氣體介質(zhì)條件下的固井技術(shù)

摘 要

摘要：近年來，四川油氣田大力推廣應用了氣體鉆井技術(shù)，對于大幅度提高機械鉆速和避免井漏等鉆井復雜情況起到了十分重要的作用。為了避免氣體鉆井結(jié)束后替入鉆井液可能引發(fā)的井漏
摘要：近年來，四川油氣田大力推廣應用了氣體鉆井技術(shù)，對于大幅度提高機械鉆速和避免井漏等鉆井復雜情況起到了十分重要的作用。為了避免氣體鉆井結(jié)束后替入鉆井液可能引發(fā)的井漏、井眼不穩(wěn)定等復雜情況，縮短鉆井周期、降低鉆井成本，進一步提高固井質(zhì)量，在川渝地區(qū)探索實踐了氣體介質(zhì)條件下Ф339.7mm表層套管和Ф244.5mm技術(shù)套管共18井次的干井筒固井作業(yè)，基本形成了一套氣體鉆井后干井筒(井眼內(nèi)為純氣體時的井筒簡稱為干井筒)固井工藝技術(shù)方案與措施。在干井筒固井施工過程中，主要作業(yè)環(huán)節(jié)的工藝技術(shù)包括：氣體介質(zhì)條件下井眼準備及下套管技術(shù)、非連續(xù)液相注水泥技術(shù)等，并介紹了防井漏、防井壁失穩(wěn)、防環(huán)空堵塞等技術(shù)。實踐表明：干井筒固井施工的固井質(zhì)量明顯高于常規(guī)固井的質(zhì)量；注水泥漿施工工程風險??；可消除氣體鉆井結(jié)束后替入鉆井液再固井作業(yè)可能帶來的井下復雜情況。
關(guān)鍵詞：深井；水平井；氣體介質(zhì)；下套管；注水泥；固井技術(shù)
0 引言
所謂氣體介質(zhì)條件下固井作業(yè)就是指在氣體鉆井結(jié)束后井內(nèi)不替入鉆井液，直接進入下套管及注水泥固井的施工作業(yè)。這種新工藝的產(chǎn)生避免了過去氣體鉆井結(jié)束后替入鉆井液產(chǎn)生的井漏、井壁不穩(wěn)定等復雜情況的發(fā)生，縮短了鉆井周期，同時也減少了鉆井液總量，降低了鉆井成本，固井質(zhì)量與常規(guī)固井作業(yè)相比也得到明顯提高。近幾年來，四川油氣田針對川渝地區(qū)鉆探施工作業(yè)中普遍存在井漏復雜、巖石可鉆性差、鉆井速度慢等技術(shù)難題，重點研究、試驗和推廣應用了氣體鉆井新技術(shù)，對解決鉆井過程中的井漏和大幅度提高鉆井速度，取得了突破性的進展。氣體介質(zhì)條件下固井工藝技術(shù)的研究試驗就是在這樣的背景下產(chǎn)生的，目前，應用氣體介質(zhì)條件下固井工藝技術(shù)已實施了18井次。下面將主要介紹氣體介質(zhì)條件下的固井工藝技術(shù)特點及應注意的問題、各作業(yè)環(huán)節(jié)的工藝技術(shù)，并對施工現(xiàn)場應用情況進行介紹。
1 氣體介質(zhì)條件下固井作業(yè)的特點及應注意的問題
1) 氣體鉆井后，是否存在裸眼井段井漏情況不清楚。固井前應注意收集該地區(qū)已鉆井情況，具體設(shè)計注水泥工藝技術(shù)方案及措施，要重點避免因井漏造成壓空下塞并導致套管鞋附近環(huán)空無水泥環(huán)[1]。
2) 氣體介質(zhì)條件下，鉆屑和井壁掉塊由于沒有鉆井液懸浮將會沉積在井底。通井時應注意盡可能將井筒內(nèi)鉆屑，特別是井壁掉塊清除干凈。注水泥漿之前應采用大排量清掃下套管所產(chǎn)生的砂屑，清潔井筒，以保持水泥漿在環(huán)空易于流動和界面的有效膠結(jié)。
