漏失量較大地層“戴帽”固井技術

李硯智， 張長茂， 張 平

(1.河北省地礦局第三水文工程地質大隊，河北 衡水 053000； 2.河北省地熱資源開發研究所，河北 衡水 053000)

0 引言

在地熱井開發過程中，固井的主要目的是保證套管的穩定性并封堵非目的含水層，使不同熱儲層的水相互隔離，相對于油氣井的固井質量要求要簡單的多，大多數的地熱井表層套管以下技術套管的固井往往采用“穿鞋戴帽”的方式[1-2]，即技術套管的頂、底部只需一部分水泥漿柱就可以達到固井目的,考慮后期開采，水泥盡量少封固含水層。但是，對于漏失量較大地層的“戴帽”固井時，首先鉆桿下入位置是成功的一個關鍵數據；其次注替漿水過程中泥漿泵排量小很容易導致水泥漿和水混合被稀釋，致使水泥漿不能夠凝固；再則水泥漿進入重疊管之后導致水泥漿整體液柱壓力增大加劇液面下降，當水泥漿進入地層后整體液柱壓力下降又會導致液面回升，即水泥漿液柱壓力是一個動態變化的過程，最終的穩定液面受很多方面的影響[3-5]。本文針對固井過程中鉆桿下入位置及水泥漿被稀釋導致固井失敗的問題，總結“戴帽”固井的關鍵問題，并結合工程實例提出了一些人為控制方法來提高固井的成功率。

1 KM-01井基本情況

KM-01井位于牛駝鎮凸起，設計井深1600.00 m，井身井管結構如下：一開井深0～400.00 m下入?339.7 mm套管，二開350.00～800.00 m下入?244.5 mm套管，三開750.00～1600.00 m下入?177.8 mm套管，?177.8 mm套管與?244.5 mm套管重疊50.00 m。本井鉆進至810.00 m鉆井液失返，地層巖性為硅質白云巖，薊縣系霧迷山組的風化殼位置，漏失量大，從810.00 m后采用清水頂漏鉆進，鉆進過程中采用的泵量為20～30 L/s，井口不返水,即三開霧迷山地層的漏失量在100 m3/h(不同的泵量對應的井內水位不同)以上。本文所述“戴帽”固井指的是三開套管頂部的固井，即自深度750.00 m以深包括套管重疊位置及三開上部50.00 m井段。KM-01井實際井身結構如圖1所示。

圖1 KM-01井井身結構Fig.1 Casing program of Well KM-01

2 三開“戴帽”固井過程分析

在介紹3次固井具體情況前，首先要歸納總結一個新的穩定液面及鉆桿下入位置的計算公式，同時通過模擬打水泥漿時井內水位抬升的高度來換算水泥漿下移的深度，或者在水泥漿剛出鉆桿的時候停泵，使液面恢復至原平衡液面，以便確定鉆桿下入位置，這在大漏失井段“戴帽”固井中是關鍵的一點。

h1=(ρm/ρw)hm-hm+h0

(1)

式中：h1——新平衡液面深度，m；hm——水泥漿柱在套管環空內高度,m；h0——原平衡液面深度，m；ρm——水泥漿密度，g/cm3；ρw——清水密度，g/cm3。

鉆桿下入位置受漏層的壓力、漏失速度(漏失量)、漏層位置、三開套管下入的位置(三開套管頂深度)、二開的套管和表層套管直徑不同所致的每米的內容積的差別、泥漿泵排量等因素的影響[6-7]。其中漏失速度(漏失量)及泥漿泵排量決定了：固井時，當用泥漿泵泵送水泥漿至水泥漿剛要出鉆桿時井內動液面的深度(或者說井內液面高出原凈液面的高度)，此時井內動液面的高度是確定鉆桿下入位置的一個重要參數，這個液面高度可通過停泵的方式使其恢復至原平衡液面(停泵的過程中必須保證泵送管線不漏氣)，也可通過模擬打水泥漿的方式獲得[8-11]。當從一個穩定的靜液面開始向井內泵送液體時，地層的漏失速度(漏失量)是一個逐漸增大的變量值，它是隨著液面的抬升逐漸增大，當液面達到一個穩定的動液面時，漏失速度(漏失量)達最大；此時若泥漿泵的排量不能夠再增大，將保持這樣漏失速度的全泵量漏失，因此，在打替漿水的過程中應該選擇大于漏失量的泵量，且在打替漿水的過程中不能停頓，以盡量減小水泥漿被稀釋[12-13]。針對上述因素，依照壓力平衡的原理，在井內全部是清水的情況下，總結了一個鉆桿下入位置的參考公式。

