陈道元
中石化中原石油工程有限公司固井公司 河南濮阳 457001
摘要：元坝气田陆相地层压力系统复杂，钻井过程中“漏、涌”并存，钻井液密度达2.40g/cm3左右，压力窗口窄，套管外环空间隙小，流动阻力大；固井过程中易发生井漏、造成水泥返高不够、固井后环空窜气。在分析总结元坝气田陆相地层固井技术难点的基础上，利用地层先期堵漏、完井承压试验以提高地层承压能力；改进扶正器结构方式、优选隔离液体系、优化注替排量保证环空顶替效率；采用胶乳微膨胀高密度多凝水泥浆、利用水泥浆不同胶凝强度时间分段施加回压，解决了窄压力窗口固井防窜技术难题。现场应用32井次，固井施工一次成功率100%，固井质量合格率100%，优良率81.25%，成功的解决了超深井、高压气井固井后气窜问题。
关键词：高压易漏失井；气窜；顶替效率；水泥浆体系；固井质量
元坝地区进行深层海相勘探的同时，开展了对陆相地层的勘探开发。陆相地层开发以找裂缝性气层为主，先后在雷口坡、须家河、珍珠冲及千佛崖组等6个层系取得了重大突破，多口井日产气量达到百万方。然而，陆相地层目的层埋藏仍然很深，气层埋藏深度大约在5000m左右。钻井实践证实地层中岩性复杂，砂岩、泥岩、煤层、灰岩、盐层均有，地层压力系统复杂，高、低压层交替互存，形成了多套压力系统，目的层段气层活跃，溶洞或裂缝性地层发育良好，涌、漏共存现象普遍，钻井过程中三开、四开井井段几乎是边钻、边堵、边加重压井，完钻后有的井处于动平衡状态，即循环时井口进出口密度正常，一旦静止时间稍长下钻通井就会有严重后效发生。这些复杂的地质情况和井下状况极易导致固井过程中发生井漏、水泥浆低返，憋泵、气体、钻井液“窜槽”，非目的层段水泥浆超缓凝等现象。统计2011年以前固井合格率仅有83.75%，有的井由于固井后还未进行投产就发生“气窜”不得不再进行短回接以阻止气体窜入井筒内，固井质量问题严重制约着气田的勘探开发步伐。
1、固井技术难点
1.1 压力系统复杂、安全窗口狭窄、固井防漏、防窜难度大
元坝地区地层条件复杂，断层多，裂缝多、纵向有气层10多个，气层活跃，压力分布不均，可交互出现多个低压和异常高压层，形成多套压力系统。千佛崖组、自流井组平衡地层垮塌、掉块和气层窜出需要钻井液密度1.90g/cm3左右，而下部须家河地层压力平衡需要钻井液密度可达到2.55g/cm3，然而实际地层破裂压力梯度不超过2.15g/cm3，因此，许多井边钻、边堵以提高地层承压能力，解决井涌压稳问题。部分井完钻后仅能达到动平衡，几乎没有安全压力窗口，固井防漏与防窜矛盾突出。
1.2 环空间隙小、流动摩阻大、顶替泵压高、极易造成井漏
元坝地区陆相地层最后一层尾管大都采用Φ215.9mm钻头钻进，下入Φ177.8mm尾管或者Φ158.7mm钻头钻进，下入Φ146.1mm套管。环空间隙最大仅有19mm，套管接箍处最小间隙仅有8mm，低于确保固井质量最小环空间隙值（20mm）。钻井液、水泥浆密度高，流体在环空中流动阻力大，容易压漏地层，造成环空水泥浆返高不够，同时对施工机具损害大。
1.3 大温差、高密度水泥浆低温下正常凝固困难
元坝地区陆相地层水泥浆一次性封固段长，一般都在2000m左右，水泥浆封固段内顶、底部温差大，温差可达50℃以上，水泥浆密度一般在2.30-2.60g/cm3之间，水泥浆设计既要考虑稠化时间以保证施工安全，又要考虑顶部水泥石的强度，而高密度水泥浆中水泥占有成分与常规密度水泥浆比较相对较少，强度发展比常规密度水泥浆慢，因此，高密度水泥浆在大温差条件下，达到常规密度水泥浆凝固水泥石强度难度大。
2、主要技术措施
2.1 提高顶替效率技术
2.1.1 采用特殊扶正器提高套管居中度
研究结果表明：套管在井眼中的居中度不能低于67%，否则将难以使环空中的钻井液驱替干净，而小井眼在此方面表现更为严重，原因是套管有轻微偏心就可能靠在井壁上，从而造成套管下侧无水泥，因此，小窄间隙环空套管的扶正居中比大间隙显得更加重要。然而，小间隙由于自身条件的限制，正常的扶正器难以下入，因此，针对该类井型专门研制了特殊扶正器，套管一体式扶正器，这种扶正器外形尺寸与套管接箍一致，既不影响套管下入，同时对环空过流面积影响不大，能有效的防止套管贴井壁。
