高温高压防气窜固井技术油气工程.docx

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高温高压防气窜固井技术油气工程

本科生毕业设计（论文）

题目：

高温高压防气窜固井技术

学生姓名：

杨国斌

系别：

油气工程学院

专业年级：

2011级石油工程专业

指导教师：

孙肖

2015年4月3日

摘要

高温高压固井的特点是要面对复杂的地质情况和多变的地层压力体系，需要解决水泥浆的抗高温性能、稳定性能，尤其是防窜性能等具体问题。

要提高高压气井的固井质量需要设计合理的液柱结构确保压稳,应用具有良好防气窜能力的高密度水泥浆体系,并采取合理的固井工艺。

通过采用Gaudin-schutzmann粒度分布方程来优化高密度水泥浆体系的粒度分布,使其达到紧密堆积状态；因此，对水泥浆的综合性能和防窜性能要求很高。

性能优良的水泥浆是保证固井质量的关键因素，水泥环空气体窜槽对油气田开发将造成非常严重的后果，一旦气窜发生，即使花费大量的人力物力进行挤水泥，也难于修复到未气窜的封固状态。

因此，优选有效的防气窜添加剂，研制性能良好的防窜水泥浆就显得十分重要。

关键词：

高温高压；防气窜；固井技术；研究

ABSTRACT

Thecharacteristicsofhightemperatureandhighpressurecementingisfacingcomplicatedgeologyandvariedformationpressuresystem,andneedtosolvetheslurryofhightemperatureresistance,stableperformance,especiallythespecificproblemssuchasantichannelingperformance.Toimprovethecementingqualityofhighpressuregaswellneedtodesignthereasonablestructureofliquidcolumntoensurethatthevoltagestability,anti-gaschannelingapplicationhasagoodabilityofhighdensitycementslurrysystem,andadoptreasonablecementingtechnology.ByadoptingGaudin-schutzmannsizedistributionequationtooptimizetheparticlesizedistributionofhighdensitycementslurrysystem,totheclosepackingcondition;Therefore,forthecomprehensiveperformanceofcementslurryandthehighperformancerequirements.Goodperformanceofcementslurryisakeyfactortoensurethequalityofwellcementation,cementchannelingairringbodyforoilandgasfielddevelopmentwillbeveryseriousconsequences,oncethegaschannelingoccurs,evenifspendalotofmanpowermaterialresourcestosqueeze,alsodifficulttorepairtogaschannelingcementingstatus.Optimizinganti-gaschannelingeffectiveadditives,therefore,todevelopgoodperformanceoftheslurryisveryimportant.

Keywords:

Hightemperatureandhighpressure;Gaschannelingprevention;Thecementingtechnology;Research

第一章绪论

1.高温高压防气窜固井技术的意义

随着经济快速、稳定、健康的发展，高温高压防气窜固井技术需要很大方面的研究，固井工程中要求水泥浆具有良好的动态特性和静态特性。

动态特性主要包括水泥浆的稠度、稠化时间和流变性能等指标，而静态特性则主要包括水泥浆的凝固特性、稳定性、防气窜和抗压强度性能等指标。

前者是保证注水泥施工安全和均匀驱替环空泥浆的主要因素，后者则是保证水泥浆凝固质量和密封质量的主要因素。

通过不同特性的水泥浆外加剂和外掺料，调节出适合于井下情况的优质综合性能的水泥浆，是研究水泥浆类型和性能的主要目标。

水泥浆在凝固过程中出现失重现象是自然而不可避免的，但并不是有失重现象就一定有气体的上窜，相对而言在高压气井中发生气窜的现象比一般气井要多得多．危险性能也大得多。

在注水泥结束后．由于水泥浆胶凝，水泥浆在由液态转化为固态过程中，水泥浆难以保持对气层的压力或由于水泥浆窜槽等原因造成水泥浆胶结质量不好，气层气体窜入水泥石基体或沿水泥与套管或水泥与井壁之间间隙中造成层问互窜甚至窜入井口。

