深井及超深井固井技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)析

唐 煒，余 建，賓國(guó)成

（中國(guó)石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司，四川成都610052）

隨著油氣田勘探開(kāi)發(fā)逐步將重心轉(zhuǎn)向目的層埋深更深、井底壓力更高的深部地層（6000～9000m），深部地層壓扭性特點(diǎn)和復(fù)雜的構(gòu)造地應(yīng)力作用，造成上部陸相地層高陡構(gòu)造傾角大，坍塌現(xiàn)象嚴(yán)重，下部海相地層存在多套壓力系統(tǒng)，且有含硫化氫的超高壓天然氣層以及鹽水層、鹽膏層、易漏失地層等多種因素共存，在上述因素的共同作用下，固井施工過(guò)程中的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）井深，封固段長(zhǎng)，同一裸眼井段中多個(gè)壓力層系存在且上下溫差大，容易發(fā)生注水泥及頂替后期過(guò)程中地層流體環(huán)空竄流等影響井眼封固質(zhì)量的現(xiàn)象。裸眼封固井段中噴、漏同層，安全壓力窗口小，施工質(zhì)量要求和井控安全要求高；

（2）下部小尺寸井段固井時(shí)，特別是小間隙固井（套管與井眼環(huán)空間隙小于19mm），固井質(zhì)量難以保證，突出表現(xiàn)在深部地層尾管固井過(guò)程中；

（3）井底溫度、壓力高，水泥漿綜合性能與工藝設(shè)計(jì)要求存在一定的差距，特別是鹽膏層、目的層施工井段固井水泥漿綜合性能要求高；

（4）鉆井液密度高、粘度高、切力高，設(shè)計(jì)施工參數(shù)局限性程度高，頂替效率不易得到保證；

（5）井壁穩(wěn)定性較差，鉆井過(guò)程中發(fā)生掉塊或沖蝕而導(dǎo)致井徑擴(kuò)大現(xiàn)象，出現(xiàn)“大肚子”井眼；

（6）深井固井工具及套管附件選擇范圍有限，套管下到預(yù)定井深后對(duì)工具附件的后期可靠性提出了較高的要求。

1 深井固井防竄技術(shù)應(yīng)用

理論研究成果表明，造成深井油氣水竄的根源在于鉆井液未被完全頂替、兩個(gè)界面膠結(jié)不好存在微間隙或者是水泥漿柱失重而造成上竄通道。目前，解決深井固井防竄的技術(shù)措施總體上可以歸結(jié)為兩大方面，即工藝方面的技術(shù)措施和改善防竄水泥漿體系。從原理上而言也可分為兩類(lèi)，即提高頂替效率、防止或降低水泥漿柱體失重和增加環(huán)空氣竄過(guò)程中的竄流阻力而達(dá)到減小氣竄程度為目的。

1.1 防止失重所導(dǎo)致的環(huán)空竄流的工藝方面的措施

（1）使用兩凝或者更多凝水泥漿體系，當(dāng)井內(nèi)要封隔的水泥段較長(zhǎng)時(shí)，為了防止竄流，可在水泥柱各段范圍內(nèi)添加不同的外加劑或者使用多密度水泥漿以調(diào)節(jié)凝固時(shí)間，使水泥漿從下到上逐段凝固。當(dāng)下部快干段處于氣竄臨界狀態(tài)時(shí)，上部緩凝段仍保持較高的靜液柱壓力，而緩凝段逐漸處于初凝狀態(tài)時(shí)，下部快干段早已凝固，從而防止竄流，最終達(dá)到“以快抑氣”的目的。

（2）候凝階段通過(guò)環(huán)空壓力變化情況逐漸憋壓以彌補(bǔ)水泥漿失重引起的壓力差。該措施的局限性表現(xiàn)在當(dāng)井下有薄弱易漏層時(shí)或上層套管下深較淺時(shí)，所施加的壓力有限或局限于地層條件限制根本不能滿(mǎn)足加壓的條件，尤其是井下上部有薄弱易漏層時(shí)，允許憋壓的當(dāng)量密度有限。

（3）固井時(shí)增大環(huán)空內(nèi)鉆井液的密度，其出發(fā)點(diǎn)基于在井下某一位置，水泥漿失重后整體環(huán)空液柱壓力大于地層壓力，從而有利于防竄。該措施目前基本上未應(yīng)用，因?yàn)楣叹畷r(shí)綜合考慮地層承壓能力和流體間的流變性能差異，單純考慮增大井內(nèi)鉆井液的密度不利于提高注水泥頂替效率。

（4）使用分級(jí)注水泥技術(shù)，這一技術(shù)的原理與固井時(shí)增大環(huán)空內(nèi)鉆井液密度措施的原理類(lèi)似。分級(jí)注水泥過(guò)程后，當(dāng)下部水泥漿失重到靜水柱壓力時(shí)，環(huán)空整體液柱對(duì)地層的壓力比一次性注水泥時(shí)的大，有利于防竄，而注后面級(jí)次的水泥施工作業(yè)時(shí)，下部目的段水泥已經(jīng)凝結(jié)。目前一般采取的是雙級(jí)注，但是由于對(duì)分級(jí)箍可靠性、井筒完整性的考慮，僅防竄而選用多級(jí)注工藝時(shí)一般都比較慎重。

