貝克休斯固井工藝技術介紹王軍unlei.wang@

林宇uzhou.lin@

2012.5.31-西安BHI公司歷史匯報內容一.水平井概述二.水平井固井工藝技術介紹三.Bakerhughes水平井固井實例介紹四.Bakerhughes水泥漿體系介紹一.水平井概述1.水平井歷史背景2.水平井分類3.水平井開發目的4.水平井應用范圍一.水平井概述1.水平井歷史背景1920’s–第一口水平井在Texas開鉆1930’s–數個關于水平井的技術專利在美國專利局申請1940’s~1950’s–水平段長度小于30m1960’s–2口水平井在中國開鉆1970’s–水平井重新開鉆至今-成千上萬口水平井在各地開鉆一.水平井概述2.水平井分類長半徑（小曲率）中半徑（中曲率）短半徑（大曲率）超短半徑（超大曲率）一.水平井概述長半徑水平井特點造斜率在3~8°/30m水平井段有2到3部分穿透油層段長可達1200m使用常規旋轉鉆井裝備一.水平井概述中半徑水平井特點造斜率在8~20°/30m理論上造斜率可以達到50°/30m穿透油層段長可達900m使用常規旋轉鉆井或井下馬達裝備一.水平井概述短半徑水平井特點造斜率在5~10°/m穿透油層段長可達300m從一口垂直井中可以鉆多口水平分支井

使用鉸鏈馬達和旋轉鉆井組合裝備一.水平井概述超短半徑水平井特點造斜率可達90°/0.3m穿透油層段長在30~60m水平井段井孔直徑<10cm可以打多口水平分支井通過水射流破巖鉆孔形成儲層泄油井眼一.水平井概述3.水平井開發目的提高生產水平井生產率是垂直井的4~6倍更多的生產層面積裸露在井眼中

生產率和生產總量都大大增高一.水平井概述流體幾何特性垂直井

- 徑向流 水平井

- 平行流一.水平井概述4.水平井應用范圍氣水錐進油藏邊緣水或氣頂活躍的油藏薄油層和稠油油藏裂縫性儲層油藏二.水平井固井工藝技術介紹

1.工作計劃及參考因素2.水泥漿設計3.固井施工模擬4.鉆井泥漿頂替5.施工執行6.作業后流程和分析1.工作計劃及參考因素

1.工作計劃及參考因素

-因為油氣井建井的最終目的是封隔油、氣、水層，并在整個油井生產過程中提供管道使其正常生產，所以固井質量的好壞是決個過程的最關鍵因素。1.工作計劃及參考因素

井眼幾何尺寸-環空間隙>2cm才能減小環空底端竄槽并有助于最優泥漿頂替

-建議環空間隙在4cm左右1.工作計劃及參考因素

泥漿性能-研究表明，鉆井泥漿攜帶巖屑的能力隨著井斜角的增大而下降。

-鉆井泥漿需要合理的設計來保證在固井施工前環空底部沒有巖屑沉積。

1.工作計劃及參考因素

套管外膨脹封隔器(ECP)-ECP隨套管管柱下入井內，在初次注水泥作業時膠塞碰壓后產生徑向膨脹，以達到井下環空的機械密封，阻止層間流體互竄。

1.工作計劃及參考因素

ECP應用范圍：封隔生產層密封尾管襯圈封隔漏失層

1.工作計劃及參考因素

ECP的使用-在考慮使用ECP以前，要明確ECP的優缺點。雖然關于使用ECP的成功案例很多，但ECP的缺點是在封隔器膨脹以后，流體靜壓力在封隔器以下傳遞性很差。如果沒有流體靜壓力的傳遞，那在封隔器以下的水泥環就有可能發生“氣侵”。雖然封隔器可以阻止氣侵通過ECP，但是封隔器以下會有潛在問題發生。

1.工作計劃及參考因素

尾管懸掛器-分為機械式和液壓式

-在大位移井和水平井中，一般使用機械式

-在固井以前和固井施工中可以旋轉尾管來提高鉆井泥漿的頂替效率

-旋轉式尾管懸掛器有扭矩限制，在施工設計時需要考慮1.工作計劃及參考因素

分級固井工具-當水泥漿通過松軟地層時，產生的壓力可能會超過地層的破裂壓力，從而引起漏失。其中一種阻止漏失的方法就是通過分級固井，縮短水泥柱，從而減小水泥漿靜壓力。

