低压易漏长裸眼段固井防漏工艺技术概述

李明忠，李正国，王亚青，王成文

(1.中国石化华北石油工程有限公司井下作业分公司工艺研究所，河南 郑州 450042;2.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东 青岛 266580)

低压易漏井长裸眼段固井过程中经常发生漏失，严重影响固井质量，甚至诱发井塌、卡钻、井喷等各种复杂事故。全国大部分油田都存在固井漏失问题，特别是在长庆、吐哈、辽河、新疆等油田较为突出。防止低压易漏井固井漏失和提高固井质量是一项系统工程，主要从固井前准备、水泥浆体系、固井工艺以及注替技术四个方面进行综合治理。

1 固井前准备

1.1 提高地层承压能力

提高地层承压能力是解决固井井漏问题的重要手段[1］，地层承压能力测试是指固井前按环空全浆柱当量水泥浆密度进行试漏试验，根据环空钻井液密度和井眼垂深，确定井口憋压值。若地层不能承受所要求的当量密度，可对地层进行先期堵漏，直至地层承压能力满足固井要求。井口加压值可通过式(1)计算。

式中，Hb为薄弱地层垂深，m;ECDc为固井时最大环空动态当量密度，g/cm3;ρm为井眼内钻井液密度，g/cm3;P0为井口承压值，MPa。

1.2 防止激动压力过大

控制下套管速度，防止下放速度过快造成过大激动压力压漏地层。套管下放速度应不超过0.46 m/s，在低压易漏井段，下放速度应降至0.25～0.30 m/s[2］。堵漏后的井，由于钻井液的高粘度和大切力，应采取中途开泵循环的方式。

1.3 固井前钻井液的性能调整

固井前调整钻井液性能，达到“四低一薄一适当”(低粘度、低切力、低失水、低含砂、薄泥饼和密度适当)，确保井眼内岩屑清除干净，冲蚀掉滞留在大井眼、偏心环空窄边一侧和渗透性地层上的胶凝化或者已脱水钻井液以及井壁上的疏松泥饼，降低环空摩阻。

2 水泥浆体系

2.1 低密度水泥浆体系

采用低密度水泥浆体系，降低环空浆柱液柱压力，实现近平衡压力固井是解决低压易漏井固井漏失最有效、最简便的方法。目前为获得低密度水泥浆体系，主要有以下三种方法[3，4］:

1)加入粉煤灰、膨润土、火山灰、水玻璃等，增大水灰比，降低水泥浆密度。但受浆体稳定性、均匀性和水泥浆失水的要求，这类水泥浆的密度一般在1.50 g/cm3以上。

2)水泥灰中加入密度较小的中空玻璃球、漂珠和微硅(粒径:中空玻璃球、漂珠＞水泥灰＞超细水泥＞微硅，如图1和2所示[5］。)，根据颗粒级配原理，配制成低密高强水泥浆体系。漂珠水泥浆稳定性差，水泥石强度低，而微硅低密度水泥只能有限降低浆体密度。目前应用较为广泛的是“漂珠+微硅”低密度水泥，该体系密度可低至1.08 g/cm3，浆体稳定性好，通过增加了干混物的堆积体积百分比(PVF)，可获得较强的水泥石强度，如图3所示。

3)采用机械或化学方法向水泥浆中注入气体，如氮气或空气，并借助表面活性剂稳定泡沫，该体系密度可降至1.0 g/cm3以下。泡沫水泥是高度分散的多相体系，为使其密度符合设计要求，需计算气体合理注入量。气体状态随井深，即温度和压力变化，因此泡沫水泥浆密度是温度和压力的函数，需借助水力学和热力学理论进行分析。

与其它低密度水泥浆体系相比，漂珠、中空玻璃球、微硅、超细水泥与水泥灰组成的多元低密度水泥浆体系，密度可调范围广，性能稳定，流动性好，干混方便，不会因更新设备产生大量成本。但该体系普遍存在水泥石强度低、早期强度发展缓慢、有效期短等问题。根据颗粒级配原理，进行粒级筛选和材料配比优选，改善干混物的堆积状况，提高灰样的水化速率是提高低密度水泥石强度的主要方法。

2.2 防漏增韧水泥浆体系

防漏增韧水泥浆体系具有防漏和水泥石增韧功能，提高了水泥石力学性能稳定，见图4。添加剂主要由特种纤维、降失水剂、调凝剂、分散剂等组成，尤其适用于40℃的低温井固井。防漏作用机理源于不同尺寸、不同种类纤维自身所具有的搭桥成网和不同级配固相颗粒的填充特性[6，7］，如图5所示。水泥石韧性的主要影响指标为纤维合理细长比和加量。低密度防漏增韧水泥浆体系综合低密度水泥浆体系和防漏增韧水泥浆体系的特点，实现防漏与堵漏一体化。

3 固井工艺

3.1 分级固井工艺

分级固井工艺技术是指通过分级箍及其各种配套的塞子，将较长的裸眼井段分成多段进行封固，能够有效减少固井漏失的发生。常用的分级箍规格尺寸有244.5、177.8、139.7、127 mm，有机械式、液压式和机械与液压一体式三种。按照内套是否需要钻扫，又分为常规分级箍和免钻分级箍。免钻分级箍在二级碰压关闭套关闭循环孔后，继续加压剪断销钉使内套落井。分级箍安放位置依据油气水层及漏层位置决定，但必须兼顾一、二级固井防漏目标。

