川渝地區(qū)深井超深井固井水泥漿防污染試驗

1、第 30 卷第 8 期鉆 井 工 程51川渝地區(qū)深井超深井固井水泥漿防污染試驗劉世彬1鄭錕1 張弛2 曾凡坤1 冷永紅1 唐煒1 王純?nèi)?1. 川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 2. 中國石化西南石油局西南油氣分公司工程技術(shù)處劉世彬等. 川渝地區(qū)深井超深井固井水泥漿防污染試驗. 天然氣工業(yè), 2010, 30( 8) : 51 54.摘 要 為解決深井、超深井固井水泥漿與鉆井液的相容性問題, 在分析鉆井液對水泥漿稠化時間的影響以及深井常用鉆井液處理劑與深井常用高溫水泥漿進(jìn)行混合流體的流變性能、高溫、高壓稠化時間試驗的基礎(chǔ)上, 提出將深井常用的聚磺、鉀聚磺兩種中高溫鉆井液體系與深井常用的高溫水泥

2、漿體系進(jìn)行體系間混合流體相容性試驗的方法。由此篩選出對水泥漿有促凝作用的鉆井液處理劑, 來指導(dǎo)鉆井液處理劑的選擇; 并對現(xiàn)有水泥漿相容性試驗標(biāo)準(zhǔn)和防污染工藝技術(shù)措施進(jìn)行了評價, 總結(jié)出適合深井井下實際情況的水泥漿相容性試驗方法和固井前鉆井液性能調(diào)整技術(shù)、偏心環(huán)空隔離液技術(shù)、提高套管居中度技術(shù)、水泥漿防污染等措施?，F(xiàn)場實踐結(jié)果表明, 固井水泥漿防污染技術(shù)能確保深井、超深井固井作業(yè)的安全。最后建議根據(jù)不同地區(qū)特點建立一套較為全面的水泥漿防污染體系, 以此來提高固井質(zhì)量。關(guān)鍵詞 深井 超深井 固井 水泥漿 防污染 鉆井液 相容性 工藝技術(shù) DOI: 10. 3787/ j. issn. 1000 0

3、976. 2010. 08. 014深井一般井深較大, 井底溫度、壓力高, 小間隙, 封高壓段的易塌地層鉆進(jìn)。固段長, 地層復(fù)雜、不穩(wěn)定, 地層流體顯示活躍, 井徑不2) 鉀聚磺鉆井液, 密度為 1.26 2. 50 g/ cm3 , 具規(guī)則, 同一裸眼井段存在多個壓力層系, 壓力安全窗口有防塌能力強(qiáng)、抗高溫( 可達(dá) 150) 、抗膏鹽污染、流小, 容易發(fā)生井漏、井涌、氣竄, 這就大大增加了深井固變性易調(diào)節(jié)等優(yōu)點, 廣泛應(yīng)用于井深超過 2 500 m 的井水泥漿防污染技術(shù)的難度。有時為了解決水泥漿與地層。鉆井液的相容性問題, 需要反復(fù)調(diào)節(jié)水泥漿配方、調(diào)整3) FS 31L+ SD10 水泥漿體

4、系, 密度為 1. 35鉆井液性能, 既延長了固井施工周期, 又無法確保施工2. 50 g/ cm3 , 具有抗高溫、失水量小、稠化時間易調(diào)整、安全( 如 LG001 3 井 127 mm 尾管插 旗桿 ) , 事倍過渡時間短、防氣竄性能好等特點, 常用于深井尾管段功半。因此, 有必要開展水泥漿防污染技術(shù)研究, 找出井底循環(huán)溫度大于 105 條件下的固井。進(jìn)行 3 種流因鉆井液與水泥漿不相容導(dǎo)致其混合流體稠化時間試體的體系評價時, 采用的常見配方見表 1, 其中鉆井液驗難以達(dá)標(biāo)的具體原因, 并提出針對性的解決辦法, 確配方中處理劑加量按照中等加量添加。結(jié)合深井固井保固井施工作業(yè)安全, 同時提高

