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油气井注水泥基础知识

2020-08-24 06:36 作者:金沙电玩城 点击:

  培训资料 油气井注水泥基础知识 姚 晓 南京工业大学 2000年10月 99—9—24 1 目录 一、质量要求———————————————————3 二、主要质量问题—————————————————4 三、提高固井质量技术要求—————————————5 四、水泥浆设计的系统工程概念———————————6 五、水泥浆设计的约束条件—————————————9 六、固井作业对水泥浆的基本要求——————————11 七、主要工程性能参数———————————————13 八、主要设计内容、依据、要求———————————15 九、水泥浆性能参数与固井作业关系—————————20 十、水泥浆设计影响因素——————————————31 十一、外加剂的使用————————————————40 2 常用井身结构 ■20?套管(100m)、133/8?套管 (1800m)封固上部松散地层 ■95/8?套管(4650-5050m)见膏泥 岩下,封固上部低压地层 ■7?套管(5695-5750m),封固 复合盐岩层 ■5?套管(5860-6000m)封固下 第三系低砂岩、白垩系和侏罗 系 3 质量要求 满足开 采工艺, 延长生 产寿命 支撑保 护套管 目的 ?层间隔绝,密封,无窜流 ?符合返高设计 ?足够的强度与耐腐蚀能力 4 主要质量问题 ?1.平衡失控——漏失与窜流 ?2.置换不彻底,顶替不完全——窜槽 ?3.腐蚀性体流体侵蚀——应力开裂,热应力崩溃 5 提高固井质量技术要求 ? 1.居中、替净、压稳、封严 ? 2.完善的水泥浆设计(体系、性能、浆柱结构) ? 3.科学化注水泥设计(作业计划与合理施工参数) ? 4.过程控制与系统优化(材质、装备、监控、评价、反馈) 6 水泥浆设计的系统工程概念 ?矿场生产关系 钻 井 眼 评 价 测 井 下 套 管 注 水 泥 质 量 评 价 后 续 作 业 用户控制 (独立) 服务公司 (独立) 测井公司控制 (独立) 独立控制方式很难保证固进质量 7 例:A .与表层套管注水泥质量有关的补救费用(美.海洋钻井) 问 题 返 高 不 足 管 鞋 出 水 顶 替 窜 槽 气 窜 出现几率 补救费用 修补作业费用 % $ $ 35 25 5 5 5600 26100 3000 25900 9930 1960 6525 150 1295 单井修补费用 8 例:B.补救作业成本与基本注水泥作业费用关系(同上) 基本作业费 补救作业费 补救基本费用 作业类型 % $ $ 表层固井 技套固井 尾管固井 产层固井 18100 52200 22200 23800 9930 7600 26600 19900 55 15 120 84 9 水泥浆设计的约束条件 ?1.油藏特性要求 ? (气、水、油流体性质,裸眼、射孔、筛选完井方式, 酸化、压裂、聚合物驱、注水、热采开发方式的要求,主 要体现在尾浆性能要求方面) ?2.地质条件限制 ? (岩性、井深、井温、地层压力、孔隙压力、漏失压力、 坍塌压力、地层水气等腐蚀性介质类型、钻井液条件—— 主要体现在体系选型、结构和设计条件方面) 10 水泥浆设计的约束条件 ?3.工艺条件可行性 ? 