3.2 尾管悬挂固井工艺

尾管悬挂固井是通过悬挂器将尾管悬挂在上层套管上，该固井工艺具有较高的经济性，并且显著降低环空液柱压力。悬挂器有机械式和液动式两种，其性能必须满足“下得去”、“挂得住”、“倒得开”、“可回接”，并具有满足施工的流通通道。尾管悬挂器处过流断面小导致泵压过高，固井不可一味机械地追求大排量紊流，需根据环容、悬挂器类型、实测泵压去合理调整固井排量。在小间隙尾管中，建议采用小排量塞流固井技术。水泥附加量控制在10%左右，防止在水泥浆替出过程时发生事故。

3.3 使用套管外封隔器固井

把封隔器连接到套管串中，安放在低压易漏层位上部，液压胀开封隔器橡胶部分，封闭环空，阻止浆柱压力传递到下部易漏地层。为避免封隔器胶筒被击穿而失去密封效果，在替浆时可适当提高替浆液的密度，减小碰压附加压力，即以出现明显碰压为原则，附加2～3 MPa即可。

4 注替技术

4.1 考虑地层“四压力”的固井注替设计

当环空浆体动液柱压力大于地层漏失压力时，固井漏失开始出现。一般地层漏失压力远小于地层破裂压力，因此，以地层“三压力剖面”(地层破裂压力、地层压力、坍塌压力)为标准的固井设计不利于低压易漏井固井施工。为防止固井时发生井壁坍塌和漏失，固井浆体动液柱压力应满足以下条件:

即环空浆体动液柱压力在满足压稳地层、维持井壁稳定的前提下，避免固井时发生漏失以及压漏地层。式中，Pc为地层坍塌压力，MPa;Pp为地层压力，MPa;Pl为地层漏失压力，MPa;Pf为地层破裂压力，MPa;∑Pi为环空浆体动液柱压力，MPa。地层压力、地层坍塌压力和地层破裂压力可通过测井数据，借助理论模型计算得到;地层漏失压力可借助地层试漏试验法获得。

设计合理的浆柱结构，减少尾浆附加量，增加前置液和低密度段水泥浆环空长度，控制注、替浆排量，保证封固段环空液柱压力小于地层漏失压力。

4.2 前置液设计

前置液主要用于清洗胶凝钻井液，改善钻井液流动性，提高固井顶替效率。保证前置液紊流临界返速控制在0.5 m/s以下[9］，紊流冲洗时间大于7 min。但在大斜度井段或水平段，受套管偏心、岩屑积存等影响，保证紊流冲洗时间大于10 min。此外，在低压易漏井中，前置液中可添加一定的堵漏材料。在“压稳”基础上，通过增加一级固井前置液段长，可适当降低井底液柱压力。

4.3 排量计算

固井注替排量的大小影响顶替效率的高低。一般紊流顶替效率最高，但低压易漏井较低的承压能力限制了水泥浆紊流顶替的使用。在不漏失的情况下环空最大排量Qmax计算方法为[10］:

式中，Qmax为不漏失的情况下环空最大排量，L/s;Dw为井径，cm;de为套管外径，cm;Pa为环空静液柱压力，MPa;Pl为地层漏失压力，MPa;ρc为水泥浆密度，g/cm3;L为井段长度，m。

对于固井中可能发生漏失的井，采用“紊流+塞流”固井顶替，注前置液、注水泥和替浆前期未达到循环压力前采用紊流方式施工，替浆后期达到循环压力后采用低返速塞流顶替，这样可以大大降低环空的流动阻力。紊流施工时，注浆和替浆排量计算方法为:

式中，Qc为环空紊流临界排量，L/s;Qw为环空塞流临界排量，L/s;Rec为水泥浆紊流临界雷诺数;K为水泥浆稠度系数，Pa·sn;n为水泥浆流性指数。

5 结论

1)对于低压易漏长裸眼段井眼，防止固井漏失和提高固井质量是一系统工程，固井设计时需要从地层岩性及压力特征、水泥浆体系、固井工艺和注替技术几个方面综合考虑;

2)根据颗粒级配原理，进行粒级筛选和材料配比优选，改善干混物的堆积状况，提高灰样的水化速率，可解决低密度水泥浆体系水泥石强度低、早期强度发展缓慢的问题。开展低密度防漏增韧水泥浆体系的研究与开发，实现防漏与堵漏一体化;

3)以漏失压力为基准，优化浆柱结构，减小尾浆附加量，适当增加一级固井前置液段长，控制注、替浆排量，控制施工泵压，保证环空动液柱压力小于地层漏失压力。

[1]吴应凯，石晓兵，陈平，等.低压易漏井地层防漏堵漏机理探讨及现场应用[J］.天然气工业，2004，24(3):81－83.

[2]李丰收.石油固井关键技术应用手册[M］.北京:石油工业出版社，2007.

[3]黎泽寒，李早元，刘俊峰，等.低压易漏井深井大温差低密度水泥浆体系[J］.石油钻采工艺，2012，34(4):43－46.

[4]于海平.漂珠+微硅低密度水泥浆配方的实验研究[D］.东营:中国石油大学(华东)，2003.

[5]步玉环，魏海萍，董照显，等.水泥浆材料粒度分布宽度的定量表征[J］.科学技术与工程，2013，13(3):154－157.

[6]赵红.增强增韧低密度水泥浆体系的研究[D］.东营:中国石油大学(华东)，2004.

[7]罗云，樊德友，姜昌勇.纤维防漏增韧水泥浆应用研究[J］.钻井液与完井液，2006，23(4):4－6.

[8]陈庭根，管志川.钻井工程理论与技术[M］.东营:中国石油大学出版社，2006.

[9]杨香艳，郭小阳，杨远光，等.固井前置冲洗液的研究发展[J］.西南石油学院学报，2005，27(1):70－74.

[10]郭小阳，张玉隆，刘硕琼，等.低压易漏长裸眼井注水泥工艺研究[J］.天然气工业，1998，18(5):40－44.