深層固井氣竄影響因素分析

萬 征

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

1 深層固井氣竄影響因素分析

1.1 深層固井氣竄類型

深層固井氣竄與常規氣竄相同，必須同時具備兩個條件：竄流通道和竄流動力。對深層固井而言，竄流通道仍然包括水泥石本體或水泥石與地層、套管之間的連接界面。從氣竄發生的通道來看，主要包括兩種水泥石本體及水泥環界面兩種通道：

（1）水泥石完整性及均質性被破壞，從而發生的環空竄流。注水泥過程中,由于泥漿竄槽、頂替效率不高、或是由于地層流體侵入環空、平衡注水泥失敗而引發的環空竄流；在候凝的過程中，由于體系沉降失穩、自由水上竄，水泥水化缺陷在水泥石內部形成微裂縫，地層流體侵入環空而形成的環空竄流；水泥漿凝結后由于酸化酸液腐蝕、壓裂高壓、射孔沖擊、水泥環工況發生變化導致水泥石破碎解體從而產生的環空竄流。

（2）在水泥石與套管、地層之間的連接界面發生竄流。由于井壁殘存泥餅、頂替效率不高而導致的環空竄流，套管和地層表面油濕、連接界面膠結質量降低而導致的環空竄流，水泥漿水化體積變小、出現微環隙而導致的環空竄流，界面膠結在應力作用下被嚴重破壞而導致的環空竄流。

根據固井作業的工藝流程和環空竄流出現時間的先后，深層固井氣竄主要存在于以下三個時間段：注水泥過程中形成的環空竄流、候凝過程中形成的環空竄流及水泥漿凝結后形成的環空竄流。

1.2 深層固井氣竄的因素

從影響深層固井氣竄因素上來說，種類多且性質復雜，比如鉆井過程中形成的井眼條件、井壁泥餅質量、鉆井液的維護和處理、鉆井過程中鉆井液的性能、完鉆后井眼準備和鉆井液性能優化調整；固井施工中所用到的水泥漿性能、防竄能力、凝固后水泥石性能、形變能力、抗腐蝕能力等因素都與固井氣竄息息相關。在研究中對可能遇到的大多數影響因素進行了甄別，主要包含以下兩方面。

（1）井眼狀況的影響。井眼狀況主要包括環空間隙、井眼尺寸、套管居中程度、井眼質量以及井內壓力溫度的變化，以上因素都與水泥環的層間封隔能力存在著密不可分的聯系，尤其是套管的居中程度直接關系到環空水泥環的均勻分布情況，特別是小間隙固井，小間隙薄水泥環要實現長期密封，對水泥石的性能要求更為嚴格，比如水泥石的抗射孔沖擊破碎能力等等方面。

（2）水泥漿密度設計不能壓穩的影響。水泥漿入井密度設計偏低或封隔特殊高壓地層時，地層流體壓力高于環空靜液柱壓力，不能夠實現流體壓穩地層，地層流體相互竄層封隔失效，井口冒汽冒泡現象嚴重；當水泥漿入井密度設計偏高或在封隔特殊低壓地層時，環空靜液柱壓力過高壓漏薄弱地層，導致環空水泥漿無法到達設計返高位置，漏封地層或水泥漿大量漏失導致地層流體壓力高于環空液柱壓力，地層流體竄入環空，造成井口冒汽冒泡現象，層間的流體產生互竄，使得水泥環的層間封隔失效。

1.3 環空頂替效率不高致使層間互竄

環空頂替效率的好環直接意味著水泥漿與二界面的膠結質量及水泥漿環空充填程度，是深層固井氣竄的主要原因之一。在固井施工過程中由于頂替效率不高、泥漿竄槽而導致的環空竄流，可通過改善井眼質量、降低泥漿粘切度、提高泥餅質量、使用套管扶正器提高套管居中度。用隔離液、沖洗液、通過設計合理的頂替流速、流態、接觸時間、頂替液和被頂替液體之間合理的流變性級差，以及在注水泥過程中活動套管，提高水泥漿頂替泥漿的效果而克服竄流。

2 鉆井液性能對頂替效率的影響

2.1 鉆井液性能對頂替效率的影響

要獲得良好的頂替效率，水泥漿流體要橫向推動鉆井液，頂替剖面平緩，不能呈現尖峰型，不能產生指進現象。斯倫貝謝在研究隔離液時為防止鉆井液對水泥漿的污染，對驅替過程中鉆井液的滯留現象進行了模擬，從圖1中可以看出在驅替過程中隔離液在環空的運移以及鄰井在驅替隔離液時所出現的指進及舌進現象。當固井過程中不使用隔離液，則領漿將在驅替過程中出現指進現象，鉆井液結構力越強，指進現象越明顯。

