国内外防气窜固井技术研究

国内外防气窜固井技术研究

作者：李万兴

来源：《中国石油和化工标准与质量》2013年第15期

【摘要】随着石油勘探的不断发展和进步，对防气窜固井技术提出了更高的要求。文章简介了环空气窜的原因及危害，从水泥浆体系、压稳气层技术和井身结构设计等方面介绍了防气窜固井技术，并提出了固井技术所面临的一些难题。因此，为了适应油井的勘测开发，需要进一步发展和完善防气窜固井技术。 【关键词】气窜 水泥浆 固井技术

随着经济的高速发展，能源安全问题已经成为制约我国经济能否快速发展的关键性因素之一。防气窜固井技术对于提高油气开采效率具有重要的积极作用。因此，国内外对防气窜固井技术进行了大量的研究工作，并取得了许多切实有效的研究成果。 1 防气窜固井技术的必要性

由于水泥浆失重、水泥浆窜槽和存在在水泥石与套管及水泥石与地层之间的缝隙，会产生环空气窜，并且环空气窜对开采油气有着重要的危害。也就是说，注水泥结束以后，水泥浆窜槽引起胶结质量降低或水泥浆难以承受气层压力，导致气层气体窜入水泥石基体，影响水泥石的胶结强度；或气层气体进入水泥与套管或水泥与井壁的间隙之间引起层间互窜，导致层间窜流，会对油气层的测试评价产生影响；甚者窜出井口，在井口冒油、冒气，引起固井后的井喷事故。因此，国内外对防气窜固井技术进行了深入地研究，并取得了一些重要的研究结果。 2 防气窜固井技术

油气钻井工程中最重要的环节之一便是固井作业，固井作业不仅可以封隔井眼内的油、气、水层，保护油气，还可以提高油气井使用寿命以及增加油气开采产量。自上世纪以来，国内外学者对防气窜固井技术进行了大量的研究，固井技术得到不断发展、进步和完善，主要体现在：①水泥浆体系；②压稳气层技术；③井身结构设计。 2.1 水泥浆体系 2.1.1基本水泥

基本水泥的种类：波特兰水泥、高铝水泥、市售低密度水泥、市售膨胀水泥、微细波特兰水泥、微细波特兰水泥和微细高炉矿渣混合物、高细度水泥、高炉矿渣、微细高炉矿渣、波特

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兰水泥和高炉矿渣的混合物、可储存的液体水泥、酸溶水泥、合成树脂水泥等。基本水泥种类的不断丰富，为新型固井技术的发展提供了物质基础。 2.1.外加剂

据美国统计，固井外加剂的用量占油田化学剂的38 %。国内外研究的油井水泥外加剂的品种也在逐年增加，种类繁多，进一步满足了不同条件下的需求，其中外加剂大致包括：防气窜剂、胶结增强剂和膨胀剂、促凝剂、缓凝剂、加重剂、防漏剂、降失水剂等等。目前，我们在油井水泥外加剂的研究和应用上取得了较大进展。

为了适应更宽温度范围和密度范围、抗盐性能和抗高温性能，国外石油公司重点研发了新型降失水剂，如道威尔—SCHLUMBERGER公司研制开发UNFLA通用型降失水剂。它的研发不仅满足了不同井深的固井要求，与之前水泥浆相比，也简化了设计，应用更加方便； 为了进一步活跃钻井操作，不断改善胶结质量，防止井眼和水泥之间的气窜，需要添加特殊材料的外加剂；还有弹性材料外加剂的研发，如果添加合适的弹性材料，能够对压力的动态起逆反应，从而消除水泥凝固期间的压力变化。水泥浆外加剂的不断完善为解决油田复杂固井问题和提高油田防气窜固井质量提供了物质保障。 2.2 压稳气层技术 2.2.1MTC固井技术

