CN103362473A

CN103362473A - 一种分级变密度固井工艺

Info

Publication number: CN103362473A
Application number: CN2012104080025A
Authority: CN
Inventors: 钱红彬; 陈兵; 章东海; 陈广超; 陈元虎
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Jiangsu Oilfield Co
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Jiangsu Oilfield Co
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2013-10-23

Abstract

一种分级变密度固井工艺，涉及油井开采技术领域。采用高密度的水泥浆封固油层及油层以下井眼与套管之间的环形空间；采用低密度水泥浆封固油层以上井眼与套管之间的环形空间。本发明水泥浆的用量较少，对循环附加当量密度的增加与全井段低密度固井相比，增加的很小，所以不会对地层的造成格外的伤害；能有效降低循环附加当量密度，防止压漏地层。

Description

一种分级变密度固井工艺

技术领域

本发明涉及油井开采技术领域。

背景技术

侧钻作为开采老区剩余油、提高老区采收率的一种高效、经济的手段；越来越受到各大油田的高度重视，并作为一种主要的增采手段。在江苏油田每年的侧钻量在40口以上，年增产在4万吨以上，而在全国各大油田的年侧钻量在几千口井，随着油田开发的不断深入，侧钻井裸眼的长度也在不断的增加，侧钻裸眼长度从最初的100多米增加到现在的600米左右，有的井甚至达到1000米以上，而侧钻井固井质量一直是影响侧钻井使用寿命的主要原因，据统计现在侧钻井的平均寿命在3年左右，如何提高侧钻井的固井质量，延长侧钻井的使用寿命，各大油田也在不断的探索，主要的方法有两个：（1）是扩眼；（2）是采用低密度固井技术，但这两个技术都有各自的缺点：（1）扩眼技术，主要是采用特殊的扩眼工具，把φ118mm的井眼扩大到φ140mm左右，但是这种扩眼技术所使用的扩眼工具不成熟，而且受到原井眼（φ124mm）限制，正常的扩眼率在10%左右，而且扩眼大幅度延长了侧钻井施工周期，大幅度增加施工成本，所以这种技术没有大规模的推广，各大油田只是做了相关的试验；（2）低密度固井技术，主要是降低水泥浆的密度，来提高固井质量，由于侧钻井本身的环空间隙很小只有14mm左右，不到常规井的一半（常规井在30mm以上），降低水泥浆的密度，显然会降低水泥浆的强度，虽然现在有一些高强度的添加剂能够提高低密度水泥浆的强度，但与常规水泥浆强度相比还是有一定的降低。所以这两种方法，还不能完全解决侧钻井固井质量差的难题。

由于侧钻井是在老井内，打的一支定向小井眼，属于老区调整井，固井的难点主要有以下两个方面：

（1）环空间隙小

侧钻井大多是在φ139.7mm套管内开窗侧钻，使用φ118mm的钻头+φ73mm的加重杆+φ73mm的钻杆的钻具组合。所钻的井眼的井径大概在124mm。完井采用的是φ95.25mm的小套管，这种套管的节箍的尺寸为φ105mm，所以侧钻井在本体处的环空间隙只有14.38mm，在节箍处的环空间隙为9.5mm，这样的间隙不到常规井的一半，所以这样小的间隙，对于固井水泥环的强度要求比较高，这也是影响固井质量一个重要因素。

（2）地层压力系数低

随着油田开发的不断深入，地层压力系数不断降低，地层亏空的越来越严重，目前就江苏油田而言，正常的地层压力系数为0.3-0.5左右，这样低的压力系数，容易造成在固井过程中水泥浆体系的漏失，或者使得灰面无法返到悬挂器的位置，造成固井质量不符合要求。所以侧钻井对固井施工参数以及水泥浆性能有较高的要求。

