大斜度井固井頂替界面穩定性探究

劉本棟

摘 要：大斜度井和水平井的客觀因素決定了其固井技術方法與直井固井有著截然不同的方式。套管的居中，對隔離液和鉆井液性能的新要求，套管配件的合理選擇，新技術措施的采用，水泥漿失重現象的防止。對于提高頂替效率，避免竄槽現象的發生從根本上保證了固井質量。 隨著時代的進步，科技，的發展，新型材料及設備的研究，對鉆井固井技術的提高有著極大的推動力，促進了石油工業生產的快速發展，保證了每一口井開采的最大經濟效益。

關鍵詞：大斜度井；水平井；固井質量；穩定性；頂替界面

由于我們過去著重于垂直井的固井研究，對大斜度井和水平井的固井技術研究不多，使得固井質量的效率極低，而且費用比其他完井方法搞，過去已經完成的大斜度井和水平井中，采用固井完井的極少。大多數大斜度井和水平井采用了非固井的完井技術。但是固井完井比其他非固井完井技術好，對延長油氣井的使用壽命，提高油氣井的采油速度，與進行增產作業及二，三次采油都起著重要的作用。

2 傾斜井固井質量的研究

我們在固井工作完成后，都會對其進行聲幅，聲波變密度測井等測井技術來檢測和評價固井質量，將變密度測井結果與聲幅測井結果對比分析，常發現井底的膠結情況不好，有竄槽現象存在。鉆井液竄槽：通過試驗數據結果，可以看出傾斜井的固井試驗結果與垂直井的試驗結果有很大的不同。幾乎在每個傾斜井的試驗中，沿著環形空間下部的水泥環都存在鉆井液竄槽。 數據表明，在大多數試驗中環形空間的下半部分頂替效率比上半部分低，在許多試驗的套管內部的底邊上有發生鉆井液竄槽現象。這與我們平常通過測井技術所測到的結果是一致的。鉆井液流變性能的影響：在一定的流速下，鉆井液防止固相沉淀的能力同它的低剪切速度的粘度有關。 這個性能由鉆井液的屈服值和靜切力來表達。

試驗中屈服值和靜切力明顯地高于其他試驗項目，固相沉淀幾乎完全被防止了。 這說明在傾斜井的固井中，如果屈服值和靜切力太低，會造成固相顆粒沉淀，則對鉆井液的頂替效率是不利的。 這點則與垂直井的固井要求低的靜切力的是相反的。 因此，在大斜度井和水平井的固井中，要想獲得好的頂替效率，就要把鉆井液的屈服值和靜切力提高到適當值的范圍，這樣有利于我們在固井中防止固相沉淀。井眼傾角對鉆井液竄槽的影響：我們都知道，打斜度井和水平井都是按預先設計的井眼軌跡， 鉆達到預定的目標層位。因此，都會產生一定的傾角。在 60°傾角的試驗中，水泥漿的頂替效率明顯要比 85°傾角的試驗要好這說明 60°傾角的試驗中，鉆井液竄槽現象要比 85°傾角的試驗中竄槽小。然而，我們都知道不管傾角多大多小，鉆井液訣不會完全地被頂替，甚至在垂直井中也是如此。對一個非滲透性試驗來說，顆粒沉降速度主要是顆粒垂直于井眼軸線方向的沉淀速度的函數，顆粒沖蝕速率主要是流量的函數。因此，在其他條件相同的情況下，傾角小的井的顆粒沉降速率要比傾角打的井的沉降速率慢。所以，傾角小，竄槽的程度相對就更小。說明井眼傾角的大小對鉆井液竄槽也有一定的影響。水竄槽：在大斜度井和水平井的固井中，除了在環形空間的底部存在鉆井液竄槽之外，在環形空間的上半部分及套管內的上部也觀察到有水竄槽現象的存在。水竄槽可能是從水泥漿脫水而來的自由水所形成的，自由水在水泥漿中的含量是隨著溫度的增加而變化的。實驗表明，水泥漿的含水量，在溫度為 80°F 和 1atm 條件下，用 API 標準測量為1.2% 當溫度提高至 180°F 時，自由水的含量則超過 9% ，而滲透地層實驗中出現水竄槽現象較嚴重，非滲透地層實驗中幾乎沒有水竄槽現象存在。自由水可能是水泥漿的密度，水泥的研磨程度或者添加劑濃度的輕微變化而引起的。 這方面我們可以通過適當的水泥漿設計和混合來控制傾斜井的水竄槽程度。

