干法固井的技术难点和对策研究

朱忠喜 杨海平 刘 彪 潘丽娟

（1.长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100；2.江汉石油管理局，湖北潜江 433124； 3.中石化西北油田分公司工程技术研究院钻井所，新疆乌鲁木齐 830011）

在低压、易漏、出水少、水敏性强的地层实施空气钻井，可以大幅度提高钻井速度，避免常规钻井出现的井漏井塌等问题。在空气钻井施工完成后进行固井作业时，通常要先将井筒内的空气转换成钻井液，之后再进行下套管固井作业。但是，空气钻井过程中能够避免的井下复杂情况，在转换钻井液过程中却又会显现，极易发生井漏、井垮等井下复杂情况，严重影响空气钻井技术的提速效果。因此，国内外开展了干法固井技术研究。干法固井是指纯空气钻井结束后，不进行转换钻井液就实施下套管及固井作业的完井方法。该方法省去空气转换钻井液工序，既可避免转换钻井液时井漏、井垮等井下复杂情况的发生，又可避免转换后钻井液、滤饼和堵漏材料对水泥胶结面的影响，使得水泥浆与套管、井壁直接接触，大幅度提高固井质量。

1 干法固井技术现状

国内干法固井实施的套管层次主要以导管、表层套管、技术套管为主，Ø508 mm、Ø365.1 mm、Ø339.7 mm、Ø244.5 mm 套管都成功进行了应用［1-3］。

国内实施干法固井通常包括管内正注水泥浆和环空反灌水泥浆2 个步骤。在正注水泥浆中，在套管尺寸大的井中实施了内管插入法固井。但是目前还没有见到实施双级或多级固井的报道。

在国外，从1998 年开始美国新墨西哥州地区的梅萨维德和达科他地层开始实施了干法固井技术，套管下深为2 370 m 左右，套管尺寸为Ø114.3 mm，井眼尺寸为Ø158.8 mm，实施双密度双凝水泥浆单级固井，或实施双密度双凝水泥浆外加管外封隔器双级固井［4］。

2 干法固井技术特点

2.1 技术优势

（1）克服了常规固井工艺水泥浆顶替效率低的技术难题，采用水泥浆直接置换气体，容易实现套管环空水泥浆的有效充满，保证了水泥环自身的良好封固特性。

（2）常规条件固井，钻井液在压差作用下，在井壁形成单层或双层滤饼，同时钻井液还会附着在套管壁上，固井施工过程中即使采取冲洗液和滤饼溶蚀剂等措施，仍难以彻底清除虚滤饼和附着物，从而影响水泥环界面胶结质量。当井筒为气体介质时，与水泥浆接触的套管外壁和井壁两界面上无任何污染，能实现良好的原始胶结，确保了水泥环胶结质量，最大程度地提高了胶结面的密封质量。

（3）可避免固井施工中发生液柱压力诱导性井漏。根据地层承压能力，采用正注与反注水泥浆相结合的固井工艺，分段设计注入水泥浆液柱当量密度，防止固井施工中发生压力诱导性井漏。

（4）有利于作业区域环境保护。常规固井作业时，一是注入水泥浆会置换出相应的钻井液；二是因钻井液与水泥浆接触产生大量混浆，需要直接排进污水池，不可避免地对井场周围环境造成一定程度的污染。

（5）可减少替入钻井液的中间环节，缩短钻井周期，也可减少或避免出现井漏、井垮井下复杂情况。

2.2 技术难点

（1）下套管前保持井眼稳定和井眼光滑难度大。采用空气作为循环工作流体钻成的井眼，井壁干燥，孔隙、裂缝基本保持原始状态，但各个地层地质构造应力不尽相同。因此，在没有液柱压力的情况下，坍塌压力很容易使井眼掉块、坍塌而失稳。如果依靠空气彻底清除钻屑和掉块，现场施工比较困难，特别是体积较大的掉块。