5、固井質(zhì)量 1 2 。流體混漿模擬試驗成果, 混合流體比例按照水泥漿 / 鉆1 中高溫常用鉆井液體系評價井液為 70/ 30 進(jìn)行, 稠化時間試驗條件為 125 70 MPa, 試驗結(jié)果見表 1。目前, 川渝地區(qū)深井常用的聚磺、鉀聚磺兩種鉆井表 1 的試驗結(jié)果表明, 在該試驗條件下水泥漿與液體系和高溫水泥漿體系, 其體系特點及應(yīng)用情況上述兩類鉆井液會發(fā)生污染, 混合流體較純水泥漿稠如下:化時間最高縮短 35% , 在施工中應(yīng)引起重視。水泥漿1) 聚磺鉆井液是中、深井段應(yīng)用最廣的鉆井液體與鉆井液接觸污染問題是一個互相污染的過程, 判斷系, 密度為 1. 06 2. 40 g/ cm3 , 具有性能

6、穩(wěn)定、抗高污染源可從 2 個方面出發(fā): 根據(jù)混合流體的流變性溫、抗膏鹽污染、防塌能力強(qiáng)等特點, 常用于深井高溫、能判別, 如果混合流體流動度低則判別為鉆井液抗鈣基金項目: 國家科技重大專項 大型油氣田及煤層氣開發(fā)項目 ( 編號: 2008Z X05022 005) 子課題的研究成果。作者簡介: 劉世彬, 1973 年生, 高級工程師; 從事固井科研和現(xiàn)場服務(wù)工作。地址: ( 610051) 四川省成都市二環(huán)路北四段瑞豐巷6 號井下作業(yè)公司研發(fā)中心。電話: ( 028) 86019026,E mail: lsbww lnx 163. co m52天然氣工業(yè)2010 年

7、8 月表 1 FS 31L+SD10 水泥漿體系與常用的兩種中高溫鉆井液體系混合流體 HTHP 稠化時間表min體系 名 稱T 40BCT 70BCT 100BCFS 31L+ SD10 水泥漿1)385388389FS 31L+ SD10 水泥漿/ 聚磺鉆井液= 70/ 302)265267268FS 31L+ SD10 水泥漿/ 鉀聚磺鉆井液= 70/303)278280282注: 1) FS 31L+ SD10 水泥漿, 密度為 1. 90 g/ cm3 , 四川省夾江 G 級水泥+ 35% 硅粉+ 3. 0% SDP 1+ 8. 0% S D10+ 0. 2% S D52 +1.5%

8、S D66+ 2. 0% FS 31L+ 2. 0% 微硅;2) 聚磺鉆井液, 密度為 1. 30 g/ cm3 , 0. 5%PH P+ 1% XY 27+15%SM C + 20% SEB +S M T 10% + 35%FK 10+ 30% SM P I + 5% SF 4+ 5% RGJ+ 10% NaOH+ 5% CaO+ 2% SP 80+ 2% JD 1; 3) 鉀聚磺鉆井液, 密度為1.30 g/ cm3 , 10%鈉土+ 0. 2% KPAM + 0.2% JJ Z 1+ 5% DR + 20% DHD+ 30%S M P+ 20% RS TF+20%RLC101+ 10%

9、KCl+3%CaO。性差, 是由于鉆井液中的黏土顆粒聚結(jié)造成的, 即是水泥漿污染了鉆井液的表現(xiàn)。如果混合流體的流變性能保持良好則說明鉆井液的抗鈣能力較強(qiáng), 水泥漿對鉆井液基本沒有不良影響; 根據(jù)混合流體的稠化時間來判別, 如果混合流體稠化時間較水泥漿稠化時間縮短, 說明是水泥漿受到鉆井液污染后帶來緩凝劑失效造成的。2 部分單一鉆井液處理劑對水泥漿性能的影響為了進(jìn)一步分析水泥漿受到鉆井液污染后帶來緩凝劑失效的原因, 需要開展鉆井液的處理劑對水泥漿的相容性試驗。首先根據(jù)兩種鉆井液體系常用處理劑的使用情況, 選取了降濾失劑( SH E 7、SM P I、RST F、 DR II、KH M ) 、防卡

