動態固井在水平井固井中的應用

邱繼鋒

摘 要：隨著現代石油的發展，水平井已經成為石油增產的主要手段。而由于現今石油技術的限制，水平段套管偏心嚴重，固井質量不佳成為限制其發展的瓶頸，如何能夠依靠現有的條件，提高水平井的固井質量成為水平井鉆井的一個重要課題。在固井施工中來回的上下活動和旋轉套管，實現動態固井，能有效的清除泥餅，減少壓力損失，使環空中水泥分布均勻，能快速有效的提高固井質量。本文通過對動態固井技術的介紹，模擬了動態固井過程中環空中流體的變化情況，介紹了動態固井的工具，對提高水平井固井質量有借鑒意義。

關鍵詞：水平井 動態固井 套管偏心距 動態固井設備

在水平井固井過程中，在水平段，套管與井壁接觸面積大，導致套管嚴重偏心和貼壁，下入摩阻增大，易出現套管下不到位和卡套管事故，嚴重影響了泥漿驅替效率和封固質量。很多實驗室研究和現場經驗證明，諸如在前置液設計，提高水泥漿性能，使用套管扶正器等措施來提高固井質量，但是對水平段水泥固井質量提高依然不是很明顯。如果能在固井施工過程中，在井下條件允許的情況下，來回的旋轉和上下活動套管，能夠增加鉆井液柱壓力的運移，同時提供一種機械的方法，使得套管偏心環空中窄邊的虛泥餅能有效的清除，在水平段環空中窄邊和寬邊的水泥頂替達到一個動態的過程，就能從根本上提高固井質量，而在現有條件下單靠改變流體的流變性，泵速或者扶正器等都達不到這樣的效果。

1 動態固井中環空水泥變化情況

套管下入井中時，套管往往是偏心的，在最壞的情況下，套管在窄邊能完全的吸附在井壁上，這極大地影響了套管流體在窄邊和寬邊流體流動的效果，用套管偏心距來定量描述套管偏心程度。

在靜止條件下，套管完全居中，套管偏心距約等于1。當套管緊貼于井壁，套管偏心距等于0 ，這是在水平井中水平段套管完全貼在井壁上，套管居中程度最差。

當在動態條件下，套管上下活動和旋轉這項措施引進，傳統定義的套管偏心距中將會隨套管在井眼中心位置的改變而不同，它是一個變量。套管的運動將會引起井下壓力的動態變化。一次性固井的目的就是將環空中的鉆井液完全的用水泥漿替換，頂替效率用如下公式表示：

頂替效率=水泥占據的區域體積/整個環形空間區域體積

整個環形區域體積=水泥所占的體積+未頂替的體積

在套管運動的整過程，套管偏心距將會動態的變化，最大流速和最低流速也將會交替的變化，壓力變化將會破壞泥餅的膠凝強度，最終將會允許水泥頂替殘留，靜止在井壁上的泥餅，當然這主要依靠套管運動的持續時間和排量大小。隨著套管的旋轉，流體將會進行從窄邊到寬邊的圓周運動，反之亦然。

即使用最好的鉆井方法，也不能達到100%的套管居中度，在靜止條件下，套管偏心距是固定的，水泥在水平段的覆蓋程度主要依靠流體的流變性能和套管的居中度。旋轉和上下活動套管能夠在井下創造一個動態的環境，能夠分布不同的套管偏心距，用同樣的流體速度有效的驅除泥漿槽在環空中從寬邊到窄變。當套管旋轉時，流體就能產生一個圓周方向的力使流體從窄邊道寬邊，周而復始。同時，另外一種直接的好處，就是使水泥能夠均勻的分布，同時同樣的速度能夠使在窄邊和寬邊的水泥高度一致。另外，在下套管過程中如果遇阻卡，可以通過轉動套管串來增加克服阻力，使套管順利下入到設計位置。在國外很多固井現場案例驗證，旋轉套管速度建議控制在15-25rpm/min，上下活動套管控制在6m/min。

2 動態水泥固井工具

為了獲得最佳的套管偏心距和頂替效率，開發適合套管上下活動和旋轉的先進技術裝備，運用于動態固井中全過程將十分重要。現將各工具做簡要介紹。

在國外以套管鉆井為基礎，開發出了很多適合動態固井的工具。裝置配備頂驅，自動下入套管工具和固井水龍頭，能進行套管連接，循環，套管運動等一系列連續工作。

頂驅：這個整個動態固井必須配備，它在水平井和大斜度井鉆進中中提供強有力的井眼清潔。相比于傳統的傳動鉆桿系統，對于處理井下復雜情況中，頂驅將會更加容易的處理鉆柱（包括套管）的旋轉和上下活動，尤其是接單根，倒劃眼和頻繁的短起下將會變得相當容易。固井時，通過頂驅泵送水泥同時允許頻繁地套管旋轉，減少非生產時間。

自動套管下入工具：該工具是從套管鉆井直接改造而來，套管驅動系統（CDS），套管自動下入工具和頂驅緊密相連。更利于套管的下入，防止了套管卡鉆，隨著套管的不斷旋轉，更有利于套管在循環鉆井液時，有利于井眼清潔和固井。在最近幾年，CRT已經被認作是固井施工中的關鍵工具。

無線扭矩信號傳輸系統：動態固井的一個監測部分，能記錄套管在旋轉過程中的旋轉圈數和扭矩。該系統能準確顯示套管旋轉過程中扭矩的變化，并在司鉆控制板上用圖形顯示出來，合理的扭矩和監測，當異常發生時，在固井時可以采取相應的措施去保證套管縱向彎曲產生不超過其額定的屈服值，及時調整固井過程中的套管轉數。

固井水泥頭/水龍頭：從頂驅上泵送水泥在現場還不易達到，現場主要推薦使用水泥頭或者從水龍頭的旁邊進入，當然水泥塞結構可以根據壓塞裝置設置，現代的系統允許套管上下活動和旋轉鉆具，但是他們需要更多的安裝時間，同時還有很多的壓力限制。

扶正器：合理的管柱扶正器能夠有效的清除泥餅，偏心的管柱導致在高邊和低邊形成不同的流體速度，隔離液和水泥漿將會沿著阻力比較小的地方流動，大段泥漿將會滯留在井眼低邊。扶正器主要安裝在套管柱上，在注水泥施工中提供足夠的套管居中度。但是他們只是常用于在套管柱的輔助設備。為了獲得足夠的套管居中度，計算和安裝足夠數量的扶正器，準確下入位置，間隔。剛性扶正器用于由于它的超強的穩定性和井眼清洗能力是認為最好的選擇。

3結論和建議

無論是套管旋轉鉆井的發展，或是以常鉆井為基礎，開發出以套管旋轉固井為過渡的鉆井方式，都能使水泥在環空中能夠均勻的分布，同時同樣的速度能夠使在窄邊和寬邊的水泥高度一致，能在實質上提高水平井的固井質量發展，盡管在石油工業上已經證明了套管旋轉在整個固井過程中的重要作用，但是由于當代工具和技術的發展的限制，使得這一技術不能廣泛的運用于石油固井行業。實現固井中全過程的套管旋轉，還有很遠的路要走，但是如果能夠通過本文對未來的固井技術提出或者指明一些方向，只要我們朝著這個方向邁進，勝利也就不遠了。

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