固井過程的節能措施探討

田東誠（大慶油田鉆探鉆技一公司）

油氣田開發中每鉆出一口工作井都需要對其進行固井施工，固井施工中采取節能措施可降低施工成本，減少廢棄物的產生，避免造成大范圍的環境污染。固井工程節能具有經濟、環境、社會等多方面的價值與意義，油田生產中應加強相關節能措施的利用。

固井工程施工流程復雜，技術方案眾多，施工設備能耗較大，油田生產中從3個方面，采取有效措施，減少固井施工耗能量。

1 施工流程節能措施

固井工程是指向井內下入套管，并向井眼與套管之間的環形空間內注入水泥，以達到封隔井眼油、氣、水層，方便進一步鉆探或生產的目的[1]。固井施工主要分為下套管與注水泥兩個施工步驟，合理組織下套管與注水泥施工，使兩者有效對接有助于減少施工能源消耗。對下套管及注水泥施工流程分別進行優化可提高施工質量與施工效率，避免反復施工及其造成的能量浪費。以下套管為例，不合理的下套管流程極易造成下井設備的選用、安裝不合理，造成下入阻力的增大，導致相關設備載荷增加，能耗增大。因此，固井施工中對施工流程進行由大到小的逐一優化，以保證施工效率，節約施工能量。

2 技術方案節能措施

除了優化工藝流程，對具體施工環節的施工技術方案進行優化也能有效降低固井施工中的能耗。下面就下套管技術方案優化、注水泥技術方案優化以及先進固井技術的利用為例展開具體討論：

2.1 下套管技術方案優化

2.1.1 漂浮下套管技術

下套管施工中導致耗能量增大的主要原因是套管在井眼內摩阻與扭矩過大，采用漂浮下套管技術可有效降低套管與井筒之間的摩擦，減少施工能耗。漂浮下套管技術的基本原理是，將空氣或低密度鉆井液封閉在套管柱下部，利用浮力降低套管柱的視重，從而達到減小摩擦阻力的目的；此外，存在于漂浮接箍上方的鉆井液受自身重力作用，會對套管柱產生向下的推力，協助套管柱順利到達預定位置。

漂浮下套管技術施工需要的主要設備包括漂浮接箍、止塞箍、雙閥浮鞋以及固井膠塞等。其中，漂浮接箍是最重要的設備，施工中漂浮接箍可連接套管柱上的密封裝置，能與止塞箍共同工作，使空氣被封閉于接箍下部的套管柱中，鉆井液則仍舊存在于接箍上方的套管柱中。施工時由于漂浮接箍上滑套的滑動，鉆井液可進入下部套管柱中并開始循環。

漂浮下套管技術十分重視對套管漂浮長度的設計，設計中常采用計算機技術，參考井眼軌跡、鉆井液性能以及套管柱尺寸等數據進行確定。套管柱與井筒間的摩阻因數是確定套管漂浮長度最重要的依據，摩阻因數通常由實際施工中井眼軌跡、鉆井液性能以及套管柱組合等資料推導而來。

漂浮下套管技術施工時需將浮鞋與止塞箍連接在套管柱上，并且在浮鞋與止塞箍間注滿鉆井液，安裝扶正器后將套管柱下入至漂浮接箍位置，然后再與漂浮接箍相連繼續下入，同時開始灌注泥漿。套管柱下入到預定深度時需要打開漂浮接箍與排氣閥，并進行泥漿的間歇循環注入。泥漿循環建立后方可投入膠塞，使水泥漿上返至預定高度。

2.1.2 隨鉆下套管技術

隨鉆下套管技術能夠將鉆井施工與下套管施工相結合，有效避免了單獨進行下套管施工而消耗大量能源。隨鉆下套管技術的主要施工原理是，利用鉆頭破碎導管鞋前進方向上的巖石，并利用鉆柱所注水泥漿攜帶出鉆柱與導管間的巖屑，導管與鉆柱所受重力可使導管延所鉆井眼順利下入至設計深度。由于地層中存在大量粘土，導管與粘土便能相互膠結，并且隨著時間推延，此膠結強度越來越高。此后，若用較小尺寸鉆頭在導管內或導管鞋下部繼續鉆進，導管與粘土間的膠結應力便能轉變為對導管的剪切力，避免導管繼續下沉。隨鉆下套管不下沉的主要理論依據是，導管與地層間的剪切應力能夠抵消導管自身重力與施工載荷的影響，因此，在進行隨鉆下套管技術施工設計時，應充分考慮井下地層條件與巖石性質。優選水利參數、轉速與鉆壓時，對地層的膠結強度、土的黏度以及巖石的硬度的考慮尤其重要，只有這樣才能制定出最優的技術方案。

隨鉆下套管技術施工中應注意使用高黏度泥漿鉆開套管鞋下部井眼，并要避免導管周圍發生掏空、竄槽等問題。隨鉆下套管技術較適用于地層土黏性較好的地層，尤其適用于深水海域的套管下入。

