保护油气层的固井技术

固井作业是钻井完井的重要环节。固井质量的好坏不仅直接影响到今后钻井的安全，而且还影响到油气井的长期开采生产和总的采收率。和其他作业一样，固井作业也会造成对油气层不同程度的损害，甚至造成油气资源的严重损失。需要指出的是，固井作业对地层的损害不仅有和钻井液引起的地层损害相似的原因和规律，也有其特殊的作用机理和规律，所以，有必要加以专门论述。

钻井液对油气层的损害，国内外都做了大量工作，有关文献和专著较多，而且有比较统一的见解和结论。而水泥浆对油气层的损害还需进一步做工作和研究。

5．2．4．1　固井质量和保护油气层之间的关系

固井质量的主要技术指标是环空封固质量，而环空的封固质量直接影响油气层在今后各项作业中是否会受到损害，其原因有以下几点：

图5－11　套压对井底静压力的影响

（1）环空封固质量不好，不同压力系统的油气水层相互干扰和窜流，易诱发油气层中潜在损害因素，如形成有机垢、无机垢、发生水锁作用、乳化堵塞、细菌堵塞、微粒运移、相渗透率变化等，从而对投产的油气层产生损害，影响产量。

（2）环空封固质量不好，当油井进行增产作业，注水、热采等作业时，各种工作液就会在井下各层中窜流，对油气层产生损害。如酸化压裂液窜入未投产油气层，而没能及时反排，就会对该油气层产生损害，注入水窜入未投产的水敏油气层，就会使该层中岩石发生水化膨胀分散，从而影响有效渗透率，水的进入亦改变了该层相渗透率等。

（3）环空封固质量不好，会使油气上窜至非产层，引起油气资源损失。

（4）固井质量不好，易发生套管损坏和腐蚀，引起油气水互窜，造成对油气层的损害。

综上所述，固井质量不好是对油气层的最大损害，而且还会影响到油气井生产全过程。

5．2．4．2　固井过程中提高固井质量和保护油气层的途径

衡量固井技术水平的主要标准是固井质量和减少对油气层的损害。要求固井施工后要形成一个完整的水泥环，使水泥与套管、水泥与井壁固结好，水泥胶结强度满足要求，油气水层封隔好，不窜、不漏，对油气层不产生损害。要达到以上要求，就必须从改善水泥浆性能、实行合理压差固井、提高水泥浆顶替效率以及防止水泥浆失重引起的气窜等方面做好工作。

5．2．4．2．1　改善水泥浆性能

重视油井水泥系列及外加剂的研究，早期的油井水泥只有1～2种，水泥外加剂到1940年只有3种。经过70余年之后，油井水泥按API规范10（1986年）生产和检验，形成了9个不同级别（A，B，C，D，E，F，G，H和J级）的API油井水泥，每种水泥都有不同性能的要求和相适应的井深与温度。水泥外加剂的发展速度较快，用量很大，美国水泥外加剂的用量占油田化学总用量的38%。水泥外加剂的使用，对调节水泥浆性能、满足不同井深的固井起着重要作用。现已发展到9类上百种产品，配制的水泥浆性能可在井底温度238℃中使用。水平井和复杂井同样可以加入不同外加剂达到注水泥的要求。根据产层特性和施工井况，采用减阻、降失水、调凝、增强、抗腐蚀、防止强度衰退等外加剂，合理调配水泥浆各项性能指标，以满足安全泵注、替净、早强、防损害、耐腐蚀及稳定性的要求。

5．2．4．2．2　合理压差固井

合理压差固井是指水泥浆在注替过程和候凝过程中，井眼与套管环形空间液柱总压力略大于地层空隙压力，且不发生漏失和油、气、水窜通。实现合理压差固井，有利于减少对油气层造成损害和保证固井质量。然而在固井作业中常因压差不合理，造成对油气层的损害，水泥环封固质量变差。压差不合理表现在两个方面：一是在注替水泥浆过程中，由于追求高速，加上水泥浆密度高、封固井段太长，造成压差过大而压漏地层，水泥浆进入油气层引起油气层的损害。二是压差过小，常表现为注替过程中油、气、水层没有压稳，造成在候凝期间窜槽或井喷。另一方面在候凝期间，因没有考虑水泥浆失重引起的环空压力减低，造成油、气、水层窜通。要实现合理压差固井，就要从以下几个方面着手。

