萬 征

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

1 深層固井氣竄影響因素分析

1.1 深層固井氣竄類型

深層固井氣竄與常規(guī)氣竄相同，必須同時具備兩個條件：竄流通道和竄流動力。對深層固井而言，竄流通道仍然包括水泥石本體或水泥石與地層、套管之間的連接界面。從氣竄發(fā)生的通道來看，主要包括兩種水泥石本體及水泥環(huán)界面兩種通道：

（1）水泥石完整性及均質(zhì)性被破壞，從而發(fā)生的環(huán)空竄流。注水泥過程中,由于泥漿竄槽、頂替效率不高、或是由于地層流體侵入環(huán)空、平衡注水泥失敗而引發(fā)的環(huán)空竄流；在候凝的過程中，由于體系沉降失穩(wěn)、自由水上竄，水泥水化缺陷在水泥石內(nèi)部形成微裂縫，地層流體侵入環(huán)空而形成的環(huán)空竄流；水泥漿凝結(jié)后由于酸化酸液腐蝕、壓裂高壓、射孔沖擊、水泥環(huán)工況發(fā)生變化導(dǎo)致水泥石破碎解體從而產(chǎn)生的環(huán)空竄流。

（2）在水泥石與套管、地層之間的連接界面發(fā)生竄流。由于井壁殘存泥餅、頂替效率不高而導(dǎo)致的環(huán)空竄流，套管和地層表面油濕、連接界面膠結(jié)質(zhì)量降低而導(dǎo)致的環(huán)空竄流，水泥漿水化體積變小、出現(xiàn)微環(huán)隙而導(dǎo)致的環(huán)空竄流，界面膠結(jié)在應(yīng)力作用下被嚴(yán)重破壞而導(dǎo)致的環(huán)空竄流。

根據(jù)固井作業(yè)的工藝流程和環(huán)空竄流出現(xiàn)時間的先后，深層固井氣竄主要存在于以下三個時間段：注水泥過程中形成的環(huán)空竄流、候凝過程中形成的環(huán)空竄流及水泥漿凝結(jié)后形成的環(huán)空竄流。

1.2 深層固井氣竄的因素

從影響深層固井氣竄因素上來說，種類多且性質(zhì)復(fù)雜，比如鉆井過程中形成的井眼條件、井壁泥餅質(zhì)量、鉆井液的維護(hù)和處理、鉆井過程中鉆井液的性能、完鉆后井眼準(zhǔn)備和鉆井液性能優(yōu)化調(diào)整；固井施工中所用到的水泥漿性能、防竄能力、凝固后水泥石性能、形變能力、抗腐蝕能力等因素都與固井氣竄息息相關(guān)。在研究中對可能遇到的大多數(shù)影響因素進(jìn)行了甄別，主要包含以下兩方面。

（1）井眼狀況的影響。井眼狀況主要包括環(huán)空間隙、井眼尺寸、套管居中程度、井眼質(zhì)量以及井內(nèi)壓力溫度的變化，以上因素都與水泥環(huán)的層間封隔能力存在著密不可分的聯(lián)系，尤其是套管的居中程度直接關(guān)系到環(huán)空水泥環(huán)的均勻分布情況，特別是小間隙固井，小間隙薄水泥環(huán)要實(shí)現(xiàn)長期密封，對水泥石的性能要求更為嚴(yán)格，比如水泥石的抗射孔沖擊破碎能力等等方面。

（2）水泥漿密度設(shè)計不能壓穩(wěn)的影響。水泥漿入井密度設(shè)計偏低或封隔特殊高壓地層時，地層流體壓力高于環(huán)空靜液柱壓力，不能夠?qū)崿F(xiàn)流體壓穩(wěn)地層，地層流體相互竄層封隔失效，井口冒汽冒泡現(xiàn)象嚴(yán)重；當(dāng)水泥漿入井密度設(shè)計偏高或在封隔特殊低壓地層時，環(huán)空靜液柱壓力過高壓漏薄弱地層，導(dǎo)致環(huán)空水泥漿無法到達(dá)設(shè)計返高位置，漏封地層或水泥漿大量漏失導(dǎo)致地層流體壓力高于環(huán)空液柱壓力，地層流體竄入環(huán)空，造成井口冒汽冒泡現(xiàn)象，層間的流體產(chǎn)生互竄，使得水泥環(huán)的層間封隔失效。