圖1 鉆井液觸變性能對頂替效率的影響

圖1 為模擬試驗所得鉆井液觸變性對環空頂替效率的影響關系曲線，從圖中數據可以看出：

（1）鉆井液在第10min的時候靜切力為1～1.5Pa，此時的水泥漿頂替效率比較高，大約在80%左右；

（2）水泥漿的返速越高，紊流的程度越是強烈，觸變性也越容易破壞，而滯留的鉆井液也才容易被頂替干凈。

2.2 鉆井液性能對界面膠結質量的影響

鉆井液粘度、切力、觸變性高，鉆井液井下靜止膠凝稠化鉆井液難以流動，特別是窄環空膠凝稠化鉆井液更無法從環空中驅替出。水泥漿凝固后，環空滯留于井壁的膠凝鉆井液和虛泥餅干枯脫水而收縮，與水泥環形成微間隙嚴重影響到固井二界面的膠結質量，為環空油氣水竄埋下隱患。

因此各個油田都應重視井壁穩定、泥餅質量、二界面膠凝鉆井液、鉆井液流變性能以及鉆井過程中的鉆井液體系轉換對頂替效率和固井質量的綜合影響，應用鉆井液應用技術提高頂替效率和固井質量。見圖2。

圖2 剪切膠結強度測量示意圖

本研究所采用的聚磺鉆井液基本配方為：6%原漿+0.3%KPAM+1%NH4-HPAN+1.5%KHm+3%HL-II+2%SMP-I+0.3%NaOH+10%0#柴油（模擬現場鉆井液中添加柴油提高鉆井液潤滑性能），室溫下測定性能（pH=9）：密度1.07g/cm3，表觀粘度69.5mPa·s，塑性粘度52mPa·s，動切力17.9Pa，靜切力5.11Pa/18.40Pa，濾失量4.2mL，高溫高壓濾失量7.2mL（70℃/3.5MPa），流性指數0.66，稠度系數0.73Pa·sn。水泥漿基本配方：自來水+嘉華G級高抗水泥+0.8%SXY-2+1.2%HS-2A（W/C=0.44，密度1.90g/cm3）。

為了提高頂替效率和更有效地沖洗套管壁上的鉆井液吸附層，現場固井施工前往往需要調整鉆井液的流變性，降低其粘切，提高n值。為此，在原聚磺鉆井液中加入4%的SMT對其進行稀釋，稀釋后的鉆井液性能為：表觀粘度44.5mPa·s，塑性粘度37mPa·s，動切力7.7Pa，靜切力1.53Pa/7.93Pa，流性指數0.75，稠度系數0.24 Pa·sn。

由表1可以明顯看出：聚磺鉆井液對第一界面剪切膠結強度的影響很大，但對鐵棒上的吸附層采取一定措施后其膠結強度可得到改善；

表1 鐵棒與水泥漿膠結試驗結果

2.3 前置液對頂替效率的影響

固井注水泥作業就是水泥漿頂替鉆井液，水泥漿達到環空預定的位置后候凝得到良好的封固。一般情況下采用水泥漿直接頂替鉆井液，所以在水泥漿設計、固井工藝、地層條件等等做了很好的固井設計，但是若出現固井頂替過程的鉆井液與水泥漿的接觸污染，那么所有的水泥漿設計和工藝措施將失去了意義。

國外哈里伯頓公司做的關于接觸頂替鉆井液與水泥漿混漿在環空的流動狀態和固化后的情況。

圖3 a，常規鉆井液與水泥漿頂替，鉆井液與水泥漿形成混漿在環空內，頂替效率很低，混漿流動能力很差，所以幾乎流不動。圖3b，環空摻混的流體在環空凝固后，形成了鉆井液與水泥漿混漿水泥環，已經不再形成原有優質的水泥環，這種水泥環的強度很小。說明即使在固井前設計了良好的水泥漿體系和頂替設計，但是一旦鉆井液與水泥漿在井下接觸污染，導致固井層間封隔失效。

