大斜度井固井顶替界面稳定性探究

刘本栋

摘 要：大斜度井和水平井的客观因素决定了其固井技术方法与直井固井有着截然不同的方式。套管的居中，对隔离液和钻井液性能的新要求，套管配件的合理选择，新技术措施的采用，水泥浆失重现象的防止。对于提高顶替效率，避免窜槽现象的发生从根本上保证了固井质量。 随着时代的进步，科技，的发展，新型材料及设备的研究，对钻井固井技术的提高有着极大的推动力，促进了石油工业生产的快速发展，保证了每一口井开采的最大经济效益。

关键词：大斜度井；水平井；固井质量；稳定性；顶替界面

由于我们过去着重于垂直井的固井研究，对大斜度井和水平井的固井技术研究不多，使得固井质量的效率极低，而且费用比其他完井方法搞，过去已经完成的大斜度井和水平井中，采用固井完井的极少。大多数大斜度井和水平井采用了非固井的完井技术。但是固井完井比其他非固井完井技术好，对延长油气井的使用寿命，提高油气井的采油速度，与进行增产作业及二，三次采油都起着重要的作用。

2 倾斜井固井质量的研究

我们在固井工作完成后，都会对其进行声幅，声波变密度测井等测井技术来检测和评价固井质量，将变密度测井结果与声幅测井结果对比分析，常发现井底的胶结情况不好，有窜槽现象存在。钻井液窜槽：通过试验数据结果，可以看出倾斜井的固井试验结果与垂直井的试验结果有很大的不同。几乎在每个倾斜井的试验中，沿着环形空间下部的水泥环都存在钻井液窜槽。 数据表明，在大多数试验中环形空间的下半部分顶替效率比上半部分低，在许多试验的套管内部的底边上有发生钻井液窜槽现象。这与我们平常通过测井技术所测到的结果是一致的。钻井液流变性能的影响：在一定的流速下，钻井液防止固相沉淀的能力同它的低剪切速度的粘度有关。 这个性能由钻井液的屈服值和静切力来表达。

试验中屈服值和静切力明显地高于其他试验项目，固相沉淀几乎完全被防止了。 这说明在倾斜井的固井中，如果屈服值和静切力太低，会造成固相颗粒沉淀，则对钻井液的顶替效率是不利的。 这点则与垂直井的固井要求低的静切力的是相反的。 因此，在大斜度井和水平井的固井中，要想获得好的顶替效率，就要把钻井液的屈服值和静切力提高到适当值的范围，这样有利于我们在固井中防止固相沉淀。井眼倾角对钻井液窜槽的影响：我们都知道，打斜度井和水平井都是按预先设计的井眼轨迹， 钻达到预定的目标层位。因此，都会产生一定的倾角。在 60°倾角的试验中，水泥浆的顶替效率明显要比 85°倾角的试验要好这说明 60°倾角的试验中，钻井液窜槽现象要比 85°倾角的试验中窜槽小。然而，我们都知道不管倾角多大多小，钻井液诀不会完全地被顶替，甚至在垂直井中也是如此。对一个非渗透性试验来说，颗粒沉降速度主要是颗粒垂直于井眼轴线方向的沉淀速度的函数，颗粒冲蚀速率主要是流量的函数。因此，在其他条件相同的情况下，倾角小的井的颗粒沉降速率要比倾角打的井的沉降速率慢。所以，倾角小，窜槽的程度相对就更小。说明井眼倾角的大小对钻井液窜槽也有一定的影响。水窜槽：在大斜度井和水平井的固井中，除了在环形空间的底部存在钻井液窜槽之外，在環形空间的上半部分及套管内的上部也观察到有水窜槽现象的存在。水窜槽可能是从水泥浆脱水而来的自由水所形成的，自由水在水泥浆中的含量是随着温度的增加而变化的。实验表明，水泥浆的含水量，在温度为 80°F 和 1atm 条件下，用 API 标准测量为1.2% 当温度提高至 180°F 时，自由水的含量则超过 9% ，而渗透地层实验中出现水窜槽现象较严重，非渗透地层实验中几乎没有水窜槽现象存在。自由水可能是水泥浆的密度，水泥的研磨程度或者添加剂浓度的轻微变化而引起的。 这方面我们可以通过适当的水泥浆设计和混合来控制倾斜井的水窜槽程度。