（5）使用套管外或尾管頂部封隔器，當(dāng)水泥漿失重使得地層流體可能竄入井內(nèi)而沿環(huán)空竄流時(shí)，使用套管外封隔器依靠機(jī)械密封可以防止流體竄流。該措施在固井施工過(guò)程中相對(duì)復(fù)雜，另外當(dāng)井下有多套壓力系統(tǒng)的地層時(shí)，如果下入多個(gè)封隔器進(jìn)行封隔施工難度更大，且管外封隔器在裸眼井段下入過(guò)程中其完整性亦不易得到保證。

（6）使用環(huán)空脈沖振動(dòng)裝置使得水泥漿或套管振動(dòng)以降低竄流的機(jī)率，該兩項(xiàng)措施的原理都是依靠振動(dòng)使得水泥形成水泥石的過(guò)程中更加緊實(shí)，最終達(dá)到提高水泥石的強(qiáng)度、降低水泥石的滲透率為目的，從而減少竄流通道。

1.2 采用防氣竄水泥漿體系防止環(huán)空竄流

不同防竄水泥漿體系的防竄原理是增大水泥孔隙壓力或增加對(duì)竄流的流動(dòng)阻力，基本手段可以歸納為以下三種：

（1）采用不滲透水泥體系，利用堵氣劑、氣鎖劑、微硅粒等化學(xué)或物理外加劑的加入，增大水泥漿對(duì)氣體竄流阻力的水泥體系。

（2）縮短過(guò)渡時(shí)間和稠化時(shí)間的水泥漿體系，即減小水泥漿流動(dòng)度從40～100Bc的過(guò)渡時(shí)間，采用該體系的目的亦是增強(qiáng)水泥漿對(duì)氣體竄流阻力。

（3）采用可壓縮水泥體系，該體系由發(fā)氣劑和水泥漿混配而成，不僅能增加孔隙壓力，還具有微膨脹的特性。

2 壓力敏感及窄安全密度窗口地區(qū)固井技術(shù)

深井及超深井地層條件復(fù)雜，在同一開(kāi)次的井眼條件下存在相對(duì)低壓的易漏層，在固井作業(yè)注水泥過(guò)程中容易導(dǎo)致壓漏地層，亦或流體密度控制不好而發(fā)生溢流或井涌的層位，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致井噴產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。因此，針對(duì)這些壓力敏感及窄安全密度窗口的固井施工過(guò)程中平衡壓力注水泥顯得尤為重要。

所謂平衡壓力注水泥設(shè)計(jì)，就是采用流變學(xué)理論，以防止注水泥漏失、溢流和提高注水泥頂替效率為目的，進(jìn)行注水泥漿柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工排量設(shè)計(jì)，總的原則是：

解決注水泥過(guò)程中防漏的技術(shù)手段：

（1）堵漏提高地層承壓能力，結(jié)合具體的情況使用不同性能堵漏材料，不僅維持正常的鉆井需要，更好地滿(mǎn)足固井施工的基本要求。

（2）采用合理的注水泥方式，考慮使用分級(jí)固井或者是采用正反注施工工藝達(dá)到防漏的目的。

（3）使用低密度水泥或復(fù)合密度水泥體系，結(jié)合地層漏失壓力及鉆井過(guò)程中油氣顯示的鉆井液密度范圍確定采用低密度水泥或復(fù)合密度水泥體系，考慮因素則需要綜合包括注水泥中所使用的各種漿體的密度、流變性能和用量。

（4）施工參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)各種漿體的密度、性能和用量確定之后，注水泥過(guò)程中的環(huán)空靜液壓力也就確定，這時(shí)，環(huán)空液柱對(duì)地層的壓力就隨漿體的流動(dòng)阻力而發(fā)生變化，而這時(shí)各種漿體的流動(dòng)阻力就取決于施工參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（5）采用防漏水泥漿體系，目前常用的水泥漿體系有觸變性水泥和纖維防漏水泥漿體系，前者防漏的基本原理是當(dāng)水泥漿被頂替到位后，觸變性強(qiáng)的水泥漿靜切力增長(zhǎng)較快，存在漏失趨勢(shì)時(shí)，水泥漿的靜切力有減小對(duì)地層壓力的作用，因此在一定程度上有防漏的作用，后者利用纖維在裂縫或孔洞上的架橋、架網(wǎng)，以及水泥或其它顆粒的堵塞，起到防漏、堵漏的作用。

