固井过程的节能措施探讨

田东诚（大庆油田钻探钻技一公司）

油气田开发中每钻出一口工作井都需要对其进行固井施工，固井施工中采取节能措施可降低施工成本，减少废弃物的产生，避免造成大范围的环境污染。固井工程节能具有经济、环境、社会等多方面的价值与意义，油田生产中应加强相关节能措施的利用。

固井工程施工流程复杂，技术方案众多，施工设备能耗较大，油田生产中从3个方面，采取有效措施，减少固井施工耗能量。

1 施工流程节能措施

固井工程是指向井内下入套管，并向井眼与套管之间的环形空间内注入水泥，以达到封隔井眼油、气、水层，方便进一步钻探或生产的目的[1]。固井施工主要分为下套管与注水泥两个施工步骤，合理组织下套管与注水泥施工，使两者有效对接有助于减少施工能源消耗。对下套管及注水泥施工流程分别进行优化可提高施工质量与施工效率，避免反复施工及其造成的能量浪费。以下套管为例，不合理的下套管流程极易造成下井设备的选用、安装不合理，造成下入阻力的增大，导致相关设备载荷增加，能耗增大。因此，固井施工中对施工流程进行由大到小的逐一优化，以保证施工效率，节约施工能量。

2 技术方案节能措施

除了优化工艺流程，对具体施工环节的施工技术方案进行优化也能有效降低固井施工中的能耗。下面就下套管技术方案优化、注水泥技术方案优化以及先进固井技术的利用为例展开具体讨论：

2.1 下套管技术方案优化

2.1.1 漂浮下套管技术

下套管施工中导致耗能量增大的主要原因是套管在井眼内摩阻与扭矩过大，采用漂浮下套管技术可有效降低套管与井筒之间的摩擦，减少施工能耗。漂浮下套管技术的基本原理是，将空气或低密度钻井液封闭在套管柱下部，利用浮力降低套管柱的视重，从而达到减小摩擦阻力的目的；此外，存在于漂浮接箍上方的钻井液受自身重力作用，会对套管柱产生向下的推力，协助套管柱顺利到达预定位置。

漂浮下套管技术施工需要的主要设备包括漂浮接箍、止塞箍、双阀浮鞋以及固井胶塞等。其中，漂浮接箍是最重要的设备，施工中漂浮接箍可连接套管柱上的密封装置，能与止塞箍共同工作，使空气被封闭于接箍下部的套管柱中，钻井液则仍旧存在于接箍上方的套管柱中。施工时由于漂浮接箍上滑套的滑动，钻井液可进入下部套管柱中并开始循环。

漂浮下套管技术十分重视对套管漂浮长度的设计，设计中常采用计算机技术，参考井眼轨迹、钻井液性能以及套管柱尺寸等数据进行确定。套管柱与井筒间的摩阻因数是确定套管漂浮长度最重要的依据，摩阻因数通常由实际施工中井眼轨迹、钻井液性能以及套管柱组合等资料推导而来。

漂浮下套管技术施工时需将浮鞋与止塞箍连接在套管柱上，并且在浮鞋与止塞箍间注满钻井液，安装扶正器后将套管柱下入至漂浮接箍位置，然后再与漂浮接箍相连继续下入，同时开始灌注泥浆。套管柱下入到预定深度时需要打开漂浮接箍与排气阀，并进行泥浆的间歇循环注入。泥浆循环建立后方可投入胶塞，使水泥浆上返至预定高度。

2.1.2 随钻下套管技术

随钻下套管技术能够将钻井施工与下套管施工相结合，有效避免了单独进行下套管施工而消耗大量能源。随钻下套管技术的主要施工原理是，利用钻头破碎导管鞋前进方向上的岩石，并利用钻柱所注水泥浆携带出钻柱与导管间的岩屑，导管与钻柱所受重力可使导管延所钻井眼顺利下入至设计深度。由于地层中存在大量粘土，导管与粘土便能相互胶结，并且随着时间推延，此胶结强度越来越高。此后，若用较小尺寸钻头在导管内或导管鞋下部继续钻进，导管与粘土间的胶结应力便能转变为对导管的剪切力，避免导管继续下沉。随钻下套管不下沉的主要理论依据是，导管与地层间的剪切应力能够抵消导管自身重力与施工载荷的影响，因此，在进行随钻下套管技术施工设计时，应充分考虑井下地层条件与岩石性质。优选水利参数、转速与钻压时，对地层的胶结强度、土的黏度以及岩石的硬度的考虑尤其重要，只有这样才能制定出最优的技术方案。

随钻下套管技术施工中应注意使用高黏度泥浆钻开套管鞋下部井眼，并要避免导管周围发生掏空、窜槽等问题。随钻下套管技术较适用于地层土黏性较好的地层，尤其适用于深水海域的套管下入。