（1）搞好固井设计。合理压差固井设计要考虑和满足以下条件：

1）针对油气藏类型和井下条件进行设计。

2）依据准确的油气藏地层孔隙压力。

3）水泥的流变性能要满足合理压差要求。

4）环空液柱静压力与流动摩阻力之和要小于封固井段内最低地层破裂压力，要大于地层孔隙压力，还要考虑候凝期间水泥浆失重对压差的影响。

（2）符合实际的措施。

1）减小水泥浆流动阻力。为减小水泥浆流动阻力，可在水泥浆中加入降失水剂，防止失量过大、滤饼过厚产生附加阻力，从而改善水泥浆性能，实现紊流顶替；或采用适当顶替速度，实现塞流顶替。

2）合理选择静液柱压力。合理选择水泥浆密度，调整钻井液、冲洗液、隔离液密度。减少一次水泥浆注入量，可采用双级注水泥等方法。

3）防止由于失重引起的环空压力减低。可在水泥浆中加入防气窜剂，或采用双凝水泥固井或在井口憋回压。

5．2．4．2．3　提高水泥顶替效率

在注水泥和替泥浆过程中，钻井液能否被顶替干净是注水泥作业成功的关键，否则不能有效地封隔油、气、水层，影响油田正常生产。因此，提高顶替效率是获得固井高质量的关键。为了提高顶替效率应该采取以下措施：

（1）注水泥前处理钻井液性能。使钻井液具备流动性好、触变性合理、失水造壁性好的特点。

（2）采用优质冲洗液和隔离液。

（3）合理安装旋流扶正器，尽量保证套管居中。

（4）尽可能延长主封固段紊流接触时间，保证冲洗液、隔离液、水泥浆以紊流状态流动。

要想方设法把粘附在套管壁和井壁上的钻井液尽可能地驱替干净。保证水泥环与套管和井壁胶结牢固。

5．2．4．2．4　防止水泥浆失重引起的环空窜流

水泥浆在环空静止后，由于水泥浆发生物理—化学变化，不能对地层传递有效压差，这一现象被称为失重。导致水泥候凝过程中地层油气水窜入环空，在套管外形成串槽。如果高压盐水窜入水泥柱，还可导致水泥浆长期不凝。

（1）水泥浆失重的机理。

1）水泥胶凝引起失重。失重的第一阶段主要是水泥浆胶凝引起的。在初始阶段水泥浆呈液体状态，随着水泥与水的化合反应，水泥浆中的水不断减少，产生的水化矿物不断增加，并伴有析晶过程的进行，致使水泥浆中固相含量不断增加。水化矿物的胶体性质使水泥浆的胶凝强度也随之增加，胶凝悬挂现象亦增强，表现失重现象以较快速度增加。但此时水泥浆体系的性质仍保持液体状态，部分自重仍能产生静压。

2）水泥浆的网状结构引起失重。失重的第二阶段胶凝强度继续增加，水泥颗粒间形成相互连接的有足够强度的网状结构后，水泥的自重完全被悬挂于管壁上，水泥浆自重不能产生静压。但是，这时部分自由水还存在其中，还能够在网架中的空隙中流动，因此水泥浆柱静压此时表现为等高水柱静压。随着水泥反应深入，固相含量继续不断增加，网架结构的空隙在不断变小，水的流动阻力增加，水泥浆柱静压变得逐步低于水柱静压值。表现为缓慢的失重过程。一旦网架结构的空隙小到毛细孔的程度，水的自重不能再传递压力，水泥浆柱的缓慢失重过程也就结束了。

3）水泥浆体积收缩引起失重。在水泥浆呈液体状态时，体积收缩可由水泥浆柱上面的水泥浆或其他流体（如钻井液）给予补充，随着浆体流态性能的消失，对压力的传导能力也逐渐丧失，水泥浆体积收缩得不到补充，只能消耗原有储备能量，使水泥浆柱内部压力不断减少，导致水泥浆初凝以后水泥浆柱压力很快失重到零值及产生负值效应。

（2）防止水泥浆失重引起环空窜流的措施。防止环空窜流，除确保良好顶替效率外，主要措施是采用特殊外加剂，通过改变水泥浆自身物理化学特性以弥补失重造成的压力降低。最有效的办法是采用可压缩水泥、不渗透水泥、触变水泥、直角稠化水泥及多凝水泥等。此外还可采取分级注水泥、缩短封固长度及井口加回压等工艺措施。

