水平井大规模压裂固井水泥石性能设计方法

doi:10.11885/j.issn.16745086.2021.04.28.09

西南石油大学学报(自然科学版) ›› 2021, Vol. 43 ›› Issue (4): 167-174.DOI: 10.11885/j.issn.16745086.2021.04.28.09

• 深层和非常规油气钻完井专刊 • 上一篇下一篇

水平井大规模压裂固井水泥石性能设计方法

尹虎¹, 赵修文¹, 李黔¹, 钟守明², 李维轩²

1. 西南石油大学石油与天然气工程学院, 四川成都 610500;
2. 中国石油新疆油田公司工程技术研究院, 新疆克拉玛依 834000

收稿日期:2021-04-28 发布日期:2021-08-06
通讯作者: 尹虎,E-mail:yinhu@swpu.edu.cn
作者简介:尹虎,1978年生,男,汉族,四川蓬安人,副教授,博士,主要从事超深井、水平井钻完井技术、钻井信息化智能化技术。E-mail:yinhu@swpu.edu.cn
赵修文,1995年生,男,汉族,重庆巴南人,博士研究生,主要从事研究井筒完整性、水平井钻井参数优化方面的工作。E-mail:476399808@qq.com
李黔,1962年生,男,汉族,四川南充人,教授,博士生导师,主要从事水平井钻井与完井技术、复杂深井超深井钻井技术、钻井信息智能化分析技术等方面的研究。E-mail:liqian@swpu.edu.cn
钟守明,1965年生,男,汉族,重庆万州人,工程师,主要从事石油行业固完井研究和方案设计工作。E-mail:2289723563@qq.com
李维轩,1963年生,男,汉族,新疆克拉玛依人,高级工程师,主要从事钻井工艺技术研究及钻井方案设计工作。E-mail:1822193297@qq.com
基金资助:
国家重点研发计划（2019YFA0708302）；国家科技重大专项（ZX201705070-003）

Design Method of Cement Stone Performance for Large Scale Fracturing in Horizontal Wells

YIN Hu¹, ZHAO Xiuwen¹, LI Qian¹, ZHONG Shouming², LI Weixuan²

1. Petroleum Engineering School, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China;
2. Research Institute of Engineering Technology, Xinjiang Oilfield Company, Karamay, Xinjiang 834000, China

Received:2021-04-28 Published:2021-08-06

摘要/Abstract

摘要： 水平井大规模压裂对固井水泥石性能提出了更高的要求，不仅要求水泥石有一定的抗压强度，还需要具备一定变形能力。目前普遍采用的标准已不能满足水平井大规模压裂对水泥环密封性的要求。基于压裂工况条件下水泥环受力分析模型，综合考虑水泥环拉伸破坏和界面剥离破坏两种失效形式，提出了一种能满足大规模压裂密封要求的固井水泥石性能设计方法，建立了包含弹性模量、泊松比以及抗拉强度（或屈服强度）的固井水泥石性能指标控制图版，量化了水泥石的杨氏模量、泊松比、抗拉强度（或屈服强度）之间的关系。根据该指标控制图版进行水泥石性能设计，可以有效减少水泥环破坏的风险。建立了玛湖油田大规模压裂水平井固井指标控制图版，并根据该控制图版优选了弹韧性水泥浆体系，该体系现场应用10余口井，顺利完成了井口压力增量90 MPa的储层压裂改造，效果良好，达到了预期产量。

关键词: 水泥石, 控制图版, 压裂, 水平井, 固井

Abstract: Large-scale fracturing of horizontal wells requires the higher performance of cement, which requires not only a certain compressive strength but also a certain deformation ability. The current commonly used standardisno longer meet the requirements of cement sheath sealing for horizontal well large-scale fracturing. Based on the stress analysis model of the cement sheath under fracturing conditions, a design method for cementing cement performance that can meet the requirements of largescale fracturing sealing is proposed with consideration of cement sheath tensile failure and interface failure. We established a cementing stone performance index control chart including elastic modulus, Poisson's ratio, and tensile strength (or yield strength), and quantified the Young's modulus, Poisson's ratio, and tensile strength (or yield strength) of the cement stone. The performance design of cement stone based on the index control chart can effectively reduce the risk of damage to the cement ring. A control board for the performance index of large-scale fracturing horizontal well cementing cement in the Mahu Oilfield was established. According to the requirements of the cement stone performance index control chart, the elastic-toughness cement slurry system was selected, and more than 10 wells were applied in the field. The reservoir fracturing reconstruction with a surface construction pressure of 90 MPa was successfully completed.

