固井对油气层的损害
摘要：固井就是向井内下入一定尺寸的套管串，并在其周围注入水泥浆，把套管固定的井壁上，避免的是：封隔疏松、易塌、易漏等复杂地层；封隔油、气、水层井壁坍塌。其目，防止互相窜漏；安装井口，控制油气流，以利钻进或生产油气。在打开油气层后,如果钻井方式、钻井参数、泥浆性能等因素处理不当,可能会对生产层造成多种损害,研究这些损害机理,对保护和开发生产层具有重要意义。同时,使用同地层相配伍的钻井液,采用保护生产层的钻井方式将直接关系到油气井的产量及油气田的开发经济效益。
关键字：固井工艺 油气层损害 水泥浆 套管 研究进展
一、对固井过程中油层损害机理的基本认识
1.研究及试脸方法
固井过程中油层损害机理的研究，主要是用钻井过程中取出的岩芯在可以模拟井下压力、温度的流动试验装置上让冲洗液、水泥浆分别污染后，测定渗透率下降率.考虑到固井施工过程的特点，先用钻井液污染岩芯，再用冲洗液、最后用水泥浆污染，可得出最终污染深度及总的渗透率下降率，用以评价损害程度，并寻求降低损害的途径.
2.研究结论
根据模拟注水泥施工参数进行试验研究，得出如下结论.
①因清水冲洗液流经油层部位时污染压差与钻井液基本相同，且接触时间短，因此，冲洗液滤入油层很小(仅0.05m1),渗透率下降率4%-5%.
②水泥浆对油层的损害主要由滤液造成.造成损害的原因首先是滤液与粘土矿物间的各种有害作用，其次可能是水锁及少量滤液析出物在孔壁上的附结.由于钻并液先污染，所以水泥浆再次污染的损害程度比钻井液的要小，对于试验岩芯，渗透率下降率平均小于10%.水泥浆向地层的滤失由替浆动滤失和候凝静滤失两部分组成，污染深度随滤失速率、接触时间增加而增大.
③降低油层损害主要是控制水泥浆的失水量.对于尾浆、用量多(与油层接触时间长)的水泥浆，失水量控制应严一些，反之可适当放宽.水泥浆API失水量控制指标可用反演程序确定，即由射孔弹穿透的深度(允许污染的最大深度)和滤失时间推算水泥浆滤失速率和水泥浆的APT失水量.
二、固井的一般工艺流程
1作业准备阶段
根据其他影响因素确定水泥浆、水泥石的性能指标要求。选用合适的材料调配出能达到指标要求的水泥浆。通井、洗井、调整钻井液性能准备固井。
2注水泥
尽可能压稳地层流体,并且顶替效率不高,否则将导致地层流体窜槽或钻井液环空窜槽,从而影响固井质量。涉及的影响因素包括井眼条件、地层压力、钻井液、冲洗液、隔离液、水泥浆、平衡注水泥设计和提高顶替效率的措施。
3候凝
由于候凝过程中未能压稳地层流体、地层流体侵入环空、水泥浆凝结受到干扰,或由于水泥浆体系不稳定、出现水化缺陷,无法形成完整、优质的水泥环,或水泥与地层、套管界面胶结不良而影响固井质量。涉及的影响因素包括井眼条件、地层压力、水泥浆水化缺陷(如体积收缩)、注水泥过程中水泥浆密度波动控制,以及辅助压稳地层流体的措施,如环空憋压、振动固井等。
4水泥浆凝结以后
水泥浆凝结以后,地层流体腐蚀或高温强度衰退,可使水泥石的完整性、均质性遭到破坏;工况变化可使水泥石与地层、套管之间的界面胶结、密封能力遭到破坏,从而导致水泥环的长期密封性能失效。涉及的影响因素包括后期工况条件的变化(温度、压力变化,腐蚀性地层流体,地层水离子组成变化)和水泥石本身的力学、热学、化学性能。
可见,根据固井作业的工艺流程,控制好各时间段内影响固井的各个因素对于获得优良的固井质量有重要意义。