井眼几何尺寸、注水泥作业工艺方法、地面施工装备、 配制手段、水泥浆混配条件、方式、密度控制能力、钻井 液特性及处理能力、施工队伍素质、监控与事后评价技术 主要体现在环空流体组成结构和性能要求方面 ?4.成本限制 ? 陆地海洋钻机租用资金占用及比例投资回报率及收回 周期 ?5.地区矿业开采法规 ? 主要是对井下水资源保护和海洋环保的要求 11 固井作业对水泥浆的基本要求 ? 1.配制与注替过程中,保持可控的流动能力 ? 2.井下温度、压力条件下,保持足够可泵时间和体系稳定性 ? 3.静止后快速凝固并保持体积不变 ? 4.凝固水泥石强度高、致密性好、抗腐蚀性强 ? 5.有一定塑性、抵抗射孔震动和冲击 12 主要工程性能参数 ?1.旧标准:(GB-206-78) ?密 度: g/cm3 ?流 动 度: cm ?凝结时间:h:min 初凝 终凝 ?抗折强度: MPa 13 主要工程性能参数 ?2.API规范(API spec.10) 密度:g/cm3 析水率:% 自由水含量 流变性:τ γ 曲线 动态平衡 体系稳定性 液态 泵压排量及顶替流态 设计性能波动 安全施工 失水量:ml/30min.7MPa 稠化时间(T.T):h:min 14 主要工程性能参数 对套管保护能力 ?抗压强度 MPa ? 渗透率 md 固态 耐久性 封隔能力 测井响应 15 主要设计内容、依据、要求 ?注水泥设计内容 ?设计条件的确定(井温、压力、井眼几何尺 寸) ?水泥浆容积计算(返高、段长、充填量、灰 量、水量、造浆率) ?顶替液量(阻流环位,套内容积) ?施工压力、排量及平衡校核(液体流变性、 顶替流态、排量、压耗、井口压力) ?作业时间与设备配置要求及注替顺序 ?水泥浆配方(外掺料、外加剂、工程性能参 数指标) 16 主要设计内容、依据、要求 ?设计依据 ?API规范(材质要求、试验手段与方法,标 准测试项目) :Specification ?公告 :Bulletin ?推荐方法 :Recommended Practice ?规范 ISO-9001 17 主要设计内容、依据、要求 ?压力资料 ?由测井方法,试油作业,开发测试,钻井液使用 等获得的孔隙压力 ?由破压预测、漏失试验、钻井液使用获得的破裂 或漏失压力 ?由钻井液使用、井壁稳定性观察、岩性实验获得 的坍塌压力 18 主要设计内容、依据、要求 ?温度资料 ?API规范表及计算公式 ?实测完钻,开发井温度及井底温度 ?地区经验 ?计算机模拟器 19 主要设计内容、依据、要求 ?外加剂资料与使用规则 ?保持水泥浆的基本物理性能,达到需改善的性能指标, 外加剂间具有良好配伍性; ?设计的水灰比下,体系不发生离析与沉降 ?初始稠度控制在30BC内; ?具有干混/湿混能力,干混在规定储存期内不失效;湿 混易溶于水,不产生气泡,陈化混合液体对设计性能无 明显影响 ?有一定加量可控范围,加入量,浓度波动,处理效能不 与设计方向相反; ?指明适应水泥级别,成本合理; ?对人身环境无毒害,不腐蚀套管 20 水泥浆性能参数与固井作业关系 ?密度 ?地层压力--平衡防漏与防窜 Eρ c- Eρ m≥0.24CM3 ?固化强度--支撑保护套管能力剪切固结强度 (公认标准)增产措施有效程度、水力固结强 度(非标准指标) ?致密性--层间隔绝能力≤0.1*10μ m2 ?外观收缩程度--声波测井胶结指数10cm ?