黄伟 （中海油服油田化学事业部固井（塘沽）作业公司 天津300450）

0 引言

锦州20-2N含油气构造位于辽东湾辽西低凸起北倾末端，锦州20-2气田的东北侧，距锦州20-2气田北高点较近。由于有高压气的存在，以前锦州区块固井总是大难题。2009年下半年在锦州20区块完成5口探井作业，其中4口井下了7英寸尾管试油，这5口井在钻进过程中都钻遇到了高压气层，压力当量密度在1.4～1.7之间，完钻后通井循环期间测气体上窜速度在30～60 m/h，气全量在5%～30%之间，气全量都偏大。这5口井地质预测都要钻遇断层，实际钻进过程中采用了泥浆随钻堵漏技术，没有发生明显的漏失，但也有渗漏。基于上述原因，在后期下套管和固井过程中不能保证不发生大的漏失，注水泥作业和固井结束后致使井底当量比重的增加也有可能压漏地层；本区块5口井在油层附近又存在高压气层，容易发生气窜，所以既要压稳油层、气层又不能压漏地层，具有一定的难度。针对上述因素，通过优化固井技术、改善固井工艺等一系列有效措施保证了固井质量。

1 优化固井技术

1.1 锦州20区块5口井的基本情况

在锦州20区块完成的5口井的各层次套管的固井作业中，339.7 mm（13-3/8″）表层套管和 244.48 mm（9-5/8″）技术套管是普通固井作业，本文不做介绍。下面针对215.9 mm（8-1/2″）井眼的钻井情况及177.8 mm（7″）尾管固井作业进行简单的介绍。5口井基本井况如表1：

表1 基本井况

1.2 水泥浆气窜的简单机理

水泥水化必然会引起环空水泥的胶凝悬挂和体积收缩，使得地层流体压力大于水泥孔隙压力。因此，如果水泥浆基体没有足够的防窜阻力，地层流体就从水泥环中防窜阻力最小的地方进去并延伸，直至“阻力”增长达到新的压力平衡为止。国外许多公司做了大量的实验研究工作，对于造成气窜的原因提出了很多观点，主要包括：在未凝固的脱水水泥浆中，甚至在凝固不久的水泥石里，由于水泥颗粒水化不良造成局部渗透率过大，或由于水泥水化体积收缩造成裂缝，或由于过多的自由水引起水滞等原因，气体可能穿过水泥石本身发生气窜，如图1所示。注水泥时，因钻井液顶替效率不高，气体可能通过套管-水泥界面和水泥-地层界面的微环空发生气窜，如图2和图3所示。

综上所述，固井环空水泥环气窜的充分必要条件为：一是存在气体通道。气体通道一般出现在水泥基体内或者在水泥胶结面处，前者是水泥水化过程中由于水泥水化颗粒间的胶结强度低，在气层压力与液柱孔隙压力的压差作用下冲破胶结链形成的；后者是由于顶替效率不高，由残余泥浆造成的。二是水泥浆的有效液柱压力与通道流动阻力之和小于地层气体压力。

图1 气体穿过水泥石发生的气窜

图2 水泥－地层界面的气窜

图3 水泥－套管界面的气窜

1.3 紊流循环调整泥浆性能，降低泥浆粘度

由于该区块属于高压气层地区而选用PEM泥浆体系，该体系泥浆密度、粘度、屈服值、切力都比较高，严重地影响了泥浆的顶替效率，继而影响到固井质量。套管下放到位后，环空中的泥浆仍然是钻井期间的泥浆（打钻过程中泥浆中使用的是随钻堵漏材料），甚至井底还有一部分是为了下套管顺利垫的稠泥浆和防止气窜的封闭浆，这些泥浆的粘度、屈服值、切力更高，而且静止时间过长，甚至有一部分胶凝泥浆，这就必须调整泥浆性能即改善泥浆性能。通常的方法是调整泥浆的流变性，为了达到最适合于顶替的条件，降低泥浆的静切力、屈服值和漏斗粘度等值，这时不仅降低了顶替时所需的驱动力，而且还增大了泥浆的流动性，同时提高了顶替效率。众所周知，泥浆在静止时会产生胶凝和脱水，在套管下放过程中泥浆一直处于静止状态，若彻底使环空中的泥浆流动起来，靠常规的层流流态很难达到这种效果。根据高低速（紊塞流）顶替固井理论可知，应用紊流循环可达到全井泥浆都运动起来的效果，因为紊流具有横向脉动速度和各点流速相同的特点，故在保证循环压力低于地层破裂压力的基础上，尽可能提高泵速使泥浆以紊流流态进行循环（环空返速应不大于打钻时候钻杆环空返速的1.2倍），这样即可使环空内的泥浆全部运动起来，全面改善泥浆性能，以便顶替时很容易彻底地顶替泥浆。一般说来，由于循环前下套管刮掉的岩屑及部分胶凝的泥浆会严重影响泥浆的流动性，使其达不到紊流循环的要求，因此要调整泥浆性能使其达到紊流循环的效果。