10、潤滑劑( RLC 101、FRH A、FK 10、ZFRJ、DH D、PPL) 、乳化劑( SP 80) 、頁巖抑制劑( NRH ) 、稀釋劑( SM T) 5 大類 15 種處理劑進(jìn)行評價。在進(jìn)行單一鉆井液處理劑對水泥漿的評價時, 按兩步來進(jìn)行, 一是通過混合流體的流變性能( 常流、高流、初凝、終凝) 試驗, 初步篩選出對水泥漿可能有促凝作用的鉆井液處理劑; 二是通過混合流體的高溫、高壓稠化時間試驗, 確定篩選出的這些鉆井液處理劑是否對水泥漿真正具有促凝作用。2. 1 流變性能試驗試驗過程如下: 配黏土含量為 5% 的鉆井液備用; 水泥漿配置同前; 將黏土含量為 5% 的鉆井液稀釋至 3%,

11、 然后逐一加入單一鉆井液處理劑, 按最大加量添加, 充分?jǐn)嚢璺稚? 待用; 將水泥漿與配制好的鉆井液按不同的比例混合( 水泥漿/ 鉆井液= 100/ 0、 90/ 10、70/ 30、50/ 50、30/ 70、10/ 90) 進(jìn)行混合流體的常流、高流試驗, 并觀察其 2h、4h 的凝結(jié)情況。經(jīng)過上述試驗可以得出, 鉆井液處理劑 SP 80、FK 10、DH D、ZFRJ、DR II、RSTF 、SH E 7、RLC 101、NRH 、KH M、 FRH A 在該試驗條件下表現(xiàn)出對水泥漿有促凝作用, 且促凝主要發(fā)生在水泥漿/ 鉆井液= 70/ 30、30/ 70 的混合比例下。2. 2稠化時間

12、試驗將在流變性能試驗中表現(xiàn)出對水泥漿有促凝作用的鉆井液處理劑進(jìn)行高溫、高壓稠化時間試驗時, 試驗方法如下: 水泥漿配置同前; 將黏土含量為 5% 的鉆井液稀釋至 3% 含量, 然后加入單一鉆井液處理劑( 采用最大加量添加) , 充分?jǐn)嚢璺稚? 待用; 按比例配置混合流體, 進(jìn)行高溫、高壓稠化時間試驗, 試驗結(jié)果見表 2。根據(jù)試驗結(jié)果可以將這些處理劑按照對水泥漿促凝作用的強(qiáng)弱進(jìn)行歸類。具有促凝作用的有: FRH A、KH M、NRH 、RST F、SP 80; 而 RLC 101、 SH E 7、DR II、ZFRJ、DH D、FK 10 沒有促凝作用。3 相容性試驗方法研究3. 1 API R

13、P 10B 與川渝地區(qū)深井固井相容性試驗方法國外對井下流體相容性較重視, 嚴(yán)格按照 A PI RP 10B 油井水泥試驗推薦做法 執(zhí)行。但在國內(nèi)一般采用配漿藥水或稀釋處理了的鉆井液作為隔離液,規(guī)范性差 3 5 。API RP 10B 與川渝地區(qū)深井固井相容性試驗方法的特點及區(qū)別見表 3。3. 2 深井固井相容性試驗推薦做法川渝地區(qū)深井固井相容性試驗簡單易行, 測試數(shù)據(jù)直觀, 能宏觀反映混合流體的流動性能, 最大限度地考慮了井下流體摻混的復(fù)雜情況, 但是無法指導(dǎo)施工摩阻計算。API RP 10B 中井下流體相容性試驗考慮了井下流體接觸順序, 根據(jù)試驗結(jié)果可計算混合流體的流變性能, 能夠指導(dǎo)施工摩