用水量与稳定性--固相体积分数 0.35~0.8 21 例: 水泥级别 A` B C 0.56 1.78 0.362 D 0.38 1.98 0.45 E 0.38 1.98 0.46 F 0.38 1.98 0.46 G 0.44 1.90 0.42 H 0.38 1.98 0.46 水 灰 比 0.46 0.46 密 度 1.88 1.88 0.41 体积分数 0.41 造 浆 率 0.778 0.778 0.878 0.698 0.698 0.698 0.758 0.698 ?核心要求:体系聚结稳定性浆体体积=凝固体积 ?调控原则:在规定水灰比下合理加入加重减轻材 料及外加剂 22 水泥浆性能参数与固井作业关系 ?流变性 ? 顶替流态要求--达到设计流态下的临界排量 ? 降低循环压耗--受地层承压能力限制的流动阻力, 泵注当量,循环密度 ? 地面施工密度控制--好的流变性使配浆更容易 ? 核心要求: ? 调控原则BHCT下无沉降现象 剪切速率下粘度计读值 23 水泥浆性能参数与固井作业关系 ?析水率 ? 体系悬浮稳定性--多相不稳定体系中固相受阻 沉降 V=2(ρ s-ρ w)g.ds2/9η ? 体系均匀程度--上、下密度差,水化反应前后体 积差别回落程度 ? 强度一致性--整体水泥柱的支撑与卸载能力 ? 内部缺陷--测井声波响应一致性 ? 核心要求BP沉降系数≤1%或K ≤1.4% ? 调控原则:增大液相粘度,增大固相比表面,合理 外掺料粒度级配 24 水泥浆性能参数与固井作业关系 ? 失水量 ? 控制过剩自由水--超过25%水泥重量的自由水在水泥浆中运移引起的 相态分离,凝固后的内部缺陷 ? 动、静滤失造成设计性能改变--液相损失,使原设计性能产生变化,流 变性变差,稠化时间缩短,顶替流态改变,安全可泵性降低 ? 水泥泥饼致密性变化--液相体积减少引起的回落高度,进入产层引起的 原始渗透率降低 ? 水泥变形--形成进入地层缝隙的水泥浆,影响挤水效果 ? 核心要求:100——150/30min.7MPa保持必要流变性 ? 调控原则与减阻剂或非增粘缓凝剂配伍使用,改善颗粒级配,形成表面护 胶膜 ,依靠惰性材料合理级配堵孔,利用比表面电性吸附自由水 25 水泥浆性能参数与固井作业关系 ?稠化时间 ? BHCT下可泵性变化--安全可泵长短,作业安全性因子1-2个 小时 ? 油井水泥质量--净水泥浆基本物理性能是否符合要求 ? 外加剂影响与可靠性--单独或复配使用加量,浓度范围,单 调性与反向异常检验 ? 配方合理性检验--曲线规整度反映水化特性优劣 ? 核心要求:过渡时间 ≤30分钟,厂字型或直角稠化 ? 调控原则:按套管、尾管挤水泥规程、确定升温速率,BHCT尽 可能接近作业条件,BHP按泥浆压力梯度与压耗梯度总和计算。 26 水泥浆性能参数与固井作业关系 ? 抗压强度 ? 加固套管柱的支撑载荷能力--降低轴向载荷 ,提高径向承 载能力 ? 钻进与射孔时保护套管--高强度与适当韧性吸收振动冲击 能量 ? 压裂时限制压力区域扩展-- 使压裂能量在环空中损失减小, 提高压裂效能 ? 测井声波传播速度--高强度,使声波反射能减小,衰减率 大,测井响应好 ? 核心要求:规定WOC时间内,抗压强度≥11MPa ? 调控原则:准确确定顶界BHCT,合理使用早强剂和缓凝剂 27 例:抗压强度0.35MPa时支撑能力(每米水泥环) 套管外径 ( ″ ) 51/2 7 75/8 85/8 95/8 103/4 113/8 63 ~ 95 198 130 117 103 85 82 悬挂长度 ~ ~ ~ ~ ~ ~ m 325 228 190 163 141 141 28 水泥浆性能参数与固井作业关系 ?