固井技术研究及应用

作者： 何德清 谢亚辉 赵金青

一、概述：
宝浪油田自1994年开发至今，各区块已进入高压注水阶段，注水压力高达30Mpa，地层水十分活跃，井下动态干扰大，水窜严重。宝北区块八道弯组以下煤层较多且发育，容易垮塌，形成“糖葫芦”井段，导致出现复杂的井下情况。固井封固段平均长达1100米，同时油层的细分开采对固井质量也提出了更高的要求。因此，如何提高固井质量满足宝浪油田开发的需要，成为我们工程技术人员进行科技攻关的课题。由于我们在工艺和措施上推广应用了“压稳、居中、替净、密闭”等有效措施，2003年3月至2004年9月，我们在宝浪油田各区块共固油层35口，固井质量合格率达到100%，其中优质率达到65%，较好的解决了宝浪油田的固井质量问题。

二、影响固井质量因素：
1、 高压流体窜流影响：
随着宝浪油田进入开发后期，已进入高压注水阶段,各区块注水井的数量不断增多，而地下能量却逐渐亏空，致使地层原始压力发生很大变化，层间压差很大，注水压力高达30Mpa，井下动态干扰大，水窜严重，经常在钻井过程中发生溢流现象，在固井施工中采用常规水泥浆体系，固井质量很难得到保证。比如，宝1308井钻井液密度加重到1．60g/cm3,才能压稳井下溢流，宝1217、宝1335、宝1235井钻井液密度加重到1．40g/cm3,才能压稳井下溢流，
2、 不规则井径的影响：
由于宝浪油田区块八道弯组（2000米）以下发育有较多的煤层，加上地层水十分活跃，在溢流的影响下造成在钻井过程中井壁不稳定容易垮塌，形成“糖葫芦”井段，由此给固井带来如下影响：
（1）井径过大，如宝1335井，井深在2050米处井径为48cm,径井扩大率为122%，属于典型的“糖葫芦”井段，在固井过程中容易造成钻井液及岩屑不易冲洗干净，从而影响水泥石胶结强度；（2）常规的套管扶正器的加法不能保证套管居中度，造成水泥浆的顶替效率差；（3）固井施工中冲洗液用量受到限制，如若用量加大，容易造成地层垮塌；若用量太少，不能将井壁冲洗干净，影响水泥环二界面的胶结强度。
3、 长封固井段的影响：
长封固段也是宝浪油田固井的一大特点，井深均在2400米以上，单级固井水泥浆封存段平均长达1100米左右，在固井施工中容易产生以下不良影响：
（1）水泥用量大，如宝1217井水泥用量为60吨，水泥浆流动阻力大，施工压力高，地面施工有一定的难度；（2）由于裸眼段长，封固段内地层压力、渗透率等岩性变化较大，井径变化大，容易发生水泥浆的连续窜槽，因此提高顶替效率是长封固段井必须重视的技术难题；（3）水泥浆用量大造成的另外一个难题是，在注浆和替浆过程水泥浆易脱水稠化，而发生憋泵，影响施工安全；（4）由于环空水泥浆液柱压力高，固井设计必须考虑压漏地层的可能性；（5）由于封固井段长，水泥浆在候凝过程中易发生失重现象，从而影响固井质量 。
三、固井工艺及技术措施：
针对宝浪油田地层特点及固井特点，为了提高在各种复杂条件下的固井质量，我们从工艺和措施上采取“压稳、居中、替净、密闭”八字方针：
（一）、“压稳”工艺技术集中体现了钻井完钻后的压稳，固井过程中的压稳，水泥浆候凝过程中的压稳：
1、 加强注水井停注工作，为固井提供一个相对稳定的井下环境。凡是在钻井过程中出现溢流的井，必须先加重钻井液压稳后，再进行固井作业。
2、 优化水泥浆体系，合理选择稠化时间，合理设计水泥浆液柱压力结构，做好压稳设计。我们在化验室做了近10套水泥浆性能的优选试验，经过反复研究对比，最终优选出两凝水泥浆体系：领浆—— 用在上部非生产层段，使用10方低密度水泥浆，减轻浆柱的压力，再加适当的绶凝剂，延长水泥浆的稠化时间，实现上部液柱压力向下有效传递避免失重，达到压稳尾浆的目的；尾浆——用于封固目的层段，采用低失水、短过渡、高早强、微膨胀的水泥浆体系，利用其产生的压力补偿，防止地层流体侵入水泥浆中，这样堵注漏层、压稳涌层、用速凝早强来提高水泥石的早期强度，起到较好的防窜效果，从而提高水泥环的封固质量。水泥浆配方及主要性能如表1。

