固井設(shè)備及工藝

1、2015年7月17日,固井設(shè)備及工藝,固井技術(shù)重要性及存在問題 套管的類型 固井設(shè)備及工具 常規(guī)注水泥工藝流程 注水泥工藝技術(shù),1、現(xiàn)代固井技術(shù)的特點,獨立專業(yè)體系 多專業(yè)交叉 多學科支撐 系統(tǒng)工程 一次性工程 隱蔽性工程 高投資 高風險 百年大計,地質(zhì),力學,化學,數(shù)學,材料,冶金,機械,經(jīng)濟,油氣井工程,信息工程,管理工程,多專業(yè),多學科,一、固井技術(shù)重要性及存在問題,占勘探開發(fā)投資比例,各專業(yè)投資比例,某深探井投資比例,在整個建井工程技術(shù)投資中，固井投資比例在20-30%。,在整個建井工程中，只有固井工程中的套管和水泥漿留在油氣井中。,高投資,一、固井技術(shù)重要性及存在問題,高風險：小問題

2、帶來大麻煩,井噴災(zāi)難性后果（墨西哥灣事故） 灌香腸、插旗桿整井報廢，單井段報廢，經(jīng)濟損失巨大 擠毀套管整井報廢，單井段報廢，經(jīng)濟損失巨大 油氣水竄單井段報廢，降低開發(fā)效益 環(huán)空帶壓開發(fā)隱患，增加作業(yè)成本、環(huán)境危害 超緩凝延長作業(yè)時間、增加作業(yè)成本 返高不夠降低封固質(zhì)量，增加補救作業(yè)成本 過早套損單井報廢，增加作業(yè)成本，降低開發(fā)效益 ,一、固井技術(shù)重要性及存在問題,固井可能帶來的危害,作業(yè)水深：1524m 離岸距離：77km 油 公 司：BP 鉆井承包商：越洋鉆探公司 固井服務(wù)公司：哈里伯頓,11人死亡，17人受傷，大面積海域受到嚴重污染,一、固井技術(shù)重要性及存在問題,井筒密封性沒有建立或失效

3、環(huán)空注水泥質(zhì)量差，未能封隔油氣儲層，導致油氣上竄 套管鞋裝置失效，未能阻止油氣上竄 未能及時監(jiān)測到油氣上竄，井控失效 負壓力測試解讀錯誤，油氣井完整性未滿足要求，就進行下一步的施工 井控監(jiān)督未及時下達指令 緊急停車系統(tǒng)失效，造成油氣點燃 油氣在深水平臺上點燃 導流至泥漿天然氣分離裝置時天然氣泄漏至鉆機平臺 消防系統(tǒng)未能組織油氣點燃 緊急封井器未能及時密封 緊急封井器未能封住井口,一、固井技術(shù)重要性及存在問題,選擇充氮水泥的原因 窄密度窗口，降低液柱壓力 可能存在的風險 泡沫穩(wěn)定性差 水泥漿體積少（總共62桶） 水泥漿易受污染 減小風險的措施 水泥綜合性能檢測，選擇綜合性能好的水泥漿體系 精確施

4、工 套管居中措施 安裝6個扶正器 未考慮其它套管居中措施,一、固井技術(shù)重要性及存在問題,充氮水泥體系復(fù)雜，影響因素多 水泥漿體積少，易受污染（設(shè)計62桶，實際充氮水泥45桶） 未加降失水劑、泡沫穩(wěn)定劑 未進行全面的室內(nèi)實驗 充氮水泥可能穩(wěn)定性差，氮氣會上竄 8 ”井眼下7”套管，接箍處水泥頂替效率問題以及水泥環(huán)薄,環(huán)空水泥密封性差,一、固井技術(shù)重要性及存在問題,充氮水泥中50的泡沫地面條件下不穩(wěn)定 約18.5的泡沫水泥（井下條件）不穩(wěn)定 哈里伯頓公司的充氮水泥漿的屈服值過低（135時的屈服值為2 1b/100ft2） 水泥漿的失水量過大（失水為302mL/30min，標準規(guī)定為50mL/30m