固井后如何防止环空气窜是气井固井中最重要的技术难题，固井后发生环空气窜直接影响到油气测试．生产及后续作业，其主要危害包括：

（1）环空气窜破坏了套管和地层之间水泥环的整体性，造成水泥石强度降低．直接影响到水泥石胶结质量。

（2）环空气窜导致层问窜流．高压层流体必然要窜入低压层．直接影响油气层的测试评价，污染油气层，降低油气采收率。

（3）环空气窜对油田开发后续作业如注水．酸化压裂和分层开采等造成很大影响。

（4）环空气窜严重时可在井口冒油、冒气。

甚至造成固井后井喷事故，导致全井报废。

（5）环空气窜发生后．即使采用挤水泥等补救工艺也很难奏效。

因此，优选有效的防气窜添加剂，研制性能良好的防窜水泥浆就显得十分重要。

2.高温高压防气窜固井技术的研究现状

为了提高固井质量。

国内外固井工作者研制出了上百种油井水泥外加剂．这些外加剂的应用改善了水泥浆及水泥石的性能。

从而提高了固井质量。

油井水泥外加剂根据其性能和用途的不同大致分为以下几类：

促凝剂（早强剂）、缓凝剂、分散剂、降失水剂、防窜剂、消泡剂、减轻剂、加重剂和石英砂。

减轻剂、加重剂和石英砂一般被认为是水泥的外掺料，而不是外加剂，但从广义上定义仍属于外加剂的范畴。

其中用量最大的主要有三类：

降失水剂、调凝剂和分散剂，称“油井水泥三大剂”，几乎所有优质水泥浆体系中都包括这三大组分，应该说明的是这些外加剂一般都是复合使用的，单一使用难以获得综合性能优良的水泥浆。

高温高压油气井井底压力和温度很高，必须仔细评估固井作业的所有方面并发展新的设备、工艺和材料。

近年来，国内对于在东海油田进行了具体情况分析，经研究表明，在低于水泥石强度衰退临界温度的条件下添加硅粉不利于提高水泥石的强度。

并且该地区四开固井环空水泥浆返高要求在尾管悬挂器以上，留有上水泥塞因此，上部水泥浆应有足够的稠化时间，确保施工安全。

因此．东海油气田采用非渗透防气窜固井水泥浆体系。

对于国外就如何在高温高压油田开发过程中不断提高水泥浆性能、优化注水泥过程和降低固井风险，进行了大量的投资和试验，也取得了一定的进展。

3.研究内容

本文的研究内容主要为:

（1）对高温高压地层固井注水泥后环空窜流预测方法的研究

（2）对高温超压地层固井防止环空气体窜流技术的研究

（3）对防气窜水泥浆研究，包括柔性水泥浆，高密度高性能水泥浆体系，调凝剂，水泥浆分散剂和消泡剂等。

（4）实例应用及开发效果预测。

针对某区块的具体地质特征和开发指标，对本

区块设计不同的技术方案，进行数值模拟研究，并进行效果对比。

第二章高温超压地层固井防止环空气体窜流技术

1.高压气井固井后环空气窜产生原因和危害

固井后环空气窜是指在注水泥结束后．由于水泥浆胶凝，水泥浆在由液态转化为固态过程中，水泥浆难以保持对气层的压力或由于水泥浆窜槽等原因造成水泥浆胶结质量不好，气层气体窜入水泥石基体或沿水泥与套管或水泥与井壁之间间隙中造成层问互窜甚至窜入井口。

固井后如何防止环空气窜是气井固井中最重要的技术难题固井后发生环空气窜直接影响到油气测试．生产及后续作业，其主要危害包括：

（1）环空气窜破坏了套管和地层之间水泥环的整体性，造成水泥石强度降低．直接影响到水泥石胶结质量。

（2）环空气窜导致层问窜流．高压层流体必然要窜入低压层．直接

影响油气层的测试评价，污染油气层，降低油气采收率。

（3）环空气窜对油田开发后续作业如注水．酸化压裂和分层开采等造成很大影响。

（4）环空气窜严重时可在井口冒油、冒气。

甚至造成固井后井喷事故，导致全井报废。

（5）环空气窜发生后．即使采用挤水泥等补救工艺也很难奏效。

2.防气窜固井工艺技术

水泥浆在凝固过程中出现失重现象是自然而不可避免的，但并不是有失重现象就一定有气体的上窜，相对而言在高压气井中发生气窜的现象比一般气井要多得多．危险性能也大得多。

针对气窜发生的原因，根据室内研究和总结现场应用经验．提出如下防气窜技术措施：

（1）减轻水泥浆失重的影响：

采用双级注水泥。

减少水泥浆柱长度。

从而减少由胶凝强度引起的压力损失。

采用多凝水泥固井。

一般采用双凝水泥浆．第一段水泥浆超过气层顶界50-100m．使其先凝．发生失重仅在这段水泥浆柱形成，但第二段水泥浆还未达到初凝．这时整个环空液柱压力大干气层压力．保证压稳气层。

