尾管固井短路复杂情况及其补救固井方案

刘春文 沈海超 袁济华 王希玲 卢运周

（中国石化集团国际石油勘探开发有限公司）

固井是钻井工程最后一个环节［1-3］，也是一项不可逆的工程。近年来，固井循环短路事故呈日渐上升趋势，尤其对于尾管固井更是如此；固井短路事故一旦发生，若不能及时采取有效措施进行补救，将直接导致无法实施固井作业［4］。研究表明，尾管悬挂器失效是导致尾管固井循环短路的主要原因之一，且尾管悬挂器失效多以密封失效为主［5-6］。本文以某区块X-3井φ177.8mm尾管固井循环短路复杂情况为例，分析了该井尾管固井循环短路的原因，并重点分析了该井尾管固井复杂情况的处理过程；同时提出了利用迟到时间法实时监测、动态分析井下循环情况，有效避免了循环短路以及固井窜槽等复杂情况的发生，最终确保了该井补救固井成功且固井质量满足要求。

1 尾管固井短路复杂情况

X-3井是位于某区块的一口预探井（直井），设计井深3 500m。该井于2010年7月18日开钻，9月27日φ215.9mm钻头四开，四开期间井壁坍塌掉块严重，井径不规则，钻进及划眼时出现蹩停顶驱、起下钻遇阻、遇卡等井下复杂情况，11月28日钻至井深3 376m后完钻。该井实际井身结构示意图如图1所示。

图1 X-3井井身结构示意图

X-3井采用φ177.8mm尾管射孔完井方式，完井测试层位DST1深度为2 738.0～2 810.4m。按照设计在井底打悬空水泥塞，塞面位于2 915m，塞长100m，下压水泥塞35t，强度符合设计要求。下套管前按设计要求通井，下入φ244.5mm刮管器对尾管座挂段进行刮管，后顺利将φ177.8mm尾管一次性下至井深2 912.5m处，尾管附件采用双浮箍（浮箍1深度2 891.78m、浮箍2深度2 875.86m）。

X-3井尾管固井出现的复杂情况主要有：

（1）尾管悬挂器座挂失败

X-3井顺利下完尾管后，以110.6L／min的排量开泵顶通，并逐渐提高排量至1 437.8L／min（固井所需排量），充分循环，立压为10MPa。以663.6L／min排量泵送投球，估算送球到位后，以110.6L／min排量蹩压座挂，当立压升至7.2MPa时便不再上升；逐渐提高排量至221.2L／min，立压继续升至7.5MPa后不再上升，同时见钻井液返出，说明井下存在循环通道，现场分析可能是球座刺漏，遂决定加大排量以提高管内压力，尽可能蹩起压以实现尾管悬挂器座挂。

然而，X-3井以1 106.0～1 548.4L／min排量尝试座挂6次均未成功，但出口钻井液返出正常说明循环通路已经畅通，据此进一步分析认为可能由于铜球卡在送入工具内而未能送入到位，导致蹩不起压而无法实现座挂。若此时投放钻杆胶塞，胶塞可能受阻于铜球而下不到位，无法与尾管胶塞复合后实现碰压，为此现场下入测井校深仪器进行通井检验。仪器下至1 733.55m（尾管悬挂器中心管底深），张力正常，钻具内畅通，故排除铜球卡在送入工具内的可能，据此研究决定不再尝试座挂，将尾管直接下放到井底，倒扣固井。

（2）固井循环短路

将尾管下放到X-3井井底，严格按照操作规程倒扣，倒扣成功。以1 437.8L／min排量开泵循环，立压与倒扣前一致，说明中心管密封正常。管汇试压合格后开始固井施工：以1.2m3／min排量，先后泵入密度为1.98g／cm3的先导浆30.0m3、密度为2.01g／cm3的隔离液8.0m3和密度为1.88g／cm3的低密度水泥浆4.0m3；接着泵入密度为2.05g／cm3的领浆26.4m3，当泵入领浆19.0m3时，井口疑似有先导浆状液体返出；在现场继续施工的同时，密切观察井口返出情况，泵入密度为2.11g／cm3的尾浆12.2m3和压胶塞液2.0m3后，当替浆至13.0m3，井口见水泥浆返出。从泵入低密度水泥浆至此，累计入井液量为57.6m3，而钻杆内及钻杆环空的总容积为59.0m3，由此判断尾管悬挂器附近出现循环短路，遂大排量将水泥浆全部替出，避免了“插旗杆”事故。

现场起出X-3井尾管送入工具检查，发现尾管悬挂器提拉管上端母接箍之下的本体裂纹近1m长（图2），固井胶塞仍位于中心管底端未被剪断。分析认为，该井所用悬挂器提拉管存在严重材质缺陷，如微裂纹、夹渣等，热处理时形成应力集中，出厂前探伤、试压均未表现出来；随着后期应力释放、裂纹逐步扩大，导致固井时较低的压力便出现剌漏，并沿轴向发生贯通性裂纹。裂纹在液压作用下被刺开，导致蹩压无效、尾管悬挂器无法座挂，固井过程中进一步造成循环短路。