图1是各因素影响固井质量的简图。可以看出,影响固井的因素非常多,且这些因素相互影响、相互制约,既可单独作用,也可联合作用影响固井质量。因此,从某种程度上说,影响固井质量的因素构成一个环环相扣的单链过程,任何一个环节存在不足,都将影响最终的固井质量,为此,在进行固井施工方案设计时,必须对其进行全面的考虑。上述影响因素中,井眼条件、地层条件是限定的;套管选型受成本、钻机提升能力、开发方案的限制;水泥环所处工况由油井生产方案决定;钻井液、冲洗液、隔离液的性能可在一定程度上进行调节;能在大范围内进行优化控制的,仅有水泥浆性能和注水泥施工工艺。因此,如何针对上述影响因素,调配出能满足平衡注水泥、提高顶替效率、候凝过程中压稳地层流体、形成优质水泥环、凝结后能适应后期工况
变化需要的水泥浆,并通过合理的施工工艺将其注入井内,即成为影响固井质量的关键。
三、降低油层损害的水泥外加剂的应用
在固井注水泥施工设计时,如果对水泥浆流变参数估计偏差较大,将导致由此计算出的循环摩阻压力和施工设计排量出现偏差,导致顶替效率不高,甚至压漏地层。研究水泥浆流变学对水泥浆的可混配性和可泵性进行评估、确定在施工中和施工后压力和深度之间的关系、预测固井时的温度分布、设计达到最佳顶替效果所需的排量,以及当发生水泥浆柱“自由回落”时计算返出流量等方面均有重要作用。故掌握好水泥浆流变学对于固井设计,施工和评价都十分重要。目前,在进行水泥浆流变性设计时,均未考虑水泥浆的时变性。而实际上,水泥浆在注入过程中一直处于水化反应中,其反应必将影响水泥浆的流变性。
随着水泥水化的进行,水泥浆流变模型不发生变化,但流变参数发生变化。总体上,表观黏度随着水化时间的延长而增大,中、低剪切速率增长幅度比高剪切速率大,但不同浆体表现出不同的变化特征;固井注水泥前必须对水泥浆的时变特征进行实验,尤其是中、低剪切速率下的剪切特征,以更为准确的确定流变参数,为注水泥施工设计提供依据。
注水泥后环空窜流现象主要表现为井口环空涌、喷或者是井下层间窜流。注水泥后引起环空窜流的原因主要有如下三方面:由于钻井液被顶替不完全而经钻井液窜槽通道窜流;由于泥饼或微环隙存在而经水泥与地层或套管交界面窜流;由于失重而经水泥基体(包括两个交界面间)窜流。
防止注水泥后环空窜流的措施途径
针对环空窜流的原因,人们采取了相应的防止环空窜流的措施:
1防止由于钻井液被顶替不完全而经钻井液窜槽通道窜流。要防止
这种窜流就必须提高注水泥顶替效率,尽量使顶替效率达到100%。
2防止由于泥饼或微环隙存在而经水泥与地层或/和套管交界面窜流。在这方面,所采取的主要措施是:安泥饼刷清除泥饼(特别是假泥饼);注水泥时使用前置液冲蚀泥饼;使用套管外封隔器进行层间的机械封隔;套管粘砂提高水泥与套管的胶结强度;控制套管内压变化防止微环隙产生;使用膨胀水泥(指晶体生长型膨胀)提高水泥与套管、水泥与地层的胶结强度。
3防止失重所导致的环空窜流。水泥浆失重可归纳为两类:水泥浆胶
凝引起的失重;桥堵引起的失重。水泥浆的失重所引起的压力降低,可在初凝前使水泥浆柱压力降到静水柱压力。而由于失重引起的窜流的危险时段也就是初凝以前,即水泥浆从液态向塑态、固态转变的凝结阶段。防止失重所导致的环空窜流的措施可分为两类:工艺方面的措施、防窜水泥浆。从原理上而言也可分为两类:防止或降低失重、增加窜流阻力。