当上部缓凝水泥浆的有效压力低于气层压力时．下部速凝水泥浆的内部结构力就已增长到足以抵抗油气入侵的强度了。

（2）增加环空过平衡压力。

通过提高钻井液或水泥浆的密度．或注水泥后在环空加回压等技术措施．可以增加初始过平衡压力。

（3）提高两个界面胶结质量：

一是要提高顶替效率．这是最重要的技术措施之一。

如活动套管．紊流顶替，增大钻井液、隔离液和水泥浆的密度差等二是使用膨胀剂。

（4）根据固井水泥浆密度要求选择合理的水泥浆体系和筛选合理的水泥外加剂。

降低水泥浆的失水和游离水，可以减少环空水泥浆的体积损失，也就减少了环空桥堵．防止产生水槽和水带。

（5）采用套管外封隔器。

套管外封隔器能随套管下入井中，碰压后，蹩一定压力，使封隔器胶皮膨胀，对环形空间进行密封，隔绝了油气外窜。

（6）尾管悬挂工艺解决深井固井难题。

针对目的层埋藏深，下入套管长．套管负荷重，强度安全不能满足的难点，采用尾管悬挂固井工艺。

（7）处理好钻井液性能，使其性能符合固井施工要求．保持钻井液液柱压力与地层压力相对平衡，保证在施工过程中钻井液和水泥浆液柱压力必须压稳油气水层．不发生油气水窜和井漏。

（8）应用高效能的水泥浆混浆设备．确保注水泥施工连续，水泥浆密度均匀．排量符合设计，确保入井水泥浆形成高质量的水泥

石．提高固井质量。

3.使用防窜水泥浆体系

设计水泥浆性能．使其具有防气窜的特性。

在高温超压井中，地层的压力大，水泥浆密度高，其失重后造成的压力差将增大，压差可由下式计算：

式中：

一一地层与环空压力差，MPa

一一水泥浆密度，

h一一水泥浆封固段长度，m。

如果水泥浆密度为2.20

，水泥浆封固段长度为500m（尾管），则由于水泥浆失重造成的地层压力与环空压力差将能达到6MPa，如果水泥浆封固段长度为1500m，则压差将达到18MPa，这样对于水泥浆体系就提出了严格的要求，即在这个压差下，水泥浆内部的结构阻力能有效的阻止气体的窜入。