渗透率 ? 致密率-- 渗流能力(服从达西定律),限制流体通过能力 ? 孔隙封闭程度--抗渗透,抗浸湿特性,提高抗腐蚀能力 ? 核心要求:1.4MPa,不渗透 ? 调控原则:降低用水量,总化学收缩量,使用超细堵孔材料 29 水泥浆性能参数与固井作业关系 ?配方设计程序 井场水泥 井场外加剂 核实密度 不 满 足 流变性要求 井场水 紊流顶替PV50MPa.S.YP1MPa 低速顶替- 析水要求 满足 失水控制要求 稠化时间要求 抗压强度要求 PV100MPa.S.YP10~15Pa 30 水泥浆性能参数与固井作业关系 ?体系组成结构 ?冲洗液+领浆+尾浆+压塞液 31 水泥浆设计影响因素 ?固井水泥浆设计 设计计划 目 的 要 求 井 眼 条 件 作 业 类 型 体 系 基 材 选 择 注 替 计 划 各部分相 互关连, 影响 设计方案 对最终结 果影响 (好的计 划是成功 前提)的 决定作用 配 方 设 计 设备选择与施工计划 32 水泥浆设计影响因素 ?施工计划的科学依据 井眼条件 岩性井深 致 密 性 —— 失 水 完 整 性 —— 诱 裂 流 体 特 性 腐 蚀 敏 感 性 储 层 —— 保 护 压 孔 隙 压 力 —— 防 窜 力 漏 失 压 力 —— 防 漏 地 应 力 特 征 — 防 套 管 变 形 温 静 止 温 度 —— 热 稳 定 度 循 环 温 度 —— 安 全 可 泵 段 长 温 差 — 侯 凝 时 间 与 强 度 泥浆特性 安 全 窗 口 — 水 泥 浆 密 度 与 浆 柱 结 构 再 处 理 能 — 力 顶 替 要 求 井 壁 稳 定 性 密 度 与 失 水 控 制 范 33 围 井 底 净 化 — 流 变 性 可 调 范 围 —— 水泥浆设计影响因素 ?井眼条件(井深与井温):决定水泥选型 (级别、特性) ?岩性与压力:决定体系特征要求(密度、外 掺料选择) ?压力与温度:决定设计实验参数,决定性能 要求 34 水泥浆设计影响因素 体系基材选择 低 密 度 高 密 度 防 赛 璐 珞 漏 特殊需求 酸 热 防 防 油 层 保 溶 稳 腐 窜 护 矿 膨 硅 硬 珍 微 微 重 赤 钛 方 重 润 藻 沥 珠 晶 铁 铁 铅 质 渣 土 土 青 岩 珠 硅 石 矿 矿 矿 盐 柴 石 纤 油 般 土 膏 维 各种外掺料配成不同体系 各体系中外掺料有最佳配比要求 触 外掺料合理搭配可提供最优性能 合理使用外掺料可降低成本 外掺料物化性能与外加剂使用密切 相关 外掺料理化性能需严格控制 变 石 硅 树 脂 材 灰 石 料 气 暂 密 堵 材 料 材 35 水泥浆设计影响因素 注替计划 浆柱结构 注替顺序 泵压排量 压力平衡控制 防污隔离控制 顶替流态要求 安全作业要求 36 水泥浆设计影响因素 设备要求 水源与水质 混配特点 混配能力 设备布置 泥浆供应 实时监控 湿混 干混 批混 连续 车组能力 均化能力 储存罐群 供水 车组配置 经常容量 密度 排量 压力 累计量 直接再循环 注替计划是作业指南 设计参数是施工依据 设备配置是计划实施保证 监控手段是反馈信息和改进设计依据 37 水泥浆设计影响因素 作业类型 套管注水泥 单级 分级 延迟 尾管注水泥 反循环 井底 注水泥塞 环空 套内 套内 钻井 裸眼 修井 挤水泥 开采 废弃井 作业目的与质量要求相关 质量要求与体系选型相关 体系选型与作业类型相关 