（6）精細(xì)控壓固井技術(shù)的推廣應(yīng)用。近年來(lái)，隨著精細(xì)控壓配套裝備和技術(shù)的不斷成熟，該技術(shù)不斷在深部壓力敏感地層固井過(guò)程中得到成功的應(yīng)用，也取得了比較滿(mǎn)意的應(yīng)用成果。其基本原理維持井筒內(nèi)不同井深處的壓力略高于地層壓力，具體體現(xiàn)在施工過(guò)程中根據(jù)各類(lèi)型流體在井筒內(nèi)的位置和動(dòng)壓力的變化不斷調(diào)整井口壓力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的壓穩(wěn)和防漏。目前該技術(shù)不斷發(fā)展為解決壓力敏感地層和窄壓力窗口條件下固井的有效技術(shù)手段。

3 鹽膏層固井技術(shù)應(yīng)用

在深井及超深井固井施工的過(guò)程中，當(dāng)進(jìn)入海相地層以后，由于鹽膏層的存在，對(duì)固井帶來(lái)了一系列的技術(shù)難點(diǎn)，突出表現(xiàn)在由于地層巖石的塑性蠕動(dòng)，產(chǎn)生非均布外載而擠壓套管，導(dǎo)致套管達(dá)到其屈服極限發(fā)生早期破壞，另一個(gè)方面即鹽膏層的礦物離子進(jìn)入水泥漿體系中影響水泥漿或前置液的流變性。

解決鹽膏層固井問(wèn)題的技術(shù)手段：

（1）防止鹽膏層擠毀套管通常采用的套管柱結(jié)構(gòu)有：雙層組合套管、特制套管（如特厚壁套管）。

（2）優(yōu)選抗鹽水泥漿體系。目前國(guó)內(nèi)外在解決鹽膏層的水泥漿主要有貧鹽體系和富鹽體系，前者是指含鹽量在15%以下的欠飽和鹽水水泥漿。這類(lèi)水泥漿通常具有稠化時(shí)間易于調(diào)整和早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，且濾失性能易控制，漿體的流變性容易調(diào)節(jié)。但由于漿體含鹽量較低，水泥漿在流經(jīng)鹽層段或在鹽層段候凝時(shí)，有溶解鹽巖層的趨勢(shì)，有可能改變水泥漿的流動(dòng)或凝固特性，進(jìn)而影響水泥石的膠結(jié)質(zhì)量，后者是指含鹽量在15%～37%之間的飽和鹽水水泥漿，這類(lèi)水泥漿的突出優(yōu)點(diǎn)是在流經(jīng)鹽巖層或在鹽巖層段環(huán)境凝結(jié)過(guò)程中，能維持水泥漿原有設(shè)計(jì)性能，有利于保證固井施工的安全和鹽巖層的膠結(jié)特性，主要是由于富鹽水泥漿中的水已溶解有較多的鹽，水泥漿在流經(jīng)鹽層或在鹽巖層中候凝過(guò)程中，進(jìn)一步與周?chē)}層作用的趨勢(shì)很小，然而這類(lèi)富含鹽水泥漿體系容易出現(xiàn)稠化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、調(diào)節(jié)困難，水泥石早期抗壓強(qiáng)度低、候凝時(shí)間長(zhǎng)、漿體濾失量控制差和粘稠而流動(dòng)性不好等問(wèn)題。

4 小間隙尾管固井技術(shù)應(yīng)用

深井下部井段固井時(shí)，由于環(huán)空間隙小，固井質(zhì)量難以得到保障，其主要原因是環(huán)空間隙、鉆井液性能、環(huán)空摩阻、水泥漿失重、封固段較短等因素表現(xiàn)明顯等因素制約了頂替效率難以提高。

解決的小間隙尾管固井的技術(shù)手段：

（1）采用新的井身結(jié)構(gòu)或鉆井工藝如鉆后擴(kuò)眼、隨鉆擴(kuò)眼等技術(shù)，增大環(huán)空間隙，改善流體流動(dòng)通道；

（2）合理安放套管扶正器的位置，提高套管的居中度；

（3）采用旋轉(zhuǎn)或活動(dòng)套管的方式提高頂替效率；

（4）采用流變性能良好的水泥漿體系或增韌水泥改善薄水泥環(huán)的力學(xué)性能以滿(mǎn)足后期施工的要求。

5 結(jié)論

（1）在深井及超深井的固井過(guò)程中，保證良好的井眼質(zhì)量和掌握地層溫度及壓力梯度是固井施工的前提條件。

（2）在泵注設(shè)備性能滿(mǎn)足的前提條件下，盡量調(diào)整好各流體類(lèi)型的基本流變參數(shù)梯度，優(yōu)化設(shè)計(jì)施工參數(shù)，充分清洗井筒殘留鉆井液，提高頂替效率。

（3）合理并優(yōu)化設(shè)計(jì)扶正器的安放位置和數(shù)量，提高套管的居中度。

（4）改善水泥漿及前置液體系的流變性能，確保高溫、高壓狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

（5）在固井施工過(guò)程中，綜合考慮固井工藝及水泥漿體系是固井質(zhì)量的前提。