水泥浆通过凝结期间增大的结构阻力来阻止在大压差下的气窜，是很困难的。

因此，在高温超压井中，要达到水泥浆体系有效防窜的目的，应想办法减小气窜压差，这就是要防止水泥浆失重，即要采用双作用防窜水泥浆体系。

4.设计合理的环空浆柱结构

使用双作用防窜水泥浆体系可直接控制水泥浆失重，降低气窜压差，从而达到防窜的目的，但如果水泥浆体系不能达到这一效果，就必须考虑采用尽可能的方法来降低气窜压差。

具体方法如下：

①控制水泥浆的封固段长度

控制水泥浆的封固段长度对降低气窜压差有直接作用，封固段长度小一倍，则气窜压差降低一半。

因此，在工程与地质允许的条件下，应尽量降低水泥浆封固段长度，或使用双级固井方法。

②使用双凝或三凝水泥浆结构使用双凝水泥浆结构

可有效降低水泥浆失重的速度，但如何设计使用双凝水泥浆结构，则需根据对水泥浆体系的失重规律分析合理的分配其凝结时间的差别。

根据大量的实验研究分析可知．水泥浆一般失重至水柱压力的时间为水泥浆初凝时间的0.7倍，如果在设计前能测到具体水泥浆体系的失重性能，则设计将更为合理。

使用双凝水泥浆结构后，其水泥浆失重后的气窜压力表达式为；

式中：

一一地层与环空压力差，MPa；

一一水泥浆密度，

；

一一水泥浆封固段长度，m。

一一速凝水泥浆长度，m；

一一缓凝水泥浆初凝时间，min,

一一速凝水泥浆初凝时间，min。

通过上式可以看出，要降低水泥浆失重后造成的气窜压差，可以增大缓凝水泥浆与速凝水泥浆的初凝时间差和增大缓凝水泥浆与速凝水泥浆的长度差。

5.粒度优化

提高水泥浆密度的主要途径是削减充填水和提高加重材料与水泥的比例。

但是配浆水不能无限度减少，而增加加重材料比例，如果颗粒选型不适当会造成水泥浆增稠或沉降。

笔者认为，利用颗粒级配原理，提高系统的堆积密度，使水泥干混物的堆积体积分数（PVF）最大，便可设计出高性能的加重水泥浆。

水泥和加重剂的混合物可以看成是连续尺寸颗粒的堆积，分析不同的粉体堆积模式，认为可以借鉴Gaudin-schutzmann粒度分布方程来进行加重水泥浆体系的紧密堆积设计。

y一100（D／Dl）”

（1）式中，y为小于粒径D的累积体积分数，％；Dl为颗粒中的最大粒径，pm；m为模型参数，研究表明，m在0．3～O．5时有最佳的堆积如果水泥与铁矿粉的混合物中颗粒最大粒径为300肛m，最小粒径为5pm，带入式

（1）中可计算出最优的粒度分布。

6.加重材料优选

水泥浆加重剂的选择范围不是很广，最常用的有钛铁矿石、赤铁矿石和重晶石等。

表1给出了它们的物理性能及一般能达到的水泥浆密度。

加重剂外观对水泥浆的影响可配置水泥浆密度kg/L

重石精粉白色粉末需水量大，增稠2.28

赤铁矿粉暗红色粉末需水量小，稍增稠2.60

钛铁矿粉黑色细粒需水量较小2.40

Micromax棕红色粉末不增加需水量，无沉淀稳定2.80

问题，有适当减阻效果

由表1可以看出，Micromax是比较理想的加重材料[6]。

Micromax是锰铁合金生产中的副产品，为球形颗粒，含氧化锰96％"--98％，密度4.9kg/L，粒径为0.1～10.0mm，大部分粒子的粒径集中在0.5～L0肚m之间，比表面积约为3.0m2/g，因此在水泥浆中悬浮性能好，浆体稳定，而且可以混配于水中而不沉降，还有助于控制失水和强度的发展，并保持良好的流动性能。

但是Micromax价格非常昂贵，货源也不甚充分，很难推广应用。

因此，通过对比分析，认为赤铁矿粉是比较理想的加重材料。

室内优选了不同粒径、密度5.0kg/L的赤铁矿粉作为加重材料，粒径有74、25、15和10ptm。

7.防气窜外加剂优选

由于常规防窜剂自身耐温性能所决定，在井温高于1lo℃的情况下水泥浆存在着失水量比较大的缺点。

因此，为满足南方海相地区高温高压气井固井的需求，优选了FSAM—J防气窜外加剂。

该外加剂是一种新型预胶联的液态成膜防气窜降失水剂，是将线型PVA分子与引发剂通过化学反应制成的具有一定立体网状结构和较高相对分子量的产品。

FSAM-J防气窜剂降低滤失量和防气窜的主要机理不是增粘作用，而是通过初期瞬间滤失，使聚合物浓度急剧升高，并通过交联作用在滤饼下面的滤失层表面形成一层有一定韧性的完整致密聚合物膜，这种膜对液体和气体的渗透率非常小，不仅具有优异的降滤失作用，而且可以有效阻止气窜。