发明内容

本发明目的是针对现有技术缺陷提出一种分级变密度固井工艺。

本发明采用高密度的水泥浆封固油层及油层以下井眼与套管之间的环形空间；采用低密度水泥浆封固油层以上井眼与套管之间的环形空间。

具体步骤包括

1）注入前置液：前置液采用中端的CMC溶液，用量为2000L，排量为400L/min；

2）注入水泥浆：首先注入低密度水泥浆，然后注入高密度水泥浆；

3）顶替水泥浆：用清水作为顶替液。

本发明主要针对φ139.7mm套管内开窗侧钻井固井特点而设计。该工艺采用两种密度的水泥浆体系来封固侧钻井不同的地层，针对地层不同而选用不同性能的水泥浆体系，在油层部位选用高密度、高强度、韧性水泥浆体系；而在油层部位以上选用低密度、防气窜、微膨胀水泥浆体系。并在在施工过程中，根据电测资料来确定不同水泥浆用量，同时根据侧钻井的井眼轨迹和井况优化施工参数，一般采用变排量顶替，使得水泥浆在顶替的过程中处在平板流或塞流的状态下，以此来提高水泥浆的顶替效率。

本发明主要的技术优势主要有：

（1）侧钻井的油层一般较短，一般在50米左右，层位一般较少，正常在1-2层，侧钻井的口袋正常在70米左右，所以侧钻井油层顶界到井底的长度正常在150m，只占整个侧钻井段的25%左右（江苏油田数据），而这一井段将来要进行射孔、酸化、压裂等措施作业，对固井水泥环的强度要求很高，所以这一段采用高强度、高密度、韧性水泥浆体系，主要是提高薄水泥环的抗压、抗折强度，来满足相关措施作业的要求，同时由于这段井段占整个侧钻井段的比例较小，这种水泥浆的用量较少，对循环附加当量密度的增加与全井段低密度固井相比，增加的很小，所以不会对地层的造成格外的伤害；

（2）在油层以上井段（大约占整个井段的75%）采用低密度、防气窜、微膨胀水泥浆体系，由于这一段主要的作用是保护套管防止气窜和水窜，如果这一段也采用油层部位的水泥浆体系的话，由于地层压力系数较低，很容易压漏地层，造成固井失败，所以在油层以上的井段，采用流动性好的防气窜、微膨胀、低密度水泥浆体系，采用这样一种水泥浆体系能有效降低循环附加当量密度，防止压漏地层；

（3）该工艺对顶替参数的进行优化，采用变排量顶替的特殊工艺，根据顶替过程中顶替压力的变化，在压力较低的时候采用较高的速度，保证环空水泥浆在平板流的状态下顶替，而在压力较高时采用较低的速度，保证环空水泥浆在塞流的状态下顶替，压力高与低的分界点是本井施工过程中最高施工压力。

本发明所述高密度的水泥浆的水泥浆密度为1.9g/cm³；所述低密度水泥浆的水泥浆密度为1.48g/cm³。

所述高密度的水泥浆由水泥、水和JS-8添加剂、JS-18添加剂和JS-19添加剂组成，其中，水泥和水的质量比例为2.28︰1，其余JS-8添加剂、JS-18添加剂和JS-19添加剂分别占水泥总质量的1.8%、0.5%和0.05%。

所述低密度水泥浆由水泥、水和JS-8添加剂、JS-18添加剂、JS-15添加剂、JS-19添加剂和硅粉组成，其中，水泥和水的质量比为0.79︰1，其余JS-8添加剂、JS-18添加剂、JS-15添加剂、JS-19添加剂和硅粉分别占水泥总质量的1.8%、0.7%、2.0%、0.05%和20%。

另，在注入前置液前，先通井，再采用正常排量的1.3倍的大排量泥浆洗井。

附图说明

图1为井径随井深的分布图。

图2为注灰时间与压力关系图。

图3为顶替压力随注入时间的变化图。

图4为固井解释成果图。

具体实施方式

分级变密度固井新工艺在江苏油田试验了8口井，固井成功率100%（在没有采用这样一种新工艺之前一次固井成功率75%），固井优质率达80%以上，有较好的应用前景。

下面举一应用实例加以说明：

1、固井前井径的处理对井径进行处理：（1）通井；（2）采用大排量来洗井，其排量大概是正常钻进泥浆泵排量的1.3倍，并观察出口情况，当观察出口稳定，并无岩屑返出为止，再进行固井施工。

