干法固井技术在元陆701井的应用

【摘 要】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[1]。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。干法固井具有明显的社会效益和经济效益，不但能有效避免空气钻转水泥浆的复杂，缩短钻井周期，降低钻井成本，提高固井质量，而且可以减少环境污。

【关键词】正注；反灌；技术特点

1 前言

元陆701井是部署在四川盆地川东北九龙山背斜构造西南翼上的一口开发评价井/定向井。

2 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2370m 左右，套管尺寸为?114.3mm，井眼尺寸为?158.8mm，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。

3 干法固井技术特点

3.1 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。

3.2 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”[3-4]。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。

4 干法固井在元陆701井的应用

4.1 元陆701井基本情况

4.1.1 基本数据

井 别：开发评价井 井 型：定向井

地理位置：四川省苍溪县龙王乡永胜村5队 构造位置：川东北九龙山背斜构造西南翼

二开实际完钻井深：2964m 套管设计下深：2963m

施工井队：中原钻井50487ZY队 固井服务：中原固井西南项目部

4.1.2井身结构

空气钻钻井至2964 m完钻

4.1.3 井径数据

暂无井径数据，井径按钻头直径扩大率10%进行计算。

Ф311.2mm牙轮+浮阀+Ф228.6mm钻铤×6+203mm减震器+203.2mm无磁钻铤*1+203.2mm钻铤*2+177.8mm钻铤×3+139.7mm钻杆+方保+下旋塞+152mm六方方钻杆

4.1.7地质分层

实际试验温度按65℃取值。

4.2 固井主要技术措施

（1）下套管前采用刚性强于套管串的钻具组合（必须带1只欠尺寸扶正器）彻底通井，对阻卡和缩径井段进行多次划眼和短起下处理，并用大排量气体冲洗井眼，确保井眼干净畅通无阻卡。

（2）裸眼段加适量弹性扶正器，减小套管与井壁的接触面积，减小摩擦，保证套管居中。

（3）下完套管后用空气大排量充分循环，彻底清洁井眼，充分干燥井壁，为干法固井提供良好的井眼条件。

（4）为保证施工安全，不注前置液；而使用15 m3密度1.80 g/cm3流变性好，含水量高的前置水泥浆；并在水泥浆中加入纤维，起到造壁、堵漏的作用。

（5）先正注水泥浆封固1000-2963m井段，采用钻井液替浆。候凝24小时后再从环空吊灌水泥浆至返出井口。

（6）正注采用密度1.90g/cm3的低渗透、低失水、良好封堵能力和流动性、稳定性好、触变性弱的膨胀水泥浆体系。

（7）正注替浆后期适当降低排量，减小对井壁的冲刷。

（8）正注若遇井壁坍塌堵塞环空，可小范围活动套管串。

（9）环空吊灌用常规水泥浆体系，密度1.90g/cm3。采用小排量、单边灌浆方式，保证环空灌浆质量，直至水泥浆返出地面。如环空吊灌作业发生漏失，则待水泥浆初凝后进行多次吊灌。

（10）控制好井队大泵顶替的排量，根据替浆的泵压变化及时调整替浆排量，保证施工安全。

（11）为保证替浆量的准确性，采用钻井、录井、固井三方计量，顶替计量以井队泥浆罐计量为准，录井泵冲和固井流量计计量为辅。

4.3 固井过程

本井二开311.1mm井眼采用空气钻进，在进入上沙溪庙后，我们根据返砂湿润度判断井下是否出水，为干法固井提供依据。3月10日钻进至井深2964米完钻，起钻更换了Ф311.2mm牙轮+浮阀+Ф228.6mm钻铤×1+Ф300mm扶正器+Ф203.2mm钻无磁铤*1+Ф203.2mm钻铤*2+Ф177.8mm钻铤×3+139.7mm钻杆钻具组合进行通井，在起钻前将空气排量增大至210方以上，充分烘干井底，清理沉砂，保证下套管顺利。3月12日顺利下入Ф244.5mm×P110×11.99mm（TPCQ扣）套管270根，下深2961.98m，下入弹性扶正器40只，刚性扶正器14只。3月13日开始固井作业，第一次采用正注法，注入水泥浆105m3，平均密度1.82g/cm3；候凝48h后，3月15日第二次从环空吊灌注入水泥浆53m3，平均密度1.89g/cm3，水泥浆返出地面，3月19日测固井质量优秀。

5 认识与建议

干法固井技术是气体钻井技术的补充、延伸，是与之相配套的固井新技术，避免了空气钻转浆复杂，解决了常规固井技术顶替效率难以保证的技术瓶颈难，提高了固井质量，缩短了钻井周期，降低了钻井成本，减少了环境污染，加快了勘探开发速度。干法固井在元陆701井的成功运用不仅是技术创新，更是一次石油钻井生产力的解放。干法固井技术是集团公司元坝地区提速提效又一新尝试。

参考文献：

[1]朱忠喜，杨海平，刘彪，等.干法固井的技术难点和对策研究[J].石油钻采工艺，2013（2）.

[2]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.

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

[4]张文.固井注水泥过程计算机仿真[J].科学技术与工程，2010（15）.