5、in）,委托獨立實驗室對固井水泥漿進行了超過500次的實驗,水泥漿體系存在的問題,一、固井技術(shù)重要性及存在問題,套管鞋內(nèi)2道密封失效（套管內(nèi)水泥和浮箍閥） 充氮水泥易受污染，氮氣從漿體中上竄 固井后16小時替海水作業(yè)，單流閥承受21.4MPa的上頂力，可能造成單流閥損壞 井口封隔器未安裝鎖止滑套，密封系統(tǒng)出現(xiàn)致命的缺陷。,套管鞋內(nèi)密封失效，密封裝置失效,套管鞋內(nèi)裝置未能封隔油氣,一、固井技術(shù)重要性及存在問題,固井可能帶來的危害,臺H6-1井339.7mm表層套管固完井候凝時，北東方向約250米冒氣水后目前情況,澀北氣田氣層埋藏淺，分布井段長（408.0-1738.2m），層數(shù)多（54-79），

6、氣水界面復(fù)雜,淺層氣、淺層鹽水活躍。臺H6-1井、臺6-7井，一開鉆至800m下入表層套管固井后，候凝過程中套管外地表竄出鹽水和水溶氣，被迫報廢,臺6-7井273mm表層套管固完井候凝時，地表竄出鹽水和水溶氣,一、固井技術(shù)重要性及存在問題,2、現(xiàn)代固井技術(shù)面臨形勢,一、固井技術(shù)重要性及存在問題,3、現(xiàn)代固井技術(shù)存在問題,復(fù)雜井一次作業(yè)成功率有待提高 提高固井一次作業(yè)成功率，是確保工程技術(shù)安全的關(guān)鍵，是提高固井質(zhì)量的保障，省略后期補就作業(yè)。 復(fù)雜層間有效封隔能力不強 實現(xiàn)層間有效封隔，是后續(xù)安全鉆井的保障，是提高開發(fā)效益的保障。 長壽命封固質(zhì)量無法確保 固井的長期封固質(zhì)量，是延長油氣井壽命的關(guān)鍵

7、，是提高單井綜合經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。,有辦法 無把握,核心問題：密封完整性 結(jié)構(gòu)完整性 腐蝕完整性,一、固井技術(shù)重要性及存在問題,固井技術(shù)重要性及存在問題 套管的類型 固井設(shè)備及工具 常規(guī)注水泥工藝流程 注水泥工藝技術(shù),16,1、表層套管 主要用途： 封隔地表淺水層及淺部疏松和復(fù)雜地層； 安裝井口、懸掛和支撐后續(xù)各層套管。 下深位置： 根據(jù)鉆井的目的層深度和地表狀況而定，一般為上百米甚至上千米。 水泥返高： 返升到地面。,二、套管柱的類型,17,2、生產(chǎn)套管（油層套管） 主要用途： 用以保護生產(chǎn)層；提供油氣生產(chǎn)通道。 下深位置： 由目的層位置及完井方式而定。 水泥返高： 一般返至擬封固地層以上20

8、0m。若擬封層為高壓氣層有時也需要返至地面。,二、套管柱的類型,18,3、中間套管（技術(shù)套管） 主要用途： 主要用來封隔不同地層壓力層系或易漏、易塌、易卡等井下復(fù)雜地層。 下深位置： 在表層套管和生產(chǎn)套管之間由于技術(shù)要求下入的套管，可以是一層、兩層或更多層，因此每層的下深都必須依據(jù)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計原則來進行合理設(shè)計。 水泥返高： 一般返至擬封固地層以上50200m。若擬封層為高壓氣層需要返至地面。,二、套管柱的類型,19,4、尾管（襯管） 是在已下入一層技術(shù)套管后采用，即在裸眼井段下套管、注水泥，而套管柱不延伸到井口。 主要用途：減輕下套管時鉆機的負荷和固井后套管頭負荷；節(jié)省套管和水泥。 一般適用