H=H1-H2-hm+Hx

(2)

式中：H——鉆桿下入位置，m；H1——三開套管頂部的深度，m；H2——理論上水泥漿柱下行距離〔可根據不同套管環空容積差別具體調整，H2=(ρm/ρw)hm×0.077/0.04，hm、ρm、ρw同公式(1)，即將?339.7 mm套管內液面下降值轉換到?244.5 mm套管里水泥漿柱下行距離，考慮到?127 mm鉆桿的影響〕，m；Hx——浮動系數，取值范圍20～30 m，考慮套管內預留水泥塞的高度。

2.1 第一次固井

井口未密封，穩定液面136.00 m，注入G級水泥漿3.20 m3,水泥漿密度1.80 g/cm3，注入替漿水4.00 m3，此時理論計算穩定液面應為200.00 m，水泥漿柱高度80.00 m，液面穩定過程中將水泥漿柱下推123.20 m，?127 mm鉆桿下入深度601.00 m，距離重疊管頂部149.00 m，打完水泥漿后液面136.00 m上漲至132.00 m，打完替漿水后水位下降至186.00 m，由于液面下降速率過快，提出4個?127 mm鉆桿立根，此時液面下降至196.00 m，之后開始緩慢上漲，為控制液面上漲導致水泥漿上返，分3次從井口共計灌入清水4.00 m3，最終液面穩定在136.00 m，候凝48 h后下鉆無水泥塞，固井失敗。

2.2 第二次固井

井口未密封，穩定液面137.75 m，注入G級水泥漿3.20 m3,水泥漿密度1.80 g/cm3，注入替漿水5.10 m3，此時理論計算穩定液面應為201.75 m，水泥漿柱高度80.00 m，液面穩定過程中將水泥漿柱下推123.20 m，?127 mm鉆桿下入深度569.00 m，距離重疊管頂部181.00 m，本次打替漿水的過程中前2.00 m3替漿水是用單泵打，即打完2.00 m3替漿水理論上水泥漿剛出鉆桿開始進入?244.5 mm套管內，此時剩余的3.10 m3替漿水采用雙泵打，其液面變化見表1，候凝48 h后下鉆探塞，塞頂面656.90 m，掃塞過程中根據鉆壓判斷塞子不完整，掃至重疊管口時再次出現漏失，固井失敗。

表1 第二次固井過程中液面變化Table 1 Liquid level changes in the second cementing

2.3 第三次固井

井口未密封，穩定液面138.00 m，注入G級水泥漿3.50 m3,水泥漿密度1.80 g/cm3，注入替漿水4.50 m3，此時理論計算穩定液面應為208.00 m，水泥漿柱高度87.50 m，液面穩定過程中將水泥漿柱下推134.75 m，?127 mm鉆桿下入深度554.00 m，距離重疊管頂部196.00 m，本次打替漿水的過程是直接用雙泵打完4.50 m3替漿水，其液面變化見表2。候凝48 h后下鉆探塞，塞頂面739.72 m，至重疊管口750.00 m處都是完整的水泥塞，沒有出現漏失，試壓后確定固井成功。

3 固井難點分析

3.1 第一次固井失敗原因分析

由于鉆桿下入位置不合適及水泥漿被稀釋導致固井失敗。打完水泥漿后液面為132.00 m，此后開始打替漿水的過程中液面一直下降，至186.00 m替漿水打完，在這個過程中，隨著水泥漿被頂出鉆桿后進入?244.5mm套管內原壓力平衡狀態被打破，造成液面快速下降，此時水泥漿被稀釋，理論上計算132.00～186.00 m液面下降過程中有3.67 m3清水和水泥漿混合，此時水泥漿過度被稀釋導致失效，而后期灌入清水的過程又導致水泥漿最終全部進入地層，最終液面恢復至136.00 m正好驗證了理論推測，即水泥漿被稀釋后且全部被壓入地層后造成穩定壓力恢復到原來的平衡，所以液面會緩慢上漲最終恢復至136.00 m。