以上措施好处：（1）由于电测时，电测仪器较大，在入井过程中对井壁有伤害，通过通井可以检查井眼，确保尾管能够顺利的下到预定位置。（2）通过大排量洗井可以把在下尾管过程中，由于尾管节箍对井壁的刮削所形成的新的岩屑或泥饼块带到地面上来。（3）由于井斜较大，以及钻柱弯曲，使得井斜较大处以及钻柱弯曲处的地层，容易形成岩屑床，通过大排量的洗井，把这一部分岩屑带到地面上，以减小固井过程中环空压耗。（4）因为当尾管及钻杆中全部装满水泥浆时，由于压差的存在环空形成的瞬时返速较大，所以通过大排量洗井，可以对地层承受高流速的能力进行预先的考证；而且通过大排量洗井也可以在易漏失的地层重新形成泥饼，这样就可以控制在固井过程中水泥浆的漏失量。

2、井径分析处理：

从测井数据中取了46个点，通过这46个点来分析井径的分布情况，这46个点的数据如下表：

深度	井径	深度	井径
				800	12.576	1240	12.589
820	12.129	1260	12.984
				840	16.023	1280	12.342
848.5	17.145	1300	12.383
				860	14.549	1320	12.709
880	12.719	1340	12.179
				900	12.509	1360	12.471
920	12.595	1380	12.831
				940	12.285	1400	12.63
960	12.35	1420	12.958
				980	12.79	1440	12.383
1000	12.993	1460	12.428
				1020	12.779	1480	11.87
1040	12.784	1500	11.613
				1060	13.353	1520	11.859
1080	13.482	1540	12.038
				1100	12.14	1560	11.671
1120	13.019	1580	11.996
				1140	12.57	1600	12.161
1160	12.474	1620	12.149
				1180	12.114	1640	12.29
1200	13.7	1642	10.268
				1220	12.445	1650	11.53

可以看出，井径最大处在848.5m，其最大值为17.145；最小值出现在1642m处，其值为10.268。

通过上表还不能清楚的看出井径分布规律。

可以通过图1井径随着井深的分布图以及井径分布的井段表2来共同分析井径的分布规律，从这图中可见：（1）井径随着井深的变化有逐渐变小的趋势，也就是说随着井径的不断加深，地层的变的越来越硬，钻头的扩径效果越来越小，泥浆的携岩效果也会变差；（2）井径不规则，但井径的大小主要在12cm到14cm之间不断的变化；（3）平均井径大小为12.6cm；（4）在靠近井底处地层缩径的很厉害，只有10.268cm，还没有钻头的外径大。

3、水泥浆体系分析：

通过对别的油田在侧钻井中固井成果，以及本地地质条件的分析最终决定，这一次采用不同密度的水泥浆体系来封固不同地层。把要封固的地层分为两类，一类是油层及油层以下井段；一类是油层以上井段。由于油层日后需要射孔，压裂等一系列措施作业，所以封固油层采用高密度的水泥浆体系，因为高密度的水泥浆体系有足够的强度，能够满足日后作业的需要；而油层以上采用低密度水泥浆体系，能够满足封固地层及保护尾管的需要，而且这种低密度的水泥浆体系有自己本身的优点（1）有较低的密度，降低顶替压力；（2）有较低的粘度和较好的流动性，能够降低环空流动阻力，进而降低水泥浆对地层的伤害。

高密度的水泥浆：由水泥、水和JS-8添加剂、JS-18添加剂和JS-19添加剂组成，其中，水泥和水的质量比例为2.28︰1，其余JS-8添加剂、JS-18添加剂和JS-19添加剂分别占水泥总质量的1.8%、0.5%和0.05%。