（2）固井过程中极易井漏，水泥浆返高难于控制。由于水泥填充原始孔隙、裂缝，需要一定量水泥浆，即渗漏；实施空气钻井，多是易塌易漏、地层承压能力低的地层，注入水泥浆时，液柱压力一般远大于地层漏失压力，造成井漏，即压漏；当井下出现水泥浆漏失时，施工过程中不易监测，掌握和控制水泥浆返高困难。

（3）水泥浆在非连续流动的情况下，施工参数难以控制。在常规固井注水泥时，常因为套管内和环空流体的密度差，而产生“自流效应”，或称作“U形管效应”［5-6］。在干法固井中，井筒内为空气，在水泥浆重力作用下，发生U 形管效应几乎无法避免。在水泥浆注入空井过程中，管内无法形成连续流动，实际施工压力、排量不能准确反映井下情况。

对于管径较大的套管，在实施正注水泥过程中，水泥浆受套管内壁的阻力不足以抵抗水泥自身的重力作用，很容易脱离管壁，很难以全充满的形式向下流动，从而形成间断性地与套管壁接触，呈现不规则的自由下落状态。因此，水泥浆在套管内的实际流量大于水泥浆的泵入量。

（4）套管封闭的空气无法及时排出。水泥浆在套管内下落过程中与管内空气掺混，水泥浆被空气污染，并且井深越深，污染越严重。在开始注入阶段，水泥浆自由下落，呈现不连续流动，套管内的空气很难被及时挤入环空，同时自由下落的水泥浆到达井底后，堆积产生一定量连续水泥浆段，经过套管鞋进入环空，而后续的水泥浆在下落的过程中，又会推动之前剩余在套管内的一部分空气向下流动，不连续的水泥浆再次在井底堆积成连续水泥段，进入环空。此过程反复进行，随着环空内水泥浆液柱增长，套管内外的液柱压差逐渐缩小，最终套管内的空气被全部推到环空中，但是环空中的水泥浆却呈现间断性的或夹杂着空气的水泥环，对固井质量影响较大。

（5）水泥浆在下落过程中容易造成固井工具及固井附件损坏或失效。由于套管内为空气，在注水泥过程中，尤其是注水泥初期，水泥浆快速下落过程中会对井底产生较大冲击力，容易造成固井工具及固井附件损坏或失效。

（6）水泥浆的自流效应和失水作用，增大环空堵塞的可能性。水泥浆的自流效应使得环空返速增大，对井壁的冲刷比常规固井严重得多，而水泥浆的失水也会使干燥的井壁失稳掉块，水泥浆具有较强的携带能力又容易造成井壁掉块及原井眼的钻屑聚集，堵塞环空，进一步恶化，则会压漏薄弱地层。

（7）井下不确定因素多，潜在风险大。空井注替水泥过程涉及的工作环节多、工作量大，稍有不慎，很可能引起其他风险因素，如井下发生漏失、环空挤水泥速度不合理等。

3 应对干法固井难点的技术对策

3.1 施工工艺

（1）固井施工前要收集区块内已钻井不稳定地层和薄弱地层的资料。干法固井主要目的就是避免裂缝性漏失层和低承压地层固井时发生漏失，因此，在实施干法固井前，对地层了解得越清楚，制定的固井施工方案越具有针对性，实施过程中越能避免井下复杂情况的发生。

（2）下套管前进行模拟通井。良好的井眼质量和井眼准备工作是套管顺利下入的关键。为保证下套管顺利，下套管前进行模拟通井，通井时要充分循环清洁井筒。下套管后也要大排量清洁井筒，以保证水泥浆在环空易于流动和界面的有效胶结。干井下完套管，应根据井眼和套管的尺寸选择循环排量，Ø311.2 mm井眼通常采用90～100 m3/h气体排量清洁井筒。

