干法固井的技術(shù)難點和對策研究

朱忠喜 楊海平 劉 彪 潘麗娟

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100；2.江漢石油管理局，湖北潛江 433124； 3.中石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院鉆井所，新疆烏魯木齊 830011）

在低壓、易漏、出水少、水敏性強(qiáng)的地層實施空氣鉆井，可以大幅度提高鉆井速度，避免常規(guī)鉆井出現(xiàn)的井漏井塌等問題。在空氣鉆井施工完成后進(jìn)行固井作業(yè)時，通常要先將井筒內(nèi)的空氣轉(zhuǎn)換成鉆井液，之后再進(jìn)行下套管固井作業(yè)。但是，空氣鉆井過程中能夠避免的井下復(fù)雜情況，在轉(zhuǎn)換鉆井液過程中卻又會顯現(xiàn)，極易發(fā)生井漏、井垮等井下復(fù)雜情況，嚴(yán)重影響空氣鉆井技術(shù)的提速效果。因此，國內(nèi)外開展了干法固井技術(shù)研究。干法固井是指純空氣鉆井結(jié)束后，不進(jìn)行轉(zhuǎn)換鉆井液就實施下套管及固井作業(yè)的完井方法。該方法省去空氣轉(zhuǎn)換鉆井液工序，既可避免轉(zhuǎn)換鉆井液時井漏、井垮等井下復(fù)雜情況的發(fā)生，又可避免轉(zhuǎn)換后鉆井液、濾餅和堵漏材料對水泥膠結(jié)面的影響，使得水泥漿與套管、井壁直接接觸，大幅度提高固井質(zhì)量。

1 干法固井技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)干法固井實施的套管層次主要以導(dǎo)管、表層套管、技術(shù)套管為主，?508 mm、?365.1 mm、?339.7 mm、?244.5 mm 套管都成功進(jìn)行了應(yīng)用［1-3］。

國內(nèi)實施干法固井通常包括管內(nèi)正注水泥漿和環(huán)空反灌水泥漿2 個步驟。在正注水泥漿中，在套管尺寸大的井中實施了內(nèi)管插入法固井。但是目前還沒有見到實施雙級或多級固井的報道。

在國外，從1998 年開始美國新墨西哥州地區(qū)的梅薩維德和達(dá)科他地層開始實施了干法固井技術(shù)，套管下深為2 370 m 左右，套管尺寸為?114.3 mm，井眼尺寸為?158.8 mm，實施雙密度雙凝水泥漿單級固井，或?qū)嵤╇p密度雙凝水泥漿外加管外封隔器雙級固井［4］。

2 干法固井技術(shù)特點

2.1 技術(shù)優(yōu)勢

（1）克服了常規(guī)固井工藝水泥漿頂替效率低的技術(shù)難題，采用水泥漿直接置換氣體，容易實現(xiàn)套管環(huán)空水泥漿的有效充滿，保證了水泥環(huán)自身的良好封固特性。

（2）常規(guī)條件固井，鉆井液在壓差作用下，在井壁形成單層或雙層濾餅，同時鉆井液還會附著在套管壁上，固井施工過程中即使采取沖洗液和濾餅溶蝕劑等措施，仍難以徹底清除虛濾餅和附著物，從而影響水泥環(huán)界面膠結(jié)質(zhì)量。當(dāng)井筒為氣體介質(zhì)時，與水泥漿接觸的套管外壁和井壁兩界面上無任何污染，能實現(xiàn)良好的原始膠結(jié)，確保了水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量，最大程度地提高了膠結(jié)面的密封質(zhì)量。

（3）可避免固井施工中發(fā)生液柱壓力誘導(dǎo)性井漏。根據(jù)地層承壓能力，采用正注與反注水泥漿相結(jié)合的固井工藝，分段設(shè)計注入水泥漿液柱當(dāng)量密度，防止固井施工中發(fā)生壓力誘導(dǎo)性井漏。

（4）有利于作業(yè)區(qū)域環(huán)境保護(hù)。常規(guī)固井作業(yè)時，一是注入水泥漿會置換出相應(yīng)的鉆井液；二是因鉆井液與水泥漿接觸產(chǎn)生大量混漿，需要直接排進(jìn)污水池，不可避免地對井場周圍環(huán)境造成一定程度的污染。