9、于深井和超深井。 下深位置：必須依據(jù)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計原則來進行合理設(shè)計。 水泥返高：返至襯管或者尾管懸掛器處，把尾管懸掛器與上層套管緊密連接在一起。,二、套管柱的類型,固井技術(shù)重要性及存在問題 套管的類型 固井設(shè)備及工具 常規(guī)注水泥工藝流程 注水泥工藝技術(shù),1、套管柱下部結(jié)構(gòu) 引鞋：引導套管入井，防止套管插入井壁或刮削井壁。 套管鞋：引導鉆具順利進入套管，防止鉆具的接頭、鉆頭被套官底部掛住。,三、固井設(shè)備及工具,旋流短節(jié)：使水泥漿旋流上返，以利于提高頂替效率，保證注水泥質(zhì)量。 回壓凡爾：下套管過程中減輕套管重量；注水泥過程中防止水泥漿倒流，保證水泥漿上返高度。 承托環(huán)：控制水泥塞高度。,三、固井設(shè)

10、備及工具,浮鞋和浮箍 (Float Shoe and Float Collar) 浮鞋聯(lián)接在套管串的最下部，其下部形狀與引鞋相似，可以引導套管順利下入，浮鞋內(nèi)部有一個單流閥（浮閥），其作用是下套管過程中可增大浮力，減小大鉤負荷，同時在頂替完畢后，防止水泥漿反流入套管內(nèi)。 自動灌漿式浮鞋（或浮箍）可實現(xiàn)下套管過程中的自動灌漿，當環(huán)空壓力與套管內(nèi)壓力達到一定值后，浮閥自動開啟以實現(xiàn)自動灌漿。 浮箍的作用與浮鞋類似，其主要作用是防止水泥漿反流入套管內(nèi)并實現(xiàn)碰壓。,三、固井設(shè)備及工具,扶正器：使套管在井內(nèi)居中，保證管外水泥環(huán)均勻分布。分為彈性扶正器和剛性扶正器。,三、固井設(shè)備及工具,三、固井設(shè)備及工具

11、,有時還會用到封隔器、水泥傘等,水泥傘,三、固井設(shè)備及工具,注水泥設(shè)備包括：水泥車、水泥罐車、供液車和壓塞車。,水泥罐車,水泥車,供液、壓塞綜合車,2、注水泥設(shè)備,三、固井設(shè)備及工具,注水泥工具包括：水泥頭、頂膠塞、分級箍。,頂膠塞,(a) 單塞水泥頭 (b) 雙塞水泥頭（c) 鉆桿水泥頭,3、注水泥工具,三、固井設(shè)備及工具,分級箍,分級固井技術(shù)附件,三、固井設(shè)備及工具,固井技術(shù)重要性及存在問題 套管的類型 固井設(shè)備及工具 常規(guī)注水泥工藝流程 注水泥工藝技術(shù),1、注水泥管串結(jié)構(gòu),四、常規(guī)注水泥工藝流程,32,2、常規(guī)固井注水泥工藝流程,四、常規(guī)注水泥工藝流程,裝水泥頭、循環(huán)洗井,放下底膠塞、打

