
40 30 20 10
低密度
传统水泥
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
24 小时抗压强度 (psi)
0
40
套管膨胀
压力增加 纵向拉力
Schlumberger Private
硬地层 (横向压力)
• • • •
强度足够高 有一定的弹性（相对较低的杨氏模量） 不可压缩性 (相对较高的泊松比) 微膨胀性
8
FlexSTONE*韧性膨胀水泥体系
高固相含量的韧性可膨胀水泥浆体系，可抵抗应力变化
美国页岩气作业中已使用超过25次 FlexSTONE 固井
• • • 13 in Marcellus 12 in Permian Basin 1 in Fayetteville
11
案例介绍：韧性膨胀水泥在重庆储气库的应用 SPE:14IPTC-P-353-IPT
第一次测井：候凝50小时，测井介质为1.45SG钻井液 第二次测井：固井后用对套管试压35MPa，311.2mm井眼 段钻进至2201m后（即间隔61天），测井介质为1.40钻 井液
Schlumberger Private
图形1 充分分散的 GASBLOK*乳 胶颗粒
图形2 由接合的GASBLOK* 乳胶粒子形成的不 具备渗透性的膜层
18
气窜的防止
Schlumberger Private
顶替过程
扶正器 – 良好的 居中度
稠化、硬化过程
水泥石硬化之后
X分钟
X
GasMigrationAdvis 防气窜软件分析 or* or*
: 2011年5月 –2013年4月 日期 : 1.50 / 1.69 SG 密度 CBL/USIT 测井 : 胶结质量好 注汽日期 注汽温度 :2011年12月 : 310℃
• •
第一口井已进行超过30轮循环周期。 目前生产没有问题 客户计划继续使用热响应水泥。
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Schlumberger Private
0%
°C 40 °F 4
FlexSTONE
9
200 392
韧性膨胀水泥的优点
在泵送时:
• 优化的水泥浆粘度及固相含量可以达到有效的泥浆清除 • 流体间界面平坦（层流顶替）
Schlumberger Private
泵送结束后:
• 高固相含量，固液相转换时间短及优秀的失水控制可以防止气窜
固化后:
• 在压裂作业中保持水泥石的完整性，防止微裂缝和微环空的产生 • 低孔隙度及低渗透率，可以更好的抵抗流体的侵入及腐蚀
小时
X天 月 X
X年
浆液的顶替
即 程中的液 顶替过 时气窜柱 压力
防气窜 短期内 添加 剂 气窜
长期气窜……
FUTUR*水泥体系是防止长期气窜的绝佳选择
良好的固井技术和水泥浆设计仍是必不可少的
19
Schlumberger Private
热响应水泥
20
高温蒸汽对油井完整性的挑战
井况: 常温下固井 (5 – 50 ℃) 第一次升温需数小时至数天 长期在高温下运行(至344℃) 经历温度周期变化
Schlumberger Private
T
T
产生高应力
产生较低低应力
ThermaSTONE*热响应水泥
23
Thermally responsive 热响应
解决方案: ThermaSTONE* 热响应水泥
优化颗粒匹配
低温下能凝固 高温强度不衰减 热膨胀系数高 导热系数低（降低蒸汽热损失） 低杨氏模量（汽采条件）
用Losseal W进行堵漏： 通过钻头堵漏成功
4 次 (每次100 bbl):
第一次 第二次 第三次 第四次
465 BPH
Schlumberger Private
225 BPH 35 BPH 0 BPH
Density 密度 lBm/galUS SG Expansion 膨胀率 上限 2%
G级水泥 硅粉 抗高温材料
Schlumberger Private
微膨胀性
Young’s modulus 杨氏模量 低于 MPa 4500 0% Steam Injection Temperature 汽采温度 11.7 1.4 14.2 1.7
Schlumberger Private
自动恢复油气井的完整性
12.0 1.44 16 lbm/gal 1.92 SG 20 68
密度
温度范围
138°C 280°F
甲烷浓度
95%mol
油
16
FUTUR* 在意大利地下储气库的应用
问题描述：
在过去超过40年间, 在使用常规水泥浆体系的井中,持续的套压及气体泄漏是 很常见的. 并且这些井靠近城市中心.