Key words: cement stone, control chart, fracturing, horizontal well, cementing

中图分类号:

TE25

尹虎, 赵修文, 李黔, 钟守明, 李维轩. 水平井大规模压裂固井水泥石性能设计方法[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2021, 43(4): 167-174.

YIN Hu, ZHAO Xiuwen, LI Qian, ZHONG Shouming, LI Weixuan. Design Method of Cement Stone Performance for Large Scale Fracturing in Horizontal Wells[J]. Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition), 2021, 43(4): 167-174.

0
/ / 推荐

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: http://journal15.magtechjournal.com/Jwk_xnzk/CN/10.11885/j.issn.16745086.2021.04.28.09

http://journal15.magtechjournal.com/Jwk_xnzk/CN/Y2021/V43/I4/167

参考文献

[1] 刘成贵. 非常规油气水平井固井关键技术研究与应用[J]. 石油钻采工艺, 2013, 35(2):48-51. doi:10.3969/j.issn.1000-7393.2013.02.015 LIU Chenggui. Key technology research and application of cementing in horizontal wells of unconventional oil and gas reservoir[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2013, 35(2):48-51. doi:10.3969/j.issn.1000-7393.2013.02.015
[2] 国家能源局. 油井水泥浆性能要求:SY/T 6544-2017[S]. 北京:石油工业出版社, 2017. National Energy Agency. Performance requirements of oil well cement slurry:SY/T 6544-2017[S]. Beijing:Petroleum Industry Press, 2017.
[3] 国家能源局. 固井设计规范:SY/T 5480-2016[S]. 北京:石油工业出版社, 2016. National Energy Agency. Code for cementing design:SY/T 5480-2016[S]. Beijing:Petroleum Industry Press, 2016.
[4] 李军,陈勉,柳贡慧,等. 套管、水泥环及井壁围岩组合体的弹塑性分析[J]. 石油学报, 2005, 26(6):99-103. doi:10.3321/j.issn:0253-2697.2005.06.023 LI Jun, CHEN Mian, LIU Gonghui, et al. Elastic-plastic analysis of casing-concrete sheath-rock combination[J]. Acta Petrolei Sinica, 2005, 26(6):99-103. doi:10.3321/j.issn:0253-2697.2005.06.023
[5] 曾德智,林元华,李双贵,等. 非均匀地应力下水泥环界面应力分布规律研究[J]. 石油钻探技术, 2007, 35(1):32-34. doi:10.3969/j.issn.1001-0890.2007.01.009 ZENG Dezhi, LIN Yuanhua, LI Shuanggui, et al. Study of stress distribution of cement sheath section under nonuniform formation stress[J]. Petroleum Drilling Technology, 2007, 35(1):32-34. doi:10.3969/j.issn.1001-0890.2007.01.009
[6] 王耀锋,李军强,杨小辉. 套管-水泥环-地层系统应力分布规律研究[J]. 石油钻探技术, 2008, 36(5):7-11. doi:10.3969/j.issn.1001-0890.2008.05.002 WANG Yaofeng, LI Junqiang, YANG Xiaohui. Stress distribution in casing-cement-stratum[J]. Petroleum Drilling Technology, 2008, 36(5):7-11. doi:10.3969/j.issn.1001-0890.2008.05.002
[7] 殷有泉,陈朝伟,李平恩. 套管-水泥环-地层应力分布的理论解[J]. 力学学报, 2006, 38(6):835-842. doi:10.3321/j.issn:0459-1879.2006.06.015 YIN Youquan, CHEN Zhaowei, LI Ping'en. Theoretical solutions of stress distribution in casing-cement and stratum system[J]. Acta Petrolei Sinica, 2006, 38(6):835-842. doi:10.3321/j.issn:0459-1879.2006.06.015
[8] 初纬,沈吉云,杨云飞,等. 连续变化内压下套管-水泥环-围岩组合体微环隙计算[J]. 石油勘探与开发, 2015, 42(3):379-385. doi:10.11698/PED.2015.03.16 CHU Wei, SHEN Jiyun, YANG Yuanfei, et al. Calculation of micro-annulus size in casing-cement sheath-formation system under continuous internal casing pressure change[J]. Petroleum Exploration and Development, 2015, 42(3):379-385. doi:10.11698/PED.2015.03.16
[9] 刘奎,王宴滨,高德利,等. 页岩气水平井压裂对井筒完整性的影响[J]. 石油学报, 2016, 37(3):406-414. doi:10.7623/syxb201603013 LIU Kui, WANG Yanbin, GAO Deili, et al. Effects of hydraulic fracturing on horizontal wellbore for shale gas[J]. Acta Petrolei Sinica, 2016, 37(3):406-414. doi:10.7623/syxb201603013
