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稠油热采井固井技术的研究进展

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稠油热采井固井 技术 研究进展
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2010 年第 5 期拿大 、美国以及委内瑞拉等国都进行了稠油热采 。我国稠油资源也相当丰富,从 20 世纪 70 年代以来就致力于稠油开采技术的研究与实践,辽河 、胜利 、吐哈 、克拉玛依等油田都已发现大量稠油油藏,产量接近各油田产能的 10%~15%,其合理开发对上述油田稳产 、增产具有重要意义 。[1]对于稠油油藏,大多采用热力降粘的方式开采,热采稠油井的固井必须适应和满足蒸汽吞吐及蒸汽驱开采的方式 。同时,在注蒸汽期间井下套管 、水泥往往要承受高达 300 ℃以上的温度 。热采井水泥石在高温条件下,产生强度衰退;热应力导致水泥环产生破坏,层间封隔失效,引起套损 。[2]因此,根据水泥石高温稳定机理以及稠油井井况来设计相应的水泥浆体系和合理的稠油热采工艺,采用合理的热采井固井工具,使之满足热采井固井要求,是稠油开采的一个研究重点 。1 热采井固井水泥浆体系稠油热采井固井水泥浆应具有如下特点:在低温下快速凝结,防止候凝过程中的环空窜流,形成封隔性能良好的优质水泥环;在生产过程中,水泥石要具有长期的抗高温 、强度 、衰退性能,水泥环不发生破坏 。普通油井水泥难以满足上述稠油热采井固井的要求 。高温水泥油井水泥的物理化学性能与温度压力有着密切的关系,普通波特兰水泥在高于 110 ℃温度下,强度倒缩并且渗透率增大,很难满足高温应用 。通波特兰高温水泥 现场通常所采取的措施是在普通油井水泥中加入 α- 石英粉,降低水泥石中石灰与二氧化硅的钙硅比( C/S) 。[3]等较为详细的研究了加砂水泥在不同温度条件下的晶相转变,以及对水泥石的强度和渗透率的影响 。杨志光等[4]研究表明 度衰退的临界温度分别为 110 ℃和 150 ℃。在水泥中加入硅砂可以抑制水泥石的高温强度衰退,硅砂的合理加量为水泥量的 30%~40%。由于高温下水泥中的水化产物会发生变化,因此温度对水泥石强度也产生影响 。[5]铝水泥 加硅粉耐高温水泥浆体系的最高使用温度为 358 ℃。因此,研究人员开发了耐更高温度的高铝水泥 。在常温特别是温度低于 225 ℃时, 高铝水泥之所以被采用是因为体系不含氢氧化钙,在温度波动大的情况下,也能保持稳定 。高铝水泥不能用在超高温井中维持抗压强度 。温度达到 500 ℃时,其强度下降比例比不稳定的波特兰水泥经验数值要大 。李早元[6]和 ]对铝酸盐水泥在稠油热采井中应用进行了较为详细的研究,表明在 300~450 ℃内,固井水泥浆具有良好的抗压强度和低渗透率 。同时,高铝水泥也具有较好的抗酸性 、抗腐蚀性 。酸盐水泥 对于更高温度尤其是含有酸性腐蚀介质的地热井和热采井,研究和应用磷酸盐水泥是目前的热点 。磷酸盐水泥为化学键合水泥( 由酸碱反应材料来制备 。通常情况下,碱性粉末为单组分金属氧化物体系( 、二组分( 三组分体系( 。磷酸镁水泥作为磷酸盐水泥的一种,早强 、快凝 、耐腐蚀 、化学和高温稳定性好,是高温固井(特别是含 、地热井和热采井固井的理想材料 。[8]较早指出磷酸镁水泥的水化反应实质上是一个以酸碱中和反应为基础的放热反应 。[9]指出,稠油井和煤层气要求封隔的水泥环能耐水蒸汽 、磷酸盐水泥相比波特兰水泥更适宜于上述环境 。