4防止失重所导致的环空窜流的工艺方面的措施。防止失重所导致的环空窜流的工艺方面的措施主要如下:降低水泥柱高度;使用双凝水泥;候凝时井口环空加压;固井时增大环空内钻井液的密度;使用多级注水泥技术;使用套管外封隔器;候凝期间井口环空脉冲振动水泥浆;候凝期间振动套管。
各措施的简要原理如下:
———降低水泥柱高度
在对水泥浆封隔长度无什么特殊要求时,可适当减少水泥柱高度,以减少水泥的失重值及其对窜流的影响。但是,水泥封隔长度一般都会有一定要求,不能轻易改动,或许可以改动但有限,因此该措施有较大的局限性。
———使用双凝水泥
井内要封隔的水泥段较长时,为了防止窜流,可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,使水泥浆从下到上逐渐凝固。常采用的是两凝水泥。当下部速凝段处于危险状态时,上部缓凝段仍保持较高的静液压力;而缓凝段降至水柱压力时,下部速凝段早已凝固,从而防止窜流。该措施可行,所带来的不便之处是水泥浆体系稍微复杂一点,有时更大的不便不是水泥浆体系的实现而是现场施工不便。
———候凝时井口环空加压
候凝时井口环空加压以弥补水泥浆失重引起的压力降。该措施的局限性是,当井下有薄弱易漏层时、上层套管下得比较浅时,所施加的压力有限或根本不能加压。尤其是井下上部有薄弱易漏层时,所能憋压的当量密度有限。
———固井时增大环空内钻井液的密度
采取这一措施是基于这样的考虑:在井下某一位置,水泥浆失重后对
地层作用的压力是水泥段失重后的压力与上部钻井液段压力之和,因此,增大环空内钻井液的密度可以增加对地层的压力,从而有利于防窜。该措施目前基本上未应用,因为一般固井时增大井内钻井液的密度都不利于提高注水泥顶替效率,因为增大钻井液密度使水泥浆与钻井液之间的密度差减小,且一般情况下增大钻井液密度也会使钻井液的粘度增加,这些都不利于水泥浆对钻井液的顶替。
四、相配套的固井工艺技术
完井方法选择也是降低油层损有的重要环节。几年来，围绕选择完井方法、双级注水泥工艺、优选固井参数、提高水泥浆顶林效率进行了攻关研究，取得了预期效果。
射孔是沟通储层和井筒以形成气液流通通道的良好完井方式,由于射孔工艺效应和结构条件,正常情况下不可能完全实现理想的射孔孔眼。
①在射孔作业过程中可能导致射孔弹孔眼径向周围形成的挤压致密区的渗滤能力远小于周围地层;②射孔过程中造成的泥浆、岩屑、弹片有可能对孔眼造成堵塞;③正压差射孔比负压差射孔更易产生危害;④射孔液化学性质与储层不配伍可引起粘土膨胀与水锁;⑤射孔液中有害固相含量高,聚能射孔产生的碎片等,可在正压差射孔时压入地层,产生伤害;⑥高压差、高排量会在井眼周围地带形成亏空带,再次压井可引起大量泄漏;易引起储层内颗粒运移;易产生压实作用,产生压力敏感 。
采用双级固井工艺技术,一方面降低了环空液柱压力,防止注水泥浆漏失,缩短固井施工时间;另一方面可优化一级水泥浆体系,选择最佳水泥封固井段保证有效地封固目的层;再者可防止或减少水泥浆失重造成地层流体上窜,有利于提高固井质量。
为保证探井油气层不被水泥浆污染和正确评定探井油层资源量情况,可以采用筛管顶部注水泥工艺。该工艺也是目前比较成熟的固井工艺技术。