5．2．4．2．5　降低水泥浆失水量

为了减少水泥浆固相颗粒及滤液对油气层的损害，需在水泥浆中加入降失水剂，控制失水量小于100mL（尾管固井时，控制失水量小于50mL）。控制水泥浆失水量不仅有利于保护油气层，而且是保证安全固井、提高环空层间封隔质量及顶替效率的关键因素。

5．2．4．2．6　采用屏蔽暂堵钻井液技术

钻开油气层时采用屏蔽暂堵钻井液技术，在井壁附近形成屏蔽环，此环带亦可在固井作业中阻止水泥浆固相颗粒和滤液进入油气层。

5．2．4．2．7　推广应用注水泥计算机辅助设计软件

该软件包括一口井固井全过程的仿真设计，主要部分有水泥浆体系和性能设计、平衡压力注水泥设计、注水泥流变学设计、防止油气水窜设计、套管柱设计、扶正器安放位置设计，以及制定注水泥施工计划表和数据库等。该软件既可提高设计速度及科学化水平，又可人机联作预测施工情况并选择最优方案，还可在施工结束后进行作业评价，并将全部结果存储在库中以便进行统计、查询、分析。这种人工智能技术将大大有利于促进固井质量的提高。

5．2．4．3　保护油气层固井技术

固井过程中保护油气层的核心问题是尽量减少水泥浆滤液和固相颗粒侵入油气层。解决这一问题的主要途径是采用合理压差固井。然而，我国有许多油气田油层压力系数非常低，往往低于0．8。在这些地区进行固井施工，需保证固井时不发生漏失。减少对油气层的损害，就必须针对油气藏的特点，采用特殊的保护油气层的固井技术。常用的有低密度水泥固井、尾管固井、分级注水泥固井、用管外封隔器注水泥技术等。

5．2．4．3．1　低密度水泥固井技术

低密度水泥固井可以降低套管外液柱压力，从而降低水泥浆液柱压力与地层孔隙压力差，实行合理压差固井，减少对油气层的损害，有利于保护油气层。低密度水泥浆密度的大小取决于减重剂种类，由于加入的减重剂种类不同，其密度降低的程度也不同，低密度水泥浆加入材料和密度范围大体分为普通低密度水泥、低密度水泥、超低密度水泥三类，这三类低密度水泥浆都符合失水量较小、流变性好、水泥强度高的要求。下面分别介绍三类低密度水泥浆及使用情况。

（1）普通低密度水泥。

1）水泥浆密度范围：1．4～1．6g／cm3。

2）使用的减重剂：硅藻土、飞灰、膨润土、火山灰、膨胀珍珠岩等。

实践证明这种水泥有以下特点：

1）水泥浆密度低，可降低固井时环空液柱压力，在封固井段长达1000m时，75℃低密度水泥浆比普通水泥浆降低环空压力4．0～4．5MPa，对防止井漏和保护油气层非常有利。

2）施工时泵压低，U型管效应小，有利于控制水泥浆上返速度。

3）利用常规固井设备可以配灰和进行固井作业。

4）水泥浆失水量小，可防止因失水量大所引起的固井憋泵事故。同时，胶结时间较短，有利于控制油气水的侵入，提高固井质量。

5）对50多口井的固井声幅图质量分析，可以看出75℃低密度油井水泥的固井优质率高。井浅时，井下温度变低，声幅幅度稍有增加的趋势。

（2）低密度水泥。

1）水泥浆密度范围：1．2～1．4g／cm3。

2）常使用的减重剂：粉煤灰空心微珠、空心陶瓷微珠等。

3）低密度水泥浆的密度与水泥加量、空心微珠加量和水灰比的关系如表5－1所示。由表可见空心微珠低密度水泥的密度随着微珠加量的增加而降低。

表5－1　低密度水泥浆的密度与水泥加量、空心微珠加量和水灰比的关系

注：养护时间，48h；养护温度，95℃；养护压力，21MPa。

4）空心微珠水泥浆现场应用情况。空心微珠水泥在四川局现场应用30多井次，解决了低压漏失层的压力平衡固井问题，保证了固井质量。特别是在平落坝构造环境中，压力低，漏失层多，基本上采用空心微珠水泥固井，获得了良好的效果，避免和减少了水泥浆的漏失，减少了对产层的损害。