12、隔離液,注水泥漿,壓頂膠塞,井筒中替換成洗井液,碰壓,四、常規(guī)注水泥工藝流程,固井技術(shù)重要性及存在問題 套管的類型 固井設(shè)備及工具 常規(guī)注水泥工藝流程 注水泥工藝技術(shù),1、多級注水泥工藝技術(shù) 2、尾管注水泥工藝技術(shù) 3、內(nèi)插管注水泥工藝技術(shù) 4、水泥漿管外封隔器固井技術(shù) 5、擠注水泥和打水泥塞,五、注水泥工藝技術(shù),1、多級注水泥工藝技術(shù),利用注水泥分級箍，把水泥漿分成兩級（或三級）進行固井的方式稱為分級固井。 （1） 分級固井的應(yīng)用范圍 一次注水泥封固段太長，頂替泵壓過高，一般注水泥設(shè)備難以滿足施工要求。 低壓易漏失井固井時，由于一次封固段太長，環(huán)空壓力過高，容易引起固井漏失和污染產(chǎn)層。 因一

13、次封固段太長，上下溫度太大，水泥漿性能無法保證固井要求。 油氣分布不均，不連續(xù)且中間間隔距離太長時。 分級固井是油氣層保護和長封固段固井的有效手段之一，分級箍也常與管外封隔器配合使用。,五、注水泥工藝技術(shù),根據(jù)分級箍循環(huán)孔的打開與關(guān)閉方式的不同，分級箍可分為機械式分級箍、液壓分級箍和全通徑分級箍。,（2）分級箍的類型,利用機械式分級箍由打開滑套、關(guān)閉滑套、剪切球、防轉(zhuǎn)動裝置和本體等部件組成，另外還包括打開塞、關(guān)閉塞。,1）機械式分級箍,五、注水泥工藝技術(shù), 把接有分級箍的套管串下入井內(nèi)后循環(huán)洗井； 注前置液和水泥進行第一級固井； 一級水泥漿注完后，壓入一級膠塞。一級膠塞可順利通過分級箍下行，到

14、達浮箍后實現(xiàn)碰壓，完成第一級注水泥； 投入打開塞（重力下行），打開塞作于打開滑套上，加壓剪斷銅制剪切球從而打開分級箍旁通孔，循環(huán)沖洗掉分級箍以上多余的水泥漿，循環(huán)等待一級水泥漿有一定的膠凝強度； 通過分級箍旁通孔進行第二級注水泥作業(yè)； 二級注水泥完畢后壓入關(guān)閉塞，關(guān)閉塞坐封在關(guān)閉塞滑套上，加壓剪斷剪切球，關(guān)閉分級箍通孔并實現(xiàn)碰壓； 關(guān)井侯凝； 鉆掉分級箍內(nèi)的關(guān)閉塞和打開塞。,五、注水泥工藝技術(shù),2）液壓式注水泥分級箍,威德福生產(chǎn)的液壓分級箍及帶自動膨脹式封隔器的液壓分級箍。,其原理是：在一級膠塞碰壓后繼續(xù)加壓，形成一個向下的作用力，將下滑套打開從而露出循環(huán)孔。分級箍關(guān)閉時仍需要關(guān)閉塞對循環(huán)孔進

15、行關(guān)閉。,五、注水泥工藝技術(shù),3）全通徑注水泥分級箍（短接）,全通徑式注水泥分級箍沒有打開塞和關(guān)閉塞，而是利用內(nèi)管柱和專用的工具打開和關(guān)閉循環(huán)孔，打開方式有上提下放式和旋轉(zhuǎn)式兩種，通過上提、下放（或轉(zhuǎn)動）打開循環(huán)孔，如圖所示。 和普通分級箍一樣，全通徑分級箍接在套管串設(shè)計部位，下入套管串后，在套管內(nèi)下入專用工具，用內(nèi)管注完一級水泥后，通過專用工具打開循環(huán)孔進行第二級追水泥作業(yè)，完成后完畢循環(huán)孔，起出專用工具。,五、注水泥工藝技術(shù),2、尾管注水泥工藝技術(shù),(1) 尾管懸掛器,尾管懸掛器的型號按坐掛方式分為機械式（包括軌道管式和J形槽式）、液壓式、液壓機械聯(lián)合式。按錐體機構(gòu)分為單錐單液缸、雙錐單液