14、阻計算。因此, 可考慮結(jié)合兩相標(biāo)準(zhǔn), 取長補(bǔ)短, 為相容性試驗提供參考依據(jù)。第 30 卷第 8 期鉆 井 工 程53表 2水泥漿與鉆井液混合流體稠化時間試驗情況表鉆井液處加量水泥漿/T 40BC / minT 100BC / min備 注理劑名稱鉆井液1)F RH A6.0%70/ 309597試驗中第二組混合流體發(fā)生包心現(xiàn)象, 稠度值隨時間30/ 70 400-逐漸升高, 420 min 未達(dá)到 100 BC, 停止試驗KH M2.0%70/ 307881試驗中第二組混合流體發(fā)生包心現(xiàn)象, 稠度值隨時間30/ 70 400-逐漸升高, 410 min 未達(dá)到 100 BC, 停止試驗NR H

15、50.0%70/ 307678試驗中第二組混合流體發(fā)生包心現(xiàn)象30/ 70115135RL C 1015.0%70/ 30 400-試驗中第二組混合流體發(fā)生包心現(xiàn)象, 稠度值隨時間30/ 70 400-變化不大, 440 min 停止試驗SH E 78.0%70/ 30 400-試驗中第二組混合流體發(fā)生包心現(xiàn)象, 稠度值隨時間30/ 70 400-變化不大, 450 min 停止試驗RST F5.0%70/ 30254256試驗中第二組混合流體發(fā)生包心現(xiàn)象, 稠度值隨時間30/ 70 400-變化不大, 440 min 停止試驗DR II1.0%70/ 30 400-試驗中第一組混合流體在 4

16、10 min 停止試驗; 第二組30/ 70 400-混合流體在 460 min 停止試驗ZFR J6.0%70/ 30 400-試驗中第一組混合流體在 425 min 停止試驗; 第二組30/ 70 400-混合流體在 420 min 停止試驗DH D6.0%70/ 30-試驗中第二組混合流體發(fā)生包心現(xiàn)象30/ 70 400-FK 105.0%70/ 30-試驗中第二組混合流體發(fā)生包心現(xiàn)象30/ 70 400-SP 800.6%70/ 30-30/ 70129130注: 1) 為混合流體比例。表 3 API RP 10B 與川渝地區(qū)深井固井水泥漿相容性試驗方法對比表類別項目特 點區(qū) 別流動性

17、能試驗AP I RP 10B多為兩相、一個三項混合流體類型及比例不同、測量方法不同川渝地區(qū)相容性試驗重視三相污染試驗試驗條件、儀器不同稠化時間試驗AP I RP 10B隔離液能有效隔離水泥漿和鉆井液考察重點不同川渝地區(qū)相容性試驗考慮深井固井井下復(fù)雜情況混合流體類型及比例不同流動性能試驗方面: 增加水泥漿、鉆井液、隔離液的旋轉(zhuǎn)黏度測試, 為流變學(xué)設(shè)計提供依據(jù); 增加鉆井液與隔離液的流動性能試驗( 70/ 30、30/ 70) 兩組; 當(dāng)循環(huán)溫度低于 90 時, 高溫養(yǎng)護(hù)時間應(yīng)大于注水泥施工作業(yè)總時間 , 循環(huán)溫度高于 90 時, 高溫養(yǎng)護(hù)時間取 120 min。稠化時間試驗方面: 當(dāng)封固段上下溫

18、差較大時, 可采取模擬井下升降溫過程進(jìn)行水泥漿、鉆井液、隔離液混合流體的稠化時間試驗; 當(dāng)混合流體的流動性能試驗不能滿足設(shè)計要求而稠化時間滿足設(shè)計要求時, 視為相容性試驗合格。4 結(jié)論1) 防污染工藝技術(shù)的關(guān)鍵就是采取一系列的工藝技術(shù)措施, 提高頂替效率, 防止或減少接觸污染( 圖 1) 。2) 水泥漿與鉆井液相容性差是由兩者相互作用引起的。水泥漿污染鉆井液是因為水泥漿中的 Ca2+ 與鉆井液中黏土的 Na+ 發(fā)生離子交換, 導(dǎo)致鉆井液中的黏土顆粒聚結(jié)形成絮凝物質(zhì), 鉆井液失去可泵性; 鉆井液污染水泥漿是因為鉆井液的某些處理劑引起水泥漿緩凝劑部分或者全部失效甚至反向, 導(dǎo)致水泥漿稠化54天然

