深井及超深井固井技术应用简析

唐 炜，余 建，宾国成

（中国石油川庆钻探工程公司井下作业公司，四川成都610052）

随着油气田勘探开发逐步将重心转向目的层埋深更深、井底压力更高的深部地层（6000～9000m），深部地层压扭性特点和复杂的构造地应力作用，造成上部陆相地层高陡构造倾角大，坍塌现象严重，下部海相地层存在多套压力系统，且有含硫化氢的超高压天然气层以及盐水层、盐膏层、易漏失地层等多种因素共存，在上述因素的共同作用下，固井施工过程中的难点主要表现在以下几个方面：

（1）井深，封固段长，同一裸眼井段中多个压力层系存在且上下温差大，容易发生注水泥及顶替后期过程中地层流体环空窜流等影响井眼封固质量的现象。裸眼封固井段中喷、漏同层，安全压力窗口小，施工质量要求和井控安全要求高；

（2）下部小尺寸井段固井时，特别是小间隙固井（套管与井眼环空间隙小于19mm），固井质量难以保证，突出表现在深部地层尾管固井过程中；

（3）井底温度、压力高，水泥浆综合性能与工艺设计要求存在一定的差距，特别是盐膏层、目的层施工井段固井水泥浆综合性能要求高；

（4）钻井液密度高、粘度高、切力高，设计施工参数局限性程度高，顶替效率不易得到保证；

（5）井壁稳定性较差，钻井过程中发生掉块或冲蚀而导致井径扩大现象，出现“大肚子”井眼；

（6）深井固井工具及套管附件选择范围有限，套管下到预定井深后对工具附件的后期可靠性提出了较高的要求。

1 深井固井防窜技术应用

理论研究成果表明，造成深井油气水窜的根源在于钻井液未被完全顶替、两个界面胶结不好存在微间隙或者是水泥浆柱失重而造成上窜通道。目前，解决深井固井防窜的技术措施总体上可以归结为两大方面，即工艺方面的技术措施和改善防窜水泥浆体系。从原理上而言也可分为两类，即提高顶替效率、防止或降低水泥浆柱体失重和增加环空气窜过程中的窜流阻力而达到减小气窜程度为目的。

1.1 防止失重所导致的环空窜流的工艺方面的措施

（1）使用两凝或者更多凝水泥浆体系，当井内要封隔的水泥段较长时，为了防止窜流，可在水泥柱各段范围内添加不同的外加剂或者使用多密度水泥浆以调节凝固时间，使水泥浆从下到上逐段凝固。当下部快干段处于气窜临界状态时，上部缓凝段仍保持较高的静液柱压力，而缓凝段逐渐处于初凝状态时，下部快干段早已凝固，从而防止窜流，最终达到“以快抑气”的目的。

（2）候凝阶段通过环空压力变化情况逐渐憋压以弥补水泥浆失重引起的压力差。该措施的局限性表现在当井下有薄弱易漏层时或上层套管下深较浅时，所施加的压力有限或局限于地层条件限制根本不能满足加压的条件，尤其是井下上部有薄弱易漏层时，允许憋压的当量密度有限。

（3）固井时增大环空内钻井液的密度，其出发点基于在井下某一位置，水泥浆失重后整体环空液柱压力大于地层压力，从而有利于防窜。该措施目前基本上未应用，因为固井时综合考虑地层承压能力和流体间的流变性能差异，单纯考虑增大井内钻井液的密度不利于提高注水泥顶替效率。

（4）使用分级注水泥技术，这一技术的原理与固井时增大环空内钻井液密度措施的原理类似。分级注水泥过程后，当下部水泥浆失重到静水柱压力时，环空整体液柱对地层的压力比一次性注水泥时的大，有利于防窜，而注后面级次的水泥施工作业时，下部目的段水泥已经凝结。目前一般采取的是双级注，但是由于对分级箍可靠性、井筒完整性的考虑，仅防窜而选用多级注工艺时一般都比较慎重。

（5）使用套管外或尾管顶部封隔器，当水泥浆失重使得地层流体可能窜入井内而沿环空窜流时，使用套管外封隔器依靠机械密封可以防止流体窜流。该措施在固井施工过程中相对复杂，另外当井下有多套压力系统的地层时，如果下入多个封隔器进行封隔施工难度更大，且管外封隔器在裸眼井段下入过程中其完整性亦不易得到保证。

（6）使用环空脉冲振动装置使得水泥浆或套管振动以降低窜流的机率，该两项措施的原理都是依靠振动使得水泥形成水泥石的过程中更加紧实，最终达到提高水泥石的强度、降低水泥石的渗透率为目的，从而减少窜流通道。

1.2 采用防气窜水泥浆体系防止环空窜流

不同防窜水泥浆体系的防窜原理是增大水泥孔隙压力或增加对窜流的流动阻力，基本手段可以归纳为以下三种：

（1）采用不渗透水泥体系，利用堵气剂、气锁剂、微硅粒等化学或物理外加剂的加入，增大水泥浆对气体窜流阻力的水泥体系。

（2）缩短过渡时间和稠化时间的水泥浆体系，即减小水泥浆流动度从40～100Bc的过渡时间，采用该体系的目的亦是增强水泥浆对气体窜流阻力。

（3）采用可压缩水泥体系，该体系由发气剂和水泥浆混配而成，不仅能增加孔隙压力，还具有微膨胀的特性。

2 压力敏感及窄安全密度窗口地区固井技术

深井及超深井地层条件复杂，在同一开次的井眼条件下存在相对低压的易漏层，在固井作业注水泥过程中容易导致压漏地层，亦或流体密度控制不好而发生溢流或井涌的层位，严重时导致井喷产生非常严重的后果。因此，针对这些压力敏感及窄安全密度窗口的固井施工过程中平衡压力注水泥显得尤为重要。