2.1.3 優化井身結構

除了采用高效的下套管技術減小下套管施工所需能源以外，優化井身結構也是固井施工過程中的重要節能措施。優化井身結構的主要途徑有縮小井眼尺寸，淺下套管或減少套管層次。合理縮小井眼尺寸與淺下套管，可通過減小井筒容積來減小水泥漿注入量。能夠有效縮短注水泥的開泵時間，降低泥漿泵的能量消耗。

2.2 注水泥技術方案優化

2.2.1 合理配制水泥漿

水泥漿性能是否符合固井施工要求，決定了固井施工的質量與安全性，也會在很大程度上影響施工效率[2]。水泥漿性能不佳會使注水泥時水泥柱難以達到有效平衡，降低了頂替效率，增長了注水泥時間，造成工作量的額外增大，使相關設備耗能增加。施工現場通常采取連續混配與批量混配兩種配漿方式，配制時要充分考慮固井施工對水泥漿性能的要求，尤其是密度與流變性指標，盡可能做到以性能良好的水泥漿來保證施工效率，減少施工能耗。

2.2.2 適當添加外加劑

配制水泥漿時，為了調整水泥漿性能通常需要添加適當外加劑。以促凝劑為例，固井施工當水泥漿上返接近目標高度，為使其盡快凝固形成水泥塞，可適當加入促凝劑以加快水泥漿的凝固速度，縮短泥漿泵開泵時間，降低施工設備能耗。

2.3 先進固井技術的應用

2.3.1 防竄固井技術

環空中發生水竄或氣竄是固井施工中常常出現的問題，嚴重降低了固井施工的效率，提高了固井施工的耗能。防竄固井技術能夠有效防止固井施工中的竄槽問題，防竄槽固井技術的關鍵是在注入循環的水泥漿中添加適量的塑性材料，以提高水泥的膠結效果，避免井壁與水泥間竄槽的發生。此外，防竄槽固井技術防止套管與水泥間發生竄槽的效果也比較好，在水泥漿中添加彈性材料也能有效防止竄槽發生。

替漿后水泥漿利用環空壓力脈沖進行往復運動也可防止竄槽的發生。具體施工要求為，將低壓氣體或液體以脈沖形式注入，使得環空中水泥漿發生高頻振動，避免氣體竄入。此外，減小水泥漿從達到上返高度到凝固過程之間的壓力損失值，也是有效防止固井竄槽的措施。

2.3.2 鉆井液轉換水泥漿固井技術

鉆井液轉化水泥漿技術是指，通過向泥漿中添加可水化物質，使鉆井液能在特定條件下轉變為固井液。此項技術可有效縮短注水泥施工時間，縮短開泵時間，有效降低注水泥施工中泵的能耗。施工中通常選用高爐礦渣作為可水化物質進行添加。在超深井固井施工中，該技術還能防止竄槽，提高開泵效率，節約能源。

3 施工設備節能措施

固井施工過程中，設備選用不當通常會造成能量的無謂消耗，對施工設備進行優選能夠提高能量利用效率，減少能源消耗。

3.1 減小下井設備的摩擦阻力

下套管施工過程中，往往緊隨套管需要下入扶正器等設備，下井設備的尺寸或安裝不合理，常常會增大套管下入時的阻力，增大下套管設備的載荷與功率，增加施工能耗。因此，固井施工時需格外注意下井設備的選用，盡可能減小套管下井過程中的摩擦阻力，以節約施工能量。

3.2 泥漿泵的節能

泥漿泵是固井施工中的主要耗能設備，施工中應根據相應工程要求，在額定功率合適的情況下，選擇能量利用效率較高的泥漿泵，以達到施工節能的目的。同時，施工過程中應注意對泥漿泵的正確操作，切勿使其一直處于工作狀態，要根據施工進度進行合理停泵，減少泥漿泵的能量消耗。

3.3 計算機動態模擬系統的使用

充分使用計算機動態模擬系統進行固井施工，尤其是注水泥施工的設計，可提高施工設計的合理性與準確性，加快施工進度，提高施工效率，縮短施工時間，從而達到有效降低施工能耗的目的。

4 結語

1）固井施工過程中采取一定的節能措施不僅有利于節約能源，壓縮成本，取得較高經濟效益，還有利于保護環境，符合國家節能減排的要求。

2）固井施工過程中除了通過優化施工工藝流程，設計合理施工方案以及選用適當施工設備等途徑進行節能以外，還要重視固井施工人員素質及施工現場綜合管理，方能使得相應節能措施取得較好效果。

[1]丁士東.國內外固井技術現狀及發展趨勢[J].石油化工應用,2010(9):23-24.

[2]牛祿,李永志.節能減排技術在固井工程中的研究與應用[J].地球,2011(12):12-13.