19、氣 工 業(yè)2010 年 8 月圖 1固井防污染工藝技術(shù)圖時間急劇縮短, 水泥漿失去可泵性。3) 目前川渝地區(qū)深井超深井常用鉆井液處理劑按照對水泥漿有促凝作用的強(qiáng)弱進(jìn)行歸類, 具有促凝作用的有 FRH A、KH M 、NRH 、RST F、SP 80; 沒有促凝作用的有 RLC 101、SH E 7、DR II、ZFRJ、DH D、 FK 10。4) 良好的深井井下條件是避免水泥漿被污染的必要前提, 鉆井液性能調(diào)整、隔離液技術(shù)、提高套管居中度等措施是解決水泥漿與鉆井液相容性最直接的手段。5) 現(xiàn)場實踐表明, 川渝地區(qū)現(xiàn)行井下流體相容性試驗方法是從深井固井井下條件復(fù)雜出發(fā), 注重水泥漿、鉆井液、隔

20、離液三相混合流體的稠化時間試驗, 是宏觀的評價方法; API RP 10B 中井下流體相容性試驗認(rèn)為隔離液能夠有效隔離鉆井液與水泥漿, 二者接觸機(jī)會很小, 注重水泥漿、鉆井液兩相相容性試驗, 是微觀的評價方法。因此, 應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)特點建立一套較為全面的水泥漿防污染技術(shù)。參 考 文 獻(xiàn) 1 李靜, 郭小陽, 楊香艷, 等. 隔離液合理選材設(shè)計以改善與水泥漿相容性實驗探索 J . 鉆井液與完井液, 2007, 24( 4) : 43 46. 2 楊香艷, 郭小陽, 李云杰, 等. 高密度抗污染隔離液在川中磨溪氣田的應(yīng)用 J . 天然氣工業(yè), 2006, 26( 11) : 83 86. 3 劉東

21、清, 周濟(jì)福, 李家春. 固井工程中的流動問題 J . 力學(xué)與實踐, 2006, 28( 5) : 8 15. 4 曹權(quán). 固井前置隔離液的研究發(fā)展 J . 內(nèi)蒙古石油化工, 2008( 9) : 167 168. 5 石鳳岐, 陳道元, 周亞軍, 等. 超高溫高密度固井隔離液研究與應(yīng)用 J . 鉆井液與完井液, 2009, 26( 1) : 47 49.( 收稿日期2010 05 27編輯 鐘水清)中石油第一口頁巖氣井威 201 井完成加砂壓裂施工2010 年 7 月 31 日下午, 中國石油天然氣集團(tuán)公司( 以下簡稱中石油) 川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司順利完成了中石油第一口頁巖氣井

22、威 201 井的加砂壓裂施工任務(wù)。這次試水標(biāo)志著中石油進(jìn)入頁巖氣開發(fā)的實戰(zhàn)階段。威 201 井是中石油針對頁巖氣開發(fā)的第一口試探井, 整體設(shè)計、配套工藝、施工均由該公司自行承擔(dān)。早在今年 6 月底, 川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司就與 EO G、BJ、貝克休斯等多家國內(nèi)外公司聯(lián)手完成了角 68 1H 井頁巖層 6 段加砂壓裂改造作業(yè) , 為在川渝地區(qū)進(jìn)行頁巖氣開發(fā)作業(yè)積累了寶貴經(jīng)驗。7 月 31 日上午 9 點 28 分, 加砂壓裂正式開始, 近 5 h 的施工沒有出現(xiàn) 1 s 停歇, 連續(xù)泵注井筒總液量 1 937. 75 m3 , 排量達(dá)6. 42 m3 / min。( 井下作業(yè)公司新聞