（5）可減少替入鉆井液的中間環(huán)節(jié)，縮短鉆井周期，也可減少或避免出現(xiàn)井漏、井垮井下復(fù)雜情況。

2.2 技術(shù)難點

（1）下套管前保持井眼穩(wěn)定和井眼光滑難度大。采用空氣作為循環(huán)工作流體鉆成的井眼，井壁干燥，孔隙、裂縫基本保持原始狀態(tài)，但各個地層地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力不盡相同。因此，在沒有液柱壓力的情況下，坍塌壓力很容易使井眼掉塊、坍塌而失穩(wěn)。如果依靠空氣徹底清除鉆屑和掉塊，現(xiàn)場施工比較困難，特別是體積較大的掉塊。

（2）固井過程中極易井漏，水泥漿返高難于控制。由于水泥填充原始孔隙、裂縫，需要一定量水泥漿，即滲漏；實施空氣鉆井，多是易塌易漏、地層承壓能力低的地層，注入水泥漿時，液柱壓力一般遠(yuǎn)大于地層漏失壓力，造成井漏，即壓漏；當(dāng)井下出現(xiàn)水泥漿漏失時，施工過程中不易監(jiān)測，掌握和控制水泥漿返高困難。

（3）水泥漿在非連續(xù)流動的情況下，施工參數(shù)難以控制。在常規(guī)固井注水泥時，常因為套管內(nèi)和環(huán)空流體的密度差，而產(chǎn)生“自流效應(yīng)”，或稱作“U形管效應(yīng)”［5-6］。在干法固井中，井筒內(nèi)為空氣，在水泥漿重力作用下，發(fā)生U 形管效應(yīng)幾乎無法避免。在水泥漿注入空井過程中，管內(nèi)無法形成連續(xù)流動，實際施工壓力、排量不能準(zhǔn)確反映井下情況。

對于管徑較大的套管，在實施正注水泥過程中，水泥漿受套管內(nèi)壁的阻力不足以抵抗水泥自身的重力作用，很容易脫離管壁，很難以全充滿的形式向下流動，從而形成間斷性地與套管壁接觸，呈現(xiàn)不規(guī)則的自由下落狀態(tài)。因此，水泥漿在套管內(nèi)的實際流量大于水泥漿的泵入量。

（4）套管封閉的空氣無法及時排出。水泥漿在套管內(nèi)下落過程中與管內(nèi)空氣摻混，水泥漿被空氣污染，并且井深越深，污染越嚴(yán)重。在開始注入階段，水泥漿自由下落，呈現(xiàn)不連續(xù)流動，套管內(nèi)的空氣很難被及時擠入環(huán)空，同時自由下落的水泥漿到達(dá)井底后，堆積產(chǎn)生一定量連續(xù)水泥漿段，經(jīng)過套管鞋進(jìn)入環(huán)空，而后續(xù)的水泥漿在下落的過程中，又會推動之前剩余在套管內(nèi)的一部分空氣向下流動，不連續(xù)的水泥漿再次在井底堆積成連續(xù)水泥段，進(jìn)入環(huán)空。此過程反復(fù)進(jìn)行，隨著環(huán)空內(nèi)水泥漿液柱增長，套管內(nèi)外的液柱壓差逐漸縮小，最終套管內(nèi)的空氣被全部推到環(huán)空中，但是環(huán)空中的水泥漿卻呈現(xiàn)間斷性的或夾雜著空氣的水泥環(huán)，對固井質(zhì)量影響較大。

（5）水泥漿在下落過程中容易造成固井工具及固井附件損壞或失效。由于套管內(nèi)為空氣，在注水泥過程中，尤其是注水泥初期，水泥漿快速下落過程中會對井底產(chǎn)生較大沖擊力，容易造成固井工具及固井附件損壞或失效。