根据井眼状况和不同压力层系,应该采用不同的完井固井工艺,并采取相应的技术措施保护油气层,保证固井质量。目前,根据不同情况可采用的配套工艺技术有:①长封固井段高压井或漏失井采用分级箍+管外封隔器工艺;②尾管多套压力层系采用悬挂器+管外封隔器工艺;③尾管筛管顶部注水泥采用悬挂器+管外封隔器+分级箍工艺等。
由于井底温度高、环空间隙小、施工泵压大、封固段长,造成完井固井工艺相当复杂。目前,国内外还没有比较合理、完善、系统的深井完井固井工艺。
良好的井身质量包括井眼规则、无大肚子和糖葫芦井眼、井径扩大率、全角变化率达到要求。而井径扩率超标、狗腿度严重、井眼轨迹不规范、方位变化大等严重影响套管的居中,造成水泥浆窜槽。良好的井身质量能够最大限度地提高水泥浆的顶替效率,达到良好的固井质量。
钻井液性能差,井壁坍塌掉块,虚泥饼增厚,造成套管下不到位,开泵困难,大量出砂,导致憋泵事故。因此,为保证固井质量,在保证井下安全的情况下尽量使钻井液达到低粘低切,具备良好的流变性。
固井设计包括套管柱设计、工艺设计、水泥浆体系设计、工具附件没计和施工方案设计。对于深井更要注意套管柱设计,固井工艺、工具附件、水泥浆体系要针对实际情况进行优选。
深井的套管设计,应适当增加安全系数,并对各种生产条件全面衡量,经过谨慎权衡后,确定最终的外载条件。除了一般常见的设计因素外,需要特别权衡考虑的因素有:生产过程中可能出现的最大井口压力和井底压力、套管的磨损、弯矩、蠕变地层。
由于井深,水泥浆运行路径长,混浆严重,容易引起稠化。因此应考虑与钻井液的配伍性(相容性),为提高顶替效率,选用剪切稀释性好、冲洗性好的液体,以清除滤饼,为水泥浆提供一个良好的胶结界面。前置液的设计比较困难,需要特别考虑的问题是在保证顶替效率的情况下避免欠压固井。因此,往往需要对前置液做加重处理,这在现场是一件比较繁琐的工作。但也应该看到,在相容性好的条件下,前置液中的加重材料会对胶凝钻井液产生磨蚀作用,有别于低密度前置液,从另一个方面产生提高顶替效率的作用。一个简单有效的方法是把适当稀释的钻井液作为预冲洗液,既容易获得又能保证有一定密度。室内实验表明,钻井液中加入5%～10%的水稀释后,可以使屈服值降低30%～50%,塑性粘度降低20%～30%,而密度仅降低0.05～0.1g cm3。
水泥浆性能随着井深的增加,水泥浆在高温高压下的流动及应力状态都会改变。高温下水泥外加剂会发生聚合、降解、交联反应。要选择优良耐高温的外加剂,根据井下温度、压力条件下进行流变学设计,达到失水小、析水少、流动性好,要按流变学来设计和调整水泥浆性能,达到紊流顶替,以提高顶替效率。深井套管必须探伤、试压,复查钢级、壁厚、椭圆度。认真选择工具、附件型号和检查质量状况是深井固井要做的一项重要工作。必须对各个公司生产的工具性能充分掌握,入井前重点检查,施工时尽量避免对薄弱环节造成冲击。这些重点检查环节是:尾管悬挂器的中心管密封、脱挂装置的可靠性;分级箍循环孔入井前是否闭、各种附件尺寸是否匹配等。
平衡压力设计对深井固井犹为重要,要保证固井注水泥前、后管外液柱压力小于地层破裂压力、大于地层孔隙压力。既要保证在固井中不发生漏失,又要保证在水泥浆失重后,液柱压力大于地层孔隙压力,合理设计两凝或多凝水泥浆,防止底部高压油、气、水窜影响水泥封固质量。