38 水泥浆设计影响因素 目的要求 充填 (表层、技术) 返高保护 层间隔绝 (产层) 密封防窜 防腐热稳 复杂处理 (堵漏、侧钻、回填) 风险性 经济性 补救 (封窜、补高) 套管完整 性修井作业 单层与合层 39 水泥浆设计影响因素 配方设计 料 外 加 比 强 度 可 控 范 围 外 掺 配 稳 需 重 定 性 量 与 水 比 收 缩 剂 合 理实 验 择 条 件 合 理性 能 指 标 施工可行性 设备要求 选 减 调 降 失 阻 凝 水 密 自 流 失 稠 抗 湿 干 密 度 化 压 由 变 水 可 时 强 水 性 量 间 度 法 法 控 度 性 湿 配 能 力 BHP BHCT BHST 外掺料对凝固水泥石特性影响(强 度.致密性.均匀性) 外掺料对外加剂吸附降效影响(密 度波动引起可泵时间变化) 减轻料漂浮、增密影响,加重料沉 降影响 WOC 外加剂同性与化学配伍性 凝固水泥特性(段顶与段底强度) 混配结果对水泥浆可泵能力,密度 波动响应,可控波动能力影响 40 外加剂的使用 ?外加剂 <5%BWOC ?外掺料 ≥5%BWOC ?作用:以其物理特性、化学特性改变水 泥浆或凝固水泥石固有特性 41 外加剂的使用 ?减阻(分散减水增密) ?调凝( 促凝 、缓凝) ?降滤(降失水) ?比重调节(密度调节:加重减轻) 42 外加剂的使用 ?增强(热稳抗衰) ?防污 ?示踪(染色、萤光、放射) ?消泡(除泡、去泡、稳泡) ?特种(防窜、触变、延迟凝固、胶凝滞后) 43 外加剂的使用 ?使用须知 ?化学配伍性协调好 ?种类少 ?线 外加剂的使用 ?单调性强 ?温度范围适当 ?速溶 ?系列化 ?调节水泥浆主要性能,而对其它性能影响 不大 ?易于运输、存储、有效期长 ?性能、功能价格比合理 45 外加剂的使用 ?化学成份简述 ?减阻剂(有机物、聚合物) ?促凝剂(无机金属盐、有机物) ?缓凝剂(有机物、 无机物、 聚合物、 纤维素衍生 物) ?降滤失剂(有机物、聚合物、纤维素衍生物、有机聚 合物) ?密度调节剂,堵漏,增强(普通无机矿物) ?消泡(有机脂、醚、酸等) ?特种(复合有机、有机化合物) ?示踪(放射性元素、有机化学物) 46 外加剂的使用 ?减阻剂及其作用机理 ?功能:提高流动能力、降低摩阻、减少用水量 ?副作用:起泡降强(促强)、沉淀、缓凝、降 滤、提切 ?减阻剂作用机理简述 ?吸附-分散作用 ?湿润-润滑作用 ?减摩-助滑作用 ?改变颗粒级配,表面电化学特性,增大比表面, 极性结合,引力变斥力,电位差 47 外加剂的使用 ?减阻剂典型产品: ?萘及聚萘系:FDN,NF,UNF(芳香族化合物) ?M系:木钙,木钠(阴离子型) ?酮醛缩聚型:SXY,SAF,USZ,SZA ?替换物:SMC,SMK,SMT,SMP ?磺化(水溶) 48 外加剂的使用 ?减阻剂使用注意事项: ?加量: W/C=0.44-0.5, 0.1-0.5%为常规范围, 当加入惰性外掺料后,可适当提高加量 ?适用温度范围:90? C,SXY,FCLS,SMT等,上 一温度段降至下一温度段,均可起缓凝作用. ?析水控制 ?稠化曲线规整度 ?强度无损伤 49 外加剂的使用 ? 缓凝剂及其作用机理简述: ? 功用:延长可泵时间确保施工安全 ? 副作用:水质敏感性,降强,非单调性,加量指数变化,流变、降 滤失协调性与选择性 ? 作用机理:抑制水泥矿物组份水化速度,延缓结晶过程 ? 吸附理论:分子吸附于水化颗粒表面阻止水的接触形成屏蔽 层 ? 