（3）使用套管扶正器保持套管在井内的居中。目前国内干法固井还处于现场试验的初期阶段，为保证套管能顺利下至预定井深，通常只在套管重叠段下入几只刚性套管扶正器，而在裸眼段使用弹性套管扶正器的情况较少，套管的居中对固井质量影响突出。气体介质与钻井液介质条件下下套管有显著的不同，由于套管柱始终处于空重状态，加之套管与井壁间缺少液相润滑，套管柱受重力作用更加紧靠下井壁即贴边更严重。因此，必须选择合适的套管扶正器，减小套管与井壁之间接触面积，从而减少下套管的摩擦阻力，确保套管顺利下入，同时确保水泥浆在管外分布均匀，形成良好具有封隔作用的水 泥环。

（4）精心设计水泥浆配方，优化水浆性能。精心设计水泥浆性能，包括合理的密度、较低的失水、良好的沉降稳定性和流动性等。协调、良好的水泥浆性能是固井质量优良的前提条件。水泥浆不仅需要具有低失水、零析水、微膨胀、低渗透、沉降稳定性好、早期强度高等特点，而且在干燥环空中长时间上返流动时，需要保持良好的流动特性。

（5）采用冻胶阀技术，提高套管内空气排空效果。在注水泥之前，先注入一段黏度较大，润滑性较强的冻胶，使管内的空气与水泥浆完全隔离开来，管内空气可以在水泥浆到达井底时，全部被排到环空中，即使水泥浆下行的过程中出现不连续流动，但是其不连续的空间内是真空状态。此种方法对冻胶阀的性能有着特殊的要求，类似于一个液体胶塞，要求从环空向上运移过程中具有较强的润滑性。缺点是，若不是一次性套管内注水泥固井或固井过程中发生漏失，冻胶阀会停留在环空内，不能形成水泥环。因此，若采用冻胶阀，其用量必须进行合理的设计，并充分考虑地层承压能力和注水泥方式，避免出现漏封段。

（6）采用可容纳粉尘、低失水、防漏堵漏和良好流变性能的水泥浆作为前置液。常规固井的前置液具有隔离钻井液，确保水泥浆不被污染，而干法固井需要用先导浆来代替前置液，以满足干法固井井壁易吸水、易漏失、多砂尘的工作环境。

（7）采用插入式注水泥工艺降低水泥浆被空气污染量。对于大尺寸套管、长封固段空井注水泥，采用插入式注水泥具有以下优势：插入管的内径小，管柱内封闭的空气体积少，管壁产生的摩阻较大，水泥浆呈现不连续流动的程度会降低，进入环空内的混气水泥浆段缩短，对固井质量的提高会有较好的作用；插入式固井充填满管柱所要的注入量远小于非插入式固井，因此，同等注入量条件下，插入式固井能在套管内外快速形成连续水泥浆液柱，套管柱外环空更快地被充填水泥浆，减小空井水泥浆对附件的冲击破坏；水泥浆自由下落的速度受到钻杆内壁摩阻的限制，水泥头内不会产生过大的负压力，环空不会出现过高的返速，有利于保护水泥头，有利于井壁稳定；注入的水泥浆基本上处于直接向环空驱替过程，施工参数动态监测有利于及时发现和处理井下复杂情况。

（8）根据地层承压能力选择注水泥方式。

①采用正注反灌结合方式固井。当裸眼段存在低压漏失层时，正注水泥浆的上返高度受到限制，可以在正注水泥浆胶结强度达到施工要求后，采用环空反灌水泥浆的方式，封固上部井段。在反灌水泥浆时，其注入排量不能过高，确保环空内的空气及时排出。若反灌水泥浆时排量过大，环空内空气没有排干净，在环空水泥浆内形成一些空气泡，会对固井质量造成较大影响。

②采用双级固井技术。在井眼较小的情况下，可以采用双级固井技术。在美国新墨西哥州地区实施干法固井时，经过多年的现场试验，优选出了双密度双凝水泥浆加管外封隔器双级固井工艺技术［4］。国内在实施干法固井时，若井眼条件满足施工要求，可以进行双级固井技术的试验。