低密度水泥浆：由水泥、水和JS-8添加剂、JS-18添加剂、JS-15添加剂、JS-19添加剂和硅粉组成，其中，水泥和水的质量比为0.79︰1，其余JS-8添加剂、JS-18添加剂、JS-15添加剂、JS-19添加剂和硅粉分别占水泥总质量的1.8%、0.7%、2.0%、0.05%和20%。

以上所用的水泥是江南G级水泥。JS-15添加剂是水泥浆增强剂，JS-8添加剂是水泥浆降失水剂，JS-18添加剂是水泥浆减阻剂，JS-19添加剂是水泥浆消泡剂，都可从市场上购买。

不同密度的水泥浆性能指数如下表：

4、固井工艺：

针对小井眼固井质量要求以及井眼本身的特殊性，经过研究采用变密度固井的新工艺来提高小井眼固井的质量。变密度固井工艺的特点是采用不同密度水泥浆来封固不同的地层。采用高密度水泥浆来封固油层及油层以下井段，低密度水泥浆封固油层顶以上的井段。固井的工艺如下：

第一步：注入前置液，前置液采用中端的CMC（羧甲基纤维素）溶液，用量为2000L，排量为400L/min。

第二步：注入水泥浆，根据油层的位置及井径计算，确定需要6m³低密度的水泥浆，3m³高密度水泥浆。向管柱内首先注入低密度水泥浆，然后注入高密度的水泥浆，排量为400L/min。在注水泥浆的过程中注意控制好水泥浆的密度及用量，同时控制好泵压。

第三步：顶替水泥浆，用清水作为顶替液，在顶替的过程中控制好排量和泵压，泵压在10MPa以内时，排量控制在400L/min，当泵压超过10MPa时，排量控制在270L/min。在顶替的过程中注意以下几个方面：（1）顶替的过程中要时刻注意泵压和排量，使两者控制在设计的范围内；（2）顶替液量不能超过7m³，达到7m³还没有碰压，要停止顶替，查找原因。

5、固井工艺分析：

在注灰之前，注入了500L的中端CMC溶液作为前置液，用来间隔水泥浆和泥浆，前置液的作用有两点：（1）隔离水泥浆和泥浆，防止水泥浆和泥浆反应产生堵塞物；（2）冲洗井壁，提高水泥环与井壁和尾管的交结强度，以便提高固井质量。注灰过程中我们对压力随时间变化情况进行统计，并绘制关系图，见图2。

通过图2可以看出，注灰压力随着注入时间及注入量的增加，压力在不断的降低，这也符合流体力学相关原理，因为水泥浆的密度比泥浆的密度要大，随着水泥浆不断的注入管内，管内与环空的压差就会越来越大，自然注入压力就会不断的降低。

顶替过程中，采用匀速顶替的方法，分别采用了两种不同的排量来顶替水泥浆，区分的界点是顶替压力10MPa，选择这个压力主要是参考在钻井的过程中泥浆泵的最高压力是10MPa，选择这个主要是为了保证在顶替的过程中不至于顶漏地层。对压力随着顶替时间的变化进行了记录，并绘制了曲线，见图3。

图3中将压力随着注入时间的变化分为三个阶段：

第一阶段：这个阶段为刚顶替时的2分多钟，这个阶段顶替的压力约为0.127MPa，几乎没有压力，这个阶段的排量约为400L/min，这个阶段主要是对管内补充液体。由于在注完水泥浆后，需要换阀，这时管内与环空的压差，引起管内流体进入环空，所以刚开始时顶替是没有压力的。

第一阶段与第二阶段之间，在这个阶段，压力随着时间直线上升，变化趋势平稳，只是在第2分钟与第3分钟之间，压力突然上升，这主要由于管内亏空的液体得到了及时补充，而且注入速度大于管内与环空压差引起的速度，为了保持额定的排量，所以压力会突然变大。