2.1.3 优化井身结构

除了采用高效的下套管技术减小下套管施工所需能源以外，优化井身结构也是固井施工过程中的重要节能措施。优化井身结构的主要途径有缩小井眼尺寸，浅下套管或减少套管层次。合理缩小井眼尺寸与浅下套管，可通过减小井筒容积来减小水泥浆注入量。能够有效缩短注水泥的开泵时间，降低泥浆泵的能量消耗。

2.2 注水泥技术方案优化

2.2.1 合理配制水泥浆

水泥浆性能是否符合固井施工要求，决定了固井施工的质量与安全性，也会在很大程度上影响施工效率[2]。水泥浆性能不佳会使注水泥时水泥柱难以达到有效平衡，降低了顶替效率，增长了注水泥时间，造成工作量的额外增大，使相关设备耗能增加。施工现场通常采取连续混配与批量混配两种配浆方式，配制时要充分考虑固井施工对水泥浆性能的要求，尤其是密度与流变性指标，尽可能做到以性能良好的水泥浆来保证施工效率，减少施工能耗。

2.2.2 适当添加外加剂

配制水泥浆时，为了调整水泥浆性能通常需要添加适当外加剂。以促凝剂为例，固井施工当水泥浆上返接近目标高度，为使其尽快凝固形成水泥塞，可适当加入促凝剂以加快水泥浆的凝固速度，缩短泥浆泵开泵时间，降低施工设备能耗。

2.3 先进固井技术的应用

2.3.1 防窜固井技术

环空中发生水窜或气窜是固井施工中常常出现的问题，严重降低了固井施工的效率，提高了固井施工的耗能。防窜固井技术能够有效防止固井施工中的窜槽问题，防窜槽固井技术的关键是在注入循环的水泥浆中添加适量的塑性材料，以提高水泥的胶结效果，避免井壁与水泥间窜槽的发生。此外，防窜槽固井技术防止套管与水泥间发生窜槽的效果也比较好，在水泥浆中添加弹性材料也能有效防止窜槽发生。

替浆后水泥浆利用环空压力脉冲进行往复运动也可防止窜槽的发生。具体施工要求为，将低压气体或液体以脉冲形式注入，使得环空中水泥浆发生高频振动，避免气体窜入。此外，减小水泥浆从达到上返高度到凝固过程之间的压力损失值，也是有效防止固井窜槽的措施。

2.3.2 钻井液转换水泥浆固井技术

钻井液转化水泥浆技术是指，通过向泥浆中添加可水化物质，使钻井液能在特定条件下转变为固井液。此项技术可有效缩短注水泥施工时间，缩短开泵时间，有效降低注水泥施工中泵的能耗。施工中通常选用高炉矿渣作为可水化物质进行添加。在超深井固井施工中，该技术还能防止窜槽，提高开泵效率，节约能源。

3 施工设备节能措施

固井施工过程中，设备选用不当通常会造成能量的无谓消耗，对施工设备进行优选能够提高能量利用效率，减少能源消耗。

3.1 减小下井设备的摩擦阻力

下套管施工过程中，往往紧随套管需要下入扶正器等设备，下井设备的尺寸或安装不合理，常常会增大套管下入时的阻力，增大下套管设备的载荷与功率，增加施工能耗。因此，固井施工时需格外注意下井设备的选用，尽可能减小套管下井过程中的摩擦阻力，以节约施工能量。

3.2 泥浆泵的节能

泥浆泵是固井施工中的主要耗能设备，施工中应根据相应工程要求，在额定功率合适的情况下，选择能量利用效率较高的泥浆泵，以达到施工节能的目的。同时，施工过程中应注意对泥浆泵的正确操作，切勿使其一直处于工作状态，要根据施工进度进行合理停泵，减少泥浆泵的能量消耗。

3.3 计算机动态模拟系统的使用

充分使用计算机动态模拟系统进行固井施工，尤其是注水泥施工的设计，可提高施工设计的合理性与准确性，加快施工进度，提高施工效率，缩短施工时间，从而达到有效降低施工能耗的目的。

4 结语

1）固井施工过程中采取一定的节能措施不仅有利于节约能源，压缩成本，取得较高经济效益，还有利于保护环境，符合国家节能减排的要求。

2）固井施工过程中除了通过优化施工工艺流程，设计合理施工方案以及选用适当施工设备等途径进行节能以外，还要重视固井施工人员素质及施工现场综合管理，方能使得相应节能措施取得较好效果。

[1]丁士东.国内外固井技术现状及发展趋势[J].石油化工应用,2010(9):23-24.

[2]牛禄,李永志.节能减排技术在固井工程中的研究与应用[J].地球,2011(12):12-13.