所谓平衡压力注水泥设计，就是采用流变学理论，以防止注水泥漏失、溢流和提高注水泥顶替效率为目的，进行注水泥浆柱结构设计和施工排量设计，总的原则是：

解决注水泥过程中防漏的技术手段：

（1）堵漏提高地层承压能力，结合具体的情况使用不同性能堵漏材料，不仅维持正常的钻井需要，更好地满足固井施工的基本要求。

（2）采用合理的注水泥方式，考虑使用分级固井或者是采用正反注施工工艺达到防漏的目的。

（3）使用低密度水泥或复合密度水泥体系，结合地层漏失压力及钻井过程中油气显示的钻井液密度范围确定采用低密度水泥或复合密度水泥体系，考虑因素则需要综合包括注水泥中所使用的各种浆体的密度、流变性能和用量。

（4）施工参数的优化设计。当各种浆体的密度、性能和用量确定之后，注水泥过程中的环空静液压力也就确定，这时，环空液柱对地层的压力就随浆体的流动阻力而发生变化，而这时各种浆体的流动阻力就取决于施工参数的优化设计。

（5）采用防漏水泥浆体系，目前常用的水泥浆体系有触变性水泥和纤维防漏水泥浆体系，前者防漏的基本原理是当水泥浆被顶替到位后，触变性强的水泥浆静切力增长较快，存在漏失趋势时，水泥浆的静切力有减小对地层压力的作用，因此在一定程度上有防漏的作用，后者利用纤维在裂缝或孔洞上的架桥、架网，以及水泥或其它颗粒的堵塞，起到防漏、堵漏的作用。

（6）精细控压固井技术的推广应用。近年来，随着精细控压配套装备和技术的不断成熟，该技术不断在深部压力敏感地层固井过程中得到成功的应用，也取得了比较满意的应用成果。其基本原理维持井筒内不同井深处的压力略高于地层压力，具体体现在施工过程中根据各类型流体在井筒内的位置和动压力的变化不断调整井口压力，最终实现对地层的压稳和防漏。目前该技术不断发展为解决压力敏感地层和窄压力窗口条件下固井的有效技术手段。

3 盐膏层固井技术应用

在深井及超深井固井施工的过程中，当进入海相地层以后，由于盐膏层的存在，对固井带来了一系列的技术难点，突出表现在由于地层岩石的塑性蠕动，产生非均布外载而挤压套管，导致套管达到其屈服极限发生早期破坏，另一个方面即盐膏层的矿物离子进入水泥浆体系中影响水泥浆或前置液的流变性。

解决盐膏层固井问题的技术手段：

（1）防止盐膏层挤毁套管通常采用的套管柱结构有：双层组合套管、特制套管（如特厚壁套管）。

（2）优选抗盐水泥浆体系。目前国内外在解决盐膏层的水泥浆主要有贫盐体系和富盐体系，前者是指含盐量在15%以下的欠饱和盐水水泥浆。这类水泥浆通常具有稠化时间易于调整和早期强度高的特点，且滤失性能易控制，浆体的流变性容易调节。但由于浆体含盐量较低，水泥浆在流经盐层段或在盐层段候凝时，有溶解盐岩层的趋势，有可能改变水泥浆的流动或凝固特性，进而影响水泥石的胶结质量，后者是指含盐量在15%～37%之间的饱和盐水水泥浆，这类水泥浆的突出优点是在流经盐岩层或在盐岩层段环境凝结过程中，能维持水泥浆原有设计性能，有利于保证固井施工的安全和盐岩层的胶结特性，主要是由于富盐水泥浆中的水已溶解有较多的盐，水泥浆在流经盐层或在盐岩层中候凝过程中，进一步与周围盐层作用的趋势很小，然而这类富含盐水泥浆体系容易出现稠化时间过长、调节困难，水泥石早期抗压强度低、候凝时间长、浆体滤失量控制差和粘稠而流动性不好等问题。

4 小间隙尾管固井技术应用

深井下部井段固井时，由于环空间隙小，固井质量难以得到保障，其主要原因是环空间隙、钻井液性能、环空摩阻、水泥浆失重、封固段较短等因素表现明显等因素制约了顶替效率难以提高。

解决的小间隙尾管固井的技术手段：

（1）采用新的井身结构或钻井工艺如钻后扩眼、随钻扩眼等技术，增大环空间隙，改善流体流动通道；

（2）合理安放套管扶正器的位置，提高套管的居中度；

（3）采用旋转或活动套管的方式提高顶替效率；

（4）采用流变性能良好的水泥浆体系或增韧水泥改善薄水泥环的力学性能以满足后期施工的要求。

5 结论

（1）在深井及超深井的固井过程中，保证良好的井眼质量和掌握地层温度及压力梯度是固井施工的前提条件。

（2）在泵注设备性能满足的前提条件下，尽量调整好各流体类型的基本流变参数梯度，优化设计施工参数，充分清洗井筒残留钻井液，提高顶替效率。

（3）合理并优化设计扶正器的安放位置和数量，提高套管的居中度。

（4）改善水泥浆及前置液体系的流变性能，确保高温、高压状态下的稳定性。

（5）在固井施工过程中，综合考虑固井工艺及水泥浆体系是固井质量的前提。