大位移井固井技術(shù)分析

連吉弘,康建平 (長江大學石油工程學院,湖北荊州434023)

大位移井一般指水平位移與垂深之比大于或等于2、測深大于3000m或水平位移超過3000m的井。當水平位移與垂深之比超過3、測深大于3000m時,為高水垂比大位移井。與常規(guī)井相比,大位移井具有高難度、高投入、高風險的特點。近年來,南海東部地區(qū)的一些對外合作項目中,大位移井作業(yè)較為頻繁,已經(jīng)完成的3口大位移井的測深/垂深分別為8828/2790、8808/2840、8836/2848m,且均采用油基鉆井液鉆進。在大位移井固井施工中普遍存在的問題主要有:井眼狀況不佳、地層承壓能力低、裸眼段長、套管下入困難、套管居中難、頂替效率不高以及油基鉆井液影響水泥膠結(jié)強度等。筆者通過研究發(fā)現(xiàn),提高套管居中度、優(yōu)化水泥漿體系、提高頂替效率可以有效解決上述問題,從而提高固井質(zhì)量。

1 提高套管居中度

研究顯示,當套管居中度大于65%時,固井質(zhì)量可以得到很好的保證;當居中度低于45%、鉆井液頂替效率小于80%,固井質(zhì)量就難以得到保證[1]。為了在現(xiàn)場作業(yè)中提高套管居中度,合理地設(shè)計套管扶正器的數(shù)量顯得至關(guān)重要。表1統(tǒng)計了南海東部地區(qū)3口井的扶正器使用情況。

表1 大位移井扶正器使用數(shù)量統(tǒng)計

由表1可知,現(xiàn)場固井作業(yè)中必須適時使用扶正器,而且保證扶正器合理的加裝數(shù)量,才能大幅度地提高套管居中度,從而保證固井作業(yè)順利進行。

2 實施低密度高強度水泥漿作業(yè)

海上大位移井固井作業(yè)中,水泥漿的性能是提高固井質(zhì)量的關(guān)鍵因素。針對大位移井裸眼段長、斜度大、多油水層、易漏失等特點,研究者成功地優(yōu)選出了一套大位移井的低密度高強度水泥漿體系。該體系以漂珠為減輕材料,并輔以增強材料和多種外加劑,具有密度低、強度高的特點。漂珠為空心、密閉、壁薄、粒細的玻璃球體[5],視密度為0.65～0.75g/cm3,增強劑由具有合理顆粒級配的活性超細礦物材料組成,外觀為灰白色固體粉末,密度為2.7～2.8g/cm3,該體系的基本性能如表2所示。

表2 低密高強度水泥漿體系的性能

由表2可知,低密度高強度水泥漿體系具有密度可調(diào)性,最低密度可達到1.2g/cm3,該體系抗污染能力和相容性良好,其濾失及稠化等性能均能滿足大位移井固井作業(yè)需求。2種低密度水泥漿體系強度對比如圖1所示。

由圖1可知,低密度高強度水泥漿形成的水泥石強度在不同的密度段均高于普通低密度水泥漿形成的水泥石強度。因此,在深水表層段固井作業(yè)中,低密度高強度水泥漿的優(yōu)勢更加明顯。

圖1 2種低密度水泥漿體系強度對比

3 提高頂替效率

頂替效率主要由鉆井液性能、前置液結(jié)構(gòu)、頂替技術(shù)等因素決定,因此,優(yōu)化鉆井液性能、調(diào)整前置液結(jié)構(gòu)、改進頂替技術(shù)等方法成為提高頂替效率的必要手段。

3.1 優(yōu)化鉆井液性能

調(diào)整鉆井液性能和循環(huán)洗井是提高頂替效率必不可少的重要步驟。套管下到位后,以還空返速為0.917～1.52m/s的速度循環(huán)鉆井液2周以上,減少鉆井液的膠凝,掃除下套管時刮下的巖屑和軟泥餅。同時優(yōu)化鉆井液性能,將相關(guān)性能參數(shù)控制如下:鉆井液屈服值為7～12Pa;漏斗粘度為20～30s;塑性粘度為20～30mPa·s;失水＜5m l;摩阻系數(shù)＜0.1;初/終切力為2/3Pa。盡量避免巖屑床和軟泥餅的存在,保持井眼清潔,為良好頂替打下基礎(chǔ)。