第二阶段，压力突然下降，这个阶段主要是由于降排量引起的，排量下降的主要原因是：当顶替到9分多钟时，顶替的压力增加到了10MPa，考虑井壁的承受能力，如果还保持这个排量的话，由于水泥浆的粘度较大，对井壁的冲刷及摩擦就越大，这样就容易压漏地层。所以降低排量，来降低水泥浆对地层的伤害。

第二阶段与第三阶段之间，这阶段压力随时间的变化较为平稳，几乎是随着时间直线上升，这也说明顶替过程比较平稳。

第三阶段，当顶替量达到6551L时，压力从12.9MPa突然升到15MPa，这个说明胶塞已经进入塞座了，这也说明管内的水泥浆已经全部顶替干净了，完成了顶替过程。

顶替完水泥浆后，倒出中心管，正洗井洗出多余水泥浆，在洗井的过程中记录洗出的水泥浆量，通过计算洗出约3.9m³的水泥浆，洗出水泥浆的密度约为1.6g/cm³，这个结果与理论计算接近，理论上环空所需要的水泥浆的量为4.89m³，实际消耗水泥浆的量为5.1m³。

洗完井后，起出送悬挂器管柱并灌满井筒，关井候凝，整个固井工艺结束。

6、固井质量分析：

经过36小时的候凝后，下扫灰管柱，检查尾管内是否有灰，发现尾管内没有灰浆，提完扫灰管柱后对井筒进行了试压12MPa，30min压力不降，试压合格。

从变密度测固井质量的解释成果图（见图4）以及井筒试压结论来看，变密度固井技术对于侧钻井这种小井眼、小环空间隙、尾管居中困难的井眼固井是成功的，能够满足完井后各种井下措施作用的要求。变密度固井技术中采用低密度水泥浆体系来封固油层以上的井段；采用高密度水泥浆体系来封固油层及油层以下井段。低密度水泥浆体系通过降低水泥浆的密度及粘度来降低环空磨阻，来提高水泥浆的顶替效率；高密度水泥浆体系拥有较高的胶结强度来封固油层及油层以下的井段满足射孔、压裂等措施作业所需要的强度。而且高密度水泥浆体系与低密度水泥浆体系之间有较好的相容性，在凝固的过程中没有形成明显的界面。

Claims

1.一种分级变密度固井工艺，其特征在于采用高密度的水泥浆封固油层及油层以下井眼与套管之间的环形空间；采用低密度水泥浆封固油层以上井眼与套管之间的环形空间。

2.根据权利要求1所述分级变密度固井工艺，其特征在于包括以下步骤：

3）顶替水泥浆：用清水作为顶替液。

3.根据权利要求1或2所述分级变密度固井工艺，其特征在于所述高密度的水泥浆的水泥浆密度为1.9g/cm³；所述低密度水泥浆的水泥浆密度为1.48g/cm³。

4.根据权利要求3所述分级变密度固井工艺，其特征在于所述高密度的水泥浆由水泥、水和JS-8添加剂、JS-18添加剂和JS-19添加剂组成，其中，水泥和水的质量比例为2.28︰1，其余JS-8添加剂、JS-18添加剂和JS-19添加剂分别占水泥总质量的1.8%、0.5%和0.05%。

5.根据权利要求3所述分级变密度固井工艺，其特征在于所述低密度水泥浆由水泥、水和JS-8添加剂、JS-18添加剂、JS-15添加剂、JS-19添加剂和硅粉组成，其中，水泥和水质量比为0.79︰1，其余JS-8添加剂、JS-18添加剂、JS-15添加剂、JS-19添加剂和硅粉分别占水泥总质量的1.8%、0.7%、2.0%、0.05%和20%。

6.根据权利要求2所述分级变密度固井工艺，其特征在于在注入前置液前，先通井，再采用正常排量的1.3倍的大排量泥浆洗井。