16、缸、雙錐雙液缸。按功能分為常規(guī)式、封隔式、旋轉(zhuǎn)式、防腐型。,五、注水泥工藝技術(shù),目前常用的是液壓式懸掛器。液壓式尾管懸掛器是依靠專門的送入工具，通過井內(nèi)蹩壓來實現(xiàn)尾管座掛，可用于任何井型。 其工作原理為：使用配合專用的送入工具，將尾管懸掛器及尾管下入到井內(nèi)設(shè)計深度，投球，當球到達球座后憋壓，壓力通過懸掛器本體上的傳壓孔傳到液缸內(nèi)，壓力推動活塞上行，剪斷液缸剪釘，再推動推桿支撐套，并帶動卡瓦上行，卡瓦沿錐面漲開，卡瓦鎖緊在錐體和外層套管之間，實現(xiàn)座掛。坐封后繼續(xù)打壓，憋通球座，即可建立正常循環(huán)。,五、注水泥工藝技術(shù),（2） 尾管固井膠塞,尾管固井采用復(fù)合膠塞，如圖6-20所示。上膠塞為鉆桿膠塞，

17、裝在井口水泥頭中；下膠塞為尾管膠塞，固定于在送入工具中心管的下部，尾管膠塞是內(nèi)空的。頂替式，鉆桿膠塞下行到尾管膠塞時，插入尾管膠塞內(nèi)孔進行復(fù)合，從而剪斷尾管膠塞的固定銷釘一起下行，復(fù)合膠塞到達球座時實現(xiàn)碰壓，復(fù)合膠塞與球座鎖緊在一起。,五、注水泥工藝技術(shù),(3) 尾管固井施工程序,浮鞋+套管+浮箍+套管+球座+套管組合+尾管懸掛器總成+送入鉆具+水泥頭。,1）投球，開泵以小排量泵送銅球，當球到達球座位置后，泵壓開始上升。憋壓至1112MPa，穩(wěn)壓二分鐘后，緩慢下放。當總懸重下降到等于送入鉆具總重量時(此時送入鉆具回縮距等于或接近計算值)，即座掛成功。2) 下壓510t，繼續(xù)憋壓剪斷球座(剪斷泵

18、壓約17MPa)，并循環(huán)泥漿。3) 停泵后，確保載荷支撐套承壓510t，然后正轉(zhuǎn)進行倒扣。累計有效倒扣圈數(shù)應(yīng)不少于20圈。4) 上提鉆具1.51.8 m，根據(jù)懸重判斷反扣是否倒開。5) 將鉆具放回到倒扣前位置，準備注水泥.6) 用常規(guī)方法注水泥。7) 壓鉆桿小膠塞，替泥漿。當小膠塞到達大膠塞位置前1m左右，應(yīng)降低排量，注意泵壓表的變化。如果觀察到了泵壓明顯上升后又回到正常值，說明大小膠塞已經(jīng)復(fù)合。8) 當替漿量剩1.5m3左右時降低排量，碰壓。8) 放回水，檢查浮箍、浮鞋密封情況，卸管匯。9) 正轉(zhuǎn)24圈，上提鉆具13立根，開泵，循環(huán)一周，沖出多余水泥漿。10) 起鉆，候凝。,五、注水泥工藝技術(shù),3、內(nèi)插管注水泥工藝技術(shù),在表層套管或大尺寸套管固井時，由于套管直井大、管內(nèi)漿體流速低、作業(yè)時間長，水泥漿和鉆井液也間混漿現(xiàn)象嚴重造成固井質(zhì)量差、或者是由于對下部附件結(jié)構(gòu)（承托環(huán)、浮箍或浮鞋）造成嚴重沖擊。為此，對大尺寸套管經(jīng)常采用內(nèi)管固井方式。,(1) 內(nèi)管固井工具 內(nèi)管注水泥的主要工具是內(nèi)管注水泥器，包括插座和插頭兩部分。注水泥內(nèi)管為鉆桿，