1.工作計劃及參考因素

分級固井工具-分為液壓控制和膠塞控制

膠塞控制適用于垂直井或井斜角<30°

液壓控制適用于大位移井或水平井

2.水泥漿設計

A.一般設計考慮因素水泥漿密度

-大于鉆井泥漿密度，達到頂替目的

-提供足夠的過平衡壓力，減小水泥漿注入后發生“氣侵”的可能性

2.水泥漿設計

水泥漿密度

-提供足夠的抗壓強度

-保證水泥漿在注入過程中高效頂替，并且不破壞裸眼井段的漏失層抗壓強度水泥漿密度水灰比2.水泥漿設計

低密度水泥

-當API“G”和“H”等級水泥按照APISPEC10A標準程序配成水泥漿時，密度分別為1.89g/cm3

和1.97g/cm3

，當需要更輕密度的水泥漿時，要加入添加劑。

-最普通的添加劑是水，但是額外的水會稀釋水泥漿從而使水泥漿產生固相沉降問題。

2.水泥漿設計

硅藻土瓜爾豆膠硅質巖硅酸鈉（液體或粉末）膨潤土低密度水泥漿添加劑2.水泥漿設計

低密度水泥其它添加材料

-火山灰

-天然碳氫化合物（瀝青）-膨脹珍珠巖

2.水泥漿設計

低密度水泥

-以上這些添加劑、添加材料可以使水泥漿密度低至1.32g/cm3，并且抗壓強度大于689KPa。

-如果現場施工條件需要配制密度更低，抗壓強度更大的水泥漿密度，可使用發泡水泥。2.水泥漿設計

發泡水泥

-與氮氣或空氣混合

-通常由基體水泥漿和表面活性劑混合產生離散氣泡并且維持穩定直到水泥凝固。

-可進行實際固井施工的泥漿密度在1.02g/cm3~1.68g/cm32.水泥漿設計

發泡水泥的特點

-提供高效的鉆井泥漿頂替作用

-較好的控制濾失

-形成可壓縮水泥，防止“氣侵”

-機械性能突出，形成柔性水泥2.水泥漿設計

稠化時間稠化時間范圍可依據以下公式進行計算：-最短稠化時間=最長充填時間X1.5-最長稠化時間=最短稠化時間X1.7最長充填時間=從混合水泥漿開始到頂替結束實例：如果最長充填時間為90分鐘，那么水泥漿的稠化時間需要在135分鐘和230分鐘之間。2.水泥漿設計

抗壓強度

-經驗表明，抗壓強度在大于3.44MPa時可以提供良好的層位隔離。

2.水泥漿設計

控制濾失

-控制濾失是阻止“氣侵”發生的一個重要因素。-最新研究表明，鉆井液產生的濾餅決定了水泥漿初始濾失速度

-一般濾失量控制在100cc/30min,如果考慮要防止氣侵，濾失量控制在50cc/30min。2.水泥漿設計

固體懸浮

-水泥漿的一個重要性能就是它在水泥填充時和之后的固體懸浮能力。因為水泥漿在泵入大位移井時固體能夠從液體中沉積下來，所以水泥漿需要提供足夠的屈服值來阻止固體沉降。在水泥充填完成后，水泥漿必須具備懸浮固體的功能直到水泥漿產生足夠靜態凝膠強度來保持固體處于原位直到水泥漿固化。2.水泥漿設計

