关于深井固井的几个问题(06.2.18)

气阻剂（FLOLOK）
FLOLOK利用桥堵剂和聚合物的特殊作用，堵塞水泥 孔隙的喉道，增加孔隙阻力和限制孔隙中自由水的流动， 防止了气体的侵入。北美Wester公司利用这种非渗透性 水泥，在美国和墨西哥的84次注水泥作业中，获得了 90.5％的成功率。
微粒硅水泥
这是80年代中期为解决北海油田浅气层固井的气窜问题， 由Statoil公司研究的低密度不渗透水泥浆体系。 微粒硅的主要成份为85％～98％的非晶质二氧化硅。微 粒硅极细，其直径范围为0.02μ m～0.5μ m，平均直径约为 0.15μ m，为水泥颗粒直径的1％，比表面积约为15m2/g～ 25m2/g，为水泥的50～80倍。 微粒硅防气窜的作用有两个方面，一是不同粒度级配的 微粒硅堵塞在水泥石的微孔隙中，降低了基体的渗透率；另 一方面是，粒度极小的微粒硅被束缚在孔隙的自由水中，增 加了流动阻力。国内长庆油田使用这种水泥，在207口固井中， 成功率在90％以上。它不仅较好地解决了气窜问题，还很好 地解决了地层漏失和地下水的腐蚀问题。
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模拟地层压力
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热烈祝贺
中石化 南方海相钻井技术交流 与深井固井术研讨会
隆 重ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ召 开
“中石化南方海相钻井技术交流及深井固井技术研讨会 ”交 流
关于深井固井的几个问题
西南石油大学 邓建民 2006年02月23日
引言（深井固井困难的主要原因）
一、深井固井防窜问题 二、易漏、易涌，窄压力安全窗口 下的平衡压力固井问题
三、盐（膏）层固井问题
四、小间隙尾管固井问题
引 言
深井固井困难的主要原因在于：
① 井深，封固段长，同一裸眼井段中多个压力层系存在， 容易发生注水泥后环空窜流问题。 ② 地层复杂，地层流体也复杂 ，容易漏、涌，压力安全
窗口小，而且压力安全窗口难于准确确定（尤其是探 井），给注水泥设计和施工带来困难。
上述各问题，在深井的一次固井中有可能出现，有时可能 几个问题同时出现，这时，深井固井的难度就更大。
一、深井固井防窜问题
1、注水泥后的环空窜流
注水泥后环空窜流现象：井口环空涌、喷
井下层间窜流
注水泥后环空窜流原因（或称途径）：
① 由于钻井液被顶替不完全而经钻井液窜槽通道窜流； ② 由于泥饼或微环隙存在而经水泥与地层或/和套管交
候凝时井口环空加压
候凝时井口环空加压以弥补水泥浆失重引起的压力 降。
该措施的局限性是，当井下有薄弱易漏层时、或上 层套管下得比较浅时，所施加的压力有限或根本不能加 压。 尤其是井下上部有薄弱易漏层时，所能憋压的当量 密度有限。
固井时增大环空内钻井液的密度
采取这一措施是基于这样的考虑：在井下某一位置， 水泥浆失重后对地层作用的压力是水泥段失重后的压力 与上部钻井液段压力之和，因此，增大环空内钻井液的 密度可以增加对地层的压力，从而有利于防窜。该措施 目前基本上未应用，因为一般固井时增大井内钻井液的 密度都不利于提高注水泥顶替效率，因为增大钻井液密 度使水泥浆与钻井液之间的密度差减小，且一般情况下 增大钻井液密度也会使钻井液的粘度增加，这些都不利 于水泥浆对钻井液的顶替。
使用套管外封隔器
当水泥浆失重使得地层流体可能窜入井内而沿环空 窜流时，使用套管外封隔器，依靠机械密封可以防止。
该措施在固井施工过程中相对复杂，另外当井下有多套 压力系统的地层时，如果下入多个封隔器进行封隔施工 难度更大。
候凝期间井口环空脉冲振动水泥浆 候凝期间振动套管
因为水泥浆失重是由于在凝结过程中要形成胶凝结
界面窜流；
③ 由于失重而经水泥基体（包括两个交界面间）窜流。
2、防止注水泥后环空窜流的措施途径 （1）防止由于钻井液被顶替不完全而经钻井液窜槽 通道窜流
提高注水泥顶替效率
实际上提高注水泥顶替效率是任何井提高固井质量 的基本前提。