1.4 优化前置液设计，提高顶替效果

为了取得较高的泥浆顶替效率，采用紊、塞流双速顶替泥浆，紊流顶替液（前置液）中的紊流漩涡在泥浆与顶替液的交界面上产生冲蚀、携带和稀释作用，同时提高了紊流应力作用下固相颗粒对泥浆的冲蚀作用。紊流顶替要求前置液具有密度低，粘度低，与地层、泥浆、水泥浆相匹配等良好的性能。水泥浆之前必须注入大量的前置液，这样虽然保证了紊流前置液与环空有了充分的接触时间，但其过多的注入量会带来严重的后果。大量前置液的应用，可能导致环空液柱压力降低，在前置水泥浆尚未替出套管鞋之前，环空液柱压力不足以压制地层孔隙压力，造成地层孔隙压力失控，地层流体不断渗漏到环空中，从而影响了水泥环与套管、地层的胶结效果，甚至导致固井失败。众所周知，当地层孔隙压力失控后，地层流体将持续向环空中进行渗漏，即使环空液柱压力恢复，地层流体仍会持续渗入很长一段时间，地层流体的窜入，污染了水泥浆，从而影响了水泥浆封固效果。为了解决这一问题，保证平衡压力固井的原则。隔离液用 250目的铁矿粉（PC-D30（250）（铁矿粉）+PC-S22S（隔离液）+PC-W20L（冲洗液））加重至密度比泥浆高0.05～0.1 g/cm3。冲洗液用1200目的铁矿粉［PC-W20L（冲洗液）+PC-W30S（悬浮剂）+PC-D30（1200）（铁矿粉）+PC-H30L（缓凝剂）］加重到同等的泥浆密度，加重后的前置液既有很好的沉降稳定性，又有很好的流变性，这既保证了前置液有很好的流态，使之能达到紊流冲刷井壁的效果，又保证了压力平衡的问题而不至于使地层流体侵入前置液中。

1.5 水泥浆中加入纤维

由于锦州区块设计中有断层存在，所以固井中防漏也是一项重点工作。在渤海湾首次引用纤维防漏水泥浆体系，可以防止固井时水泥浆漏失，同时还可以提高水泥浆径向剪切应力，改善水泥环冲击韧性，显著提高固井质量，起到一剂多效的作用。大量的室内实验数据表明，加入纤维的水泥浆稠化时间普遍缩短，不过都在30 min以内。加入纤维的水泥浆，其他条件不变的情况下，随着缓凝剂加量的增加，其稠化时间延长，加入纤维的水泥浆与普通水泥浆一样，稠化时间和缓凝剂的加量成线性关系。浆体的粘度普遍增大，增加10 BC左右，但水泥浆仍有较好的可泵性，较好的沉降稳定性能，对水泥浆的失水，自由水影响不大，但对于水泥石的抗压强度和韧性有明显的提高。

1.6 水泥浆的优化

根据水泥浆失重和气窜的发生原因，控制气窜的基本方法，可以归纳为以下几种：增加孔隙压力，弥补水泥浆失重造成的压力降低现象；增加孔隙阻力，降低水泥石的渗透率，阻止气体的窜流；缩短过渡时间，使水泥浆孔隙压力降到地层压力之前，胶凝强度增加到240 Pa。

井内要封隔的水泥段较长时，为了防止气窜，需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或可泵时间，使水泥浆从上到下逐渐凝固。下部速凝段（LC1）处于危险状态时，上部缓凝段（LC2）仍保持较高的静液压力；当缓凝段降至水柱压力时，下部速凝段早已凝固，从而防止气窜。两凝水泥浆的段长LC2=（1.5-2）LC1，初凝时间或稠化时间的差值为2～2.5 h。