（3）超低密度水泥（泡沫水泥）。

1）水泥浆密度范围：0．9～1．2g／cm3。

2）泡沫水泥的配制方法。泡沫水泥是超低密度水泥，这种水泥是在水泥浆中混入一定比例的气泡形成泡沫水泥浆，以降低水泥的密度。当前配制泡沫的方法有两种。一种为机械法。即在水泥浆中掺入发泡剂和稳泡剂，使气体混在水泥浆中，再使用机械方法使气体均匀地分散在水泥浆中，形成稳定的泡沫水泥浆。另一种为化学法。即在干水泥中掺入发泡物质和控制剂，当水泥和水混合一段时间，该物质与水泥中的某些化学成分反应，产生出气体形成泡沫水泥浆。第一种方法可根据固井施工的实际情况，随时调节气体量满足水泥浆密度要求，但施工较复杂。第二种方法施工简便，但发气物质与水泥浆中某些化学成分反应产生气体需要一定的时间，发气量也不易控制。因此机械法是世界上采用最多的一种方法。研究和使用泡沫水泥，主要是解决低压易漏失的固井问题。新疆石油管理局是我国使用泡沫水泥最早的单位。

3）泡沫水泥现场应用情况。新疆的火烧山油田油层压力低，压力系数低，钻进中发生钻井液漏失，用空心微珠水泥固井也发生漏失，后试验用泡沫水泥固井，开始固井合格率比较低，通过不断总结经验，摸索规律，当年固井质量有了大幅度的提高。

5．2．4．3．2　尾管固井技术

这些年来，我国油气藏类型不断增多，对固井技术的要求越来越高，尾管固井技术也相应得到了发展。尾管固井技术就是套管不延伸到井口的一种固井方法。尾管顶部为悬挂器，它靠卡瓦和锥套挂在上层套管内壁上，与上部套管的重叠长度一般为50～150m。尾管固井的主要优点如下：

（1）采用尾管固井，上部环形间隙大，可降低固井施工的流动阻力，减少对油层的压力，有利于保护油气层。

（2）减少深井一次下入的套管长度，既减轻了套管总重量，也减轻了下套管时的钻机负荷。

（3）可避免技术套管上部的磨损，通过回接同样起到技术套管的作用。

（4）可以节省套管和水泥，降低钻井成本。

（5）可以保证尾管在井下挺直，提高固井质量。

5．2．4．3．3　分级注水泥技术

分级注水泥，就是应用分级注水泥器，在一口井中使注水泥作业分成二级或三级（即自下而上分段）完成的注水泥方法。分级注水泥方法具有以下优点：

（1）降低环空液柱压力，防止漏失，防止损害油气层。

（2）在高压油气井，可分级注入不同稠化时间的水泥浆；在完成第一级注水泥施工后，打开循环孔，反循环钻井液，形成对地层的回压，直至第一级水泥凝固。这样可防止环空高压油气上窜。

（3）在多油气层，且油气层段间隔长时，在间隔段不注水泥，可节省水泥。

（4）可用较低功率的水泥泵，以较高速度顶替水泥浆，在环空形成紊流，有利于提高封固质量。

（5）可使用两凝水泥固井。

通过实践，国内各油田均把分级注水泥技术列为保护油气层固井的重要措施之一。

5．2．4．3．4　套管外封隔注水泥技术

套管外封隔注水泥技术，就是应用连接在套管串的外封隔器，在注水泥及水泥凝固过程中，实现套管环空封隔。它可以解决高低压复杂井、易漏井和调整井的气窜与漏失问题，还可以解决油层上部的岩石塌落。套管外封隔注水泥技术一般有以下几个特点：

（1）施工操作简便，不需要改变原固井施工工艺。

（2）适应范围广，可用于各种不同条件的油气井。

（3）工具的膨胀密封体自动随井径和井下压差变化而变化。

（4）阀系统能可靠地保护和准确地控制工具安全座封。耐高温，常用的可耐温套管外封隔注水泥技术，常与分级注水泥、尾管固井技术及水泥外加剂综合运用，有效地解决了隔离油、气、水层，恶性漏失层，长封固段注水泥等问题，为保护油气层和复杂井固井开拓了较为广阔的途径。