不管采用何种方式注水泥，单次封固段水泥浆液柱压力不应超过该井段地层的承压能力。

3.2 固井工具改进

（1）井下节流器。美国的Thomas E. Ferg 发明了一种用于干法固井的井下节流浮箍［7］，如图1 所示。该节流浮箍是利用节流孔的节流作用和止回阀的单向流动作用而设计的，将特制的铝质节流孔和止回阀进行组合，主要用于降低注水泥过程中“强自流效应”引起的环空返速过快问题。而在干法固井中，下套管过程中止回阀不需要打开，井筒内的空气不会引起套管漂浮问题。

图1 井下节流浮箍

举例说明节流浮箍的节流作用：已知内径为Ø101.6 mm 套管，节流孔内径为Ø20.64 mm，井深为2 000 m，水泥浆为12.5 m3，密度为1.44 g/cm3。假设水泥浆先全部充满套管后再开始向环空流动，那么没有安装节流浮箍时，其液面自由下落速度可达到158 m/s，而安装节流浮箍后，其自由下落速度不超过6.53 m/s。说明安装节流浮箍后能够非常好地控制水泥浆的自流效应，从而避免因自流效应而引起的井下复杂问题。

（2）井下节流工具设计。国内针对常规固井注水泥过程中的自流效应问题，发明了多种类型的控制装置，如辽河油田的“克服注水泥过程中的U 形管效应的装置”［8］、大庆油田的“固井过程中U 形管效应控制器”［9］等。但是这些装置与国外的节流控制器的最大区别是，国外的节流器要求在下套管过程中止回阀处于关闭状态，这样可以避免在下套管过程中有害气体从套管内溢出，引起地面着火或毒气伤害问题。

4 结论

（1）干法固井省去了气体钻井后进行钻井液转换的工序，直接进行干井筒固井，避免在进行钻井液转换时发生井漏、井塌等复杂情况发生的可能，增强了第一和第二界面的胶结质量。

（2）干法固井注水泥过程中，水泥浆自流效应非常严重，井下固井附件受到的冲击力大，易损坏或失效，同时，水泥浆下落过程中与套管内空气发生窜混，混入的气体影响固井质量。

（3）干法固井对下套管施工更加严格，套管下入摩阻大，安装扶正器的数量和位置设计工作难度大。

（4）干法固井虽然避免了转换钻井液工序带来的井下复杂问题，但是在注水泥过程中仍然要面临井塌、井漏等复杂问题，对水泥浆性能的设计要求更加苛刻。要求水泥浆具有低失水、零析水、微膨胀、低渗透、沉降稳定性好、早期强度高等特点。

（5）对于套管尺寸在Ø244.5 mm 以上的井，实施干法固井时可以采用插入式方式固井；对于套管尺寸在Ø244.5 mm 以下的井，实施干法固井时可以采用双级或多级固井方式，为了避免水泥浆的自流效应，可以对井下浮箍或浮鞋进行设计，降低井下复杂情况发生几率。

［1］ 林强，郑力会，冯建华，等.平落006-5 井空井固井初探［J］. 钻采工艺，2008，31（1）：31-32.

［2］ 刘广熙，张学亮，陈道元，等.井筒无钻井液固井技术［J］ . 石油钻采工艺，2011，33（4）：38-41

［3］ 张卫平.建35-3 井空井固井技术［J］ .钻井液与完井液，2011，28（3）：89-94.

［4］ BROWN D, FERG T E. The use of lightweight cement slurries and downhole chokes on air-drilled wells［J］. SPE Drilling & Completion, 2005, 20（2）∶123-132.

［5］ BEIRUTE R M. The phenomenon of free fall during primary cementing［C］. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Houston, Texas, 1984-09.

［6］ 张文，张景富.固井注水泥过程计算机仿真［J］.科学技术与工程，2010，10（15）：3767-3771.

［7］ FERG T E. Method and apparatus for cementing an air drilled well∶ U.S., 6520256［P］.2003-02-18.

［8］ 李学军.克服注水泥过程中U 形管效应的装置：中国，94228051.2 ［P］.1995-05-31.

［9］ 大庆石油管理局钻井研究所.固井过程中U 形管效应控制器：中国，94247778.2 ［P］.1995-12-06.