水泥浆体系选择胶乳防气窜水泥浆体系，通过乳胶本身的微小颗粒或者非渗透剂反应生成的塑料膜来堵塞通道，达到防气窜的目的。稠化时间控制：温度是影响水泥浆稠化时间的关键因素，因此，一定要确保井底温度，所选的缓凝剂既要耐井底高温，又要防止长封固段水泥浆顶部因温度太低出现超缓凝现象，还要避免使用对温度和加量变化太敏感的缓凝剂。水泥浆密度与混浆稠度控制：用于封固主要封固段的水泥浆密度都是1.92 g/cm3，这么高密度的水泥浆本身就很稠，可泵性较差，所以要加合适的分散剂来调控水泥浆的稠度，保证安全施工。失水控制：从现有的添加剂使用情况来看，胶乳降失水性能最为稳定，且具有颗粒堵塞孔隙通道和化学收缩小的防气窜功能，冷浆与热浆稠度变化不大等优点，失水要求都在50 mL/30 min以内，自由水近乎为零。防强度衰退控制：在井底静止温度超过110℃时的井中水泥中掺入35%（BWOC）的硅粉，减少自由水，增强流动性，降低渗透率，提高水泥石强度。

1.7 紊塞流双速顶替泥浆

为了提高泥浆顶替效率，应该保持前置液的紊流状态，以彻底清除环空中的泥浆、岩屑及不规则井眼中的死泥浆。应用紊流高速顶替（环空返速应高于1.20 m/s），提高顶替效率，保证优质的封固效果。当然，紊流顶替效果达到后（即紊流前置液完成顶替效果），应降低泵速采用塞流顶替（环空返速低于0.2 m/s）将尾浆缓慢顶替到位，一般应设计塞流顶替尾浆量保证在要求封固段顶部100 m以上，这样才不至于尾浆在高速顶替时以层流状态进注环空，从而形成指进现象。在操作过程中，应坚持泵速“高要高上去，慢要慢下来”的顶替原则，以防止由紊流向塞流过渡期间层流状态存在时间过长，影响顶替效果，形成指进现象。在顶替过程中，为了防止水泥在凝固过程中使套管收缩变形，产生微间隙，有气窜的通道，顶替液必须用原井浆顶替，候凝期间禁止顶替成完井液。

1.8 合理加放扶正器，提高套管居中度

套管的居中度是影响泥浆顶替效率的主要因素之一，所以如何提高套管的居中度也是固井关心的课题。必须制定合理的扶正器加放原则，使套管保证必要的居中度，该区块扶正器一般加放原则为：从井底至油顶以上150 m，每3根套管加放2个扶正器。然后再根据电测井眼轨迹及油气层位置进行校核，扶正器应加放在井径较规则井段、油气层段及其他特殊层段，如气全量大的层段。

2 锦州20区块具体的固井工艺

2.1 泥浆性能调整

7″尾管下到位后，环空中的泥浆仍然是钻井期间的泥浆，而且静止时间过长，甚至有一部分胶凝泥浆，这就必须要求紊流循环调整泥浆性能，循环的同时一方面向泥浆中加稀胶液降粘，一方面用离心机在不降低泥浆密度的情况下甩掉一些固相有害物质，这样能很好的降低泥浆的粘度，使泥浆漏斗粘度降到55 s以内，屈服值控制在10 Pa以内。还有就是井底为保证套管顺利下到位，垫的高粘高切的稠泥浆和防止气串垫在9-5/8″套管鞋处的封闭浆循环出井口后就不再入井，这样对泥浆的流变性也有明显的改善效果，每次紊流循环要求至少2周以上，而且都是要求振动筛返出泥浆干净了，测试泥浆性能达到要求了才开始固井作业。

2.2 前置液

隔离液：隔离液配方PC-W20L（冲洗液）+PC-S11S（隔离液）+PC-D30（250）（铁矿粉）+PC-H30L（缓凝剂）。密度比泥浆密度高0.05～0.1 g/cm3。使用隔离液10 m3，占裸眼环空700 m左右，起到携带和隔离的双重作用。

冲洗液：冲洗液配方PC-W20L（冲洗液）+PC-W30S（悬浮剂）+PC-D30（1200）（铁矿粉）+PC-H30L（缓凝剂），密度加重到泥浆密度。使用冲洗液7 m3，占裸眼环空的500 m左右，起到很好的冲刷井壁和稀释泥浆的作用，同时同等泥浆密度的冲洗液在过气层的时候没有压力亏空而导致气体侵入到井内流体。

