国内油气田漏失性地层固井防漏技术研究

国内油气田漏失性地层固井防漏技术研究

汪金锋

中石化胜利石油工程有限公司固井技术服务中心研究所 257000

摘要：近年来国内油气田漏失井钻井数量一直呈增加趋势。漏失井固井作业中的水泥浆低返是各油气田尚未很好解决的技术难题，因而严重地制约了油气田开发战略地实施。文中就漏失性地层的特点、固井技术难点、主要影响因素和防漏材料的作用机制进行了讨论，对国内各油气田采取的防漏工艺措施和所用防漏水泥浆体系存在的问题进行了分析和比较。最后，介绍了国内外新开发的防漏水泥浆体系及应用情况。

关键词：油气田；漏失性地层；固井防漏技术

一、易漏地层的类型与特征

钻井过程中的漏失可分为以下4种。①渗透型漏失:指渗透性地层的漏失。正常地层孔隙度大、渗透性高的地层易发生渗漏;②次生裂缝型漏失:因地层承压过高后诱发的裂缝所致。例如:水泥浆流变性差，循环排量过大，水泥浆被泥浆污染变稠，施工不连续等都会产生次生裂缝;③裂缝型漏失:指天然裂缝、孔洞式洞隙地层的漏失。大裂缝地层最易发生井漏，其漏失原因在于:正压差下的漏失;重力诱导型漏失;置换性漏失;溶洞性漏失;其它漏失（边喷边漏，地下井喷等）;④裂缝/孔隙型漏失:指孔隙较发育并有微裂缝的地层漏失。根据井内流体漏失速度，漏层可划分为:①渗漏:漏速小于10m³/h;②小型漏失:漏速小于20m³/h;③中型漏失:漏速小于50m³/h;④大型漏失:漏速小于80m³/h;⑤严重漏失:漏速大于80m³/h;⑥特大漏失:井内失返（只进不出）。

依据地层的漏失特性，固井施工可分为:①低压漏失层固井，指在用低密度钻井液，且在钻井过程中发生井漏经反复堵漏后仍不能达到水泥浆密度梯度的情况下固井作业;②高压漏失层固井，指液柱压力大于地层压力时发生井漏，低于地层压力时发生井喷，通常高压漏层为高压水层或气层。

二、漏失性地层防漏固井技术难点

（一）地层裂缝发育、承压能力低、压力窗口小

国内油气田易漏地层的压力系数普遍较低，且压力窗口小，在外部压力变化时，常导致裂缝宽度相应明显变化。压差是造成钻井液漏失的外因，地层孔隙度大、渗透性高和裂缝发育是造成井漏的内因。可以推测，渗漏大多是由孔隙型高渗透微裂缝造成的，小型漏失往往是由中——大诱导性裂缝造成的，而大型和特大型漏失大都是由于诱导性大裂缝、原生大裂缝或孔洞性地层造成的。

（二）井身结构简单、裸眼井段长、层间复杂

为节约钻井成本，各油气田简化井身结构，采用两层套管结构（表套+油套），使得裸眼井段加长，且不能确切掌握漏层位置、漏层数量、吸收量、地层破裂压力和漏速。长裸眼井段内可能包含不同岩性的砂、泥、页、砾和盐岩层段，且垮塌、缩径、出水和气侵现象并存，上述复杂因素造成固井过程顶替困难，很容易漏失低返。钻井过程存在渗漏或小型漏失（漏层位置不确定）。固井设计水泥浆返出地面，但由于顶替过程中常发生大型漏失（失返），水泥浆经常返不到表层套管内，严重影响了气井的固井质量。

（三）施工工艺要求严格，固井质量要求高

漏失井固井工艺和措施随井下漏失情况不同而变化（或正注反挤或分级固井），水泥浆体系也因井况而异（或低密度或双凝体系）。由于漏失性地层的固井过程中存在诸多不可预见的因素（大漏或不漏），在压稳地层的同时，灵活地控制（限制）顶替排量和顶替压力以达到替净的目的，一直是固井施工过程中十分重要的应变环节。由于漏失性地层固井时既要求防止水泥浆低返，同时全井封固段固井质量也必须得到保证，从而使得固井难度增大。

