气体介质条件下固井技术研究.doc
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1、技术开发(委托)项目开 题 报 告项目名称气体介质条件下固井技术研究负责单位中石化石油工程西南有限公司项目负责人罗德明职称高级工程师技术首席庄成宏职称高级工程师研究开发年限:2009年10月至2011年10月中国石油化工集团公司印制编 制 须 知一、申请承担技术开发(委托)项目时,应先向中国石油化工股份有限公司科技开发部(以下简称:科技开发部)申报本开题报告。二、申报开题者均须同时附送相应资料:1.新技术探索及小试项目须附查新报告、文献调查总结及探索试验情况介绍。2.中试及工业试验项目均须按研究开发项目管理办法的规定报相应材料。三、科技开发部根据收到的开题报告及其相应附件进行审议,经审议选定的
2、项目可签订技术开发(委托)合同。四、本开题报告版本自2008年1月起启用。五、注意事项:1. 项目名称不得超过20个汉字(一格一字)。2. 项目负责人应是高级工程师(及相当专业技术职务)以上的专业技术职务人员;一个项目负责人最多可同时负责两个项目,其它项目只能作为项目参与人;一个项目原则上只设一名负责人,特殊情况下可设两名负责人。3.开题报告经申请单位科技处初审,单位科技负责人审定同意,加盖申请单位(或其科技处)公章后,报科技开发部(一式四份)。4.本报告纸张规格为A4。23 / 25一、国内外现状、发展趋势及开题意义(一)国外相关产业和技术现状、发展趋势1953年,美国的EI paso天然气
3、公司首次利用空气作为钻井流体在犹他州成功地钻成了第一口油气井。自那时起,利用气体来进行油气井钻探在全球范围发展起来,现在采用气体钻井技术已能钻达近6000m。目前,据估计约有10%的美国内陆地钻井作业,以及相同比例的国际钻井作业运用空气和天然气钻井技术来完成主要井段的钻进。美国陆地约30%的油气井均可采用气体钻井技术来完成。美国、加拿大等国在气体钻井的井下配套工具的研究比较齐全,有专用的空气螺杆钻具(Air Positive Displacement Drill)、空气锤(Air Hammer)、空气钻配套使用的钻头(Air Hammer Bit)。为了加快钻井进度、提高机械钻速,通常将气体螺
4、杆、空气锤和与空气钻配套使用的钻头一起使用,机械钻速大幅度提高,在同类地区相同井段是钻井液钻进的1520倍。另外德国、法国、英国、西班牙、匈牙利、哥伦比亚、俄罗斯、突尼斯、澳大利亚、阿根廷等国家都有了空气钻井的应用。目前,国外应用气体介质条件下固井的研究与应用较少,仅见到在新墨西哥州的圣胡安地区的应用报道。由于圣胡安Mesa Verde地层压力低,因此多数Dakota井采用空气钻井,完钻后直接下套管固井存在很多问题:(1)注水泥时浆体自由落体,井底冲击压力过大可能会压漏地层;(2)水泥浆失水引起粘度变大,导致水泥浆性能变化甚至闪凝。2003年,Ferg发明井下配水嘴(DHC),减少水泥浆通过套
5、管的速度,有效避免了由于冲击压力过大压漏地层的问题,但下套管时要保持关闭,否则高速上升的气流与套管摩擦容易引起火灾。研究表明,采用触变性强的水泥浆有效控制自由水和失水,是气体介质条件固井成功的关键。(二)国内相关产业和技术现状、发展趋势20世纪60年代,川渝地区曾经在8口井中使用天然气钻井,取得一定效果。1988年,新疆克拉玛依油田从美国英格索兰公司引进了全套空气雾化钻井装备以后,从1989年至1997年先后成功地进行了12口井的空气雾化钻井现场试验工作。提高机械钻速1.710.24倍。长庆油田于1986年开始了空气钻井技术研究,用空气钻井进行试验,均取得了明显的效果,提高机械钻速2.59.6