B.特定設計考慮因素氣侵漏失鹽層淡水敏感地層2.水泥漿設計

氣侵的種類

-氣流穿過泥漿管路

-氣流穿過微環隙和已破壞的水泥環

-氣流穿過未固化水泥

實驗室測試表明氣侵發生可能會通過幾種不同的途徑，認清氣侵的種類是制定施工計劃防止氣侵的關鍵。

2.水泥漿設計

氣流穿過泥漿槽

-氣流穿過泥漿槽，有時候也稱為長期氣侵，通過以下方式發生：水泥漿泵入井內后開始凝膠并且固化同時沒有任何氣侵發生。在水泥漿固化過程中，會發生塑性收縮。這種收縮雖然很微小，但是會使水泥漿與鉆井泥漿濾餅之間的粘合不牢固，從而產生微小裂縫，為氣侵的發生提供了通道。這種問題在濾餅比較厚或者鉆井泥漿頂替效果很差的條件下更有可能發生。當氣流開始穿過濾餅和凝固水泥之間的微小裂縫時，干燥的氣體會從濕潤的泥漿濾餅上吸水。隨著濾餅脫水，裂縫變寬，更多氣體通過，裂縫再次變寬。2.水泥漿設計

氣流穿過泥漿槽

-當氣流通過泥漿槽時，它會在環空里逐漸累積，通常在井口表面經過幾天，幾周，甚至幾個月都無法察覺此種現象的發生。

-解決方法：優化泥漿頂替效率使用可膨脹的水泥添加劑2.水泥漿設計

微環隙氣流

-產生原因：水泥環被破壞

-產生條件：鉆穿尾管頂部；鉆穿套管鞋；在水泥還沒形成足夠的抗壓強度時就進行壓力測試2.水泥漿設計

微環隙氣流

解決方法：

-在重新鉆井或完井操作之前，一定要精確測量井下溫度，確保水泥環已經充分固化。2.水泥漿設計

氣流穿過未固化水泥

-產生原因：水泥環在沒有完全固化時無法保持過平衡壓力，其靜液壓已經小于地層氣壓。。2.水泥漿設計

氣流穿過未固化水泥

-水泥環產生的靜液壓減少主要是靜凝膠強度的形成和體積減少（主要由濾失引起）的聯合效應。當水泥開始候凝失重，靜液壓開始減少，同時水泥漿發生濾失，體積縮小也相應引起了靜液壓的減少。當水泥柱無法保持過平衡壓力時，儲氣層氣體開始進入到未固化水泥柱。環空中的氣泡依靠浮力作用能夠一直向上滲出，如果有足夠體積的氣體一直向上滲出，一條永久的通道就留在了固化水泥環里。2.水泥漿設計

氣流穿過未固化水泥

-解決方法：

增加水泥漿密度，從而增加過平衡壓力，減小氣侵發生的機會。

在水泥漿中加入可以控制濾失的添加劑，控制水泥漿體積的減小，減緩靜液壓的下降。2.水泥漿設計

漏失-井下液體全部流入某一地層-很可能是超過了地層的破裂壓力梯度

通常在固井施工前就要解決漏失問題，解決方法有：

降低鉆井泥漿密度

在鉆井泥漿中加入堵漏材料來堵住漏失層

泵入膠凝和固化材料堵住漏失層2.水泥漿設計

鹽層-當水泥漿流過鹽層時，關鍵在于先確認鹽層是“可流動”還是“不可流動”，因為對應這兩種鹽層的水泥漿設計是不同的。

2.水泥漿設計

鹽層-可流動鹽層

解決方法：-高效泥漿頂替和水泥抗壓強度的快速形成是成功進行固井施工的關鍵-當地層溫度小于94℃時，鹽的存在能夠延緩水泥漿的固化，所以應該使用無鹽水泥。

2.水泥漿設計

鹽層-不可流動鹽層對于不可流動鹽層，水泥與鹽層的粘合十分重要。如果在鹽層下面還存在著高壓氣層，那么水泥與鹽層的緊密粘合十分關鍵。

解決方法：-使用含飽和鹽度水泥漿（如果水泥漿含鹽度不飽和，在與鹽層接觸后，地層鹽會溶解在水泥漿中，形成微環隙）-使用含鹽量18%的發泡水泥

2.水泥漿設計

淡水敏感地層

有些地層在與淡水接觸后會產生膨脹或坍塌。解決方法：使用油基鉆井泥漿在水泥漿中加入氯鹽（3~5%KCl），能夠有效防止地層坍塌。3.固井施工模擬

在實際固井施工前對施工進行模擬，可以優化結果并且減小發生問題的幾率。施工模擬的作用優化流體速度從而達到頂替效率最大化確保固井施工中一直不超過井下壓裂梯度保持井下足夠的過平衡壓力，防止井噴優化隔離液和水泥漿性能，提高頂替效率3.固井施工模擬