3) 在氣體介質(zhì)條件下注水泥漿施工安全性高，不存在鉆井液污染水泥漿的問題，水泥漿試驗簡單，與常規(guī)固井相比可以節(jié)省不少水泥漿添加劑費用。
4) 在氣體介質(zhì)條件下井壁不存在濾餅，兩界面水泥膠結(jié)質(zhì)量好，固井質(zhì)量能得到保障。
5) 即使存在井漏，只要注意第一次正注施工將下部套管鞋段“鞋子”穿好，采用多次反灌水泥漿就能將整個環(huán)空水泥環(huán)銜接起來，而不必擔心環(huán)空夾一段鉆井液的問題。
6) 與常規(guī)固井相比，氣體介質(zhì)條件下固井作業(yè)，有利于作業(yè)區(qū)域環(huán)境保護，因為它不需要附加更多的水泥漿來驅(qū)替鉆井液，從而避免了排泄到污水池的混漿，同時，也節(jié)約了材料費用。
7) 由于套管內(nèi)為氣體，一次性注水泥漿返至地面或返高過多(內(nèi)插管注水泥漿方式)時，可能擠壞套管、損壞浮箍及其他井下工具附件。因此，固井施工設(shè)計要進行抗外擠強度校核，設(shè)計水泥漿分幾次注入及返高井深。
8) 目前，氣體介質(zhì)條件下固井作業(yè)僅限于井筒內(nèi)不產(chǎn)天然氣的井應用。地層產(chǎn)天然氣，如果直接注水泥漿固井，防氣竄及可燃氣體與空氣混合發(fā)生燃暴風險的問題還需解決。
2 主要作業(yè)環(huán)節(jié)的工藝技術(shù)
2.1 鉆具組合及下套管前的通井
氣體介質(zhì)條件下，下套管柱遇阻卡處理更加困難。因此，良好的井身質(zhì)量和充分有效的井眼準備工作是保證套管柱安全順利下入的先決條件。
1) 鉆井時注重采取保障井身質(zhì)量的措施。根據(jù)氣體鉆井特點，科學設(shè)計鉆具結(jié)構(gòu)、鉆頭和鉆井參數(shù)，盡可能地使鉆出的井眼軌跡圓滑，避免形成井壁臺階和拐點。實踐表明，帶扶正器的鉆具結(jié)構(gòu)由于剛度大，鉆出的井眼軌跡圓滑，能獲得優(yōu)良的井眼質(zhì)量。
2) 模擬下入套管柱的尺寸和剛度的鉆具組合通井。根據(jù)下入套管柱的尺寸、剛度，設(shè)計相應通井鉆具結(jié)構(gòu)進行模擬通井，模擬通井鉆具組合主要是下部30～40m管柱的剛度不要小于套管柱的剛度。氣體介質(zhì)條件下模擬通井，鉆具無鉆井液浮力，管柱運行時產(chǎn)生極大的慣性，必須高度重視安全風險，遇阻劃眼時應小心操作，慎防阻卡和鉆具反轉(zhuǎn)倒脫鉆具。
3) 應特別注意井眼的清潔凈化工作。由于氣體對巖屑幾乎沒有懸浮能力，因此，通井過程中應加強井筒內(nèi)的砂屑清掃，特別要對井壁掉塊進行碾碎后清除，循環(huán)氣量應保持與鉆進時的氣量一致。應采取短起下鉆方式探砂面和反復吹掃井筒，以確保下套管前井眼得到充分的清潔凈化。
2.2 下套管技術(shù)
氣體介質(zhì)條件下套管與鉆井液介質(zhì)有顯著的不同。由于套管柱始終處于空重狀態(tài)導致管柱下行具有更大的慣性力，而套管柱受重力作用更加緊靠下井壁即貼邊更嚴重。因此，精心操作、優(yōu)化設(shè)計管柱結(jié)構(gòu)和合理加入套管扶正器，是確保套管柱安全順利下入和水泥環(huán)均質(zhì)封固的關(guān)鍵[2～4]。