6、5倍。本世纪初,中石化开始探索气体钻井技术在川东北地区的适应性。2006年川东北地区老君1井进行气体钻井试验,钻进井段762m3253.76m,井径F314.1mm,获得机械钻速11.37mh,提速效果明显。而后在通南巴、元坝等构造大量推广应用空气钻井、氮气钻井和泡沫钻井。2006年中石化川东北工区应用空气钻井21口,平均机械钻速7.13m/h,最高单井日进尺380m。2007年,勘探南方分公司在川东北地区的老君、元坝、普光、河坝、双庙、清溪、大湾、铁山坡等构造上的所有井上部井段都设计采用气体钻井技术。2008年,在前两年气体钻井应用基础进行分析总结,在不同构造设计出适合气体钻井的井身结构,气
7、体钻井提速取得许多突破性成果。元坝9井完整钻达气体钻井设计井深,同时在F444.5mm井眼获空气钻井日进尺417m。在川东北地区逐步形成了不同构造采用不同介质的气体钻井,河坝构造采用泡沫钻井为主,元坝地区以空气钻井为主。关于气体介质条件下固井技术,据中国石油网2009年5月27日报道:中石油川庆钻探工程公司首创了空气介质条件下下套管注水泥固井技术,共18井次均获得成功。经去川庆钻探工程公司的井下作业分公司、钻采工艺技术研究院、川东钻探公司调研,我们了解到他们主要在四川仪陇县的龙岗地区、以及川西的南部平落坝-邛西构造实施过干井固井,具体数据见表1。表1 川庆钻探工程公司干井固井统计表序号井号施工
8、日期施工工艺套管尺寸下深(mmm)固井评价质量好%中%差%1龙岗17井2008.4.4内插一次正注339.7601.4588.8211.180.002龙岗22井2008.3.5常规一次正注339.7618.5199.200.660.143龙岗29井2008.7.19内插漏失正注反打339.7599.4290.167.712.134龙岗36井2008.5.28常规一次正注339.7595.710.6621.6667.685龙岗61井2008.6.10内插正注反打361.51812.0780.6117.651.746龙岗001-6井2008.2.17常规一次正注339.7587.7697.721.
9、990.297龙岗001-8井2008.7.12常规一次正注339.7593.885.501.7492.768龙岗30井2008.7.11常规一次正注339.7600.0221.2932.5246.199龙岗37井2008.6.21常规一次正注339.7588.0794.395.200.4110龙岗160井2008.10.14常规正注反打244.52342.8975.7120.313.9811龙岗166井2008.10.28常规正注反打244.52627.7573.3519.107.5512龙岗20井2008.2.1内插漏失正注反打339.7606.9897.290.532.1913龙岗16井
10、2008.8.5常规一次正注339.7607.6950.3729.8919.7414龙岗001-12井2008.11.9常规一次正注339.7603.475.7324.270.0015龙岗8井2007.5.26常规一次正注339.71011.5681.187.9110.9016龙岗001-1井2007.10.1常规一次正注339.7796.656.5537.236.2117龙岗10井2007.4.8内插漏失正注反打339.7699.0811.6152.0336.3618平落006-5井2007.8.24内插一次正注244.51648.838.897.1783.94由表1中数据可以看出,目前用于
