大位移井固井技术分析

连吉弘,康建平 (长江大学石油工程学院,湖北荆州434023)

大位移井一般指水平位移与垂深之比大于或等于2、测深大于3000m或水平位移超过3000m的井。当水平位移与垂深之比超过3、测深大于3000m时,为高水垂比大位移井。与常规井相比,大位移井具有高难度、高投入、高风险的特点。近年来,南海东部地区的一些对外合作项目中,大位移井作业较为频繁,已经完成的3口大位移井的测深/垂深分别为8828/2790、8808/2840、8836/2848m,且均采用油基钻井液钻进。在大位移井固井施工中普遍存在的问题主要有:井眼状况不佳、地层承压能力低、裸眼段长、套管下入困难、套管居中难、顶替效率不高以及油基钻井液影响水泥胶结强度等。笔者通过研究发现,提高套管居中度、优化水泥浆体系、提高顶替效率可以有效解决上述问题,从而提高固井质量。

1 提高套管居中度

研究显示,当套管居中度大于65%时,固井质量可以得到很好的保证;当居中度低于45%、钻井液顶替效率小于80%,固井质量就难以得到保证[1]。为了在现场作业中提高套管居中度,合理地设计套管扶正器的数量显得至关重要。表1统计了南海东部地区3口井的扶正器使用情况。

表1 大位移井扶正器使用数量统计

由表1可知,现场固井作业中必须适时使用扶正器,而且保证扶正器合理的加装数量,才能大幅度地提高套管居中度,从而保证固井作业顺利进行。

2 实施低密度高强度水泥浆作业

海上大位移井固井作业中,水泥浆的性能是提高固井质量的关键因素。针对大位移井裸眼段长、斜度大、多油水层、易漏失等特点,研究者成功地优选出了一套大位移井的低密度高强度水泥浆体系。该体系以漂珠为减轻材料,并辅以增强材料和多种外加剂,具有密度低、强度高的特点。漂珠为空心、密闭、壁薄、粒细的玻璃球体[5],视密度为0.65～0.75g/cm3,增强剂由具有合理颗粒级配的活性超细矿物材料组成,外观为灰白色固体粉末,密度为2.7～2.8g/cm3,该体系的基本性能如表2所示。

表2 低密高强度水泥浆体系的性能

由表2可知,低密度高强度水泥浆体系具有密度可调性,最低密度可达到1.2g/cm3,该体系抗污染能力和相容性良好,其滤失及稠化等性能均能满足大位移井固井作业需求。2种低密度水泥浆体系强度对比如图1所示。

由图1可知,低密度高强度水泥浆形成的水泥石强度在不同的密度段均高于普通低密度水泥浆形成的水泥石强度。因此,在深水表层段固井作业中,低密度高强度水泥浆的优势更加明显。

图1 2种低密度水泥浆体系强度对比

3 提高顶替效率

顶替效率主要由钻井液性能、前置液结构、顶替技术等因素决定,因此,优化钻井液性能、调整前置液结构、改进顶替技术等方法成为提高顶替效率的必要手段。

3.1 优化钻井液性能

调整钻井液性能和循环洗井是提高顶替效率必不可少的重要步骤。套管下到位后,以还空返速为0.917～1.52m/s的速度循环钻井液2周以上,减少钻井液的胶凝,扫除下套管时刮下的岩屑和软泥饼。同时优化钻井液性能,将相关性能参数控制如下:钻井液屈服值为7～12Pa;漏斗粘度为20～30s;塑性粘度为20～30mPa·s;失水＜5m l;摩阻系数＜0.1;初/终切力为2/3Pa。尽量避免岩屑床和软泥饼的存在,保持井眼清洁,为良好顶替打下基础。

3.2 调整前置液结构

绝大多数钻井液与水泥浆是不相容的,一旦水泥浆与钻井液接触,钻井液将发生水泥侵污而产生粘稠的团状絮凝物质,从而使水泥浆形成的水泥石失去强度,影响固井质量。使用前置液的目的是为了提高钻井液的顶替效率和水泥环的界面胶结质量,因而前置液的使用必不可少。前置液按其功能可分为冲洗液和隔离液,冲洗液侧重于稀释钻井液,并冲洗井壁和套管壁;隔离液侧重于隔离钻井液,防止钻井液和水泥浆相互接触[3]。

由于油基钻井液在海上钻井作业中使用日益频繁,如何提高油基钻井液顶替效率是目前亟待解决的问题。现场作业表明,合理的前置液结构是提高油基钻井液顶替效率的主要因素。在顶替作业过程中,基油经常被选放在最前面,用以稀释油基钻井液,接着使用高浓度的双效冲洗液 (润湿反转型表面活性剂)冲刷井壁,将环空地层和套管的亲油性环境转换为亲水性环境[4],有悬浮能力的粘性隔离液将大部分的油基钻井液和井里的残余岩屑携带出来,使后续表面活性剂能更有效地润湿泥饼油相,从而有效提高钻井液的顶替效率,保证了水泥环的界面胶结质量。

3.3 改进顶替技术

为进一步提高顶替效率,室内模拟了3种环空间隙 (宽间隙、中间间隙和窄间隙),笔者分析了不同的顶替流态下水泥浆和钻井液的接触时间对顶替效率的影响[3]。图2和图3分别显示在层流和紊流状态下接触时间对顶替效率的影响 (图中,Re为雷诺数)。

由图2和图3可知,宽间隙到达完全顶替所需的接触时间最短,窄间隙所需的时间最长;达到完全顶替时,紊流顶替比层流顶替所需的接触时间要短。所以,固井作业过程中,在保证施工安全的前提下,可适当加大泵压,在提高水泥浆顶替速率的同时,让顶替处于紊流状态,最大程度地提高顶替效率。

图2 层流顶替效率实验

图3 紊流顶替效率实验

4 结论与建议

1)为提高套管的居中度,固井作业中必须适时使用扶正器,而且还要保证扶正器的合理加装数量。

2)相比常规低密度水泥浆体系,低密度高强度水泥浆具有密度低、强度高、失水低、稳定性强以及满足油层性能要求等特点,适合海上大位移井固井作业需求。

3)通过优化钻井液性能、调整前置液的结构、采用紊流顶替等方式提高钻井液的顶替效率,从而保证水泥环的界面胶结质量。

[1]刘崇建.幂律流体在偏心环空的流动规律及应用[J].天然气工业,1996,(3):30～50.

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

[3]刘崇建,黄柏宗,徐同台,等.油井注水泥理论与应用[M].北京:石油工业出版社,2001.

[4]张德润.张旭.固井液设计及应用 [M].北京:石油工业出版社,2002.

[5]冯京海,程远方.高强度低密度水泥浆体系的研究 [J].钻井液与完井液,2007,24(5):44～46.