三、漏失性地层固井工艺及防漏水泥浆体系评析

近年来，国内各油气田提出的解决漏失井固井问题的工艺措施和水泥浆体系有:①先期堵漏法:在下套管前后注水泥前采用桥堵材料和静置的办法封堵漏层，然后固井;②平衡压力固井法:使用低密度水泥浆（注重水泥浆密度和流变性设计，使环空水泥浆柱压力低于渗透性地层的漏失压力，降低环空流动阻力）、双级（多级）和正注反挤注水泥;③使用防漏前置液:降低环空的静液柱压力，提高地层承压能力（如硅酸钠前置液渗入高渗层，与地层内钙离子反应形成凝胶，产生壁面保护层）。但现行的技术措施和水泥浆体系均存在一定程度的局限性，固井低返现象依然存在，固井质量仍然不够理想。

（一）工艺措施

常用的防漏工艺措施有两种，其一是分级注水泥技术，即采用分级箍（最好选用液压开孔）将长封固井段人为分隔开，以降低固井施工中的注、替压力;其二是采用正注反挤（或分级固井+正注反挤）的方法，以平衡地层压力，防止水泥浆漏失。这两种工艺措施常常因地层岩性、井身质量和分级箍质量（井径不规则或分级箍打不开）的原因而失效。如实施分级固井和正注反挤工艺要求对漏层位置和地层破裂压力判断准确，分级箍安放处要求井眼规则且岩性致密，井斜不超过2°。正注反挤作业有时要反复施工方能奏效，且容易污染地层。

现行固井防漏技术存在的问题:①先期堵漏工艺一般适用于漏层不在产层的井，如果漏层在储层，则不利于保护油气层;②漏层位置的准确判定一直是影响分级固井和正注反挤固井技术应用的关键，目前缺乏相应的技术改进手段。

（二）防漏水泥浆体系

目前国内用于漏失性地层固井的防漏水泥浆体系主要有3类:①各种低密度体系（使用硅藻土、膨润土、SNC、泡沫、陶粒及粉煤灰等材料）;②交联聚合物材料（含触变水泥体系）;③专用防漏水泥浆体系（由不同尺度、不同弹性模量的纤维群构成，可有效封堵各类地层裂缝）。

从材料特性和应用效果分析，低密度水泥浆体系只具有减轻水泥浆密度，降低注、替压力的作用，而不具备堵漏作用，因而防漏作用有限且效果不稳定。同时，受其固有的高体积收缩（-6%～-14%）、高脆性和低抗压强度的限制，应用效果有待改进。尽管颗粒紧密堆积理论的引入，使低密度水泥浆的抗压强度有所提高，但高收缩、高脆性的固有缺陷并未得到改善，特别是低密度水泥石的高脆性会给后续各种采油作业埋下隐患。第二类防漏水泥浆体系主要成分为交联的水溶性聚合物材料（如触变水泥），其本身具有堵漏作用，但施工风险大，对作业设备和操作人员技术要求很高（如触变性小，堵漏效果不佳，而触变性强，施工中容易憋泵），故其应用实例十分有限。而第三类防漏水泥浆体系的主要成分为特种纤维材料，防漏失效果十分显著。同时，堵漏水泥浆所形成的水泥石还具有显著的增韧抗裂作用，有助于防止聚能射孔对水泥环的破坏，延长油气井生产寿命。

结语

易漏地层固井作业中的水泥浆低返现象的影响因素十分复杂，要成功地防漏需要系统地研究影响易漏井固井质量的各种因素，诸如漏层特性、裂缝尺度、漏层位置和数量，所使用的钻井液和完井液的性能，固井施工工艺、选用的防漏材料与水泥浆性能的关系等。其中防漏水泥浆体系的选择施工工艺是技术关键，必须加以重视并进行深入的研究。此外，防漏材料的研发尚需系列化，以满足不同特性漏失地层防漏固井施工的技术要求。

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