（2）防止由于泥饼或微环隙存在而经水泥与地层和/或 套管交界面窜流 主要措施： ① ② ③ 安泥饼刷清除泥饼（特别是假泥饼）； 注水泥时使用前置液冲蚀泥饼； 使用套管外封隔器进行层间的机械封隔；
使用多级注水泥技术
这一技术的原理与固井时增大环空内钻井液密度措 施的原理类似。因为水泥浆最终要失重到静水柱压力， 而一般钻井液密度比清水的密度大；当采用多级注水泥 技术先注下面一级时，该级上面是钻井液；因此，该级 水泥在凝结过程中，当水泥浆失重到静水柱压力时，其 对地层的压力比一次性注水泥时的大，所以有利于防窜。 而注上面级次的水泥时，下部目的段水泥已经凝结。目 前一般采取的是双级注。由于对分级箍质量的担心，且 施工复杂一些，所以在为了防窜而选用多级注时一般都 非常慎重。
（5）使用防窜水泥浆防止环空窜流
采用防窜水泥浆体系是比较有效的方法。防窜水泥又可 分为几类。
—— 不渗透水泥体系
—— 缩短过渡时间的水泥浆体系 —— 可压缩水泥体系
水泥浆在凝结过程中不发生窜流的条件是：
水泥孔隙压力 + 水泥对窜流的流动阻力＞地层压力
一般，地层压力不可改变，不同防窜水泥浆体系的防窜 原理要么是增大水泥孔隙压力，要么是增加对窜流的流动阻 力，有的或者二者兼之。
延迟胶凝强度水泥
该水泥浆能在较长的候凝时间内保持零胶凝强度， 该段时间称为零胶凝时间。零胶凝时间指的是水泥浆静 止后，水泥浆的凝聚力强度或稠度不变化段的时间。零 胶凝时间越大说明水泥浆保持液体传压能力的时间越长， 作用在地层上的压力为浆柱压力。在零胶凝时间后，是 一非常段的过渡时间。短的过渡时间对防窜的作用非常 有利。 Halliburton服务公司应用这种水泥，在美国易窜 流地区进行了8口井的注水泥作业，取得了较好的效果。
④
⑤
套管粘砂提高水泥与套管的胶结强度；
控制套管内压变化防止微环隙产生；
⑥ 使用膨胀水泥（指晶体生长型膨胀）提高水泥 与套管、水泥与地层的胶结强度。
（3）防止失重所导致的环空窜流 水泥浆失重可归纳为两类：
① 水泥浆胶凝引起的失重
② 桥堵引起的失重
水泥浆的失重所引起的压力降低，可在初凝前使水 泥浆柱压力降到静水柱压力。而由于失重引起的窜流的 危险时段也就是初凝以前，水泥浆从液态向塑态、固态 转变的凝结阶段。 防止失重所导致的环空窜流的措施可分为两类：工 艺方面的措施、防窜水泥浆。从原理上而言也可分为两 类：防止或降低失重、增加窜流阻力。
③ 盐（膏）层段固井，封固盐（膏）层的良好性能水泥浆
的实现比较困难。
④ 井底温度压力高（或温度高、压力梯度小），良好性能 水泥浆的实现比较困难（水泥浆密度高与超高或超低，
温度压力对水泥浆的动、静态性能均有影响）。
⑤ 下部井段固井时，往往是小间隙固井（大部分是尾管 固井），固井质量难以保证。最突出的是5″尾管。
3）可压缩水泥
这种水泥有时又称为膨胀水泥或发气水泥。这是一 种增加孔隙压力的水泥浆。由发气剂和水泥浆混配而成， 发气剂通称为防窜剂。可压缩水泥浆不仅能增加孔隙压 力，还具有微膨胀的特性。在国外，哈里伯顿 （Halliburton）等公司已形成了Gascheck、D29等产品。 1980年哈里伯顿公司发表了它们在美国、加拿大及阿根 廷的使用情况，共计在套管、尾管等250次注水泥作业中 采用，成功率85.2％。国内的产品有KQ和QJ-625等，已 广泛在四川、中原、大庆、新疆等油田的高压油气井中 使用，取得了很好的效果。
构，该两措施的原理都是依靠振动破坏水泥浆的胶凝结 构，从而达到降低失重的目的。有成功案例报道，但未 见推广使用。
上述方法当环空内存在桥堵情况（可由井径缩小处 水泥沉降、某一高渗层处水泥浆快速失水等导致）时不 能保证成功，因为桥堵将使上部的压力不能有效地向下 部传递。另外，关于管外封隔器，对于封隔器以下的井 段，管外封隔器相当于人为桥塞，对封隔器以下井段的 防窜可能反而不利，因此其一般只能封下部为单一压力 系统的地层。
可压缩水泥防窜的基本原理
防窜剂的基本材料是铝粉。 铝的性能很活跃，在酸碱作用 下都要产生氢气。由于水泥浆 呈碱性（pH值为12～13），当 防窜剂均匀地混拌在水泥浆中 时，在温度的作用下发气，气 体以极小的气泡均匀地分布在 水泥浆中，并借助于浆体胶凝 结构和/或失水引起的桥塞， 储存了一个附加压力，气泡内 所储存的压力可补偿水泥浆失 重所导致的压力降低，从而防 止窜流。