2.1.2 隔离液技术
元坝地区由于地层原因，调整钻井液性能满足固井要求难度大。因此；必须依靠其他措施来改善环空的清洁。一是在注水泥浆之前注入30-40m3先导钻井液，这种钻井液在固井前配置，没有受到污染，性能稳定，能起到改善环空流动性能的作用；二是使用性能优异的冲洗型加重隔离液，这种隔离液不仅可以将密度加重到设计的密度，还可以清除界面上的污物。隔离液性能试验如下。
表1 隔离液性能
2.2 窄压力窗口下防漏、气层压稳技术
元坝陆相地层固井中最为突出的问题就是固井压力窗口窄，涌、漏并存现象普遍。针对这种问题主要采取先期堵漏及地层承压、水泥浆堵漏及控制施工排量等技术措施。
2.2.1提高地层承压技术
钻进进入漏层段时在钻井液中加入堵漏剂进行预堵漏，对于漏失较为严重地层段，配置专门的堵漏钻井液20-30m3小排量泵送到位，并采用静止方式堵漏。下套管前做地层动态承压试验，井底当量密度达到固井过程中井底最大当量密度后，才能进行下套管作业。
2.2.2 纤维堵漏水泥浆
为了防止固井过程中水泥浆漏失，采用纤维堵漏水泥浆体系。纤维尺寸进行长短搭配（一般为5mm、10mm和20mm），不同尺寸纤维搭配的水泥浆流动性好，而且更容易进入相应的裂缝，具有更好的桥接堵漏效果。纤维水泥浆的堵漏能力试验结果见表2。
表2 纤维水泥浆堵漏能力试验结果
由表中数据可以看出，加入纤维的水泥浆可将地层的承压能力提高7MPa以上，堵漏效果显著。
2.2.3 利用多凝水泥浆防止气窜
将水泥浆的稠化时间进行分段设计，使每段水泥浆凝结时间达到一定的时间的差，从而使水泥浆的“失重”在不同的时间段内发生，缩小每段水泥浆的“失重”压力值，达到压稳的目的。
2.3 提高界面胶结强度，改善固井质量
井壁泥饼和盐层段大井眼中存在的“死钻井液”容易导致水泥浆不能固化，致使界面胶结质量差。水泥环与地层、套管之间未固化的地方就给气窜留出了通道，引发气窜。面对这一问题，在元坝陆相地层固井中，研究使用了特定的前置液，室内采用元坝两口井的钻井液泥饼进行了试验，结果见表4
表3 固化强度对比
由表中数据可以看出，使用了泥饼固化剂后泥饼与水泥石固化强度显著提高，最大可提高10倍左右。界面胶结强度提高，对提高固井质量、防止气窜十分有利。
2.4 水泥浆技术
元坝陆相地层由于井深、封固段长、封固段顶部与底部间温差大，水泥浆密度高，采用常规水泥浆体系难以满足要求。为了使水泥浆具有非常强的防气窜性，选择了四川弘晟公司的胶乳水泥浆体系，室内水泥浆性能试验如下。
表4 胶乳水泥浆性能
4、结论
（1）先期堵漏、地层承压试验、纤维堵漏水泥浆是提高地层承压能力，防止固井过程中漏失的先决条件；
（2）改进扶正器结构方式、优选隔离液和水泥浆体系、采用胶乳微膨胀高密度多凝水泥浆、利用水泥浆不同凝结时间分段施加回压等技术，既解决了套管扶正居中，顶替效率问题，又解决了窄压力窗口固井防窜技术难题，对提高固井质量起到了决定性的作用；
（3）泥饼固化剂不仅提高了界面胶结强度，而且提高固井质量效果显著，特别是对防止后期第二界面风化“气窜”有极大的作用。
参考文献：
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[3] 朱忠喜，杨海平，刘彪，潘丽娟.干法固井的技术难点和对策研究[J].石油钻采工艺，2013（2）：44-47.
作者简介：
陈道元，高级工程师，1963年生，1993年毕业于石油大学钻井工程专业，主要从事固井技术研究及现场。
论文作者:陈道元
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/22
标签：水泥浆论文; 地层论文; 套管论文; 密度论文; 压力论文; 技术论文; 间隙论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;