11、干井固井的主要是F339.7mm表层套管和244.5mm技术套管。其中F339.7mm套管固井14井次,F244.5mm套管固井3井次,最大套管下深2630m。水泥胶结质量测井评价比常规固井方式大幅提高,总体优质率62.17%,合格率78.77%,不合格率21.23。其中F339.7mm套管统计固井质量14口,固井优质率62.89%,合格率79.64%,不合格率20.36。优质率较常规固井提高58.11%,合格率提高16.94%。F244.5mm套管统计固井质量3口,固井优质率52.65%,合格率68.18%,不合格率31.82。固井优质率较常规固井提高2.94%。从国内外研究现状来看,气体钻
12、井技术经过几十年的发展,已经比较成熟。但作为与之相配合的气体介质条件的固井工艺技术,近几年才开始研究应用,随着气体钻井越来越多的开展,研究适应气体介质条件下的固井技术具有广阔的应用前景。(三)开题的目的意义近年来,川渝地区应用气体钻井技术在提高钻井速度、防漏堵漏、发现和保护油气层等方面取得了显著的效果。但现场实践表明,空气钻井完成钻井目的后,为了进行表层套管或技术套管固井,需要再替入水基钻井液,这种情况的固井就与水基钻井液完成钻井目的一样,且面临井壁水化失稳和井漏两大技术难题。因处理井壁失稳和井漏等井下复杂情况要花费大量时间和钻井材料,就部分失去了气体钻井既得经济效益。因此,气体钻井完成后,在
13、不替入任何液体钻井液的情况下,如果能直接进行表层套管或技术套管固井即气体介质条件下固井,就可以减少替入钻井液、避免处理井下复杂等中间环节,从而减少钻井液处理剂,缩短钻井周期,降低钻井综合成本。综上所述,在气体介质条件下,进行下套管和注水泥固井作业在国内外都处于尝试阶段,从目前应用情况来看,具有良好的社会效益和技术经济效益,因此开展此项研究十分必要。但气体钻井后的空井筒固井与常规固井比较,也存在以下主要技术难点:(1)井眼稳定与岩屑清除较困难。采用空气作为循环工作流体钻成的井眼,井壁干燥,孔隙、裂缝基本保持原始状态,但各个地层地质构造应力不尽相同。因此,在没有液柱压力的情况下,坍塌压力很容易使井
14、眼掉块、坍塌而失稳。如果依靠空气彻底清除钻屑和掉块,现场施工比较困难,特别是体积较大的掉块。(2)固井过程中极易井漏,水泥浆返高难于控制。一是由于水泥填充原始孔隙、裂缝,需要一定量水泥浆,即渗漏。二是由于地层本身承压能力不高,注入水泥浆时,液柱压力一般远大于地层漏失压力,造成地层漏失,损失水泥浆,即压漏。井下出现水泥浆漏失时,掌握和控制水泥浆返高困难。(3)水泥浆非连续流动的情况下,施工参数难以控制。在水泥浆重力、地层与水泥浆液柱压差的作用下,水泥浆注入空井过程中无法形成连续流动,实际注水泥施工压力、排量与设计不一致,施工参数就不可能准确反映井下实际情况。(4)水泥浆较长时间对井底的冲击作用易
15、损坏固井工具及固井附件,还可能引起环空堵塞。水泥浆从1000m以上的井口自由下落,沿程对固井工具及套管附件冲击力很大,施工时间较长,容易造成固井工具及套管附件损坏及失效;另外,水泥浆的冲击和不可避免的失水会使干燥的井壁失稳掉块,水泥浆具有较强的携带能力又容易造成井壁掉块及原井眼的钻屑聚集,增加了环空堵塞的可能。(5)要求水泥浆性能协调、良好。水泥浆不仅需要具有低失水、零析水、微膨胀、低渗透、沉降稳定性好、早期强度高等特点,而且需要在干燥环空中长时间上返流动时,能保持良好的流动特性。(6)井下不确定因素多,潜在风险大。空井注替涉及工作环节多、工作量大,而且各环节存在大量的潜在因素,稍有不慎,很可
16、能引起其它风险因素。针对以上难点,有必要开展气体介质条件的固井技术研究,形成一套安全、经济、环保的气体介质条件下的固井新技术。(四)与中国石化主业发展的关联度在川渝地区拥有天然气资源丰富,是“川气东送工程”油气资源的基础。该地区气体钻井技术已经相对成熟,2006年中石化川东北工区应用空气钻井21口。2007年,勘探南方分公司在川东北地区的老君、元坝、普光、河坝、双庙、清溪、大湾、铁山坡等构造上的所有井上部井段都设计采用气体钻井技术。2008年,在不同构造设计出适合气体钻井的井身结构,如元坝1井、5井、9井和11井都设计和实施了空气钻一开、二开井段。近年来,中石化在川渝地区钻井提速中,气体钻井技