下套管前采用完钻钻具组合通井,并大排量洗井,调整钻井液性能,确保井眼畅通,无垮塌无沉砂,保证不漏、不涌,为固井施工提供良好的井眼条件。为保证套管安全顺利下人设计井深,必须调整钻井液性能:添加合适的润滑剂,改善套管与井壁的接触环境,减小下套管摩阻;具备良好的抗高温高压性能;在保证井下安全的情况下,达到良好的流变性,钻井液密度、流变参数、失水合理,以提高防塌防卡能力,使其易于被水泥浆驱替。
合理安放扶正器可提高套管的居中度。可选用双弓弹性扶正器、刚性扶正器(直条、旋流)、旋流发生器。扶正器对于提高顶替效果、提高固井质量有着非常重要的作用,它的主要作用有两个:套管居中和造成局部紊流。双弓弹性扶正器安放原则:套管鞋部位下入1～2个;油气层段及上下50m内,每根套管加一个扶正器;在大肚子井段,每根套管加一个扶正器;其他井段酌情下入,在疏松砂岩和井下情况较复杂的井段少加或不加扶正器。在大肚子井眼处合理安放旋流发生器,增加大肚子井眼处的紊流力度,提高顶替效率,保证井径不规则处的固井质量。
尾管固井工艺是深井固井中最常用的一种方法,具有较好的经济价值,它改善管柱轴向受力载荷条件及改善钻井水力条件,尤其在低压薄弱地层固井能大幅度降低环空流动阻力,因此尾管固井工艺日益广泛地被采用。对于裸眼套管下入深、钻机负荷过大和施工难度大的井选用尾管悬挂、套管回接工艺比较有效。首先进行尾管固井作业,然后进行套管回接。这样可以降低液体流动阻力对油层的污染,同时减轻了套管串质量,减轻了钻机负荷。
五、总结
随着地理环境和人为作业环境的改变,油气层损害的原因和程度也不尽相同,复杂多变,必须根据具体作业过程分析油气层损害的原因,以采取相应的保护措施,更好的保护油气资源,节约勘探开发成本。
近年来固井技术取得了长足的进步，但是当前和今后一个时期固井面临的困难仍然很多，解决这些问题我们深感责任重大。现就下一步的工作，提出以下几个方面的建议：
第一，油田领导要高度重视固井工作。固井是钻井工程的最后一道工序，也是油气井完成的最后一道工序，其质量直接关系到资源的保护和合理利用，关系到环境的友好与保护，关系到油气田开发的效果和寿命，因此希望油田领导给予充分的重视，关心固井技术的发展，为固井技术发展提供强有力的支持。
第二，加强技术管理及现场施工的管理。提高固井质量是一项系统工程，这项工程并不仅仅是从事固井设计与施工单位的事情，也是地质、油藏、钻井等多个单位、多个方面共同关注的一项系统工程，需要各部门协调配合。要想固好井，必须从各方面入手，采取有效措施，降低每一项因素对固井质量的影响。为此，各油田要制定固井条例，健全生产质量管理体系，要有专门人员负责固井的管理，加强与钻井等单位的联合，实行生产责任落实到人头，严格执行设计方案，抓好重点勘探区域、重点工程、重点井的方案论证、技术攻关、施工设计、措施落实、固井施工等，确保固井成功与固井质量。要严把入井的工具附件、水泥、外加剂、外掺料的质量关，严格做到不合格的产品不能入井。
第三，进一步改善固井装备及水泥化验仪器。近年来，国际上固井装备发展的一个重要方向是注水泥设备向操作自动化、密度控制精确化、大能量和大功率方向发展。配浆时的混合能量充足，可以使水泥颗粒充分水化，保证现场水泥浆的性能与室内实验条件相一致，达到设计要求。鉴于复杂深井固井难度的日益加大，工作量日益增多，各油田现有的固井设备还不可能很好地满足复杂井固井施工的需要，固井设备有必要进行适当更新。