FSAM-J防气窜剂具有良好的抗高温能力，滤失膜在120℃时仍稳定不变，滤失量不显著增大。

由于该防气窜剂已是预胶联的产品，所以现场施工时不需要加入胶联剂的预水化过程，简化了现场水泥浆配制过程，避免了胶联剂敏感性的影响。

8.采用合理的固井工艺措施

在固井施工中采用措施，弥补环空压力下降的有效方法为固井完成后环空关井加回压。

如不能加压，也必须关闭环空，使得环空密闭，造成地层流体因环空充满流体而不易流入环空。

井口加压的大小可按水泥浆到水柱后的环空液柱压力与地层压力的差来计算。

其加压过程选择在水泥浆侯凝60min内进行。

具体加压方法如下：

①作近似的水泥浆失重曲线；

②计算水泥浆从原始压力降至水柱压力的失重速率；

③计算环空加压在15、30、45、60min时的加压值。

第三章新型分段气窜预测模型及水泥浆类型

国内外的多种气窜预测模式基本把环空水泥浆液柱当成一个整体，但事实情况并非如此，封固段上下有一定的温差，水泥浆的水化速度不一样，一般来说自上而下水泥浆水化速度随温度的增加而越来越快，不同深度的水泥浆静胶凝强度发展不同，产生的压力损失不同。

基于这种考虑，笔者提出对水泥浆进行分段分析，根据不同井段水泥浆的水化状态，来计算静胶凝强度发展的临界值，然后计算各段的静液压力损失，累积后计算水泥浆液柱对气层的压稳系数，称之为新型分段气窜预测模型。

该预测模型能够比较真实地预测固井后环空气窜的危险性，从而指导防气窜固井压稳设计，避免盲目过压稳或欠压稳。

1.基本条件

在水泥浆胶凝失重理论的基础上，针对南方海相地区固井工程的特点，制定了气窜预测的基本条件和压稳设计的基本条件：

1）环空液柱当量密度小于地层的破裂压力或最低漏失压力当量密度；

2）采用双凝水泥浆，尾浆的静胶凝强度在达到240Pa时的环空液柱压力与气层压力比

1。

3）水泥浆性能设计时，要发挥领浆的压稳作用，使尾浆与领浆的静胶凝强度呈阶梯状发展，即尾浆的静胶凝强度在达到240Pa时，领浆的静胶凝强度要小于48Pa，因为水泥浆静胶凝强度在48～240Pa之间的过渡期内发生气窜的危险性最大；

2.计算方法

2.1领浆最大失重Pls

上述气窜预测和压稳设计基本条件中要求，尾浆的静胶凝强度在达到240Pa时，领浆的静胶凝强度要小于48Pa，所以计时按领浆的许可最大值48Pa计算失重压力。

故有:

（4）

式中Pls为领奖最大失重，MPa；Dn为井眼直径，mm；Dp为套管外径，mm；Lc1，为领浆长度，m.

2.2尾浆最大失重Pts

同上，尾浆静胶凝强度按240Pa计算失重压力，故：

（5）

式中，Pls为尾浆最大失重，MPa；Lc2为尾浆长度，m。

但是，水泥液柱失重后最低当量液柱压力是静水压力，所以当式（5）计算的失重压力大于该段水泥浆的最初液柱压力时，失重压力以最初的液柱压力与静水压力之差来计算。

即：

（6）

式中,Pc2为水泥浆尾浆密度；kg/L；ρw为水的密度，kg/L。

2.3最终环空液柱压力Pfc

最终环空液柱压力即为初始环空液柱压力（钻井液柱和水泥液柱压力之和）与水泥浆液柱失重压力的差值，即：

（7）

式中，Pc1为领浆密度，kg/L；ρm为钻井液密度，kg/L；Lm为钻井液长度，m。

3.防气窜水泥浆

气窜必须具备两个基本条件：

一是要有通道，二是地层压力要大于环空有效液柱压力与通道流动阻力之和。

因此，防气窜的关键是当有效静液柱压力下降到地层压力时，建立起足够的通道流动阻力并快速关闭通道。

3.1防气窜水泥浆的设计

3.1.1防气窜控制与失水控制

从现有的添加剂使用情况来看，胶乳在高温下的降失水性能最为稳定，且具有颗粒堵塞孔隙通道和化学收缩小的防气窜功能，冷浆与热浆稠度变化不大等优点，因此，它通常作为高温高密度防气窜水泥浆的主剂。