當運行施工模擬實驗時，關鍵因素變量如下：井身幾何結構井底循環溫度不同溫度下液體的流變參數油氣水層的孔隙壓力井身的壓力梯度及深度井眼偏心率套管的居中率4.鉆井泥漿頂替

成功進行固井施工的另一個重要因素就是頂替鉆井泥漿。如果鉆井泥漿沒有被很好的頂替，那在水泥環中會留下泥漿槽，導致地層間互竄，使水泥環失去作用。決定鉆井泥漿頂替效率的因素泥漿性能管道移動管道扶正流體速度隔離液和沖洗液4.鉆井泥漿頂替

泥漿性能-對鉆井泥漿進行處理的目的是為了進行“低移動性泥漿”循環，創造一個均勻速度剖面，使泥漿通過整個環形空間。循環鉆井液的目的是在混合和泵入水泥漿前破壞并移除稠化泥漿。4.鉆井泥漿頂替

泥漿性能

-屈服值鉆井泥漿性能（垂直井）屬性推薦值最佳值屈服值(lb/100ft2)

102塑性粘度(cp)2015鉆井泥漿性能（大位移井）井斜角(°)屈服值(22℃)(lb/100ft2)

45156020852890304.鉆井泥漿頂替

泥漿性能-屈服值-在大位移井時鉆井泥漿所需屈服值明顯要大于其在垂直井時的屈服值-更高的屈服值是為了確保在鉆井過程中固體不從鉆井泥漿中沉降，落在井壁底端，影響固井質量。4.鉆井泥漿頂替

泥漿性能-濾失量-鉆井泥漿的濾失量和在井壁形成濾餅的厚度有直接關系，濾失量越大，濾餅越厚。濾餅越厚，產生長期氣侵的可能性越大，所以要控制泥漿的濾失量。

4.鉆井泥漿頂替

泥漿性能-凝膠強度(10秒/10分鐘的凝膠強度)如果10秒/10分鐘的凝膠強度差別很小，表明當泥漿靜止后不會快速形成凝膠強度。（推薦）如果10秒/10分鐘的凝膠強度差別很大，表明鉆井泥漿在井下會形成觸變性泥漿，難以處理和頂替。4.鉆井泥漿頂替

管道移動-在鉆井泥漿頂替過程中，管道移動，不論是旋轉還是往復運動，都能夠提高泥漿在環空的頂替效率。測試條件：鉆井泥漿1.89g/cm3

,水泥漿2.00g/cm3,0.636m3/min,偏心率為60%管道移動頂替效率（%）不移動6520轉/分鐘974.鉆井泥漿頂替

管道扶正居中-在大位移和水平井中，套管在井眼內充分居中能夠提高頂替效率。如果套管不能居中，由于重力作用就會傾斜靠在井壁底部，這樣也就不可能形成一個完整的水泥環。套管居中可以形成均勻一致的流體通道，這樣鉆井泥漿會很容易被頂替。

4.鉆井泥漿頂替

流體速度-流體形態可以分為三種：紊流，層流，活塞流。其中紊流的流速最快，剪切力最大，能夠破壞稠化泥漿，也是實現高效泥漿頂替的最佳流態。

4.鉆井泥漿頂替

隔離液和沖洗液

功能：-隔離不兼容液體（鉆井液和水泥漿）-協助頂替過程4.鉆井泥漿頂替

隔離液和沖洗液

決定隔離液和沖洗液種類的因素：-需要被頂替的鉆井泥漿類型（油基/水基）-鉆井泥漿和水泥漿的密度及控制井眼所需靜液壓-裸眼井段的地層類型（淡水敏感層/漏失層/鹽層）-所需溶液能力（固相懸浮能力）4.鉆井泥漿頂替