3.2 調(diào)整前置液結(jié)構(gòu)

絕大多數(shù)鉆井液與水泥漿是不相容的,一旦水泥漿與鉆井液接觸,鉆井液將發(fā)生水泥侵污而產(chǎn)生粘稠的團狀絮凝物質(zhì),從而使水泥漿形成的水泥石失去強度,影響固井質(zhì)量。使用前置液的目的是為了提高鉆井液的頂替效率和水泥環(huán)的界面膠結(jié)質(zhì)量,因而前置液的使用必不可少。前置液按其功能可分為沖洗液和隔離液,沖洗液側(cè)重于稀釋鉆井液,并沖洗井壁和套管壁;隔離液側(cè)重于隔離鉆井液,防止鉆井液和水泥漿相互接觸[3]。

由于油基鉆井液在海上鉆井作業(yè)中使用日益頻繁,如何提高油基鉆井液頂替效率是目前亟待解決的問題?，F(xiàn)場作業(yè)表明,合理的前置液結(jié)構(gòu)是提高油基鉆井液頂替效率的主要因素。在頂替作業(yè)過程中,基油經(jīng)常被選放在最前面,用以稀釋油基鉆井液,接著使用高濃度的雙效沖洗液 (潤濕反轉(zhuǎn)型表面活性劑)沖刷井壁,將環(huán)空地層和套管的親油性環(huán)境轉(zhuǎn)換為親水性環(huán)境[4],有懸浮能力的粘性隔離液將大部分的油基鉆井液和井里的殘余巖屑攜帶出來,使后續(xù)表面活性劑能更有效地潤濕泥餅油相,從而有效提高鉆井液的頂替效率,保證了水泥環(huán)的界面膠結(jié)質(zhì)量。

3.3 改進頂替技術(shù)

為進一步提高頂替效率,室內(nèi)模擬了3種環(huán)空間隙 (寬間隙、中間間隙和窄間隙),筆者分析了不同的頂替流態(tài)下水泥漿和鉆井液的接觸時間對頂替效率的影響[3]。圖2和圖3分別顯示在層流和紊流狀態(tài)下接觸時間對頂替效率的影響 (圖中,Re為雷諾數(shù))。

由圖2和圖3可知,寬間隙到達完全頂替所需的接觸時間最短,窄間隙所需的時間最長;達到完全頂替時,紊流頂替比層流頂替所需的接觸時間要短。所以,固井作業(yè)過程中,在保證施工安全的前提下,可適當加大泵壓,在提高水泥漿頂替速率的同時,讓頂替處于紊流狀態(tài),最大程度地提高頂替效率。

圖2 層流頂替效率實驗

圖3 紊流頂替效率實驗

4 結(jié)論與建議

1)為提高套管的居中度,固井作業(yè)中必須適時使用扶正器,而且還要保證扶正器的合理加裝數(shù)量。

2)相比常規(guī)低密度水泥漿體系,低密度高強度水泥漿具有密度低、強度高、失水低、穩(wěn)定性強以及滿足油層性能要求等特點,適合海上大位移井固井作業(yè)需求。

3)通過優(yōu)化鉆井液性能、調(diào)整前置液的結(jié)構(gòu)、采用紊流頂替等方式提高鉆井液的頂替效率,從而保證水泥環(huán)的界面膠結(jié)質(zhì)量。

[1]劉崇建.冪律流體在偏心環(huán)空的流動規(guī)律及應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),1996,(3):30～50.

[2]C lark C R.Mud Displacem en twith Cement Slurries[J].SPE 4090,2000.

[3]劉崇建,黃柏宗,徐同臺,等.油井注水泥理論與應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001.

[4]張德潤.張旭.固井液設(shè)計及應(yīng)用 [M].北京:石油工業(yè)出版社,2002.

[5]馮京海,程遠方.高強度低密度水泥漿體系的研究 [J].鉆井液與完井液,2007,24(5):44～46.