（6）水泥漿的自流效應(yīng)和失水作用，增大環(huán)空堵塞的可能性。水泥漿的自流效應(yīng)使得環(huán)空返速增大，對井壁的沖刷比常規(guī)固井嚴(yán)重得多，而水泥漿的失水也會使干燥的井壁失穩(wěn)掉塊，水泥漿具有較強(qiáng)的攜帶能力又容易造成井壁掉塊及原井眼的鉆屑聚集，堵塞環(huán)空，進(jìn)一步惡化，則會壓漏薄弱地層。

（7）井下不確定因素多，潛在風(fēng)險大。空井注替水泥過程涉及的工作環(huán)節(jié)多、工作量大，稍有不慎，很可能引起其他風(fēng)險因素，如井下發(fā)生漏失、環(huán)空擠水泥速度不合理等。

3 應(yīng)對干法固井難點的技術(shù)對策

3.1 施工工藝

（1）固井施工前要收集區(qū)塊內(nèi)已鉆井不穩(wěn)定地層和薄弱地層的資料。干法固井主要目的就是避免裂縫性漏失層和低承壓地層固井時發(fā)生漏失，因此，在實施干法固井前，對地層了解得越清楚，制定的固井施工方案越具有針對性，實施過程中越能避免井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

（2）下套管前進(jìn)行模擬通井。良好的井眼質(zhì)量和井眼準(zhǔn)備工作是套管順利下入的關(guān)鍵。為保證下套管順利，下套管前進(jìn)行模擬通井，通井時要充分循環(huán)清潔井筒。下套管后也要大排量清潔井筒，以保證水泥漿在環(huán)空易于流動和界面的有效膠結(jié)。干井下完套管，應(yīng)根據(jù)井眼和套管的尺寸選擇循環(huán)排量，?311.2 mm井眼通常采用90～100 m3/h氣體排量清潔井筒。

（3）使用套管扶正器保持套管在井內(nèi)的居中。目前國內(nèi)干法固井還處于現(xiàn)場試驗的初期階段，為保證套管能順利下至預(yù)定井深，通常只在套管重疊段下入幾只剛性套管扶正器，而在裸眼段使用彈性套管扶正器的情況較少，套管的居中對固井質(zhì)量影響突出。氣體介質(zhì)與鉆井液介質(zhì)條件下下套管有顯著的不同，由于套管柱始終處于空重狀態(tài)，加之套管與井壁間缺少液相潤滑，套管柱受重力作用更加緊靠下井壁即貼邊更嚴(yán)重。因此，必須選擇合適的套管扶正器，減小套管與井壁之間接觸面積，從而減少下套管的摩擦阻力，確保套管順利下入，同時確保水泥漿在管外分布均勻，形成良好具有封隔作用的水 泥環(huán)。

（4）精心設(shè)計水泥漿配方，優(yōu)化水漿性能。精心設(shè)計水泥漿性能，包括合理的密度、較低的失水、良好的沉降穩(wěn)定性和流動性等。協(xié)調(diào)、良好的水泥漿性能是固井質(zhì)量優(yōu)良的前提條件。水泥漿不僅需要具有低失水、零析水、微膨脹、低滲透、沉降穩(wěn)定性好、早期強(qiáng)度高等特點，而且在干燥環(huán)空中長時間上返流動時，需要保持良好的流動特性。

（5）采用凍膠閥技術(shù)，提高套管內(nèi)空氣排空效果。在注水泥之前，先注入一段黏度較大，潤滑性較強(qiáng)的凍膠，使管內(nèi)的空氣與水泥漿完全隔離開來，管內(nèi)空氣可以在水泥漿到達(dá)井底時，全部被排到環(huán)空中，即使水泥漿下行的過程中出現(xiàn)不連續(xù)流動，但是其不連續(xù)的空間內(nèi)是真空狀態(tài)。此種方法對凍膠閥的性能有著特殊的要求，類似于一個液體膠塞，要求從環(huán)空向上運移過程中具有較強(qiáng)的潤滑性。缺點是，若不是一次性套管內(nèi)注水泥固井或固井過程中發(fā)生漏失，凍膠閥會停留在環(huán)空內(nèi)，不能形成水泥環(huán)。因此，若采用凍膠閥，其用量必須進(jìn)行合理的設(shè)計，并充分考慮地層承壓能力和注水泥方式，避免出現(xiàn)漏封段。