隔離液和沖洗液常用的水基沖洗液：泥漿沖洗液（包含分散劑和表面活性劑）硅酸鈉溶液鹽水（KCl/NaCl)-加入表面活性劑的作用是稀釋鉆井液，移除泥漿，提高頂替效率。

4.鉆井泥漿頂替

隔離液和沖洗液-硅酸鈉沖洗液功能提高頂替效率通過降低水泥漿的濾失量來控制氣侵抵消中和某些鉆井液添加劑對水泥漿的緩凝作用控制漏失

4.鉆井泥漿頂替

隔離液和沖洗液-隔離液一般密度比較大，而且不與鉆井液和水泥漿發生化學反應，通常分為水基和油基，并且以紊流流態泵入井下。

-通常在施工設計中，隔離液與鉆井液和水泥漿的兼容性實驗以及隔離液的固相懸浮性能測試也是參考因素之一。5.施工執行

套管設備

浮力裝備-浮力裝備為套管提供浮力，并防止在泵送結束后水泥再次進入套管內。

扶正器-分為弓形彈簧式和鋼性兩種。5.施工執行

套管設備

膠塞-膠塞用于防止泵入井下的液體相互混合和污染，并且提供了一種當水泥漿頂替到環空后停止循環的方法。一般在泵入水泥漿前后都要使用膠塞，下部膠塞通常先于水泥漿之前打入井下，上部膠塞在水泥漿之后打入。當上部膠塞打入到底部時，液體循環停止。5.施工執行

配置水泥漿-配置水泥漿，達到其設計密度對于良好固井施工是十分重要的。使用目前的水泥混合裝備，精確度可以達到+/-0.012g/cm3

。如果水泥漿實際密度大于設計密度，有可能會引起漏失；如果水泥漿實際密度小于設計密度，有可能引起氣侵或者更加嚴重的井噴。5.施工執行

泵送-在泵入隔離液和水泥漿的同時，鉆井泥漿也要保持動態運轉。鉆井泥漿一旦處于靜態會對頂替作用產生影響，同時也對固井質量產生影響。-當泵送速度高于設計速度時，摩擦阻力增大，當量循環密度增加，可能會引起漏失。

-當泵送速度低于設計速度時會影響頂替效率。6.作業后流程和分析

在固井施工完成后，水泥漿需要靜止等待直到水泥環達到最終抗壓強度的70%。等待時間是通過超聲波分析儀測試水泥漿抗壓強度來得出的。聲波測井和水泥膠結測井

當使用聲波測井作為主要評價工具來評價固井質量時，同時使用水泥膠結測井是十分必要的。會影響水泥膠結測井結果的因素微環隙地層效應低抗壓強度水泥漿薄水泥環軟地層未居中套管套管厚度6.作業后流程和分析

固井評價程序將通過超聲波分析儀得出的水泥漿真實傳播時間提供給測井公司，這樣就排除了使用假定水泥阻抗值輸入測井軟件的情況。使用鉆井液阻抗作為基線，這樣可以排除對于脈沖回聲測井儀得到的原始數據的誤算。使用水泥膠結測井，同時使用脈沖回聲測井儀提供額外的評價數據在水泥環測井之前不要進行套管的壓力測試，以免產生微環隙確保等待水泥固化時間最少要達到抗壓強度為13.78Mpa或達到水泥環72小時抗壓強度的90%。在有無壓力的條件下分別進行水泥環測井評價，用來判斷微環隙的存在全面分析總結水泥環評價數據，決定是否進行擠水泥等工作

三.Bakerhughes水平井固井實例介紹

位于阿巴拉契亞的頁巖井水平井固井井況：測量井深：4176m垂直井深：2118m井底靜態溫度：57℃套管：直徑114.3mm套管鞋：4157m浮箍：4145m水泥柱位置：366m（表層套管內）