3 提高大斜度井和水平井的固井質量

3.1 提高頂替效率措施

根據提高傾斜井固井成功率進行的一系列試驗數據及結果，我們研究分析出了提高頂替效率的一些措施，歸納起來有以下幾個方面：（ 1 ）調整鉆井液性能：鉆井中鉆井液的性能是為了滿足鉆井作業的需要， 但要是從提高注水泥頂替效率的角度來講，有些性能就不適宜水泥漿的頂替。 因此，在注水泥前，我們一般都對鉆井液的性能進行調整，這一點非常重要；（ 2 ）增加循環時間：對于大斜度井和水平井，在固井前，我們要有充足的循環時間，循環的時間至少是三倍于井筒的鉆井液體積循環所需要的時間，或者循環到進出口鉆井液的能達到平衡為止；（ 3 ）注水泥時活動套管：我們都知道井內的鉆井液靜止時間過長，固相顆粒就會產生沉淀。 因此，在注水泥過程中，有效的使管套柱運動如轉動或往復（上，下）運動，能產生一種促使鉆井液流動的驅動力，使環形空間窄間歇處有滯留（或流動較慢）的鉆井液，進入環形空間較寬間歇處，以便于被水泥漿頂替走；（ 4 ） 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度：在大斜度井和水平井中，因為，彎曲井段長，曲率大，套管不易下入。 斜井中套管與井壁發生長段面積的多處接觸，井斜越大，摩擦阻力越大，當超過 70° 時， 套管柱大部分的重量部分作用于井眼下側，若方位變化大，情況就更為嚴重。 套管在環形空間的嚴重偏心度使窄邊的鉆井液不能有效的被清除，因而引起鉆井液竄槽現象的發生。 因此，我們要盡量降低套管在井眼中的偏心度；（ 5 ）采用紊流流態注水泥：在層流流態時，斷面流速分布呈尖峰形態，而紊流流態時，斷面流速分布相對平緩，因而有利于水泥漿均勻的推進頂替鉆井液。 紊流頂替不僅斷面流速分布比較均勻， 最重要的是紊流頂替液中的紊流漩渦在頂替液與鉆井液的交界面上可產生沖蝕，擾動，攜帶作用，從而有利于鉆井液的頂替；（ 6 ）使用注水泥前置液： 由于水泥漿與鉆井液的化學成分不同，當用水泥漿直接頂替鉆井液時，在二者交界面附近鉆井液要與水泥漿混合。 一方面，鉆井液與水泥漿混合后， 可能使水泥漿增稠， 導致環空流動摩阻增大，嚴重時造成井漏，或造成泵送不動而導致不能把水泥漿全部從套管內替出的嚴重后果。 另一方面，鉆井液與水泥漿相互混合形成的混合物可能很稠，不容易被隨后的水泥漿所頂替， 造成這種哦你混合物竄槽，影響注水泥質量。 因此，為了達到最大限度的頂替鉆井液， 在斜度井和水平井中使用隔離液和沖洗液尤其重要。

3.2 水泥漿的設計

對于大斜度井和水平井的注水泥施工， 水泥漿設計應提出更高的要求。 除常規直井水泥漿的設計程序 （如水泥用量與替漿量計算和注水泥流變學設計）外，還須增加三項特殊的性能試驗 ： （ 1 ）水泥漿自由水含量試驗；（ 2 ）水泥漿濾失量；（ 3 ）水泥漿固相沉淀試驗。 從而可防止在井眼高邊部位形成水竄槽的現象及產層串通，有助于分子固相和穩定水泥漿。 大斜度井和水平井固井所面臨的條件也越來越復雜，對水泥漿性能提出了更高的要求。 我們可以通過對水泥漿進行設計，滿足其要求。 能更好的完成固井作業施工，保證固井質量。

4 水泥漿在凝結過程中的失重對固井質量的影響

注水泥剛結束時，水泥漿還是液態，這時環空內液體對地層作用的壓力為作用點以上各漿柱的靜液壓力之和；因此水泥漿密度一般大于鉆井液的密度，因此能夠起到壓住地層的作用。當漿柱的壓力失重到低于油，氣，水層的壓力時，地層中的油，氣，水層就會竄入環空內，繼而或是發生層間互竄至井口，嚴重時甚至發生井噴。這就造成了固井作業的失敗。 水泥漿失重有“膠凝失重”和“橋堵失重”之分。