由于胶乳的悬浮能力偏弱，所以，它常常还要和某些增稠的降失水剂配合使用。

由于深气井固井施工安全系数要求大、水泥浆密度控制要求严格等特点，一般不推荐使用触变水泥和泡沫水泥，而建议使用胶乳水泥浆。

设计胶乳水泥浆配方时，要调整好胶乳与胶乳稳定剂之间的比例，并选用与之匹配的缓凝剂，使得水泥浆的过渡时间小于30分钟，以增强防气窜能力。

如果GFP接近8，则在胶乳水泥中添加高温膨胀剂，既补偿因胶凝强度发展造成的孔隙压力损失，又减少包括泥浆通道和水泥孔隙通道在内的通道截面面积，达到防气窜的目的。

此外，所有的外掺料都粗细搭配，有利于水泥颗粒堆积得更加致密，因而也有利于防气窜。

3.1.2稠化时间控制

温度是影响水泥浆稠化时间的关键因素，因此，一定要弄准井底温度。

所选的缓凝剂既要耐井底高温，又要防止长封固段水泥浆顶部因温度低出现超缓凝现象，还要避免使用对温度和加量变化太敏感的缓凝剂。

通常的做法是：

同时使用两种不同类型的缓凝剂，达到提高抗高温性能，减少缓凝剂用量的目的。

据HALLIBURTON公司介绍，非木质素磺酸盐缓凝剂SCR-100L对长封固段大温差条件下水泥浆的凝固特性影响较小。

3.1.3水泥浆密度与混浆稠度控制

用于高压气层固井的水泥浆密度通常在2.3g/cm3以上。

要获得好的水泥浆混浆稠度，常用的加重剂有325目（45μm）左右、密度5.0-5.2g/cm3的赤铁矿粉和5μm左右、密度4.9g/cm3的超细锰矿粉。

两者按一定配比使用，通过调整它们的比例及加重剂总量与水泥的比例，使得水泥浆既有较高的密度，又有较低的配浆稠度。

为降低加重剂与水泥的比例，达到在相同配浆稠度下提高水泥石抗压强度的目的，通常在水泥浆中需加入适量的分散剂。

3.1.4沉降稳定性控制

水泥浆中的加重材料容易引起水泥浆沉淀。

要想水泥浆在井底循环温度下有足够的悬浮加重材料颗粒的能力，就必须在配浆稠度允许的情况下尽量提高颗粒较细的外掺料的比例，同时尽量避免使用冷浆稠度高、热浆稠度低的添加剂。

3.1.5防强度衰退

控制常规水泥石在温度超过110℃时会发生强度衰退。

防强度衰退的最简单方法是在水泥中掺入30%-40%（BWOC）的硅粉。

据有关资料介绍，如果硅粉的有效掺量小于30%,水泥石的强度比不加硅粉的更差。

高温高密度水泥浆通常掺入总量为35%-40%的硅粉，100目的粗硅粉和200目的细硅粉按适当比例使用。

3.2防气窜高密度水泥浆的的配方和性能

根据高压气井固井对高密度水泥浆性能的要求和防窜水泥浆的设计对性能控制方法，本文经过大量的优选实验，获得了高密度防窜水泥浆的典型配方见表1，表2是其相应性能。

由表1和表2可知，以Halliburton或Dowell公司的外加剂和外掺料设计的高密度水泥浆体系，其综合性能满足要求。

3.3高密度水泥浆的防窜性能评价

水泥浆的实际防气窜能力，可用水泥浆被顶替就位后凝结过程中的实测当量密度表示。

水泥浆被顶替到位后凝结不同时刻的有效当量密度（指实测气侵的最小压力当量密度）如表3。

从表3可知，水泥浆不同时刻的有效当量密度都接近或大于水泥浆的原始密度。

如水泥浆的原始密度能满足防气窜的要求，则所研究的水泥浆体系在凝结过程中不会因为失重而发生气侵。

高密度水泥浆，虽然其失重较快，但阻力增加也较大，凝结不同时刻的有效当量密度要比一般密度水泥浆大。

因此，适当增加水泥浆的密度，有利于防止水泥浆凝结过程中的气窜问题。

另一方面，水泥浆凝固60分钟左右，是气侵最易发生的时