1) 優(yōu)化設(shè)計干井筒入井套管柱結(jié)構(gòu)。底部管柱結(jié)構(gòu)通常采用：引鞋+套管鞋+浮箍+套管+浮箍或內(nèi)插管座+套管柱，由于井壁粗糙無光滑濾餅，為保證套管柱順利下入應采用引導性好的引鞋，套管引鞋應采用抗破碎的剛質(zhì)或鋁質(zhì)材料，避免使用玻鋼或膠木等易碎材料，可使用一只浮箍。另外，考慮到氣體攜砂和懸浮巖屑的能力弱于鉆井液，引鞋至井底之間的口袋比常規(guī)固井時多留0.5～1m，尤其是套管頭為錐掛式的井更應注意這一點。
2) 優(yōu)化設(shè)計套管扶正器。根據(jù)實際井眼軌跡，合理設(shè)計加入套管扶正器，扶正器的選擇和安放應充分考慮兩個方面的問題：一是通過能力，扶正器結(jié)構(gòu)應具有使管柱易通過井壁阻點的能力；二是有效扶正居中。剛性扶正器應采用上下倒角螺旋結(jié)構(gòu)，其最大外徑應使管柱居中度不小于67%。
3) 下套管精心操作。套管柱下入過程中，應嚴格控制下放速度，勻速下放，輕提輕放，防止高懸重時過大沖擊載荷損傷接箍絲扣和套管碰撞井壁引起大的井壁掉塊，確保套管柱的安全順利下入。
4) 遇阻后，注氣循環(huán)，注意循環(huán)時間至少兩周以上，并觀察返出物情況。要防止砂子返至上部井筒時停止注氣，而造成堵塞環(huán)空的情況出現(xiàn)。
2.3 氣體介質(zhì)條件下注水泥固井技術(shù)
井筒內(nèi)為氣體介質(zhì)時的注水泥固井施工主要把握以下幾點：
1) 注水泥漿施工設(shè)計，工藝上不要注清水或隔離液。實踐表明，干井筒注水泥漿施工過程中，注入漿體結(jié)構(gòu)不適宜采用前置液，因為重力和密度差的作用，施工前期注入藥水或鉆井液，隨后注入的水泥漿在管內(nèi)及環(huán)空將與之發(fā)生嚴重的竄混，從而嚴重影響水泥漿性能和水泥環(huán)的界面膠結(jié)質(zhì)量?？紤]干燥井筒易造成水泥漿脫水，影響水泥漿流動性，可根據(jù)一次注入水泥漿總量的多少，注入5～10m3，密度低于水泥尾漿的水泥領(lǐng)漿。水泥漿應控制好自由水和具有良好的沉降穩(wěn)定性，還應使其在干燥環(huán)空運行的同時能保持良好的流動性。
2) 內(nèi)插管式注水泥漿，應根據(jù)水泥漿設(shè)計密度校核套管抗外擠強度，控制好水泥漿返高，確保套管安全。另外，還應計算環(huán)空充滿一定高度的水泥漿后，套管柱是否會因為浮力而上頂，若存在這種風險，則應在套管內(nèi)灌入相應的清水或鉆井液。
3) 根據(jù)所鉆井地區(qū)鄰井地層壓力、固井是否出現(xiàn)井漏的情況決定采用什么樣的注水泥漿工藝。若鄰井地層壓力正常、固井水泥漿返至地面沒有出現(xiàn)井漏，則可以一次性正注入水泥漿返至地面；若所鉆井地區(qū)屬于低壓易漏地區(qū)，鄰井固井出現(xiàn)較嚴重的井漏，應特別注意管內(nèi)水泥漿量要留高些，防止所替鉆井液將水泥漿全部壓出管鞋，造成下部環(huán)空無水泥環(huán)。對于這類井推薦采用先“穿鞋子”，后反灌水泥漿的方法來施工，具體做法是：第一次注水泥漿后不替鉆井液，讓水泥漿在管內(nèi)外自找平衡，水泥漿終凝后，分幾次從環(huán)空反灌水泥漿(每次反灌的隙隔時間，以稠度值達100Bc的時間定)，反灌水泥漿不再考慮領(lǐng)漿。為了縮短施工周期，反灌水泥漿可用快干水泥漿。
3 現(xiàn)場應用情況
3.1 現(xiàn)場應用情況