[10] 赵效锋,管志川,史玉才,等. 固井界面微环隙产生机制及计算方法[J]. 中国石油大学学报(自然科学版), 2017, 41(5):94-101. doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2017.05.011 ZHAO Xiaofeng, GUAN Zhichuan, SHI Yucai, et al. An assessment method for occurrence of micro-annular fractures on cementing interfaces of oil and gas well casing[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2017, 41(5):94-101. doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2017.05.011
[11] 李勇,刘硕琼,王兆会. 水泥环厚度及力学参数对其应力的影响[J]. 石油钻采工艺, 2010, 32(4):37-40. doi:10.3969/j.issn.1000-7393.2010.04.010 LI Yong, LIU Shuoqiong, WANG Zhaohui. Effect of cement thickness and its mechanical parameters on cement stress[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2010, 32(4):37-40. doi:10.3969/j.issn.1000-7393.2010.04.010
[12] 张景富,张德兵,张强,等. 水泥环弹性参数对套管-水泥环-地层固结体结构完整性的影响[J]. 石油钻采工艺, 2013, 35(5):43-46. doi:10.3969/j.issn.-1000-7393.2013.05.012 ZHANG Jingfu, ZHANG Debing, ZHANG Qiang, et al. Impact of elastic parameters of cement ring on structural integrity of casing-cement ring-strata cementing combination[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2013, 35(5):43-46. doi:10.3969/j.issn.1000-7393.2013.05.012
[13] SINGH P, SINHA M P, LAL K, et al. Stress modelling and design of elastic cement system to withstand well-bore pressure during hydro-fracturing and casing integrity testing[C]. SPE 185402-MS, 2017. doi:10.2118/185402-MS
[14] 沈吉云,石林,李勇,等. 大压差条件下水泥环密封完整性分析及展望[J]. 天然气工业, 2017, 37(4):98-108. doi:10.3787/j.issn.1000-0976.2017.04.012 SHEN Jiyun, SHI Lin, LI Yong, et al. Analysis and perspective of cement sheath integrity under a high differential pressure[J]. Natural Gas Industry, 2017, 37(4):98-108. doi:10.3787/j.issn.1000-0976.2017.04.012
[15] LULLO G D, RAE P. Cements for long term isolation design optimization by computer modelling and prediction[C]. SPE 62745-MS, 2000. doi:10.2118/62745-MS
[16] RAVI K, BOSMA M, GASTEBLED O. Improve the economics of oil and gas wells by reducing the risk of cement failure[C]. SPE 74497-MS, 2002. doi:10.2118/74497-MS
[17] 刘硕琼,李德旗,袁进平,等. 页岩气井水泥环完整性研究[J]. 天然气工业, 2017, 37(7):76-82. doi:10.3787/j.issn.1000-0976.2017.07.011 LIU Shuoqiong, LI Deqi, YUAN Jinping, et al. Cement sheath integrity of shale gas wells:A case study from the Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2017, 37(7):76-82. doi:10.3787/j.issn.1000-0976.2017.07.011
[18] 唐志强,李黔. 水平井压裂水泥环应力分析[J]. 应用力学学报,2018,35(3):551-557. doi:10.11776/cjam.35.03.B023 TANG Zhiqiang, LI Qian. Stress analysis of cement sheath of horizontal well during hydraulic fracturing[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2018, 35(3):551-557. doi:10.11776/cjam.35.03.B023
[19] THIERCELIN M J, DARGAUD B, BARET J F, et al. Cement design based on cement mechanical response[J]. SPE Drilling & Completion, 1998, 13(4):266-273. doi:10.2118/38598-MS
[20] 陈安明,张辉,宋占伟. 页岩气水平井钻完井关键技术分析[J]. 石油天然气学报, 2012, 34(11):98-103. doi:10.3969/j.issn.1000-9752.2012.11.021 CHEN Anming, ZHANG Hui, SONG Zhanwei. Analysis of key technologies for drilling and completion on horizontal wellbore for shale gas[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2012, 34(11):98-103. doi:10.3969/j.issn.1000-9752.2012.11.021
[21] 徐芝纶. 应用弹性力学[M]. 3版. 北京:高等教育出版社, 1990. XU Zhilun. Applied elasticity[M]. 3rd ed. Bejing:Higher Education Press, 1990.
[22] 刘洋,严海兵,余鑫,等. 井内压力变化对水泥环密封完整性的影响及对策[J]. 天然气工业, 2014, 34(4):95-98. doi:10.3787/j.issn.1000-0976.2014.04.015 LIU Yang, YAN Haibing, YU Xin. Negative impacts of borehole pressure change on cement sheath sealing integrity and countermeasure[J]. Natural Gas Industry, 2014, 34(4):95-98. doi:10.3787/j.issn.1000-0976.2014.04.015