17、术已经在几十口井成功推广。可见,气体介质条件下固井技术研究与中石化石油天然气勘探开发主产业的发展紧密相连。更加重要的是通过科技攻关实现该地区的油气突破将推动中石化油气主业的发展。(五)项目的创新性完成本项目的研究与应用,将填补中石化系统内气体介质条件下固井技术空白。形成的主要创新技术有:1、气体介质固井适应的井筒条件确定方法;2、适合气体介质条件固井的低密度和常规密度水泥浆体系;3、适合气体介质条件固井的施工工艺技术。二、研究开发的目标、内容、技术方法和路线、技术经济指标(一)技术目标针对气体钻井的空井条件,开展气体介质条件下固井的适应条件、水泥浆体系、井眼准备及套管下入和配套注水泥工艺技术研
18、究,形成一套安全、经济、环保的固井新技术。(二)技术内容和技术关键1、技术内容(1)适应气体介质条件下固井的井筒条件研究采用气体作为循环介质钻成的井眼,井壁干燥,井壁岩石既存在天然孔缝又存在破碎岩石产生的应力释放缝,井眼失稳包括应力释放和水敏性地层吸水膨胀引起失稳。因此,入井管柱的撞击和液体浸泡等都可能导致井眼失稳。另一方面,目前气体介质条件下固井作业仅限于井筒内不产天然气的井应用,对于含气层、硫化氢及可燃气体与空气混和发生爆炸风险的安全问题。针对这些问题,应分析研究地层应力特征、井壁稳定参数、孔隙压力、地层破裂压力、含油气水情况。在基本地质特征、固井复杂工程问题分析的基础上,结合气体介质条件
19、固井的工艺特征,评估目标区块气体介质条件固井的适应性,为现场固井作业设计提供科学依据,形成相应的气体介质条件固井适应性评价技术,建立一套科学确定适应气体介质安全固井井筒应具备条件的方法。具体进行以下3项研究: 气体介质条件下固井适应的地层特性分析分析地层应力特征、井壁稳定参数、孔隙压力、地层破裂压力、含油气水情况,以及地层岩石的孔隙度、渗透率、水化特性等。 气体介质条件下安全固井要求研究研究气体介质井筒固井以空气作为循环介质时,对在常压下可燃气体,硫化氢含量的安全要求。 气体介质条件下固井适应性评价研究在基本地质特征分析的基础上,针对固井复杂工程问题,结合气体介质固井的工艺特征,评估目标区块干
20、井筒固井的适应性,为现场试验提供科学依据,并形成相应的气体介质固井适应性评价技术。(2)适合气体介质条件下固井井眼准备技术研究与套管安全下入技术研究钻进和起下钻作业中产生的新老岩屑、在高速气流吹扫没有完全清除的岩屑,会沉降至井底,影响套管安全顺利下入到位。气体介质条件下套管与泥浆条件有显著的不同。由于套管柱始终处于空重状态导致管柱下行具有更大的惯性力,再者套管柱受重力作用更紧靠井壁下侧即贴边更严重。因此,井眼状态及净化、通井钻具结构及技术的井眼准备,优化套管柱结构设计及扶正器安放,是确保套管柱安全顺利下入到位的关键。具体进行以下4项研究: 合理的通井钻具结构及通井技术研究气体介质条件下通井,钻
21、具无钻井液浮力,管柱运行时产生很极大的惯性力,存在安全风险,且遇阻划眼时如何防止阻卡和钻具反转倒脱钻具等问题。 固井前井眼净化技术研究由于气体对岩屑几乎没有悬浮能力,通井过程中如何加强井筒内的砂屑清扫,如何将井壁掉块碾碎后清除、循环气量要求、探砂面的起下钻方式和吹扫井筒要求等,以确保下套管前井眼充分净化、清洁。 套管强度要求及管串结构组合设计研究由于套管内为气体,在注水泥浆结束后,底部套管所受的挤压力大,必须保证套管的有合理强度,并根据安全系数调整浆柱结构或注浆工艺。 下套管技术研究研究保证套管下入合理的扶正器类型选择与安装,下套管摩阻分析等。(3)适合气体介质条件下固井的水泥浆体系研究在气体
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