2011-2013固井质量：平均优质率80%以上，合格率90%以上
13
假如水泥环上承受的应力不是我们预期的情况而水 泥环封固失败了,我们该怎么办呢?
我们如何才能克服水泥浆硬化后出现的问题呢?
Schlumberger Private
14
解决办法: FUTUR* 自愈合水泥
一种以水泥灰混灰设计为基础的技术 • 不改变固井的现场施工 • 将自愈合水泥浆置于油气层上部 在水泥硬化后，如果出现油气层层间封隔 问题后自动起作用
Density
ppg 10 SG 1.2
Controlled by PSD blend 18 design 2.2
Schlumberger Private
Young’s modulus
MPa psi Less than… 3000 435,000
Expansion
Up to… 2%
Temperature
10
案例介绍：韧性膨胀水泥在页岩气水平井固井的应 用– 美国Marcellus（SPE:149440）
问题：25%的井在压裂作业后出现井口带压的问题（常规水泥浆体系）
改用韧性膨胀水泥浆体系后：在固井后以及压裂作业（最大工作压力
9000PSI)后没有套பைடு நூலகம்或气体泄漏
Schlumberger Private
低密度
传统水泥
35 30
酸溶性(wt %)
CemCRETE*
传统油井水泥
低密度 传统水泥
25 20 15 10 5 0
低密度
传统水泥
6
6
Schlumberger Private
韧性膨胀水泥浆体系
7
应力变化大的井对水泥石的要求
储气库井/需要进行压裂的井
压力/温度频繁变化 常规水泥石的完整性容易受到破坏 转变！从固井到井的长期完整性 完整性遭到破坏的方式 • 微裂缝产生 被压裂：抗压强度 < 压力 被拉裂：抗拉强度 < 拉力 • 微环空产生 必须保证环空水泥石的完整性 防止水泥环破坏的要求
电测井段m 第一次 第二次 20-1505 21-1546 总长度 m 1485 1525 优 57.1 50.9 中 37 42.8 差 5.9 6.3 合格率 94.1 93.7
Schlumberger Private
对比
-6.2
+5.8
+0.4
-0.4
结论: 用韧性膨胀水泥固井，在试压后固井质量几乎没有变 化；而用常规水泥固井，在试压后固井质量大大降低 2011-2013固井质量：平均优质率80%以上，合格率95%以上
Schlumberger Private
Photo courtesy of EnCana
后果:
套损、井口升高、水泥环失效
停产修井、蒸汽浪费、产量下降 环境污染
挑战: 套管受热、冷却 水泥石应力挑战
水泥石成分、结构变化(内部产生孔隙)
21
高温蒸汽对水泥环完整性的挑战
热稳定性
• 要保持在高低温下的高强度低渗透 性等 • 高温下(>110℃)的强度衰减
精密的软件模 拟
3
Schlumberger Private
成熟完整的水泥浆体系
4
Schlumberger Private
斯伦贝谢固井体系
5
传统油井水泥和CemCRETE*体系性能比较
160 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 60 50 70
12
案例介绍：韧性膨胀水泥在呼图壁储气库的应用 SPE:163974
新疆油田呼图壁储气库：37口井
固井难点：动态环境下井的完整性
Schlumberger Private
解决方案：FlexSTONE*韧性膨胀水泥浆
• 9 5/8”套管尾浆使用FlexSTONE* (盖层) • 7”尾管使用FlexSTONE* (生产层)
双纤维堵漏体系介绍
28
堵漏技术概述
常规堵漏方法
• 固体颗粒填堵 • 凝胶体系 • 水泥塞 • 基于纤维封堵
Schlumberger Private
常规方法缺点
• 依赖经验
• 裂缝大小敏感
• 无法通过钻具 • 可持续性差
29
Losseal* 双纤维堵漏体系
适用领域
• 天然裂缝的堵漏，对裂缝尺寸不敏感
℃ 250
24
350
道达尔实验室验证
Schlumberger Private
G + Silica G级加砂水泥