络合理论:分子与液相中Ca++离子螯合,阻碍晶核生成(夺电 子) ? 晶核毒化理论:分子吸附于最初生成的核晶表面,阻止晶体 连生,难于形成聚晶体 ? 沉淀理论:分子与Ca++和(OH) 离子作用,沉淀水化表面, 阻止水向胶体内部渗透,抑制水化。 50 外加剂的使用 ? 缓凝剂典型产品: ?部分带酸根的无机盐,羟基羧酸盐,有机磷酸盐,聚 多糖纤维素等:如硼酸、氧化锌、硫酸亚铁、重铬酸 钠等无机盐、洒石酸、柠檬酸、水扬酸等果酸, CMC、HEC、CMHEC,葡钠、葡钙、庶糖、葡萄糖 及其盐等。 ? 缓凝剂使用注意事项 ?单调性线性度好 ?耐温范围宽 ?对析水,流变性,强度无不良副作用 ?对降失水剂有宽的配伍选择性 51 外加剂的使用 ?降失水剂及其作用机理 ?功能:提高滤失控制能力,维护水泥浆设计性能不变, 保证施工安全,提高质量,有利于产层保护。 ?降失水剂作用机理简述 ?增大液相粘度: Q=KAP/μh(分子吸附,聚合) ?改善泥饼质量,降低滤饼渗透率(大分子吸附,缠绕, 级 配堵孔,粒子成膜) ?形成吸附性保水薄膜 ?改善颗粒级配,增大比面积和吸附量 52 外加剂的使用 ?降失水剂典型产品: ?无机类:膨润土、微粒硅、碳酸盐微粒(有 机物质沥表及树脂微粒) ?有机类:纤维素、聚胺物质、聚烯类、树脂 类、多元共聚物(AMPS)的液体及固体粉 末 53 外加剂的使用 ?降失水剂典型产品及研制单位 ?工程院 纤维素+惰性微粒 ?S27纤维素+阴离子活性剂 ?G60胶乳聚烯类+交联剂 ?G69 ?S24 ?西南院 ?XS系列:多元共聚物聚胺类 ?HS系列:纤维素改性接枝 ?LT系列:聚烯胶乳类 ?SZ系列:多元共聚物聚胺类、纤维素改性接、 聚烯胶乳类 54 外加剂的使用 ?降失水剂典型产品及研制单位 ?华北局 ?LW系列:纤维素复合物 ?MS系列:聚稀复合物 ?研究院 ?FC系列:共聚物类 ?FC系列:纤维素+惰性物料 ?B52 55 外加剂的使用 ?降失水剂典型产品及研制单位 ?新疆局 ?DS系列:纤维素与阴离子活性剂 ?胜利局、长庆局 ?HN、GJS系列:聚酰胺类 ?SK系列:聚酰胺类 ?四川局 ?CT系列:改性淀粉类 ?H系列: 氧基缩聚物改性 ?大庆局 ?PA系列:聚烯胶乳类 56 外加剂的使用 ?降失水剂典型产品 ?降失水剂配伍要求 ?纤维素类:阴离子活性剂如MG、Mna、FCLS、 无机酸、有机磷酸、Na2CO3 ?共聚物类:果酸 ?胶乳类:无机金属盐,Na2SO4、ZnO等 ?但注意安全协调性及水质、水泥粒度、及矿物成 份、配伍稀释顺序、缓凝剂化学特性在某一温度、 压力下的响应特性。 57 外加剂的使用 ?降失水剂典型产品 ?降失水剂使用注意事项 ?配伍性,离子浓度敏感性及配伍种类 ?速溶性,均匀度对温度及混配程度要求 ?浓度变化引起的性能差异 ?流动性及悬浮稳定性,早强影响程度 ?耐温能力及范围 58 外加剂的使用 ?外加剂使用难点 ?早强剂、缓凝剂、降滤失剂及特种外加剂多为数 种化学物质的复合物或改性物,化学成份复杂, 各种成份对应用环境因素影响特性不同,一种主 剂难于调整全部工程性能,故对各外加剂中有机 及高分子材料与水泥浆性能的协调稳定性应予充 分注意,在研究人员指导下探索使用经验,系列 化应用,切忌随意选择配伍剂,防止施工意外。 59 60

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