表2 第三次固井過程中液面變化Table 2 Liquid level changes in the third cementing

3.2 第二次固井失敗原因分析

失敗的原因主要是泵送水泥漿時排量小，水泥漿和水混合造成水泥漿被稀釋，水泥漿不能夠凝固。從最終掃水泥塞的過程來看，頂出的水泥漿是被稀釋的，即沒有頂出完整的水泥塞。鉆桿下入位置為569.00 m,水泥塞頂面656.90 m，48 h后掃塞過程中小泵量上返，水泥塞斷斷續續有，需加壓回轉，鉆具才能下放，水泥塞為虛塞。掃塞接近三開套管頂時(750.00 m)井口失返，但井內水位30.00 m，比以前高了不少，地層漏失量較少，說明750.00～800.00 m套管重疊部分的環空及部分地層的裂隙中也有水泥漿，不過是稀釋了的水泥漿，沒有形成真實的水泥塞；3.20 m3水泥漿在?244.5 mm套管內理論上最多能形成80.00 m的真實水泥塞(實際由于兩頭混漿能形成70.00 m就不錯)，雖然不成功，但對地層起到了一定的堵漏作用，漏失量減小了，對下一次減少混漿很有利。

3.3 第三次固井成功原因分析

在前兩次固井的基礎上，第三次固井采用了雙泵打替漿水的方式來解決水泥漿被稀釋的問題，從表2液面變化的情況來看，打完替漿水液面下降至208.00 m后基本上就穩定住，不再出現返水導致液面大幅度上漲的現象。理論上來說，當?244.5 mm套管內水泥漿進入重疊管后，其造成液柱壓力增大，原平衡被破壞，加劇液面下降，當重疊管環空全部充滿水泥漿的時刻是整體液柱壓力最大的時刻，此后隨著部分水泥漿進入地層，整體液柱壓力將變小，此時，理論上就會出現地層水回流，這樣就出現一個后期水泥漿被稀釋的問題，最終水泥漿被稀釋的程度及被頂出的總量與地層滲透性及水泥漿的稠度及凝固狀態有很大關系。在第三次固井過程中同樣出現了回流現象：提出12個鉆桿立根后水位是202.40 m，假如此時液面不變，隨后又提出17根鉆桿立根后，理論上液面應下降10.00 m，而實際上液面僅下降了5.60 m，這中間的差值就是地層回流的量，約為0.35 m3，這個量要小于重疊管環空總量0.78 m3，即環空內水泥漿不會被全部頂出或稀釋，這樣就保證了環空內有完整的水泥塞。

同時，從3次固井的實際情況來看，其最終穩定液面的位置與實際的鉆桿下入深度與理論公式計算的數值存在一定誤差(見表3)。這里面受水泥漿被稀釋、人為操作以及計算誤差等多方面的影響，因此，在實際操作過程中，應盡量保證數值計算的準確，加強人為操作上的合理性與嚴謹性[14-15]。

表3 3次固井過程中理論計算值與實際值對比Table 3 Comparison of theoretical calculation values andactual values in three cementing processes

4 結論

(1)利用壓力平衡原理，進行漏失地層的固井，確保套管內形成完整實水泥塞，固井才能成功。

(2)打替漿水時應選擇大于地層漏失量的泵量，避免打替漿水的過程中水泥漿被稀釋。

(3)應從理論上計算注入水泥漿后新的穩定液面，并結合理論上預留水泥塞高度確定合理的鉆桿下入深度，以防水泥漿被全部壓入地層。

(4)大漏失量地層“戴帽”固井先對地層進行堵漏，達到一定的堵漏效果，減小地層的漏失速度，在下一次的固井中能大大減少水泥漿的混漿，有利于形成密實的水泥塞。

(5)可以嘗試對水泥漿添加速凝劑，減小水泥漿凝固的時間，有利于提高固井成功率。

(6)盡量保證理論數值計算的準確性，加強人為操作過程中的合理性與嚴謹性。