MTC（ Mud to Cement ）固井技术是指通过添加相配套的外加剂使在钻井液中加入的可水化的材料转化成具有一定强度性能的固化物。由于流变性能较好，静胶凝强度过渡时间短，并且低滤失、微膨胀、沉降稳定性好，因此，国内外大多采用高炉矿油替代波特兰水泥作为水硬性材料。目前，MTC固井技术应用广泛，与常规水泥浆相比，固井质量大大提高，有的井连续多年未发生任何事故，如美国在南德克萨斯Rosita气田9口井应用MTC固井技术，结果表明：油井在防止气窜方面取得较好的成效，经受住了水力压裂的考验。为此，今后应该进一步加强MTC水化机理研究和MTC固化物高温高压以及力学性能的研究，对现场施工装置进行简化改善，拓展技术的应用范围。 2.2.2环空加压技术

环空加压技术是一项在注水泥作业结束后，为了保证油井环空中的液柱压力大于气层压力，需要在环空中加一定压力（现场加压值一般为2～3 MPa）的技术。 加压后，使环空压力大于气层压力，防止环空气窜。环空加压技术虽然应用实践较早，应用范围广泛，操作经济，在防气窜固井方面有一定的效果，但仍存在较大问题，因此，它常作为一种防气窜固井辅助技术应用在实践中。

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2.2.3管外封隔器技术

管外封隔器技术是指在相临的各气层之间加装置—套管外封隔器，在注水泥结束后使套管封隔器膨胀，以达到强制各气层分隔开的目的。即在实践应用中，油井使用套管外封隔器进行机械式密封，井内注入水泥后，需要在还未达到静态凝胶强度时，马上将套管封隔器封闭，强制分隔开各气层。虽然管外封隔器技术的应用解决了一些气窜问题，但该技术仍具有局限性，它只适合在常规化学方法失效且油井气层数量较少时使用。 2.2.4脉冲注水泥技术

脉冲注水泥技术是指将水泥浆进行振动后，再应用于油气井注水泥作业。水泥浆振动可以提高水泥的固井质量，防止气层气体进入水泥与套管或水泥与井壁的间隙之间引起层间互窜。该技术操作简易，经济，广泛应用于固井作业中。 2.3 井身结构设计

随着油气勘探开发向更深部和海洋方向的发展，为了满足地质勘探及采油工艺的要求，通常需要增加套管层次。增加套管柱层次的主要措施有：a加大上部井眼和套管的尺寸；b采用无接箍套管，缩小相邻套管柱及套管与井眼之间的间隙；c钻小尺寸井眼可增多套管柱层数。套管与井眼间隙的实验研究分析，在考虑间隙大小对钻井、固井、波动压力等影响因素的前提下，再提出了改进和完善的井身结构方案设计。

同时井身结构优化设计需要遵循一定的原则：1）设计能够满足钻井作业要求，并且有利于实现安全、经济，效率；2） 对于复杂、特殊条件下的开发井，套管设计要留有余地，方便改进；3）有利于提高钻井速度，缩短钻井周期，从而降低钻井成本等 3 防气窜固井技术面临的技术难题3.1 腐蚀性气体含量高

油田深处气田二氧化碳等酸性气体含量较高，在潮湿的环境中，易发生一系列化学反应，形成具有较强腐蚀特点的物质，从而对套管等装置并对水泥浆的性能产生影响。随着外界环境的变化，如：湿度、温度、压力等，问题变得更加复杂。 3.2 压力层系复杂

油气井深浅不同，对于较深的气田，同一眼井可能需要穿过多个压力系数不等的压力层，复杂的油井结构更容易发生漏气、坍塌或缩径等事故。此外，压力窗口的窄小，给稳压和防漏带来了困难。有些油田处于地质断层地带，天然气等主要储藏于火山岩层中，裂缝中的气层在进行钻井和完井时泄漏现象严重 。 4 结束语

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异常复杂的深层油井地质条件增大了钻井勘探的难度，同时也对防气窜固井技术提出了更高的要求。虽然目前国内外固井技术已取得了较大的成效，但为了适应油田勘测的需要，意味着固井材料、油井水泥和外加剂以及工艺技术等仍需要进一步的发展和完善。 参考文献

[1] 刘爱平.中国石油固井技术现状及发展趋势[J].测井技术（电子版），2004，28：23-26 [2] 丁士东，张卫东.国内外防气窜固井技术[J].石油勘探技术（电子版），2002，30（5）：35-38.

[3] 朱礼平，廖忠会，刁素，等.川西水平井水泥浆防气窜评价方法[J].石油钻采工艺，2012，（1）：92-93