1.3 環(huán)空頂替效率不高致使層間互竄

環(huán)空頂替效率的好環(huán)直接意味著水泥漿與二界面的膠結(jié)質(zhì)量及水泥漿環(huán)空充填程度，是深層固井氣竄的主要原因之一。在固井施工過程中由于頂替效率不高、泥漿竄槽而導(dǎo)致的環(huán)空竄流，可通過改善井眼質(zhì)量、降低泥漿粘切度、提高泥餅質(zhì)量、使用套管扶正器提高套管居中度。用隔離液、沖洗液、通過設(shè)計合理的頂替流速、流態(tài)、接觸時間、頂替液和被頂替液體之間合理的流變性級差，以及在注水泥過程中活動套管，提高水泥漿頂替泥漿的效果而克服竄流。

2 鉆井液性能對頂替效率的影響

2.1 鉆井液性能對頂替效率的影響

要獲得良好的頂替效率，水泥漿流體要橫向推動鉆井液，頂替剖面平緩，不能呈現(xiàn)尖峰型，不能產(chǎn)生指進(jìn)現(xiàn)象。斯倫貝謝在研究隔離液時為防止鉆井液對水泥漿的污染，對驅(qū)替過程中鉆井液的滯留現(xiàn)象進(jìn)行了模擬，從圖1中可以看出在驅(qū)替過程中隔離液在環(huán)空的運(yùn)移以及鄰井在驅(qū)替隔離液時所出現(xiàn)的指進(jìn)及舌進(jìn)現(xiàn)象。當(dāng)固井過程中不使用隔離液，則領(lǐng)漿將在驅(qū)替過程中出現(xiàn)指進(jìn)現(xiàn)象，鉆井液結(jié)構(gòu)力越強(qiáng)，指進(jìn)現(xiàn)象越明顯。

圖1 鉆井液觸變性能對頂替效率的影響

圖1 為模擬試驗(yàn)所得鉆井液觸變性對環(huán)空頂替效率的影響關(guān)系曲線，從圖中數(shù)據(jù)可以看出：

（1）鉆井液在第10min的時候靜切力為1～1.5Pa，此時的水泥漿頂替效率比較高，大約在80%左右；

（2）水泥漿的返速越高，紊流的程度越是強(qiáng)烈，觸變性也越容易破壞，而滯留的鉆井液也才容易被頂替干凈。

2.2 鉆井液性能對界面膠結(jié)質(zhì)量的影響

鉆井液粘度、切力、觸變性高，鉆井液井下靜止膠凝稠化鉆井液難以流動，特別是窄環(huán)空膠凝稠化鉆井液更無法從環(huán)空中驅(qū)替出。水泥漿凝固后，環(huán)空滯留于井壁的膠凝鉆井液和虛泥餅干枯脫水而收縮，與水泥環(huán)形成微間隙嚴(yán)重影響到固井二界面的膠結(jié)質(zhì)量，為環(huán)空油氣水竄埋下隱患。

因此各個油田都應(yīng)重視井壁穩(wěn)定、泥餅質(zhì)量、二界面膠凝鉆井液、鉆井液流變性能以及鉆井過程中的鉆井液體系轉(zhuǎn)換對頂替效率和固井質(zhì)量的綜合影響，應(yīng)用鉆井液應(yīng)用技術(shù)提高頂替效率和固井質(zhì)量。見圖2。

圖2 剪切膠結(jié)強(qiáng)度測量示意圖

本研究所采用的聚磺鉆井液基本配方為：6%原漿+0.3%KPAM+1%NH4-HPAN+1.5%KHm+3%HL-II+2%SMP-I+0.3%NaOH+10%0#柴油（模擬現(xiàn)場鉆井液中添加柴油提高鉆井液潤滑性能），室溫下測定性能（pH=9）：密度1.07g/cm3，表觀粘度69.5mPa·s，塑性粘度52mPa·s，動切力17.9Pa，靜切力5.11Pa/18.40Pa，濾失量4.2mL，高溫高壓濾失量7.2mL（70℃/3.5MPa），流性指數(shù)0.66，稠度系數(shù)0.73Pa·sn。水泥漿基本配方：自來水+嘉華G級高抗水泥+0.8%SXY-2+1.2%HS-2A（W/C=0.44，密度1.90g/cm3）。