3 提高大斜度井和水平井的固井质量

3.1 提高顶替效率措施

根据提高倾斜井固井成功率进行的一系列试验数据及结果，我们研究分析出了提高顶替效率的一些措施，归纳起来有以下几个方面：（ 1 ）调整钻井液性能：钻井中钻井液的性能是为了满足钻井作业的需要， 但要是从提高注水泥顶替效率的角度来讲，有些性能就不适宜水泥浆的顶替。 因此，在注水泥前，我们一般都对钻井液的性能进行调整，这一点非常重要；（ 2 ）增加循环时间：对于大斜度井和水平井，在固井前，我们要有充足的循环时间，循环的时间至少是三倍于井筒的钻井液体积循环所需要的时间，或者循环到进出口钻井液的能达到平衡为止；（ 3 ）注水泥时活动套管：我们都知道井内的钻井液静止时间过长，固相颗粒就会产生沉淀。 因此，在注水泥过程中，有效的使管套柱运动如转动或往复（上，下）运动，能产生一种促使钻井液流动的驱动力，使环形空间窄间歇处有滞留（或流动较慢）的钻井液，进入环形空间较宽间歇处，以便于被水泥浆顶替走；（ 4 ） 加扶正器降低套管在井眼中的偏心程度：在大斜度井和水平井中，因为，弯曲井段长，曲率大，套管不易下入。 斜井中套管与井壁发生长段面积的多处接触，井斜越大，摩擦阻力越大，当超过 70° 时， 套管柱大部分的重量部分作用于井眼下侧，若方位变化大，情况就更为严重。 套管在环形空间的严重偏心度使窄边的钻井液不能有效的被清除，因而引起钻井液窜槽现象的发生。 因此，我们要尽量降低套管在井眼中的偏心度；（ 5 ）采用紊流流态注水泥：在层流流态时，断面流速分布呈尖峰形态，而紊流流态时，断面流速分布相对平缓，因而有利于水泥浆均匀的推进顶替钻井液。 紊流顶替不仅断面流速分布比较均匀， 最重要的是紊流顶替液中的紊流漩涡在顶替液与钻井液的交界面上可产生冲蚀，扰动，携带作用，从而有利于钻井液的顶替；（ 6 ）使用注水泥前置液： 由于水泥浆与钻井液的化学成分不同，当用水泥浆直接顶替钻井液时，在二者交界面附近钻井液要与水泥浆混合。 一方面，钻井液与水泥浆混合后， 可能使水泥浆增稠， 导致环空流动摩阻增大，严重时造成井漏，或造成泵送不动而导致不能把水泥浆全部从套管内替出的严重后果。 另一方面，钻井液与水泥浆相互混合形成的混合物可能很稠，不容易被随后的水泥浆所顶替， 造成这种哦你混合物窜槽，影响注水泥质量。 因此，为了达到最大限度的顶替钻井液， 在斜度井和水平井中使用隔离液和冲洗液尤其重要。

3.2 水泥浆的设计

对于大斜度井和水平井的注水泥施工， 水泥浆设计应提出更高的要求。 除常规直井水泥浆的设计程序 （如水泥用量与替浆量计算和注水泥流变学设计）外，还须增加三项特殊的性能试验 ： （ 1 ）水泥浆自由水含量试验；（ 2 ）水泥浆滤失量；（ 3 ）水泥浆固相沉淀试验。 从而可防止在井眼高边部位形成水窜槽的现象及产层串通，有助于分子固相和稳定水泥浆。 大斜度井和水平井固井所面临的条件也越来越复杂，对水泥浆性能提出了更高的要求。 我们可以通过对水泥浆进行设计，满足其要求。 能更好的完成固井作业施工，保证固井质量。

4 水泥浆在凝结过程中的失重对固井质量的影响

注水泥刚结束时，水泥浆还是液态，这时环空内液体对地层作用的压力为作用点以上各浆柱的静液压力之和；因此水泥浆密度一般大于钻井液的密度，因此能够起到压住地层的作用。当浆柱的压力失重到低于油，气，水层的压力时，地层中的油，气，水层就会窜入环空内，继而或是发生层间互窜至井口，严重时甚至发生井喷。这就造成了固井作业的失败。 水泥浆失重有“胶凝失重”和“桥堵失重”之分。