表1水泥浆配方及主要性能
项目
领浆
尾浆
配方
G级水泥+降失水剂2%+缓凝剂0．2%+消泡剂0．2%
G级水泥+降失水剂2%+膨胀剂0．35%+消泡剂0．2%
密度g/cm3
1．60
1．90
流动度cm
24
20
稠化时间70℃×45MPa
230
108
失水量(ml)7MPa×30min
70
38
抗压强度Mpa 24h×常压
11.2
21.3
3、环空加回压：固井施工结束后，在水泥浆失重亏损压力的基础上利用套管头密闭环空，给环空加回压3Mpa，防止水泥浆在候凝过程中减少高压流体窜入水泥环，造成水泥浆失重，而发生窜槽，从而影响固井质量。
4、管外封隔器的应用：在发生溢流的井中，使用管外封隔器封隔地下高压水层。如2004年5月施工的宝1308井，该井在井深钻至2300米时遇到高压注水层，钻井液密度加重到1．60g/cm3,才能压稳井下溢流，采用常规固井工艺固井质量是不能得到保证。因此我们根据电测提供的井径以及水层的位置，在2150米处装上管外分隔器，采用管外分隔器和环空加回压技术，使得固井质量达到优质。
（二）、“居中”措施：
“居中”措施主要通过优化套管扶正器的加法、加量来实现。我们根据电测提供的井径及井斜方位的数据，通过优化套管扶正器的加法、数量和安放位置，有效地使套管串在井眼中达到最大程度的居中，尽可能多的把“糖葫芦”井段中的钻井液顶替出来，保证水泥浆均匀分布在环形空间，形成良好的水泥环。
（三）、“替净”措施：
“替净”措施通过优良的冲洗液、隔离液及适宜的顶替排量来实现。
1、采用流变性好，冲洗效果显著的冲洗液，来充分清洗井壁和套管内、外壁的泥饼和粘附物；
2、使用沉降性稳定、相溶良好的隔离液来分隔钻井液和水泥浆，保证钻井液对水泥浆不产生污染，减少混浆带，达到替净的目的；
3、据地层破裂压力和地层孔隙压力，优选注替排量，保证在注水泥浆和替浆过程中不压漏的前提下，达到紊流顶替的目的；
4、强化连续施工作业。加强设备的维修保养和施工中各工序的密切配合，保证施工的连续性，尽量缩短注完水泥浆后停泵替浆的静止时间，以减少流动阻力和“U”型管效应。
（四）、“密闭”措施：
1、套管丝扣的密封采用耐高温、高压密封脂，入井连接按API规定的最佳扭矩紧扣，使套管丝扣实现安全密封。
2、 用合格的自锁式浮鞋、浮箍，保证碰压后套管内放回压到零。
四、现场应用效果：
采取上述有效措施，我们于2003年3月至2004年9月在宝浪油田各区块共固油层35口，固井质量一次合格率达到100%，其中优质井23口，固井优质率达到65%，较好地解决了宝浪油田的固井质量问题，确保了宝浪油田开发方案得以有效的实施。
五、结论及认识
1、解决了活跃水层，发育煤层的固井难点，关键在于选用合适的水泥浆体系，其水泥浆性能满足低失水、短过渡、高早强、微膨胀的要求，实现水泥环胶结强度发展迅速，又保证施工安全等性能指标。
2、选用合适的前置液，对井壁起到较好的冲刷和稳定作用，大大提高了水泥浆的顶替效率，保证了固井施工顺利进行。
3、两凝水泥浆体系固井，满足了平衡压力固井的需要，降低了固井施工风险。井口环空加压，解决了固井后水泥浆失重的压力补偿。
4、管外封隔器的应用，较好的解决了高压水层对固井质量的影响。
(何德清 谢亚辉 张桐宇 张红旗/河南石油勘探局钻井工程公司；赵金青/河南石油工程技术研究院)