他研制的磷酸镁水泥的密度范围为 .6 g/合于稠油井和煤层气井的固井 。人指出,[10]磷酸盐水泥在高温 、高压以及含有 低渗透性以及优异的抗 性能低密度水泥浆一些老稠油区地层往往较松软,压力低,即使采用行之有效的低失水 、高早强 、短候凝水泥浆体系,仍在固井施工中发生漏失 。因此通常要求使用密度小于 g/强低密度水泥浆[11- 12]常用的低密度水泥浆体系主要由水泥 、漂珠 、增强剂 、硅粉 、早强型降失水剂以及相应配套外加剂组成 。该水泥浆的设计基于紧密堆积和颗粒级配理论,李鹏晓 孙富全 曾建国 (天津中油渤星工程科技有限公司 天津 300451)稠油热采井固井技术的研究进展【摘 要 】综述了热采井固井水泥浆体系和预应力固井工具的国内外研究最新进展 。重点介绍了普通波特兰高温水泥 、高铝水泥和特种磷酸盐水泥等耐高温水泥,以及高强低密度水泥 、泡沫水泥等高性能低密度水泥浆;并介绍地锚 、热应力补偿器这两个主要预应力固井工具的应用现状 。【关 键 词 】固井 热采井 高温水泥 低密度水泥浆 预应力固井工具收稿日期: 2010- 09- 05创新技术112010 年第 5 期行合理级配,使水泥浆体系实现良好的空隙填充,达到紧密堆积的效果 。20 世纪 90 年代后期,斯伦贝谢公司[13]将紧密堆积理论应用于固井水泥浆设计中,形成了以 括: 性能低密度水泥浆等 。天津中油渤星公司开发了低密度增强材料 及相应的低密度水泥浆体系,这种水泥浆密度最低可达 g/50 ℃条件下24 h 强度达到 14 国内外油田固井约 1 000 井次 。沫低密度水泥浆 泡沫水泥也是一种超低密度水泥 。典型的泡沫水泥是以常规密度的波特兰水泥为基料,加入至少 35%的硅粉,一定量的表面活性剂和稳定剂等 。顾军等[14]研究表明泡沫水泥由于导热系数较低,在蒸汽吞吐采油过程中被证明对反复的热循环具有良好的隔热作用 。田红[15]等研究的新型泡沫水泥浆体系主要由基浆 、发气剂 、稳泡剂 、缓凝剂和增强剂等组成 。利用化学剂在水泥浆中反应生成氮气( 形成的新型泡沫水泥浆,具有泡沫细小均匀 、结构稳定 、渗透率低 、导热率低 、强度高等特点 。因此,多年来在国内外得到了广泛的应用,取得了很好的效果 。[16- 17]2 主要的预应力固井工具与常规的原油开采方式相比,稠油开采中发现的主要问题是套管的变形 、错断和泄漏等 。主要原因是在注蒸汽期间,井下高温使油井套管柱产生热应力,从而发生塑性屈服,套管产生变形 。因此,在完井过程中给套管适当地施加预应力,克服一部分热应力,使套管所受的热应力不至于超过套管的屈服极限 。这种完井方法即称预应力完井,热采井普遍应用,对预防全井套管损坏起到重要作用[18]。地锚 、热应力补偿器则是预应力固井中最常用的两个工具 。锚所谓地锚是一种能将套管底部与井壁锚死的装置 。固井碰压后,用水泥车向套管施加 15~20 压,套管柱产生一定轴向拉应力,将撑爪打开,与井壁锚死 。再利用钻机大钩提拉套管柱,施加轴向拉预应力 。由内压产生的轴向拉应力和提拉产生的拉应力之和,即为对套管施加的预应力 。一但水泥浆凝结,井口卸压后此力将全部保存下来 。国外早在 20 世纪 60 年代就开始对地锚预应力固井进行研究和应用 。辽河油田从 20 世纪 80 年代后期先后开始应用 、 型空心式套管地锚型,实现了一次性地锚预应力固井,其技术处于国内先进水平 。克拉玛依油田研制的系列预应力固井地锚,目前在克拉玛依浅层稠油油井固井中应用率已达到 100%。