深层固井气窜影响因素分析

万 征

（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

1 深层固井气窜影响因素分析

1.1 深层固井气窜类型

深层固井气窜与常规气窜相同，必须同时具备两个条件：窜流通道和窜流动力。对深层固井而言，窜流通道仍然包括水泥石本体或水泥石与地层、套管之间的连接界面。从气窜发生的通道来看，主要包括两种水泥石本体及水泥环界面两种通道：

（1）水泥石完整性及均质性被破坏，从而发生的环空窜流。注水泥过程中,由于泥浆窜槽、顶替效率不高、或是由于地层流体侵入环空、平衡注水泥失败而引发的环空窜流；在候凝的过程中，由于体系沉降失稳、自由水上窜，水泥水化缺陷在水泥石内部形成微裂缝，地层流体侵入环空而形成的环空窜流；水泥浆凝结后由于酸化酸液腐蚀、压裂高压、射孔冲击、水泥环工况发生变化导致水泥石破碎解体从而产生的环空窜流。

（2）在水泥石与套管、地层之间的连接界面发生窜流。由于井壁残存泥饼、顶替效率不高而导致的环空窜流，套管和地层表面油湿、连接界面胶结质量降低而导致的环空窜流，水泥浆水化体积变小、出现微环隙而导致的环空窜流，界面胶结在应力作用下被严重破坏而导致的环空窜流。

根据固井作业的工艺流程和环空窜流出现时间的先后，深层固井气窜主要存在于以下三个时间段：注水泥过程中形成的环空窜流、候凝过程中形成的环空窜流及水泥浆凝结后形成的环空窜流。

1.2 深层固井气窜的因素

从影响深层固井气窜因素上来说，种类多且性质复杂，比如钻井过程中形成的井眼条件、井壁泥饼质量、钻井液的维护和处理、钻井过程中钻井液的性能、完钻后井眼准备和钻井液性能优化调整；固井施工中所用到的水泥浆性能、防窜能力、凝固后水泥石性能、形变能力、抗腐蚀能力等因素都与固井气窜息息相关。在研究中对可能遇到的大多数影响因素进行了甄别，主要包含以下两方面。

（1）井眼状况的影响。井眼状况主要包括环空间隙、井眼尺寸、套管居中程度、井眼质量以及井内压力温度的变化，以上因素都与水泥环的层间封隔能力存在着密不可分的联系，尤其是套管的居中程度直接关系到环空水泥环的均匀分布情况，特别是小间隙固井，小间隙薄水泥环要实现长期密封，对水泥石的性能要求更为严格，比如水泥石的抗射孔冲击破碎能力等等方面。

（2）水泥浆密度设计不能压稳的影响。水泥浆入井密度设计偏低或封隔特殊高压地层时，地层流体压力高于环空静液柱压力，不能够实现流体压稳地层，地层流体相互窜层封隔失效，井口冒汽冒泡现象严重；当水泥浆入井密度设计偏高或在封隔特殊低压地层时，环空静液柱压力过高压漏薄弱地层，导致环空水泥浆无法到达设计返高位置，漏封地层或水泥浆大量漏失导致地层流体压力高于环空液柱压力，地层流体窜入环空，造成井口冒汽冒泡现象，层间的流体产生互窜，使得水泥环的层间封隔失效。

1.3 环空顶替效率不高致使层间互窜

环空顶替效率的好环直接意味着水泥浆与二界面的胶结质量及水泥浆环空充填程度，是深层固井气窜的主要原因之一。在固井施工过程中由于顶替效率不高、泥浆窜槽而导致的环空窜流，可通过改善井眼质量、降低泥浆粘切度、提高泥饼质量、使用套管扶正器提高套管居中度。用隔离液、冲洗液、通过设计合理的顶替流速、流态、接触时间、顶替液和被顶替液体之间合理的流变性级差，以及在注水泥过程中活动套管，提高水泥浆顶替泥浆的效果而克服窜流。

2 钻井液性能对顶替效率的影响

2.1 钻井液性能对顶替效率的影响

要获得良好的顶替效率，水泥浆流体要横向推动钻井液，顶替剖面平缓，不能呈现尖峰型，不能产生指进现象。斯伦贝谢在研究隔离液时为防止钻井液对水泥浆的污染，对驱替过程中钻井液的滞留现象进行了模拟，从图1中可以看出在驱替过程中隔离液在环空的运移以及邻井在驱替隔离液时所出现的指进及舌进现象。当固井过程中不使用隔离液，则领浆将在驱替过程中出现指进现象，钻井液结构力越强，指进现象越明显。

