固井技术服务公司 肖庆昆
摘要：溢漏并存井固井施工中存在着井下易漏失、返高不够，侯凝期间水泥浆“失重”地层流体侵入环空发生窜槽固井质量差，水泥浆顶替效率差等难点。本文针对存在的固井难点，研究出了高强低密度水泥浆体系，采用了近平衡压力固井技术，并优化了前置液性能及用量，较好地解决了溢漏并存井固井技术难点，为类似复杂井固井提供了可行性借鉴。 关键词：固井 井漏 防窜 低密度
前言：
随着油田勘探开发的不断深入，注采比越来越大，与油田开发初期处于原始状态的地层压力系统相比较，中后期地下情况发生了很大变化，形成许多憋压层、流体亏空层等，钻井过程中溢漏并存形象时有发生，对固井施工提出了严峻的考验。为此研究开发出了高强低密度水泥浆体系，该体系水泥具有较高的早期强度，水泥浆防气窜能力系数SPN值小于3，配合合理的技术措施，有针对性的解决了溢漏并存井固井技术难题，取得了较为满意的效果。
1 主要固井难点
1.1又溢又漏井在钻井过程中的表现形式
又溢又漏井在钻井过程中，一般表现为上溢下漏和上漏下溢两种形式。上溢下漏通常表现为上部高压层（气层、水层等），当钻进至上部高压层时，需要高密度钻井液平衡高压层，而钻下部低压地层时，因液柱压力过高压裂地层发生钻井液漏失，从而导致整个井筒环空内液柱压力下降，诱发上部高压层发生溢流或井喷。上漏下溢是漏失层在高压层上部，通常发生在钻进下部地层时发生溢流，当提高钻井液密度压井时，造成上部低压层发生漏失，导致井筒环空内液柱压力降低，反过来再次诱发下部高压层发生溢流或井喷。
1.2井漏问题
对于低压易漏井而言，地层压力低于环空水泥浆液柱压力时，就会发生漏失，为保证水泥浆返至设计高度，而不发生漏失，是低压易漏井固井作业的一个难点。
纸扇1.3低密度水泥浆问题
采用低密度水泥浆固井是降低环空水泥浆液柱压力的主要措施，但低密度水泥浆水泥石的抗压强度普遍较低，若使用不当，会出现问题，无法满足油气层段得射孔要求和油气层改造的要求。
1.4防窜问题
由于封固段需要穿越不同的地层压力层系，注水泥结束后，环形空间内发生油气水侵是影响固井质量的一大难题。大量生产实践实验和科学研究证明，造成油气水侵的主要原因是在水泥浆凝结过程中，其液柱压力不断降低，即水泥浆“失重”。当作业于井筒环空内的液柱压力降至低于油气水层压力的某一时刻，油气水就会侵入环空，发生窜流。
1.5顶替效率问题
由于存在低压易漏层系，因此施工排量不能太大，难以实现稳流顶替，因此顶替效率的提高也是低压易漏井固井的技术难题之一。
2 技术措施
2.1优化环空浆柱结构，采用近平衡压力固井
考虑到井下溢漏并存的情况，固井施工既要做到固井时井下不发生漏失，又要做到施工完水泥浆失重后不发生溢流，就必须从优化环空浆柱结构出发，根据溢、漏层的位置，计算各段的环空液柱压力，采用近平衡压力固井，环空浆柱结构从上到下设计为：钻井液+冲洗液+隔离液+低粘钻井液+低密度水泥浆+常规密度水泥浆。漏层以上的液柱当量密度应当小于漏失层发生的当量密度，同时为了控制水泥浆失重后发生溢流，根据水泥浆稠化时间，固井施工完，在一定时间内进行环空加压，压力视具体情况确定。
2.2采用封隔器环空密闭固井工艺技术
为了有效地抑制地层活跃的流体，采用管外封隔器，座封成功后能有效密闭环空。
2.3有针对性制定措施，提高顶替效率
（1）优化泥浆性能，在不影响井下安全的前提下，固井前尽可能降低泥浆的粘切，同时准备10～20m3密度相同低粘切泥浆固井前泵入井内。
（2）提高冲洗液、隔离液性能，合理设计隔离液用量，从而实现低排量高顶替效率。
（3）合理设计扶正器数量，保证封固段内套管居中度。
2.4优化前置液性能
使前置液与泥浆及水泥浆有良好的配伍性，与钻井液和水泥浆接触时不增稠，对钻井液、水泥浆及泥浆与水泥浆的混合物污染胶凝物均有显著的稀释分散作用，对界面有良好的化学冲洗效果，能提高对钻井液的顶替效率。
3 研究开发高强低密度水泥浆体系
3.1减重料的选择
作为低密度水泥浆的减重剂，一般有二类可选用，一类具有很好的保水性，可以大幅度地增加水泥浆的含水量，使水泥浆的密度降低，如膨润土、硅藻土、水玻璃等。另一类使本身比较轻，可以部分替代水泥，如火山岩、粉煤灰、漂珠等。目前国内普遍推广应用的低密度水泥浆其主要减重料有膨润土、水玻璃、粉煤灰、漂珠等。比较这些常用易得的减重料料，选择漂珠作减重料配制超低密度水泥浆（密度低至1.30g/cm3）最为理想，因为漂珠具有质轻、空心、密闭、粒细，具有活性早强度高（如表1所示）等特点。
表1 不同减重材料低密度水泥浆的强度
减重材料品种 | 免拆模板 水固比 | 水泥浆密度g/cm3 | 养护条件 | 期龄h | 柴油添加剂强度值MPa |
搬土 | 0.88 | 1.60 | 80℃/21Mpa | 48 | 6.3 |