為了提高頂替效率和更有效地沖洗套管壁上的鉆井液吸附層，現(xiàn)場固井施工前往往需要調(diào)整鉆井液的流變性，降低其粘切，提高n值。為此，在原聚磺鉆井液中加入4%的SMT對其進(jìn)行稀釋，稀釋后的鉆井液性能為：表觀粘度44.5mPa·s，塑性粘度37mPa·s，動切力7.7Pa，靜切力1.53Pa/7.93Pa，流性指數(shù)0.75，稠度系數(shù)0.24 Pa·sn。

由表1可以明顯看出：聚磺鉆井液對第一界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度的影響很大，但對鐵棒上的吸附層采取一定措施后其膠結(jié)強(qiáng)度可得到改善；

表1 鐵棒與水泥漿膠結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

2.3 前置液對頂替效率的影響

固井注水泥作業(yè)就是水泥漿頂替鉆井液，水泥漿達(dá)到環(huán)空預(yù)定的位置后候凝得到良好的封固。一般情況下采用水泥漿直接頂替鉆井液，所以在水泥漿設(shè)計、固井工藝、地層條件等等做了很好的固井設(shè)計，但是若出現(xiàn)固井頂替過程的鉆井液與水泥漿的接觸污染，那么所有的水泥漿設(shè)計和工藝措施將失去了意義。

國外哈里伯頓公司做的關(guān)于接觸頂替鉆井液與水泥漿混漿在環(huán)空的流動狀態(tài)和固化后的情況。

圖3 a，常規(guī)鉆井液與水泥漿頂替，鉆井液與水泥漿形成混漿在環(huán)空內(nèi)，頂替效率很低，混漿流動能力很差，所以幾乎流不動。圖3b，環(huán)空摻混的流體在環(huán)空凝固后，形成了鉆井液與水泥漿混漿水泥環(huán)，已經(jīng)不再形成原有優(yōu)質(zhì)的水泥環(huán)，這種水泥環(huán)的強(qiáng)度很小。說明即使在固井前設(shè)計了良好的水泥漿體系和頂替設(shè)計，但是一旦鉆井液與水泥漿在井下接觸污染，導(dǎo)致固井層間封隔失效。

圖3 環(huán)空鉆井液與水泥漿的摻混情況

因此，在水泥漿前面通常要注入一段或幾段與鉆井液及水泥漿均相容的特殊配制的液體，這些液體成為注水泥前置液。

在固井注水泥設(shè)計中，應(yīng)用沖洗液的主要目的有以下三點(diǎn)原因：①在驅(qū)替過程中利用沖洗液有效的稀釋鉆井液，改善和提高鉆井液紊流流動能力，從而提高鉆井液的頂替效率；②在驅(qū)替過程中利用沖洗液改善界面潤濕性能，提高水泥環(huán)與界面的親和性，保證界面與水泥環(huán)有效的膠結(jié)成為一個整體；③在驅(qū)替過程中利用沖洗液拆散界面滯留物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，有效地清除界面滯留物，提高界面膠結(jié)質(zhì)量。

（1）沖洗液稀釋鉆井液技術(shù)。完鉆的鉆井液流變性能一般不能完全滿足固井質(zhì)量的要求，所以在頂替流變學(xué)設(shè)計上就存在很大的困難，采用沖洗液可以有效地稀釋環(huán)空前面的鉆井液，使其可以達(dá)到紊流頂替的要求，因此，在流變學(xué)設(shè)計上可以滿足梯級匹配設(shè)計要求，提高注水泥頂替效率。