图1 钻井液触变性能对顶替效率的影响

图1 为模拟试验所得钻井液触变性对环空顶替效率的影响关系曲线，从图中数据可以看出：

（1）钻井液在第10min的时候静切力为1～1.5Pa，此时的水泥浆顶替效率比较高，大约在80%左右；

（2）水泥浆的返速越高，紊流的程度越是强烈，触变性也越容易破坏，而滞留的钻井液也才容易被顶替干净。

2.2 钻井液性能对界面胶结质量的影响

钻井液粘度、切力、触变性高，钻井液井下静止胶凝稠化钻井液难以流动，特别是窄环空胶凝稠化钻井液更无法从环空中驱替出。水泥浆凝固后，环空滞留于井壁的胶凝钻井液和虚泥饼干枯脱水而收缩，与水泥环形成微间隙严重影响到固井二界面的胶结质量，为环空油气水窜埋下隐患。

因此各个油田都应重视井壁稳定、泥饼质量、二界面胶凝钻井液、钻井液流变性能以及钻井过程中的钻井液体系转换对顶替效率和固井质量的综合影响，应用钻井液应用技术提高顶替效率和固井质量。见图2。

图2 剪切胶结强度测量示意图

本研究所采用的聚磺钻井液基本配方为：6%原浆+0.3%KPAM+1%NH4-HPAN+1.5%KHm+3%HL-II+2%SMP-I+0.3%NaOH+10%0#柴油（模拟现场钻井液中添加柴油提高钻井液润滑性能），室温下测定性能（pH=9）：密度1.07g/cm3，表观粘度69.5mPa·s，塑性粘度52mPa·s，动切力17.9Pa，静切力5.11Pa/18.40Pa，滤失量4.2mL，高温高压滤失量7.2mL（70℃/3.5MPa），流性指数0.66，稠度系数0.73Pa·sn。水泥浆基本配方：自来水+嘉华G级高抗水泥+0.8%SXY-2+1.2%HS-2A（W/C=0.44，密度1.90g/cm3）。

为了提高顶替效率和更有效地冲洗套管壁上的钻井液吸附层，现场固井施工前往往需要调整钻井液的流变性，降低其粘切，提高n值。为此，在原聚磺钻井液中加入4%的SMT对其进行稀释，稀释后的钻井液性能为：表观粘度44.5mPa·s，塑性粘度37mPa·s，动切力7.7Pa，静切力1.53Pa/7.93Pa，流性指数0.75，稠度系数0.24 Pa·sn。

由表1可以明显看出：聚磺钻井液对第一界面剪切胶结强度的影响很大，但对铁棒上的吸附层采取一定措施后其胶结强度可得到改善；

表1 铁棒与水泥浆胶结试验结果

2.3 前置液对顶替效率的影响

固井注水泥作业就是水泥浆顶替钻井液，水泥浆达到环空预定的位置后候凝得到良好的封固。一般情况下采用水泥浆直接顶替钻井液，所以在水泥浆设计、固井工艺、地层条件等等做了很好的固井设计，但是若出现固井顶替过程的钻井液与水泥浆的接触污染，那么所有的水泥浆设计和工艺措施将失去了意义。

国外哈里伯顿公司做的关于接触顶替钻井液与水泥浆混浆在环空的流动状态和固化后的情况。

图3 a，常规钻井液与水泥浆顶替，钻井液与水泥浆形成混浆在环空内，顶替效率很低，混浆流动能力很差，所以几乎流不动。图3b，环空掺混的流体在环空凝固后，形成了钻井液与水泥浆混浆水泥环，已经不再形成原有优质的水泥环，这种水泥环的强度很小。说明即使在固井前设计了良好的水泥浆体系和顶替设计，但是一旦钻井液与水泥浆在井下接触污染，导致固井层间封隔失效。