近兩年川渝地區(qū)實施干井筒下套管注水泥固井共18井次，主要應用于Ф444.5mm井眼及Ф311.2mm井眼的表層和技術(shù)套管，固井井深為600～2600m。根據(jù)固井井深和地層承壓情況，井深在600m左右的13井次均采用一次性注水泥返至地面，5井次采用正反注相結(jié)合的注水泥工藝。固井質(zhì)量總體情況及質(zhì)量分類對比評價見表1。從表1、2、3可以看出，總體固井質(zhì)量優(yōu)于鉆井液介質(zhì)的常規(guī)固井和使用套管扶正器的固井質(zhì)量明顯優(yōu)于未用扶正器的井，若剔除LG30、36、001-8井3口質(zhì)量差的井，其總體質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達到80.40%，質(zhì)量差僅占4.15%。分析影響固井質(zhì)量的主要原因有如下幾個方面：
表1 LG構(gòu)造氣體介質(zhì)條件下各井固井質(zhì)量測井總體評價表
套管層次
井次
評價段長(m)
優(yōu)質(zhì)率(%)
合格率(%)
Ф339.7mm
15.0
9859.0
70.0
83.3
Ф244.5mm
2.0
4890.0
74.4
94.1
表2 氣體介質(zhì)條件下套管柱使用扶正器與未使用扶正器的固井質(zhì)量測井評價對比表
施工類型
井次
評價段長(m)
優(yōu)質(zhì)率(%)
合格率(%)
使用扶正器
6
4927.5
74.47
91.42
未使用扶正器
6
3281.5
54.16
67.04
表3 具有可比性的Ф339.7mm套管氣體戒指固井與鉆井液介質(zhì)固井質(zhì)量測井評價對比表
施工類型
井次
評價段長(m)
測井評價
好(m)
(%)
中(m)
(%)
差(%)
(%)
氣體戒指固井
11
7655.00
6287.00
821.12
1057.00
13.81
311.00
4.06
鉆井液介質(zhì)固井
27
17477.50
8478.55
48.51
4296.89
24.59
4702.11
26.90
注：表中1747.50m為川渝地區(qū)累計評價段長。
1) 沒有嚴格執(zhí)行固井測井規(guī)定程序，先試壓后電測導致環(huán)空出現(xiàn)微環(huán)隙。如LG001-8井，固井后先對套管柱試壓15MPa，再進行電測致使固井質(zhì)量測井評價失真。
2) 使用了套管彈簧扶正器且加入數(shù)量偏少，沒有有效扶正入井套管柱；注入水泥原漿，高失水的水泥漿(實驗表明：原漿API失水量高，介于600～1000mL)進入干燥井筒后快速失水，嚴重影響其流動性并可能導致井壁失穩(wěn)；注入領(lǐng)漿密度偏低，用量偏大等都嚴重影響了固井質(zhì)量。如LG30井Ф339.7mm套管下深600m，僅加入7只彈簧扶正器，注入領(lǐng)漿密度為1.69g/cm3，用量達20m3，這些都是導致該井固井質(zhì)量差的主要原因。
3) 井下地層后期出水，井壁失穩(wěn)；注入水泥漿與地層水混合后被嚴重稀釋，引起體系沉降分層，致使水泥石強度低，膠結(jié)質(zhì)量差。如LG36井注水泥漿施工過程中，先發(fā)現(xiàn)水返出地面后再見水泥漿返出。
4) 注水泥前未充分凈化井筒使井內(nèi)仍存在較多砂屑；正反注水泥漿排量偏大對井壁沖刷嚴重引起掉塊垮塌甚至發(fā)生環(huán)堵等，也導致部分井的固井質(zhì)量不理想。