由圖4上觀察可見，在固井頂替中應(yīng)用沖洗液，可以有效地稀釋鉆井液，提高鉆井液的紊流流動能力，最終提高了鉆井液的頂替效率。建議在固井前保證井下穩(wěn)定的前提下，可盡量加大沖洗液的用量，達(dá)到有效地稀釋鉆井液，減少環(huán)空膠凝鉆井液以及界面聚合物絮凝結(jié)構(gòu)和濾餅的滯留，尤其是提高環(huán)空井眼不規(guī)則井段膠凝鉆井液等滯留物的清除攜帶程度，有效提高界面膠結(jié)質(zhì)量。

圖4 固井應(yīng)用沖洗液稀釋鉆井液的情況

（2）沖洗液潤濕改善界面，提高水泥環(huán)與界面親和性能的技術(shù)。沖洗液與水的不同就是在于沖洗液中含有大量的化學(xué)活性組分，可以有效地作用在井壁和套管壁的表面，通過活性組分的物理化學(xué)作用改善界面的膠結(jié)性能，提高界面親水性，從而與水泥環(huán)得到良好地膠結(jié)在一起。

（3）沖洗液化學(xué)拆散滯留物絮凝結(jié)構(gòu)和隔離液清除技術(shù)。采用水和沖洗液對比玻璃片上粘附油的清洗效果，水浸泡洗油效果可以觀察到，載玻片表面粘附的油浸泡10min后沒有變化，油仍粘附在載玻片上，說明水對于界面滯留物沒有化學(xué)作用，不能分散清洗；而沖洗液浸泡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在浸泡過程中，載玻片表面的油逐漸聚集成小油滴，并且不斷聚集變大形成大油滴，若輕輕搖動，大油滴立刻分散到溶液中，并且不再吸附到載玻片上，說明沖洗液具有良好的清洗和清除界面滯留物的能力。

由圖5觀察到，現(xiàn)場配制的隔離液顏色是淡白色，是加重劑重晶石反應(yīng)出來的顏色，而從井內(nèi)返出的隔離液顏色變深，趨近于鉆井液的顏色，說明隔離液在井內(nèi)攜帶環(huán)空滯留鉆井液?？梢娗爸靡涸诠叹械淖饔檬遣豢珊鲆暤?，沖洗液有效拆散界面滯留物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)疏松，環(huán)空沖洗液后面的隔離液對界面滯留物的力學(xué)磨蝕作用，有效將界面結(jié)構(gòu)疏松的滯留物攜帶出井，從而提高了界面膠結(jié)質(zhì)量。因此，科學(xué)合理地進(jìn)行前置液應(yīng)用可以有效地提高界面膠結(jié)質(zhì)量，是固井設(shè)計中不可缺少的設(shè)計工序。

圖5 使用的隔離液從井內(nèi)返出情況

3 結(jié)論

通過研究和對比發(fā)現(xiàn)深井固井氣竄影響因素主要源于鉆井過程中形成的井眼條件、井壁泥餅質(zhì)量、鉆井液的維護(hù)和處理、鉆井過程中鉆井液的性能、完鉆后井眼準(zhǔn)備和鉆井液性能優(yōu)化調(diào)整；固井施工中所用到的水泥漿性能、防竄能力、凝固后水泥石性能、形變能力、抗腐蝕能力等，與此同時，水泥漿密度及鉆井液性能也與氣竄有著密不可分的聯(lián)系。

另外，實(shí)踐表明，對隔離液和沖洗液技術(shù)的革新使得頂替效率有著顯著提高，這也為抑制氣竄保駕護(hù)航。對于在固井頂替中應(yīng)用沖洗液，可以有效地稀釋鉆井液，提高鉆井液的紊流流動能力，最終提高了鉆井液的頂替效率；在固井施工過程中由于頂替效率不高、泥漿竄槽而導(dǎo)致的環(huán)空竄流，可通過改善井眼質(zhì)量、降低泥漿粘切度、提高泥餅質(zhì)量、使用套管扶正器提高套管居中度。用隔離液、沖洗液、通過設(shè)計合理的頂替流速、流態(tài)、接觸時間、頂替液和被頂替液體之間合理的流變性級差，以及在注水泥過程中活動套管，提高水泥漿頂替泥漿的效果而克服竄流。