（6）采用可容納粉塵、低失水、防漏堵漏和良好流變性能的水泥漿作為前置液。常規(guī)固井的前置液具有隔離鉆井液，確保水泥漿不被污染，而干法固井需要用先導(dǎo)漿來代替前置液，以滿足干法固井井壁易吸水、易漏失、多砂塵的工作環(huán)境。

（7）采用插入式注水泥工藝降低水泥漿被空氣污染量。對于大尺寸套管、長封固段空井注水泥，采用插入式注水泥具有以下優(yōu)勢：插入管的內(nèi)徑小，管柱內(nèi)封閉的空氣體積少，管壁產(chǎn)生的摩阻較大，水泥漿呈現(xiàn)不連續(xù)流動的程度會降低，進(jìn)入環(huán)空內(nèi)的混氣水泥漿段縮短，對固井質(zhì)量的提高會有較好的作用；插入式固井充填滿管柱所要的注入量遠(yuǎn)小于非插入式固井，因此，同等注入量條件下，插入式固井能在套管內(nèi)外快速形成連續(xù)水泥漿液柱，套管柱外環(huán)空更快地被充填水泥漿，減小空井水泥漿對附件的沖擊破壞；水泥漿自由下落的速度受到鉆桿內(nèi)壁摩阻的限制，水泥頭內(nèi)不會產(chǎn)生過大的負(fù)壓力，環(huán)空不會出現(xiàn)過高的返速，有利于保護(hù)水泥頭，有利于井壁穩(wěn)定；注入的水泥漿基本上處于直接向環(huán)空驅(qū)替過程，施工參數(shù)動態(tài)監(jiān)測有利于及時發(fā)現(xiàn)和處理井下復(fù)雜情況。

（8）根據(jù)地層承壓能力選擇注水泥方式。

①采用正注反灌結(jié)合方式固井。當(dāng)裸眼段存在低壓漏失層時，正注水泥漿的上返高度受到限制，可以在正注水泥漿膠結(jié)強(qiáng)度達(dá)到施工要求后，采用環(huán)空反灌水泥漿的方式，封固上部井段。在反灌水泥漿時，其注入排量不能過高，確保環(huán)空內(nèi)的空氣及時排出。若反灌水泥漿時排量過大，環(huán)空內(nèi)空氣沒有排干凈，在環(huán)空水泥漿內(nèi)形成一些空氣泡，會對固井質(zhì)量造成較大影響。

②采用雙級固井技術(shù)。在井眼較小的情況下，可以采用雙級固井技術(shù)。在美國新墨西哥州地區(qū)實施干法固井時，經(jīng)過多年的現(xiàn)場試驗，優(yōu)選出了雙密度雙凝水泥漿加管外封隔器雙級固井工藝技術(shù)［4］。國內(nèi)在實施干法固井時，若井眼條件滿足施工要求，可以進(jìn)行雙級固井技術(shù)的試驗。

不管采用何種方式注水泥，單次封固段水泥漿液柱壓力不應(yīng)超過該井段地層的承壓能力。

3.2 固井工具改進(jìn)

（1）井下節(jié)流器。美國的Thomas E. Ferg 發(fā)明了一種用于干法固井的井下節(jié)流浮箍［7］，如圖1 所示。該節(jié)流浮箍是利用節(jié)流孔的節(jié)流作用和止回閥的單向流動作用而設(shè)計的，將特制的鋁質(zhì)節(jié)流孔和止回閥進(jìn)行組合，主要用于降低注水泥過程中“強(qiáng)自流效應(yīng)”引起的環(huán)空返速過快問題。而在干法固井中，下套管過程中止回閥不需要打開，井筒內(nèi)的空氣不會引起套管漂浮問題。

