深井及超深井固井技術應用簡析

唐 煒，余 建，賓國成

（中國石油川慶鉆探工程公司井下作業公司，四川成都610052）

隨著油氣田勘探開發逐步將重心轉向目的層埋深更深、井底壓力更高的深部地層（6000～9000m），深部地層壓扭性特點和復雜的構造地應力作用，造成上部陸相地層高陡構造傾角大，坍塌現象嚴重，下部海相地層存在多套壓力系統，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，固井施工過程中的難點主要表現在以下幾個方面：

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

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

（3）井底溫度、壓力高，水泥漿綜合性能與工藝設計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，設計施工參數局限性程度高，頂替效率不易得到保證；

（5）井壁穩定性較差，鉆井過程中發生掉塊或沖蝕而導致井徑擴大現象，出現“大肚子”井眼；

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

1 深井固井防竄技術應用

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、兩個界面膠結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措施總體上可以歸結為兩大方面，即工藝方面的技術措施和改善防竄水泥漿體系。從原理上而言也可分為兩類，即提高頂替效率、防止或降低水泥漿柱體失重和增加環空氣竄過程中的竄流阻力而達到減小氣竄程度為目的。

1.1 防止失重所導致的環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，當井內要封隔的水泥段較長時，為了防止竄流，可在水泥柱各段范圍內添加不同的外加劑或者使用多密度水泥漿以調節凝固時間，使水泥漿從下到上逐段凝固。當下部快干段處于氣竄臨界狀態時，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時，下部快干段早已凝固，從而防止竄流，最終達到“以快抑氣”的目的。

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

（3）固井時增大環空內鉆井液的密度，其出發點基于在井下某一位置，水泥漿失重后整體環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用，因為固井時綜合考慮地層承壓能力和流體間的流變性能差異，單純考慮增大井內鉆井液的密度不利于提高注水泥頂替效率。

（4）使用分級注水泥技術，這一技術的原理與固井時增大環空內鉆井液密度措施的原理類似。分級注水泥過程后，當下部水泥漿失重到靜水柱壓力時，環空整體液柱對地層的壓力比一次性注水泥時的大，有利于防竄，而注后面級次的水泥施工作業時，下部目的段水泥已經凝結。目前一般采取的是雙級注，但是由于對分級箍可靠性、井筒完整性的考慮，僅防竄而選用多級注工藝時一般都比較慎重。

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

（6）使用環空脈沖振動裝置使得水泥漿或套管振動以降低竄流的機率，該兩項措施的原理都是依靠振動使得水泥形成水泥石的過程中更加緊實，最終達到提高水泥石的強度、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竄流的流動阻力，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、微硅粒等化學或物理外加劑的加入，增大水泥漿對氣體竄流阻力的水泥體系。

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

（3）采用可壓縮水泥體系，該體系由發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固井技術

深井及超深井地層條件復雜，在同一開次的井眼條件下存在相對低壓的易漏層，在固井作業注水泥過程中容易導致壓漏地層，亦或流體密度控制不好而發生溢流或井涌的層位，嚴重時導致井噴產生非常嚴重的后果。因此，針對這些壓力敏感及窄安全密度窗口的固井施工過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計，就是采用流變學理論，以防止注水泥漏失、溢流和提高注水泥頂替效率為目的，進行注水泥漿柱結構設計和施工排量設計，總的原則是：

解決注水泥過程中防漏的技術手段：

（1）堵漏提高地層承壓能力，結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，考慮使用分級固井或者是采用正反注施工工藝達到防漏的目的。

（3）使用低密度水泥或復合密度水泥體系，結合地層漏失壓力及鉆井過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）施工參數的優化設計。當各種漿體的密度、性能和用量確定之后，注水泥過程中的環空靜液壓力也就確定，這時，環空液柱對地層的壓力就隨漿體的流動阻力而發生變化，而這時各種漿體的流動阻力就取決于施工參數的優化設計。

（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水泥漿被頂替到位后，觸變性強的水泥漿靜切力增長較快，存在漏失趨勢時，水泥漿的靜切力有減小對地層壓力的作用，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，以及水泥或其它顆粒的堵塞，起到防漏、堵漏的作用。

（6）精細控壓固井技術的推廣應用。近年來，隨著精細控壓配套裝備和技術的不斷成熟，該技術不斷在深部壓力敏感地層固井過程中得到成功的應用，也取得了比較滿意的應用成果。其基本原理維持井筒內不同井深處的壓力略高于地層壓力，具體體現在施工過程中根據各類型流體在井筒內的位置和動壓力的變化不斷調整井口壓力，最終實現對地層的壓穩和防漏。目前該技術不斷發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手段。

3 鹽膏層固井技術應用

在深井及超深井固井施工的過程中，當進入海相地層以后，由于鹽膏層的存在，對固井帶來了一系列的技術難點，突出表現在由于地層巖石的塑性蠕動，產生非均布外載而擠壓套管，導致套管達到其屈服極限發生早期破壞，另一個方面即鹽膏層的礦物離子進入水泥漿體系中影響水泥漿或前置液的流變性。

解決鹽膏層固井問題的技術手段：

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

（2）優選抗鹽水泥漿體系。目前國內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。這類水泥漿通常具有稠化時間易于調整和早期強度高的特點，且濾失性能易控制，漿體的流變性容易調節。但由于漿體含鹽量較低，水泥漿在流經鹽層段或在鹽層段候凝時，有溶解鹽巖層的趨勢，有可能改變水泥漿的流動或凝固特性，進而影響水泥石的膠結質量，后者是指含鹽量在15%～37%之間的飽和鹽水水泥漿，這類水泥漿的突出優點是在流經鹽巖層或在鹽巖層段環境凝結過程中，能維持水泥漿原有設計性能，有利于保證固井施工的安全和鹽巖層的膠結特性，主要是由于富鹽水泥漿中的水已溶解有較多的鹽，水泥漿在流經鹽層或在鹽巖層中候凝過程中，進一步與周圍鹽層作用的趨勢很小，然而這類富含鹽水泥漿體系容易出現稠化時間過長、調節困難，水泥石早期抗壓強度低、候凝時間長、漿體濾失量控制差和粘稠而流動性不好等問題。

4 小間隙尾管固井技術應用

深井下部井段固井時，由于環空間隙小，固井質量難以得到保障，其主要原因是環空間隙、鉆井液性能、環空摩阻、水泥漿失重、封固段較短等因素表現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手段：

（1）采用新的井身結構或鉆井工藝如鉆后擴眼、隨鉆擴眼等技術，增大環空間隙，改善流體流動通道；

（2）合理安放套管扶正器的位置，提高套管的居中度；

（3）采用旋轉或活動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的力學性能以滿足后期施工的要求。

5 結論

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

（2）在泵注設備性能滿足的前提條件下，盡量調整好各流體類型的基本流變參數梯度，優化設計施工參數，充分清洗井筒殘留鉆井液，提高頂替效率。

（3）合理并優化設計扶正器的安放位置和數量，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、高壓狀態下的穩定性。

（5）在固井施工過程中，綜合考慮固井工藝及水泥漿體系是固井質量的前提。