水平井大规模压裂固井水泥石性能设计方法

Design Method of Cement Stone Performance for Large Scale Fracturing in Horizontal Wells

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	任妍君, 李淼, 蒋其辉, 石静康, 易多. 温敏清洗剂原位乳化清洗油基钻井液室内研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2021, 43(4): 90-98.
[2]	黄亮, 邓宽海, 王森, 付豪, 林元华. 基于多材质复合管柱的裸眼井壁支撑工艺及应用[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2021, 43(4): 157-166.
[3]	杨兆中, 廖梓佳, 李小刚, 朱利勇, 陈浩. 非均布导流下页岩气藏压裂水平井产量模拟[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2021, 43(3): 93-100.
[4]	徐璧华, 唐磊, 徐鲲, 徐德洋, 李治衡. 动态压力下固井防窜增韧剂研究与性能评价[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2021, 43(3): 128-135.
[5]	叶义平, 钱根葆, 徐有杰, 高阳, 覃建华. 页岩油压裂水平井变导流能力试井模型研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2021, 43(1): 111-119.
[6]	戴秀兰, 刘通义, 魏俊, 王锰. 一种延迟交联的抗高温加重胍胶压裂液的研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2021, 43(1): 176-182.
[7]	檀朝东, 贺甲元, 周彤, 刘健康, 宋文容. 基于PCA-BNN的页岩气压裂施工参数优化[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(6): 56-62.
[8]	陈雪, 徐剑良, 黎菁, 肖剑锋, 钟思存. 威远区块页岩气水平井产量主控因素分析[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(5): 63-74.
[9]	孙林, 黄波, 易飞, 张杰. 爆燃压裂技术对水泥试样致裂实验研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(5): 99-106.
[10]	乐宏, 杨兆中, 范宇. 宁209井区裂缝控藏体积压裂技术研究与应用[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(5): 86-98.
[11]	张博宁, 张芮菡, 吴婷婷, 鲁友常. 致密气藏多级压裂水平井生产动态机理分析[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(5): 107-117.
[12]	黄亮, 王国荣, 徐靖, 魏安超, 贾杜平. 水平井完井管柱振动特性实验研究[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(5): 170-178.
[13]	何小川, 欧家强. 磨溪雷一¹气藏高效开发主体技术与成效[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(4): 144-154.
[14]	钟文建, 李双贵, 熊宇楼, 付建红, 苏昱. 超深水平井钻柱动力学研究及强度校核[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(4): 135-143.
[15]	李斌, 陈莎, 郭建华, 刘开强, 程小伟. 固井水泥浆水化早期阶段水状态与电导率关系[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), 2020, 42(3): 153-160.