三.Bakerhughes水平井固井實例介紹

位于阿巴拉契亞的頁巖井水平井固井模擬：根據工況進行水泥漿設計，并使用CMFacts進行固井施工模擬，得出以下結果：

三.Bakerhughes水平井固井實例介紹

位于阿巴拉契亞的頁巖井水平井固井扶正器偏心率、扭矩和拉力計算

三.Bakerhughes水平井固井實例介紹

位于阿巴拉契亞的頁巖井水平井固井最終井下流體位置

三.Bakerhughes水平井固井實例介紹

位于阿巴拉契亞的頁巖井水平井固井循環密度當量（ECD）

三.Bakerhughes水平井固井實例介紹

位于阿巴拉契亞的頁巖井水平井固井施工流程

三.Bakerhughes水平井固井實例介紹

位于阿巴拉契亞的頁巖井水平井固井使用WellTemp對井下循環溫度進行預測

三.Bakerhughes水平井固井實例介紹

位于阿巴拉契亞的頁巖井水平井固井最終施工設計和確認程序當完成初步實驗室測試后，就可以通過軟件模擬進行包含所有泵入井下液體和鉆井泥漿性能的最終施工設計。再次進行軟件模擬可以預測出井口和井下壓力，以及環空的頂替效率。最終確認程序：從現場取得水泥，水樣，及各種添加劑的樣品，送到實驗室中進行測試，確保現場泵送時間與實驗室測試的水泥稠化實驗時間相吻合。四.Bakerhughes水泥漿體系介紹SetforLife?水泥體系SetforLife概念SetforLife理念SetforLife系列DeepSet?體系DuraSet?體系EnviroSet?體系LeanSet?體系PermaSet?體系XtremeSet?體系FireSet?體系SetforLife?水泥體系SetforLife概念“SetforLife”系列在油井的生產周期中提供層位隔離的作用“SetforLife”體系用于解決可能發生的各種井下難題,例如硫化氫腐蝕，產生淺層水流和氣侵等現象，或高溫及其他井下問題“SetforLife”體系能夠相互結合以達到克服井下復雜狀況的目的SetforLife?水泥體系Setforlife理念進行良好的固井操作根據井下條件調整水泥體系注重每口油井的固井目的和客戶需要整體–所有的實驗數據都是建立在不同的水泥體系基礎上的，而不是通過單一調整某種成分的用量來達到所需目的保持高質量的固井工作才能保證“setforlife”的水泥體系發揮作用DeepSet水泥體系用于控制在深水環境中淺層氣淺層流的發生在低溫下提供早期抗壓強度快速增加低濾失量無游離水DeepSet水泥體系已經在現場施工中得到驗證深度>2134m溫度>0℃DeepSet水泥體系技術參數密度范圍1.38~1.87g/cm3溫度范圍0~38℃DuraSet水泥體系拉力強度和彈性性能改進機械性能增強可以發泡壓裂韌性提升適用于溫度和壓力變化較大的油井DuraSet水泥體系DuraSet水泥體系是井壁暴露在壓力快速下降或熱循環環境下的最佳選擇DuraSet水泥體系可以以所有API等級的水泥為基礎進行配制DuraSet水泥體系大與多數水泥添加劑兼容各種水泥添加劑的結合可以調整DuraSet水泥體系，以達到不同油井的特殊要求DuraSet水泥體系技術參數密度范圍–1.08~2.40g/cm3溫度范圍–

最高可達到230℃DuraSet水泥體系EnviroSet水泥體系與環境兼容且可以達到當地環境要求通過調整可以滿足每口油井的要求在井下高誘導應力的情況下仍能保持良好的層位隔離根據現場條件確定水泥漿的最終配方EnviroSet水泥體系技術參數密度范圍：1.44~2.40g/cm3溫度范圍:21-149℃LeanSet水泥體系高性能超低密度水泥水泥體系中液固體積比最佳化包含超輕顆粒且可以發泡配方設計彈性化以滿足不同需求LeanSet水泥體系適用于壓裂梯度較低的油井技術參數密度范圍–0.96~1.56g/cm3溫度范圍–0~232℃PermaSet

水泥體系C-S-H相相互咬合，形成水泥石的強度其中的氫氧鈣石部分不對水泥石強度有貢獻相反，氫氧鈣石會與酸性物質發生反應，形成容易被腐蝕的CaCO3解決的出發點是降低水泥中氫氧鈣石的含量PermaSet

體系與API體系抗酸性對比壓碎的水泥塊200F/3000psi條件下暴露于CO