图2 X-3井尾管悬挂器提拉管刺漏照片

2 尾管固井短路的补救固井方案——基于迟到时间法监测分析井下循环情况

针对X-3井的尾管固井短路情况，考虑到φ215.9mm井段钻井液停止循环时间较长、环空可能堵塞，提出利用迟到时间法监测分析井下循环情况，尽快建立起正常循环并避免再次出现循环短路，这是补救固井成败与否的关键所在。

2.1 迟到时间法监测分析井下循环情况的基本原理

迟到时间是指岩屑或岩屑中的气体从井底随钻井液上返至地面所需的时间，一般用于录井［7］。迟到时间由其上返速度决定，而岩屑上返速度为钻井液上返速度与岩屑沉降速度之差，可由Pigott公式求得［8］

式（1）中：v1为岩屑上返速度，cm／s；v0为钻井液上返速度，cm／s；g为重力加速度，981cm／s2；D为岩屑粒径平均值，cm；ρs为岩屑密度，g／cm3；ρm为钻井液密度，g／cm3；μa为钻井液视粘度，mPa·s。

结合固井实践，提出了将迟到时间法用于固井监测分析井下循环情况，其基本原理为：通过跟踪分析迟到时间实测值及理论计算值，对比参与流动钻井液体积的理论值以及实际计量值，一方面可用于分析井下循环情况，判断是否存在循环短路及短路位置；另一方面，判断该排量下井下流动是否存在窜槽情况及其严重程度，有助于保证固井时替净环空水泥浆，避免固井窜槽情况的发生，提高固井顶替效率。迟到时间法的合理应用可为钻完井工程中井下情况判断以及相关技术措施的制定提供参考依据。

实测迟到时间一般指利用和实钻岩屑密度大小相近的指示物（通常使用瓷片）和自身会轻微上浮的塑料片由井口投入钻具内，记录开泵时间和见到时间，即为指示物由井口下行至井底，再由井底上返至井口循环一周的时间，减去指示物的下行时间，即可求出实测迟到时间。

2.2 补救固井方案

确定的补救固井方案为利用回接插头建立正常循环固井，即利用回接插头与尾管回接筒联接，若密封良好且能建立正常循环，则进行固井施工；若回接插头与回接筒联接密封效果差或不能密封，循环短路依然存在，则启用备用补救固井方案，即下入可回收式管内封隔器建立正常循环固井（备用补救固井方案1）和下入管内封隔器挤水泥封隔测试井段（备用补救固井方案2）。

（1）下入可回收式管内封隔器建立正常循环固井（备用补救固井方案1）

X-3井管内封隔器送入管串结构：φ127mm钻杆＋转换接头＋φ88.9mm钻杆＋φ120.65mm钻铤＋安全接头＋φ177.8mm管内封隔器＋φ88.9mm钻杆。倒开安全接头的判断决策点为：固井结束后若管内封隔器无法解封，则立即从安全接头处倒开，起出上部管串，避免井下复杂情况的发生。在尾管内下入φ177.8mm管内封隔器，连接安全接头（以防止封隔器不能解封时能够顺利起出钻具），管内封隔器安放于2＃浮箍顶部，并尽可能地靠近2＃浮箍座封，座封后尝试建立正常循环。若能建立正常循环，则进行固井施工；若无法建立正常循环，可能为浮鞋的循环孔道或2＃浮箍的循环通道受沉砂堵塞，不能蹩通，则考虑在2＃浮箍顶部射孔，建立起循环通道后固井。若射孔后仍然不能建立循环，判断为环空堵塞，则采取备用补救固井方案2，考虑通过挤水泥封隔测试层，以达到该井完井测试目的。

（2）下入管内封隔器挤水泥封隔测试井段（备用补救固井方案2）

首先在2＃浮箍顶部的射孔位置打水泥塞，封隔该射孔段，然后在完井测试层（2 738.0～2 810.4m）的顶部射孔，下入φ177.8mm管内封隔器进行挤水泥作业，封隔测试段上部可疑水层，以确保完井测试顺利进行。

3 利用迟到时间法指导尾管固井短路复杂情况的处理过程

3.1 利用尾管回接插头进行固井

下入φ149.23mm牙轮钻头探水泥塞，于2 859.9m遇阻，说明φ177.8mm尾管内未进水泥浆；为防止补救固井时球座不能被蹩开，将球座钻穿并通到2＃浮箍位置，循环正常后起钻。下入φ177.8mm尾管回接插头联接回接筒后，以0.12m3／min小排量开泵循环13h，排量逐步提高到1.1m3／min，循环时全烃值由0.04%上升至37%，排量提到0.6m3／min时发生井漏，泵入桥堵浆6m3堵漏成功。但后期通过井温和迟到时间判断，回接插头不密封，井下存在大小2个循环通路，即通过井底的大循环以及通过回接插头处的小循环；后振动筛处发现回接插头密封圈胶皮，充分证实了回接插头密封失效的判断是正确的，起出后发现回接插头的4组密封圈少了2组（图3）。