3.2 現(xiàn)場應用實例
1) 空氣介質(zhì)內(nèi)管注水泥固井技術(shù)在LG61井Ф365.1mm套管固井中的應用。
2) 內(nèi)管注水泥井身結(jié)構(gòu)示意圖(圖1)。
 

3) 井眼準備及下套管作業(yè)。井眼準備方面，該井采用Ф444.5mm空氣錘和牙輪鉆頭加塔式鉆具及Ф413mm扶正器鉆具組合，用空氣鉆至井深1814m，所鉆井眼平均井徑為459.04mm，擴大率僅為3.3%，井斜為1°～5°，取得了較好的井身質(zhì)量。下套管前進行了模擬通井，采用了單扶正器和三扶正器兩套鉆具組合進行通井作業(yè)。通井遇阻堅持劃眼和短程起下鉆，為大尺寸套管柱的安全順利下入提供了良好的井筒條件。入井管串結(jié)構(gòu)為：引鞋+套管鞋+Ф365.1mm套管1根+內(nèi)置式浮箍+Ф365.1mm套管2根+內(nèi)置式浮箍+Ф365.1mm套管6根+內(nèi)置插管座+Ф365.1mm套管155根+雙公短節(jié)+聯(lián)頂節(jié)。為保證入井套管柱居中，加入了外徑為Ф300mm螺旋倒角剛性扶正器共40只。
4) 注水泥施工工序。采用內(nèi)管注水泥和正反注水泥相結(jié)合的施工工藝。下入Ф139.7mm光鉆桿帶內(nèi)插管至要求井深1712.64m，并驗正有效插入插座，根據(jù)內(nèi)插管座承載和密封能力，計算出第一次允許向內(nèi)插管與套管環(huán)空最大灌入量為39m3，實際灌入35m3密度為1.15g/cm3的鉆井液。為了避免施工中發(fā)生井漏，第一次正注水泥漿按返高1000m設(shè)計，其當量密度為1.05g/cm3，控制排量正注水泥領(lǐng)漿10m3，密度為1.80g/cm3；正注夾江G級高抗水泥漿75.0m3，密度為1.90g/cm3，同時采用與注水泥漿排量相匹配的排量連續(xù)向內(nèi)插管與套管環(huán)空灌漿，并計算出最大和最小灌入量，以控制施工動態(tài)過程中管內(nèi)外壓差始終保持在允許范圍內(nèi)。正替配漿水18m3，替漿結(jié)束檢查無回流，起插入管串。候凝、接反注管線，正注水泥漿候凝至稠度值達100Bc后開始反注，同時繼續(xù)向內(nèi)插管與套管環(huán)空灌漿，反注密度為1.91g/cm3的水泥漿50m3返出地面，至此正反注施工完畢，候凝。
5) 空氣介質(zhì)常規(guī)膠塞注水泥固井技術(shù)在LG160井Ф244.5mm套管固井中的現(xiàn)場應用。
6) 常規(guī)注水泥井身結(jié)構(gòu)示意圖(圖2)。
 

7) 井眼準備及下套管作業(yè)。該井采用Ф313mm空氣錘加塔式鉆具組合，氣體鉆井至固井深度2346m。所鉆井眼平均井徑為345.7mm，擴大率為10.45%，井斜為0°～1.3°，取得了較好的井身質(zhì)量。下套管前采用了雙扶正器鉆具組合進行模擬通井。通井遇阻堅持劃眼和短程起下鉆，通井過程中發(fā)現(xiàn)井底沉砂多達10多米，經(jīng)反復吹掃井筒直至短起鉆檢查井底基本無沉砂，為套管柱順利下入提供了良好的井筒條件。入井套管串結(jié)構(gòu)為：Ф244.5mm引鞋+Ф244.5mm套管鞋+Ф244.5mm浮箍+Ф244.5mm套管4根+Ф244.5mm浮箍+Ф244.5mm套管柱+井口套管懸掛器+聯(lián)頂節(jié)。為保證入井套管柱居中，重合段加入了外徑為Ф308mm普通剛性扶正器3只，裸眼段加入了外徑為Ф295mm的螺旋倒角剛性扶正器43只。套管柱順利下至設(shè)計井深。