圖1 井下節(jié)流浮箍

舉例說明節(jié)流浮箍的節(jié)流作用：已知內(nèi)徑為?101.6 mm 套管，節(jié)流孔內(nèi)徑為?20.64 mm，井深為2 000 m，水泥漿為12.5 m3，密度為1.44 g/cm3。假設(shè)水泥漿先全部充滿套管后再開始向環(huán)空流動，那么沒有安裝節(jié)流浮箍時，其液面自由下落速度可達(dá)到158 m/s，而安裝節(jié)流浮箍后，其自由下落速度不超過6.53 m/s。說明安裝節(jié)流浮箍后能夠非常好地控制水泥漿的自流效應(yīng)，從而避免因自流效應(yīng)而引起的井下復(fù)雜問題。

（2）井下節(jié)流工具設(shè)計。國內(nèi)針對常規(guī)固井注水泥過程中的自流效應(yīng)問題，發(fā)明了多種類型的控制裝置，如遼河油田的“克服注水泥過程中的U 形管效應(yīng)的裝置”［8］、大慶油田的“固井過程中U 形管效應(yīng)控制器”［9］等。但是這些裝置與國外的節(jié)流控制器的最大區(qū)別是，國外的節(jié)流器要求在下套管過程中止回閥處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣可以避免在下套管過程中有害氣體從套管內(nèi)溢出，引起地面著火或毒氣傷害問題。

4 結(jié)論

（1）干法固井省去了氣體鉆井后進(jìn)行鉆井液轉(zhuǎn)換的工序，直接進(jìn)行干井筒固井，避免在進(jìn)行鉆井液轉(zhuǎn)換時發(fā)生井漏、井塌等復(fù)雜情況發(fā)生的可能，增強(qiáng)了第一和第二界面的膠結(jié)質(zhì)量。

（2）干法固井注水泥過程中，水泥漿自流效應(yīng)非常嚴(yán)重，井下固井附件受到的沖擊力大，易損壞或失效，同時，水泥漿下落過程中與套管內(nèi)空氣發(fā)生竄混，混入的氣體影響固井質(zhì)量。

（3）干法固井對下套管施工更加嚴(yán)格，套管下入摩阻大，安裝扶正器的數(shù)量和位置設(shè)計工作難度大。

（4）干法固井雖然避免了轉(zhuǎn)換鉆井液工序帶來的井下復(fù)雜問題，但是在注水泥過程中仍然要面臨井塌、井漏等復(fù)雜問題，對水泥漿性能的設(shè)計要求更加苛刻。要求水泥漿具有低失水、零析水、微膨脹、低滲透、沉降穩(wěn)定性好、早期強(qiáng)度高等特點。

（5）對于套管尺寸在?244.5 mm 以上的井，實施干法固井時可以采用插入式方式固井；對于套管尺寸在?244.5 mm 以下的井，實施干法固井時可以采用雙級或多級固井方式，為了避免水泥漿的自流效應(yīng)，可以對井下浮箍或浮鞋進(jìn)行設(shè)計，降低井下復(fù)雜情況發(fā)生幾率。

［1］ 林強(qiáng)，鄭力會，馮建華，等.平落006-5 井空井固井初探［J］. 鉆采工藝，2008，31（1）：31-32.

［2］ 劉廣熙，張學(xué)亮，陳道元，等.井筒無鉆井液固井技術(shù)［J］ . 石油鉆采工藝，2011，33（4）：38-41

［3］ 張衛(wèi)平.建35-3 井空井固井技術(shù)［J］ .鉆井液與完井液，2011，28（3）：89-94.

［4］ BROWN D, FERG T E. The use of lightweight cement slurries and downhole chokes on air-drilled wells［J］. SPE Drilling & Completion, 2005, 20（2）∶123-132.

［5］ BEIRUTE R M. The phenomenon of free fall during primary cementing［C］. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Houston, Texas, 1984-09.

［6］ 張文，張景富.固井注水泥過程計算機(jī)仿真［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（15）：3767-3771.

［7］ FERG T E. Method and apparatus for cementing an air drilled well∶ U.S., 6520256［P］.2003-02-18.

［8］ 李學(xué)軍.克服注水泥過程中U 形管效應(yīng)的裝置：中國，94228051.2 ［P］.1995-05-31.

［9］ 大慶石油管理局鉆井研究所.固井過程中U 形管效應(yīng)控制器：中國，94247778.2 ［P］.1995-12-06.