图3 X-3井φ177.8mm尾管回接插头密封圈脱落情况

由于利用尾管回接插头联接后循环短路依然存在，达不到固井施工条件，遂决定启用备用补救固井方案1，即下入φ177.8mm管内封隔器建立正常循环后尝试进行固井。

3.2 下入管内封隔器以建立正常循环固井（备用补救固井方案1）

（1）固井施工准备

为便于管内封隔器顺利下入并准确座封，现场下光钻杆洗井，并在预计封隔器座封井段2 855m泵入10m3防卡水泥浆，后下入管内封隔器至2 855m并顺利座封。先小排量开泵顶通并控制泵压，防止井漏；井下情况正常后，逐步提高排量循环至1 216.6L／min，尽可能充分清洗井眼；同时跟踪分析迟到时间，发现由于φ215.9mm井眼环空钻井液长时间未参与流动，尽管循环已经顶通，但环空窜流仍较严重，井下条件暂没有达到固井条件。为此，现场3次泵入轻浆冲洗尾管环空，并继续密切跟踪迟到时间。经多次迟到时间法综合分析，确认井下无循环短路存在；并且通过对比实际参与循环的钻井液量以及理论计算所得循环液量，判断φ215.9mm井眼环空循环正常，无窜流情况，已达到固井条件，现场准备固井。

（2）固井施工过程

为提高X-3井目的层固井封固质量，同时确保固井施工安全，采用非渗透防气窜水泥浆体系，控制水泥浆返高至2 200m，以防环空窜流导致部分水泥浆返至回接筒位置，造成其他复杂情况；计划固井施工后从φ177.8mm尾管喇叭口挤水泥以封固上部重合段。开始固井施工，先后泵入密度为1.98g／cm3的先导水泥浆30m3，密度为2.01g／cm3的隔离液8m3，密度为 2.04g／cm3的领浆14m3，密度为2.11g／cm3的尾浆8m3，密度为2.01g／cm3的后置液1.5m3，密度为1.98g／cm3的替浆17.63m3。施工结束后起钻至φ177.8mm尾管喇叭口循环，未见水泥浆返出，整个固井施工过程顺利。

（3）φ177.8mm尾管喇叭口挤水泥

待水泥浆初凝后，下φ127mm光钻杆至1 730m，由φ177.8mm尾管顶部环空挤水泥以封固上部重合段。通过试挤水泥浆5m3，确认有挤注通道后，连接固井管线并试压合格。开始正式挤注水泥，先泵入3m3先导浆然后关封井器，挤水泥14.2m3和冲洗液1m3，替水泥浆7.4m3，然后泄压开井，水泥浆倒返2.5m3，循环关井蹩压3.0～3.5MPa候凝。

（4）固井质量评价及套管试压

根据声波测井曲线CBL评价固井质量，结果表明主要测试层段封固质量良好，详细结果见表1。

用固井车对套管串试压，打压至14MPa，压力不升，停泵后压力降至8MPa，试压不合格，经分析由于上部重合段存在微间隙所致，现场讨论再次进行挤水泥。

表1 X-3井φ177.8mm尾管固井质量（1 736.2～2 871.4m）

（5）φ177.8mm尾管喇叭口第2次挤水泥及套管试压

用固井车进行第2次挤水泥作业，共挤入水泥浆2.1m3，最高挤注压力24MPa，关井蹩压候凝，稳压12MPa压力不降，后对全井套管串试压20.5MPa，稳压30min后，试压合格。至此，此次尾管固井短路复杂情况最终采用下管内封隔器的固井措施成功处理。

在X-3井φ177.8mm尾管补救固井过程中，利用迟到时间法现场及时查出尾管回接插头密封不严，从而果断启用备用固井方案（下封隔器座封后建立正常循环固井），有效避免了再次出现循环短路；同时在座封封隔器成功且顶通建立循环后，通过跟踪迟到时间，判断井下环空钻井液窜流严重，暂达不到固井条件，现场果断采用低粘轻浆冲洗尾管环空等方式，促使环空流动正常化，最终补救固井成功完成，固井质量较好且满足完井测试要求。

4 结束语

由于尾管悬挂器提拉管刺裂，导致X-3井蹩不起压、尾管悬挂器无法座挂以及后续固井过程出现循环短路复杂情况，为此对该井尾管固井短路复杂情况进行了原因分析，制定了系统有效的补救固井方案，并结合现场实践提出了一套用于判断井下循环情况的迟到时间法。该方法在X-3井补救固井过程中的成功应用，有效避免了因尾管回接插头与回接筒联接处密封不佳再次出现固井循环短路的情况，同时为下入管内封隔器固井前环空窜流情况的分析提供了有效手段，建议在今后的固井施工过程中加以推广使用。

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