23、站供稿)116N atur al Gas I ndustr y , V ol. 30, I ssue 8, 2010er was finally developed. M or eover , it s w or king principles ar e intro duced as follo ws: in casing running of cementing, the hang er isfirst connect ed to t he to p o f the liner str ing and run in ho le to co mplete the liner hang ing

24、job; a ball is then dro pped to the ball seatand hydraulic pressure ex erted t o force the upper and lo wer cy linders t o wo rk so as to move the upper and lower slips to mo ve up and ex pand and eventua lly get stuck inside the internal w all of the upper casing . T his hang er has been successful

25、ly used at t he w ell Jian men 1, prov iding va luable experience for the small clear ance long liner cement ing in similar ultradeep H PH T w ells.Key words: deep w ell, ultradeep w ell,double slip, high temperature,high pressur e, liner, hanger , development, applicationDOI: 10. 3787/ j. issn. 100

26、0 0976. 2010.08. 013Chen Yushu, eng ineer, bo rn in 1954,g raduat ed in drilling engineeringfr om So uthw est Petr oleum Institute in 1990. H e is no w eng aged in desig n, r esear ch and ser vice reg arding cementing engineer ing and cementing to ols.Add: N o. 6, Ruifeng L ane,No rth Sec. 4, 2nd Ri

27、ng R d. , Cheng du, Sichuan 610051, P. R. ChinaMobile: + 86 mail: chenyushu136 163. comAn experimental study on the prevention of cement slurry contamination during deep or ultradeep well cementing at Sichuan and Chongqing oil/ gas fieldsLiu Shibin1 , Zheng Kun1 , Zhang Chi2 , Zeng Fank

28、un1 , Leng Yo ng ho ng1 , Tang Wei1 , Wang Chunquan1( 1. Dow nhole Op er ation Comp any , Chuanqing Drilling E ngineering Co . , L td. ,CN P C, Chengdu, S ichuan610051, China; 2. Engineering T echnology Dep ar tment, S inop ec S outhw est Br anch Comp any , Dey ang, Si chuan 610700, China)NATUR. GAS

29、 IND. VOLUME 30, ISSUE 8, pp. 51 54, 8/ 25/ 2010. ( ISSN 1000 0976; In Chinese)Abstract: T o ensur e the co mpat ibility betw een the cement slur ry and the drilling fluid used in deep and ult radeep w ell dr illing, a com patibility experiment is co nducted using the commonly used po ly sulphonate

30、drilling fluid and po tassium poly sulphonate w ith hig h temper atur e cement slur ry sy st ems o n the basis of an analysis of t he effects of dr illing fluid on cement slurr y s thickening time and the test results of the r heo log y and hig h pressure high temperature thickening time of the co n

31、v entional dr illing fluid addit ives/ cement slurr y mix ture used in deep w ell dr illing . T he dr illing fluid additives helpful fo r flo cculat ion in cement slur ry ar e chosen as fut ur e dr illing fluid additiv e candidates. T he exist ing cement slurr y compatibility test crit eria and cont

32、aminatio n prev ention measures a re also ev aluated herein, and a set of slur ry co mpat ibility test methods and a set of measures like dr illing fluid pro per adjust ment befor ecementing o per atio n, eccentr ic annulus spacer fluid placement, casing cent ralizing impro vement,and cement slur ry

33、 contaminationpr evention ar e summed up. T he field a pplicat ion show s that the cement slurr y co nt aminat ion pr ev ent ion technolo gy can pro vide a safe way for deep and ultr adeep w ell cementing. It is recommended t hat a cement slurr y co ntam inat ion pr event ion sy stem be set up to im pro ve the cementing quality under differ ent conditio ns at differ ent ar eas.Key words: deep w ell, ultr adeep w ell, cementing , cement slurr y, contamination prev ention, dr