(SPE 117709)
Light cement 轻质水泥
(SPE 117709)
ThermaSTONE* 热响应水泥
(SPE 137710)
Photos courtesy of Total
Schlumberger Private
套管热应力作用
• 温度和压力的周期性变化 • 要求高温条件下的韧性
热膨胀性
• 要求环空与套管相近的热膨胀性 • 环空填充满水泥无其他流体
22
热膨胀性及其作用
常规水泥 热膨胀系数: 9-10·10-6 degC-1 ThermaSTONE*热响应水泥 热膨胀系数: 13-15·10-6 degC-1
固井新技术介绍
当前固井挑战
页岩气水平井固井 地下储气库固井 高温高压井固井 油基泥浆固井 重油开采井固井 漏失 油气井完整性
– 套管带压
Schlumberger Private
2
一体化的固井解决方案
井筒完整性
Schlumberger Private
成熟完整 的水泥浆 体系 施工的精细化控制 设计、施工、评价的一致性
Losseal* 体系组成
Schlumberger Private
• 基液（隔离液悬浮剂或泥浆） • 双纤维 – 粗纤维, 坚硬 – 细纤维, 柔韧 • 固体颗粒（颗粒剂配）
Losseal* 产品种类
• Losseal W • Losseal Reservoir
30
案例-沙特Aramco
•井况： 井架: Ensco-76 Halliburton assigned (探井, 海井) 井号: 井眼: 深度: 漏失情况: MNIF-92 16寸 3038m 漏失速度(88方/小时 以上)
3口注汽井注汽运行成功
26
巴林后期跟踪
应 用试验
Surface Casing (9 5/8”, @1,580ft) 14.1 lbm/gal
• • •
截至2013年4月已进行45次固井作业 吞吐井运行工况调试 7天注汽然后7天生产
Schlumberger Private
• • •
Production Casing (7”, @1,822ft) 12.5 lbm/gal
25
加拿大 (SAGD) 后期跟踪
加拿大亚伯达 • • 3个客户13次作业 在三个地区钻了注汽井和观察井
Schlumberger Private
• • • •
日期 密度
: 2010年12月 – 2011年12月 : 1.65SG (5 1/2” 尾管)
注汽日期 : 2011年5月 (3 口注汽井) 注汽温度 : 250-300 ℃
17
GASBLOK*防气窜体系
GASBLOK*作用原理
乳胶粒子接合所形成的薄膜把水 化后的水泥粒子结合起来，使得 水泥石不具备渗透性，防止气窜。 GASBLOK*体系是目前世界上最为 防气窜水泥浆体系设计 气侵程度的评价－ Gas Migration Advisor*(GMA) 行之有效的防气窜体系
Schlumberger Private
与油气的接触会激发水泥石的自修复功能 水泥石中的有效物质将膨胀增大，从而
恢复层间封隔
预防并阻止 • 表层套管渗漏 • 环空持续套压 • 意外的，不可控制的油气泄漏
在不中断生产的情况下，恢复油气井 的完整性
15
FUTUR*自愈合水泥产品规格
具有广泛的油气井适用范围
22% 63%
无套压的井 有套压的井
78% 37%
Schlumberger Private
UGS 油田 “A” 方案： 总共: 37 口井 结果：
UGS 油田 “B” 总共: 38 口井
固井采用了自愈合水泥体系以克服水泥封固失败的风险
从2007年2月起完成的36 次FUTUR-G作业中,没有 一例作业后出现套压
渗透率(mD)
140 120 100 80 60
降失水 (mL)
固相含量 (%)
40 20 0
Schlumberger Private
低密度
传统水泥
40 30 20 10
低密度
传统水泥
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
24 小时抗压强度 (psi)
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