8) 注水泥施工工序。采用水泥頭、膠塞和正反注水泥漿相結(jié)合的注水泥工藝。為避免發(fā)生井漏，第一次正注水泥漿量按環(huán)間水泥漿返高為1480m設(shè)計，控制排量正注水泥領(lǐng)漿10m3，密度為1.80g/cm3，正注嘉華G級水泥漿55.0m3，密度為1.90g/cm3，車注2m3清水壓膠塞，泵替入清水86m3。候凝、接反注管線，正注水泥漿候凝至稠度值達100Bc后開始反注，為防漏，第一次反注密度為1.90g/cm3的水泥漿32m3。候凝1.5h后第二次反注密度為1.90g/cm3的水泥漿20m3，地面見返，至此正反注施工完畢，候凝。LG61井、160井固井質(zhì)量測井評價結(jié)果見表4。
表4 LG61井、LG160井質(zhì)量測井評價結(jié)果表
井號
套管層次(mm)
評價段長(m)
測井評價
優(yōu)(m)
(%)
中(m)
(%)
差(%)
(%)
LG61
365.1
1633.000
1316.375
80.61
288.25
17.650
28.375
1.74
LG160
244.5
2268.500
1717.500
75.71
460.69
20.310
90.310
3.98
4 結(jié)論與認識
1) 現(xiàn)場實踐表明，氣體介質(zhì)條件下的固井具有鉆井液介質(zhì)無可比擬的優(yōu)勢，它能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)空水泥漿的全充填，解決了常規(guī)固井技術(shù)無法避免的受井壁濾餅和鉆井液介質(zhì)的影響，水泥漿頂替效率低和二界面膠結(jié)差的技術(shù)難題，它對于提高固井質(zhì)量，縮短鉆井周期，降低鉆井成本，減少環(huán)境污染，具有重要的現(xiàn)實意義和良好的社會經(jīng)濟效益。
2) 要高度重視氣體鉆井的井眼的穩(wěn)定和凈化工作，充分了解和掌握井眼狀況和井身質(zhì)量，采取具有針對性的井眼準備和注水泥工藝技術(shù)措施，是確保套管柱安全順利下入和固井質(zhì)量的關(guān)鍵。
3) 套管柱居中對固井質(zhì)量影響突出，氣體介質(zhì)條件下的入井套管柱應更加注重加入套管扶正器，以避免套管在重力作用下的下貼邊效應，使水泥環(huán)難以實現(xiàn)對套管柱的均質(zhì)封固。
4) 固井質(zhì)量測井評價結(jié)果表明，注入水泥漿結(jié)構(gòu)是否合理(不能使用前置液、領(lǐng)漿量和密度需合理控制)、地層是否出水、井眼清潔穩(wěn)定與否等，也是直接影響固井質(zhì)量好壞的重要因素。
5) 理論研究表明，氣體介質(zhì)條件下的固井質(zhì)量應具有更理想的效果，但實際應用結(jié)果卻存在較大的差距，由此說明在這一新的技術(shù)領(lǐng)域仍需要不斷實踐、認知、總結(jié)、提高和完善。
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(本文作者：陳忠實1 陳敏1 常洪渠2 李旭春1 李江1 劉世彬1 1.中國石油天然氣集團公司川慶鉆探工程公司；2.中國石油西南油氣田公司)