圖3 環空鉆井液與水泥漿的摻混情況

因此，在水泥漿前面通常要注入一段或幾段與鉆井液及水泥漿均相容的特殊配制的液體，這些液體成為注水泥前置液。

在固井注水泥設計中，應用沖洗液的主要目的有以下三點原因：①在驅替過程中利用沖洗液有效的稀釋鉆井液，改善和提高鉆井液紊流流動能力，從而提高鉆井液的頂替效率；②在驅替過程中利用沖洗液改善界面潤濕性能，提高水泥環與界面的親和性，保證界面與水泥環有效的膠結成為一個整體；③在驅替過程中利用沖洗液拆散界面滯留物的化學結構，有效地清除界面滯留物，提高界面膠結質量。

（1）沖洗液稀釋鉆井液技術。完鉆的鉆井液流變性能一般不能完全滿足固井質量的要求，所以在頂替流變學設計上就存在很大的困難，采用沖洗液可以有效地稀釋環空前面的鉆井液，使其可以達到紊流頂替的要求，因此，在流變學設計上可以滿足梯級匹配設計要求，提高注水泥頂替效率。

由圖4上觀察可見，在固井頂替中應用沖洗液，可以有效地稀釋鉆井液，提高鉆井液的紊流流動能力，最終提高了鉆井液的頂替效率。建議在固井前保證井下穩定的前提下，可盡量加大沖洗液的用量，達到有效地稀釋鉆井液，減少環空膠凝鉆井液以及界面聚合物絮凝結構和濾餅的滯留，尤其是提高環空井眼不規則井段膠凝鉆井液等滯留物的清除攜帶程度，有效提高界面膠結質量。

圖4 固井應用沖洗液稀釋鉆井液的情況

（2）沖洗液潤濕改善界面，提高水泥環與界面親和性能的技術。沖洗液與水的不同就是在于沖洗液中含有大量的化學活性組分，可以有效地作用在井壁和套管壁的表面，通過活性組分的物理化學作用改善界面的膠結性能，提高界面親水性，從而與水泥環得到良好地膠結在一起。

（3）沖洗液化學拆散滯留物絮凝結構和隔離液清除技術。采用水和沖洗液對比玻璃片上粘附油的清洗效果，水浸泡洗油效果可以觀察到，載玻片表面粘附的油浸泡10min后沒有變化，油仍粘附在載玻片上，說明水對于界面滯留物沒有化學作用，不能分散清洗；而沖洗液浸泡實驗發現，在浸泡過程中，載玻片表面的油逐漸聚集成小油滴，并且不斷聚集變大形成大油滴，若輕輕搖動，大油滴立刻分散到溶液中，并且不再吸附到載玻片上，說明沖洗液具有良好的清洗和清除界面滯留物的能力。

由圖5觀察到，現場配制的隔離液顏色是淡白色，是加重劑重晶石反應出來的顏色，而從井內返出的隔離液顏色變深，趨近于鉆井液的顏色，說明隔離液在井內攜帶環空滯留鉆井液。可見前置液在固井中的作用是不可忽視的，沖洗液有效拆散界面滯留物的內部結構，使其結構疏松，環空沖洗液后面的隔離液對界面滯留物的力學磨蝕作用，有效將界面結構疏松的滯留物攜帶出井，從而提高了界面膠結質量。因此，科學合理地進行前置液應用可以有效地提高界面膠結質量，是固井設計中不可缺少的設計工序。

圖5 使用的隔離液從井內返出情況

3 結論

通過研究和對比發現深井固井氣竄影響因素主要源于鉆井過程中形成的井眼條件、井壁泥餅質量、鉆井液的維護和處理、鉆井過程中鉆井液的性能、完鉆后井眼準備和鉆井液性能優化調整；固井施工中所用到的水泥漿性能、防竄能力、凝固后水泥石性能、形變能力、抗腐蝕能力等，與此同時，水泥漿密度及鉆井液性能也與氣竄有著密不可分的聯系。

另外，實踐表明，對隔離液和沖洗液技術的革新使得頂替效率有著顯著提高，這也為抑制氣竄保駕護航。對于在固井頂替中應用沖洗液，可以有效地稀釋鉆井液，提高鉆井液的紊流流動能力，最終提高了鉆井液的頂替效率；在固井施工過程中由于頂替效率不高、泥漿竄槽而導致的環空竄流，可通過改善井眼質量、降低泥漿粘切度、提高泥餅質量、使用套管扶正器提高套管居中度。用隔離液、沖洗液、通過設計合理的頂替流速、流態、接觸時間、頂替液和被頂替液體之間合理的流變性級差，以及在注水泥過程中活動套管，提高水泥漿頂替泥漿的效果而克服竄流。