图3 环空钻井液与水泥浆的掺混情况

因此，在水泥浆前面通常要注入一段或几段与钻井液及水泥浆均相容的特殊配制的液体，这些液体成为注水泥前置液。

在固井注水泥设计中，应用冲洗液的主要目的有以下三点原因：①在驱替过程中利用冲洗液有效的稀释钻井液，改善和提高钻井液紊流流动能力，从而提高钻井液的顶替效率；②在驱替过程中利用冲洗液改善界面润湿性能，提高水泥环与界面的亲和性，保证界面与水泥环有效的胶结成为一个整体；③在驱替过程中利用冲洗液拆散界面滞留物的化学结构，有效地清除界面滞留物，提高界面胶结质量。

（1）冲洗液稀释钻井液技术。完钻的钻井液流变性能一般不能完全满足固井质量的要求，所以在顶替流变学设计上就存在很大的困难，采用冲洗液可以有效地稀释环空前面的钻井液，使其可以达到紊流顶替的要求，因此，在流变学设计上可以满足梯级匹配设计要求，提高注水泥顶替效率。

由图4上观察可见，在固井顶替中应用冲洗液，可以有效地稀释钻井液，提高钻井液的紊流流动能力，最终提高了钻井液的顶替效率。建议在固井前保证井下稳定的前提下，可尽量加大冲洗液的用量，达到有效地稀释钻井液，减少环空胶凝钻井液以及界面聚合物絮凝结构和滤饼的滞留，尤其是提高环空井眼不规则井段胶凝钻井液等滞留物的清除携带程度，有效提高界面胶结质量。

图4 固井应用冲洗液稀释钻井液的情况

（2）冲洗液润湿改善界面，提高水泥环与界面亲和性能的技术。冲洗液与水的不同就是在于冲洗液中含有大量的化学活性组分，可以有效地作用在井壁和套管壁的表面，通过活性组分的物理化学作用改善界面的胶结性能，提高界面亲水性，从而与水泥环得到良好地胶结在一起。

（3）冲洗液化学拆散滞留物絮凝结构和隔离液清除技术。采用水和冲洗液对比玻璃片上粘附油的清洗效果，水浸泡洗油效果可以观察到，载玻片表面粘附的油浸泡10min后没有变化，油仍粘附在载玻片上，说明水对于界面滞留物没有化学作用，不能分散清洗；而冲洗液浸泡实验发现，在浸泡过程中，载玻片表面的油逐渐聚集成小油滴，并且不断聚集变大形成大油滴，若轻轻摇动，大油滴立刻分散到溶液中，并且不再吸附到载玻片上，说明冲洗液具有良好的清洗和清除界面滞留物的能力。

由图5观察到，现场配制的隔离液颜色是淡白色，是加重剂重晶石反应出来的颜色，而从井内返出的隔离液颜色变深，趋近于钻井液的颜色，说明隔离液在井内携带环空滞留钻井液。可见前置液在固井中的作用是不可忽视的，冲洗液有效拆散界面滞留物的内部结构，使其结构疏松，环空冲洗液后面的隔离液对界面滞留物的力学磨蚀作用，有效将界面结构疏松的滞留物携带出井，从而提高了界面胶结质量。因此，科学合理地进行前置液应用可以有效地提高界面胶结质量，是固井设计中不可缺少的设计工序。

图5 使用的隔离液从井内返出情况

3 结论

通过研究和对比发现深井固井气窜影响因素主要源于钻井过程中形成的井眼条件、井壁泥饼质量、钻井液的维护和处理、钻井过程中钻井液的性能、完钻后井眼准备和钻井液性能优化调整；固井施工中所用到的水泥浆性能、防窜能力、凝固后水泥石性能、形变能力、抗腐蚀能力等，与此同时，水泥浆密度及钻井液性能也与气窜有着密不可分的联系。

另外，实践表明，对隔离液和冲洗液技术的革新使得顶替效率有着显著提高，这也为抑制气窜保驾护航。对于在固井顶替中应用冲洗液，可以有效地稀释钻井液，提高钻井液的紊流流动能力，最终提高了钻井液的顶替效率；在固井施工过程中由于顶替效率不高、泥浆窜槽而导致的环空窜流，可通过改善井眼质量、降低泥浆粘切度、提高泥饼质量、使用套管扶正器提高套管居中度。用隔离液、冲洗液、通过设计合理的顶替流速、流态、接触时间、顶替液和被顶替液体之间合理的流变性级差，以及在注水泥过程中活动套管，提高水泥浆顶替泥浆的效果而克服窜流。