主题发言1—水泥环密封改造与固井技术展望报告(中石油钻井院-齐奉忠)

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一、提高水泥环完整性的重要性
特
力学稳定性
定
水泥环完整性不受破坏，抗压强度不衰退
环
体积稳定性
境
条
水泥环体积不发生变化，不出现体积收缩或后期过度膨胀
件
应力稳定性
下
在井下载荷条件下具有较好的交变应力承载能力
的
长
温度稳定性
期
在井下温度变化环境中具有较好的温度适应能力
耐
久
腐蚀环境下的稳定性
性
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
杨氏模量与泊松比示意图
压力变化导致水泥环发生开裂 钻井液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
3、水泥硬化后井下温度及压力发生较大变化
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）
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井数，口
井数，口
10MPa以内 5
技术套管起压井数
10~20MPa
20~30MPa
4
3
2
1
0
迪那2
吉拉克
英买力
牙哈
30MPa以上
克拉2
生产套管起压井数
10MPa以内 12
10~20MPa
20~30MPa
30MPa以上
10
8
6
4
2
0
迪那2
吉拉克
英买力
牙哈
克拉2
一、提高水泥环完整性的重要性
2、非常规天然气密封要求高
三、提高水泥环完整性的措施探讨
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
顶替效率差
造成天然气井环 空带压的原因
➢ 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
层间封隔不好或气窜的主要原因
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
2、常规水泥石存在的不足与缺陷
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wenku.baidu.com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
10.7
0.00
第 11 页
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%
2008-9-9 2008-12-18
储气库安全运行至少50年
板808/828地下储气库井环空带压测试结果
井号
库 5-1 库 5-2 库 5-3 库 5-4 库 5-5 库 5-6 库 5-7 库 5-8 库 6-1 库 6-2 库 6-3 库 6-4 库 6-5 库 6-6
油压，MPa 油套压，MPa 套管间压力，MPa
乌兹别克鲁克项目部分井后期环空带压情况
井号
173G 171 21B 162 102 18B 1013 1011 17B 1014 1017
采气压力 MPa
10.5 8.5 8.9 6.9 6.9 6.9 11.5 8.5 6.9 11 8.5
油技套压力 MPa
11.5 14.5 10.5 1.0
0 0.7 0.7 0 1.7 0 8.5
4、储气库建设发展迅速
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
周期性注采作业
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
水泥环应力变化大 对水泥石的力学性能要求更高
35
30
25
20
15
10
5
0 2006-7-2 2006-10-10 2007-1-18 2007-4-28 2007-8-6 2007-11-14 2008-2-22 2008-6-1
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
用什么样的水泥浆体系会获得长期良好的封隔
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
➢ 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
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
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
通过什么方法及手段来分析、获取这样的体系？
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
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外在因素
影响因素多，作用周期长， 井段距离大，窜气通道小
二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素
松辽盆地
徐深1
徐
家
徐深6
围
子
徐深8
川渝地区等
升深201
升 平
升深202
海外部分区块
升深203
芳深9-1
宋
芳
芳深10
屯
酸性气体对水泥石产生腐蚀，
芳深701
可能破坏水泥环密封完整性
汪905
安 达
汪深101
达深2
相对密度
0.605 0.5860 0.8109 0.6000 0.6005 0.5867 1.438 0.5753 1.0007 0.6535 0.5903 0.9056
严重影响天然气井生产和安全，缩短天然气井寿命
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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
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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
顶替效率低
顶替模拟示意图
三、提高水泥环完整性的措施探讨
2、设计满足封固要求的水泥浆体系
➢ 失水量低（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
过渡失水 水泥浆渗透性高
➢ 水泥浆防窜性能好
➢ 水泥石长期体积不收缩
体积收缩
➢ 应用的外加剂配伍性好，对水泥水化影响小
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
二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素
开采过程中井眼温度的变化示例
开采一年后水泥环的温度变化情况曲线
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℃ Φ 508mm表层套管：609.6m Φ 339.7mm技术套管：2956.6m Φ 244.5mm技术套管：4572m Φ 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
28.4
8.9
0.00
23.8
20.3
0.00
22.5
5.7
0.00
25.2
25.0
0.01
4.5
14.0
0.00
25.0
13.8
0.00
24.2
8.0
0.058
22.2
3.5
4.97
29.2
7.5
2.19
29.0
7.9
0.00
29.0
9.0
0.045
28.5
8.8
0.00
29.0
9.5
8.19
29.0
在井下腐蚀环境具有较强的抗腐蚀能力
能
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
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
天然气产量发展目标（亿方）
1500
1215
1500
1000 737
提高水泥环完整性与固井技术展望
中国石油集团钻井工程技术研究院 2011年09月 浙江 杭州
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
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一、提高水泥环完整性的重要性
固井的主要目的
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
技套间压力 MPa
0 0 0 0 0 0.8 0 0 0 0 0
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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
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二、水泥环密封失效的原因分析及影响因素
1、水泥环胶结失效的主要影响因素
C3H8
0.38 0.40 0.487 0.136 0.119 0.060
0.289
0.592 0.054
IC4H10
0.1 0.11 0.062 0.015 0.012
0.028 0.022 0.184 0.016
N2
2.03 0.40 1.250 1.392 3.280 3.860 0.569 0.813 0.555 3.047 5.131 2.635
500
0 2010年
2015年
2020年
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
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一、提高水泥环完整性的重要性
水泥环密封失效带来巨大问题
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
CH4
92.26 95.23 72.142 93.746 92.646 94.029 8.939 96.36 53.354 87.353 92.840 62.10
C2H6
2.23 2.27 1.838 1.482 1.465 0.860 0.155 1.981 0.637 1.709 1.048 0.684
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
CO2
2.16 1.23 23.798 3.104 2.413 1.191 90.34 0.346 45.200 6.580 0.910 34.57
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
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一、提高水泥环完整性的重要性
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
1、复杂天然气井易引起环空密封失效
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、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
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
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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
区 块
井号
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
Cement
Rock
Cement
变形
Rock
分离
Casing
Casing
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