1）不渗透水泥体系
这是一种增加水泥对窜流的流动阻力 的水泥体系。根据对 窜流的流动阻力增加方法的不同，有以下几种不同类型的不渗 透水泥浆。
堵气剂
堵气剂的主要成份为胶乳等。胶乳是固体聚合物，将胶乳 分散在水中，并用阴离子表面活性剂和护胶凝剂加以稳定构成 堵气剂。胶乳微粒直径较小，为0.2μ m～0.5μ m，具有初期堵 塞水泥孔隙和形成薄膜的能力。当气体与水泥浆中的胶膜相接 触时，胶乳微粒将聚结在孔隙中，形成一种粘性的低渗透聚合 体和塑性膜，从而阻止了气体继续窜入环形空间的可能性。 ARCO石油天然气公司使用这种非渗透性水泥在美国等地进行了 60多次的套管和尾管固井，成功率为93％。在国内，海洋上使 用同类产品G600同样取得了较好的效果。
⑥ 钻井液密度高、粘度高、切力高，给提高顶替效率带 来困难。 ⑦ 封固段长，上下温差大，上部封固质量不易保证。 ⑧ 地层不稳定，井径易扩大甚至扩大严重（包括探井试 油导致的井径扩大），最不利的是出现“糖葫芦”井 眼情况。 ⑨ 国内抗高温水泥外加剂、深井固井工具与附件不尽如 人意。 ⑩ 部分施工队伍的设备有时成为制约因素。
少水泥柱高度，以减少水泥的失重值及其对窜流的影响。 但是，水泥封隔长度一般都会有一定要求，不能轻易改 动，或许可以改动但有限，因此该措施有较大的局限性。
使用双凝水泥
井内要封隔的水泥段较长时，为了防止窜流，可在 水泥柱各段范围内添加不同的外加剂以调节水泥浆的凝 固时间，使水泥浆从下到上逐渐凝固。常采用的是两凝 水泥。当下部速凝段处于危险状态时，上部缓凝段仍保 持较高的静液压力；而缓凝段降至水柱压力时，下部速 凝段早已凝固，从而防止窜流。该措施可行，所带来的 不便之处是水泥浆体系稍微复杂一点，有时更大的不便 不是水泥浆体系的实现而是现场施工不便。
2）缩短过渡时间的水泥浆体系
从原理上而言，这种水泥体系主要是增加水泥对窜
流的流动阻力。 直角稠化水泥
直角稠化水泥在初凝前保持较小的稠度，作用在地 层上的压力基本上全部为浆柱压力。胶凝强度的增加， 无平缓的变化阶段，而是很快增加到240Pa，过渡时间极 短，一般在几十秒到1min～2min内。胶凝强度的突然增 加，说明水泥浆的快速水化和迅速凝固，水泥石的渗透 率降低得很低。
触变性水泥
触变性水泥有以下主要特点：首先，水泥浆初期的 胶凝强度主要是由于浆体结构的形成，而不是凝结引起， 胶凝强度具有可逆的性质，即静止变稠，开泵循环变稀。 其次，触变水泥的过渡时间比一般水泥低一半以上。当 胶凝强度增长至240Pa时，静液压力并未低于地层压力， 起到了防窜的作用。 Conoco公司从1983年开始在德克萨斯州进行了15口 尾管及2口套管固井均取得成功，尾管顶部封固得也好， 整个声幅测井及固井质量良好，未发生气窜问题。美国 DS公司生产的D53、D111及Hallibuton公司生产的ThixSet 31都属于这种类型。
前八个主要是客观环境，有的通过技术进步可以降低其难度，而 后二者应该是可以改进的。
因此，深井固井时需要解决如下主要问题： ① 深井固井防窜问题； ② 易漏、易涌，窄压力安全窗口下的平衡压力固井问题； ③ 水泥环抗H2S、C02、腐蚀性地层水的问题； ④ 针对盐（膏）层的固井问题； ⑤ 良好性能的恒超低密度水泥浆、高与超高密度水泥浆 的实现问题； ⑥ 深部小间隙固井问题； ⑦ 高密度钻井液条件下的提高顶替效率问题； ⑧ 长封固段上部封固质量的保证问题； ⑨ “大肚子”和/或“糖葫芦”井段的固井质量问题。
（4）防止失重所导致的环空窜流的工艺方面的措施
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
降低水泥柱高度； 使用双凝水泥； 候凝时井口环空加压； 固井时增大环空内钻井液的密度； 使用多级注水泥技术； 使用套管外封隔器； 候凝期间井口环空脉冲振动水泥浆； 候凝期间振动套管。
降低水泥柱高度
在对水泥浆封隔长度无什么特殊要求时，可适当减