[19]胜利油田预应力固井研制的 “可复位式预应力固井地锚 ”装置( 100B),[20]使预应力固井技术满足了热采井开发的需要 。目前国内所使用的预应力地锚主要有 100B 型及 型 2 种,这些地锚在现场均得到了大规模的推广应用,长期以来取得了很好的固井效果 。图 1 为双级套管地锚结构示意图 。图 1 双级套管地锚结构示意图注: 7″ 应力补偿器所谓 “热应力补偿器 ”就是一种具有伸缩功能的短接,接在套管柱的高温井段内,能吸收热变形,释放热应力,解决套管在注汽吞吐过程中产生的恶性轴向应力,使热应力缓解至套管屈服极限以内,以达到防止套管损坏的目的 。其施工技术简单,便于推广应用,并且与常规套管固井没有区别,特别适用于稠油热采水平井 。辽河油田自 20 世纪 80 年代采用了固井地锚提拉套管预应力技术,治理后热采井套管损坏虽有所下降,但套管先期损坏依然严重 。采取的新措施主要是:使用热应力补偿器减少注蒸汽时套管应力,用 经过长期的研究与实践,其使用减缓了热采井套管先期损坏速率 。[21]为此,辽河油田研制了 φ177.8 应力补偿器[22],可在 350 ℃和 15 力条件下工作 500 次以上,取得了较好的实际应用效果 。辽河油田 φ177.8 应力补偿器如图2 所示 。图 2 φ177.8 应力补偿器结构示意图3 结论与展望石油热采技术已经应用了 60 余年 。国内外对固井水泥浆体系和特殊固井工艺进行了长期大量的研究工作 。其中,随着开采难度和井下情况的复杂化程度的增加,固井难度不断加大 。满足特殊工艺要求的特种水泥浆,如高性能高温低密度水泥浆的研究将是重点,特种非硅酸盐水泥浆的水化机理和在固井作业中的适用性应用前景广阔 。另外,随着预应力固井技术的不断完善,现有预应力工具存在的缺陷也需要根据不同的实创新技术122010 年第 5 期■参考文献[1]刘崇建,黄柏宗 .油气井注水泥理论与应用 [M]油工业出版社, 2001.[2]张永贵 D]2007.[3], t J E. of of of J]. 19( 5): 703- 714.[4]杨志光,崔海清,肖志兴 J]2008, 29( 3): 435- 437.[5]刘大为,田锡君,廖润康 M]宁科学技术出版社, 1993.[6]李早元,郭小阳,杨远光,等 J]2001, 23( 4): 29- 32.[7] C]2006.[8]T E ]1983( 13): 407- 416.[9]. P]. US 4387552008- 10- 21.[10]]. 2005.[11]孙富全,侯薇 J]2007( 3): 13- 15.[12]韩立胜,靳文龙 术 [J]2007( 4): 25- 27.[13], . A to in ]7830.[14]顾军,向阳,何湘清,等 J]2002, 29( 5): 89- 91.[15]田红 J]2001, 9( 1): 58- 61.[16]王小兵,孙玉明,李洪乾 J]2002, 30( 4): 32- 33.[17]徐可军,王新征,何育荣 J]2002, 24( 6): 30- 31.[18]聂海光 D]2003.[19]王兆会,高德利,周克刚 J]. 石油钻探技术, 2004, 32( 4):47- 49.[20]张桂林 J]2000, 28( 3): 36- 38.[21] 孙雪冬 . 套管热应力补偿器在稠油热采中的研究和应用[J]2005( 11): 52- 54.[22]孙迎春,贾耀惠 J]2002, 9( 6): 51-
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