防水窜固井技术与应用

引言：结合水窜机理，确定防水窜条件，重点对防水窜配套固井技术与应用进行了论述，以期提高固井质量。

引言

当前，胜利油田的勘探开发进入中后期，由于整个调整井区块长期注水开发，采用常规固井技术已无法解决调整井固井质量受高压水窜影响的问题，给油田后期开发造成极大的经济损失。为解决固井质量受高压水窜影响的问题，从研究固井水窜问题入手，在水窜機理分析、防水窜条件确定、防水窜配套固井技术这三个方面进行综合分析。运用体系防窜、机械防窜、工艺防窜、综合防窜等技术，提高固井质量。

一、水窜机理

（1）普通水泥浆在胶凝过程中的压力变化

随着环空水泥浆柱的内部结构力的不断增长即胶凝强度的增强，逐步消失传递压力的能力，形成“失重”，环空压力下降。

由于环空压力的缺失，当液柱压力小于地层水压力的时候，水窜开始发生，环空压力也开始回升。如图1所示。

图1 取一定的上覆压力作出的水窜压力变化图

（2）水窜流量的变化

当水泥浆压力降到与地层水压力相等时，并未发生水窜，而是低于地层水压力一定值时才发生水窜，并且到达一定时间后，水窜流量开始逐渐减少。如表1所示。

表1 水泥浆在不同时间的水侵速率数据表

（3）水泥浆水化过程中自由水的析出

水泥浆在深入水化过程，过多的配浆水析出，聚集成细小水流，因重力差，水流会沿轴向方向向上流动，不断聚集成更大的水流即水带。这些水流的槽缝和水带为水窜创造了先期条件，使它们降低了对地层的压力，从而引发地层水流窜。

（4）水泥浆固结后的体积变化

水泥浆在凝结硬化过程中，由于物理和化学反应的影响，形成的水泥石的体积缩小，水泥环与套管和地层之间产生微间隙，从而引发高压地层流体上窜。如图3所示。

图2 收缩率变化图

（5）水泥浆顶替效率因素

固井施工过程中如果水泥浆顶替效率低将会形成水泥浆夹带的窜槽，因而造成环空水泥与套管或地层胶结面质量差，产生环隙空间，这些环缝隙会导致环空地层水窜的发生。

因此，在固井施工中，防止水窜需满足以下条件：（1）水泥浆液柱压力与水泥浆抗窜阻力之和要大于地层水压力；（2）环空不能有地层水窜流的通道。

二、防水窜配套固井技术

（1）防水窜水泥浆体系的选择

晶格膨胀剂水泥浆体系可在水泥浆凝固时产生轻度体积膨胀，可以封闭环空微隙，改善水泥环与套管、地层的界面胶结状况，特别提高第二界面固井质量。解决了由于水泥浆硬化后环空水泥石体积的收缩导致高压水窜的难题。

晶格微膨胀水泥浆体系具有失水低、强度高，流动性好、稠化时间可调、零析水；且有改善水泥浆力学性能、降低渗透率的特性，可有效提高水泥浆体防窜能力，对环境无不利影响。该体系适合于正常密度（即水泥浆密度≥1.85g/cm3）的调整井油层固井。

（2）双凝水泥浆体系的应用

双凝水泥浆体系由具有良好的流变性、稠化时间较长的领浆和具有稠化过渡时间短、低失水、微膨胀的短侯凝尾浆组成，实现水泥浆体系双级凝固，减少水泥浆因失重引起的油气水窜，达到压稳地层的目的。

（3）防窜工具的配合使用技术

管外封隔器是用于高压井中有效防止地层流体外窜的固井井下工具，主要用来封闭环空，并能在其以下井段的水泥浆中储存能量，压稳高压地层流体。旋流发生器能改变流体的运动状态，增加流体的横向作用力，可有效清除井壁虚泥饼、驱动大井径和套管窄边的“死”泥浆，提高水泥浆的顶替效率。

三、固井技术措施应用

坚持“静态环境”下固井。注水泥后的地下液体流动，水泥浆在凝固过程中受到地下动态的干扰，水泥浆被稀释与冲蚀；因此，钻井施工前，同区块临近注水井必须停注与泄压，待测声幅后始能恢复注水。

静动结合。固井时要求静态，又要兼顾到采油、注水任务的完成。解决这对矛盾的具体做法是在钻井、固井过程中，把一定半径范围内的采油井、注水井停下来，范围以外的井继续生产，造成动、静结合，提高了固井质量又坚持了生产。

采用双凝或多凝水泥浆体系，减少水泥浆因失重引起的油气水窜通问题。该水泥浆体系由缓凝领浆和短侯凝尾浆两部分组成。缓凝领浆应具有良好的流变性能、稠化时间较长的特点，起到提高顶替效率和压稳地层的作用；短侯凝尾浆应具有稠化过渡时间短、低失水、微膨胀的特点；尾浆用量控制在超过油层50-100m之间，与领浆的初凝时间差为1小时左右。

局部封堵，全井防窜。采用套管外封隔器（ECP）对主要油气层进行管外封隔。使高压油、气、水无法上窜下扰，达以局部截阻，全井防窜的目的。

使用优质钻井液钻进，控制井径扩大率小于15%。保证井眼规则，杜绝下部油层井段出现“糖葫芦” 井眼，在大井眼处，易存有死泥浆无法驱替干净，影响界面胶结质量。

提高顶替效率。固井施工过程中如果水泥浆顶替效率低将会形成水泥浆夹带的窜槽，因而造成环空水泥与套管或地层胶结面质量差，产生环隙空间，这些环缝隙会导致环空地层水窜的发生。

改善水泥浆流变性能。在保证施工安全的条件下，要求水泥浆要有短的过渡时间，快速的强度增长，稠化时间应控制在施工时间+2030min，强度在30℃常压下3～4小时达到3.5MPa以上，即采用短候凝固井技术；水泥浆应控制失水，具有一定的触变性。水泥浆应有较强的内聚力，增强水泥浆抗水侵能力，在一般水流下不分散，改善水泥浆的流变性能，使之容易达到紊流顶替的状态；水泥浆中应有吸水材料，凝固后的水泥，应有较大的膨胀量，最好能控制膨胀量达到0.3%。

防水窜固井技术能明显提高固井双界面封固质量，利于提高油井的采收率，延长油井的使用寿命。

（作者单位：胜利石油工程有限公司黄河钻井总公司固井公司）

作者简介

熊威（1981—），男，四川省大竹县人，大学本科，工程师。