加重后的前置液和地层紊流接触时间达到了7～10 min，既起到了冲刷井壁稀释泥浆的作用，又起到平衡地层压力的作用，没有造成固井的ECD（循环当量动压）和ESD（循环当量静压）低于地层流体压力。

2.3 双凝水泥浆

在锦州20区块尾管全井段都用1.92 g/cm3密度进行封固，下部尾浆速凝段（LC1）一般返高到油顶以上30～50 m、稠化时间控制在160～180 min，上部尾浆缓凝段（LC2）一般返到尾管挂顶部以上200 m、稠化时间控制在300～360 min。水泥浆稠化时间都实现了直角稠化，缩短了可能气侵的时间。在水泥浆中加入适量的纤维，提高水泥浆的韧性，防漏失。图4是JZ20-2N-5井缓凝段的直角稠化时间图，稠化时间310 min，图5是JZ20-2N-5井速凝段直角稠化时间图，稠化时间160 min。其他井也采用了同样的直角稠化曲线图。

2.4 顶替液

顶替液采用泥浆+缓冲液（隔离液）+泥浆的模式，缓冲液相当于密度为泥浆密度的隔离液（需要15 m3，用重晶石加重，PC-S22S（隔离液）+重晶石+PC-H30L（缓凝剂）和泥浆顶替（顶替过程中不间断），缓冲液的作用就是起出中心管后循环洗出水泥浆时防止水泥与泥浆接触产生闪凝现象。高速顶替时最大排量不高于循环时侯的最大排量，最后留3 m3低速碰压，环空返速0.2 m/s，顶替过程中要紊塞流双速顶替，坚持高得上去，低得下来的原则是控制顶替的关键。

2.5 循环加压

为了保证油层段水泥浆的封固质量，防止在固井结束后水泥凝固前由于水泥失重产生的压力亏空而发生气窜，决定给环空加压以保持液柱压力大于地层的流体压力。以往的经验都是走阻流管汇，关防喷器，用固井泵打压憋压候凝。这样做的结果就是有一方面防喷器不好关紧9-5/8″套管，可是水泥浆的稠化时间是有限的，来回折腾几次防喷器就错过了最佳的加压候凝时间；另一方面环空憋压经过时间的推移压力值肯定要上涨，我们要求压力值控制在某一个固定值就会泄掉一定的压力，这泄压的同时就有可能使地层流体侵入，以往的经验是7″和9-5/8″重叠段的水泥浆经常被侵入没了，环空憋压很不好操作。锦州20区块采用了洗出水泥浆后循环加压的方式，加压时间视地面水泥样品下部速凝段水泥浆产生的强度而定。加压原则是油顶处的当量比原来高0.12左右，而加压后井底的当量密度不能超过地层的破裂压力，这样3 000 m左右的油层位置就相当于井口加压4 MPa。

图4 JZ20-2N-5井缓凝段从98°降到85°T.T=310 min

图5 JZ20-2N-5井速凝段温度92°T.T=160 min

根据低泵速测定的地面管汇和泵本身的压耗，算出钻柱内压耗，套管和钻杆环空的压耗，最后再加上需要井口加压的泵压，这就是总的泵压，依据这总的泵压来实施一个合适的排量循环加压。循环加压的时间依据地面养护的水泥样品速凝段的水泥浆的胶凝强度，达到240 Pa后，水泥石已经能防止气窜。

2.6 固井质量

锦州区块有4口井下了7″尾管，固完井后24 h测SBT，平均衰减率都在10 dB/ft以上，有的地方都达到12 dB/ft，固井质量全部优秀（见表2，图6）。

表2 4口井SBT

图6 JZ20-2N-1井SBT部分截图

3 结论和建议

固井前循环充分、降低泥浆的粘度、屈服值和切力，以保证顶替过程中有效驱替泥浆，对固井质量非常有利。加重后的前置液有很好的流变性，又能很好的平衡地层压力。水泥浆中加入纤维，对于漏失井来说能起到封固效果。双凝水泥浆中速凝段水泥浆和缓凝段水泥浆比例的合理分配，对于传递液柱压力，压稳油气层起到关键性的作用。7″尾管固井中控制泵压排量循环加压候凝的效果要比井口静加压效果明显有效。■

[1]刘崇建，黄柏宗，徐同台，等.油气井注水泥理论与应用[M].北京:石油工业出版社，2000.

[2]王子源.钻井数据手册[M].北京：地质出版社，1995.