水玻璃 | 0.78 | 1.61 | 60℃/21MPa | 24 | 4.4 |
粉煤灰 | 0.70 | 1.60 | 45℃/21Mpa | 48 | 12.0 |
漂珠 | 0.56 | 1.40 | 30℃/21MPa | 48 | 16.9 |
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3.2早强剂的选择
当水泥浆体系的密度低于1.3g/cm3时，水胶比显著增大，单位体积内的减轻材料用量增加，胶凝材料用量减少，最终导致稠化时间长，强度低。为达到低温早强的目的，进行了几种早强剂（如JS001、CA-2、T93、S603、CA909S等）在30℃的条件下的抗压强度实验，实验结果如表3-8、图3.1所示。
表2 不同早强剂对同一密度水泥浆30℃、8h抗压强度的影响
水泥 | 漂珠 | 增 强 剂 | 水 | CF40S | JS001 | T93 | CA-2 | S603 | CA909S | 流动度 | 抗压强度 MPa （30℃/8h） |
100 | 36.8 | 44.5 | 87.8 | 1.5 | 5.0 | | | | | 19.5 | 1.7 |
100 | 36.8 | 44.5 | 87.8 | 1.5 | | 5.0 | | | | 20.5 | 0.5 |
100 | 36.8 | 44.5 | 87.8 | 1.5 | | | 5.0 | | | 20.0 | 1.5 |
100 | 36.8 | 44.5 | 87.8 | 1.5 | | | | 5.0 | | 20.0 | 0.8 |
100 | 36.8 | 44.5 | 87.5 | 1.5 | | | | | 3.0pstl | 20.0 | 3.6 |
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实验表明，不同早强剂JS001、CA-2、T93、S603，在5%（BWOC）的较大掺量下，对低密水泥浆低温下抗压强度的发展没有明显的促进作用，而CA909S在较低掺量下3.0%（BWOC）就能有效提高水泥石低温下的早期强度。比对实验表明JS001可适用于低密度的固井水泥浆并可有效提高水泥浆低温强度，是一种经济实惠、性能优良的低温早强剂。
图1 不同早强剂对体系低温抗压强度的影响
3.3降失水剂的选择
高强低密度水泥浆由于矿物性增强材料的掺入，进行颗粒级配，其水泥浆本身就具有一定的降失水功能，在较高温度下净浆失水可以控制在500ml以内（一般水泥浆约2000ml），通过优选分散性降失水剂G60S(JS010)以及合成降失水剂BXF-200L，很容易将水泥浆API失水量可控制在50ml以内[1]，实验结果如图2所示：
3.4高强低密度水泥浆防气窜性能
油气井注水泥后，由于环形空间液柱压力与地层压力不平衡关系的变化，使地层流体进入
环形空间后会产生纵向流动，这种纵向流动称为流体窜流，简称环空窜流。地层中最活跃的是气体，气体的粘度比水的粘度低80～100倍，发生窜流的可能性最大，因此一般又称其为气体窜流或环空气窜。严重的环空气窜可能导致很高的井口压力和气体流动，不仅使后续钻井工程和开采工程无法进行，还可能造成全井报废。
水泥浆性能系数SPN值可以评价水泥浆防气窜性能，SPN值越小，防气窜能力越强。水泥浆性能系数可由公式（4-1）进行计算[2]：
式中：SPN：水泥浆性能系数
Q：API失水量（6.9MPa×30min）
t100：稠度达到100Bc的时间，min；
t30：稠度达到30Bc的时间，min；
根据水泥浆性能系数SPN，评价水泥浆防气窜性能标准如表4-3所示：
表3 水泥浆防气窜性能评价标准
由水泥浆性能系数公式可以看出，稠化过渡时间越短，失水量越小，SPN值越小，防气窜的能力越强。高强低密度水泥浆体系具有低失水、过度时间短的特点，因此水泥浆SPN值也较小，其50℃下不同密度的高强低密水泥浆SPN值如表4，该体系的SPN值表明该体系具有良好的防气窜能力。
表4 50℃下不同密度的低密高强水泥浆体系SPN值
序号 | 密度g/cm四球机3 | 稠化时间 | 稠度达到30Bc的时间 | API失水 mL | SPN值 |
1 | 1.2 | 洗手液机145 | 129 | 19 | 2.36 |
2 | 1.3 | 132 | 116 | 18 | 2.36 |
| | | | | |
由此可以看出，高强低密度水泥浆可以控制较低的失水，有利于防止长封固段作业中发生失重，而且静胶凝强度实验水泥浆静胶凝强度发展快，过渡时间短，水泥浆SPN值较低，具有较强的防窜能力。
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