润滑罐(如何提高固井质量？)

Posted 2023-06-01

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润滑罐(如何提高固井质量？)

油井百年大计

固井质量第一

一口井的固井质量不好，会影响开发效果，严重时会使前期所做工程工作量毁于一旦，甚至全井报废。所以，我们在钻井完井过程中必须把固井质量放在重要的位置。提高固井质量应主要从以下几个方面着手。

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第一

保证套管正常下入

套管能否正常下入到井内设计位置，是固井方案能否正常实施的前提，必须根据井眼情况制定合理的下套管措施，下面介绍常规井下套管和特殊井下套管的关键技术措施。

一、常规井下套管措施

常规井下套管除严格执行《下套管作业规程》外，在以下几个方面要更加重视：

（1）下套管前通井，保证没有遇阻点、卡点和缩径点。

（2）井眼循环干净，井底与钻井液中无大量岩屑、泥砂。

（3）处理钻井液性能，保证井壁稳定，不坍塌、不掉块。

（4）钻井液有良好的润滑性，并且流动性良好，性能基本接近完钻时钻井液性能。

（5）确保压稳地层流体，保证井眼不涌、油气水不上窜，油气水较活跃的地层，油气上窜速度应达到行业标准规定的要求（油层上窜速度应≤10m/h；气层上窜速度应≤15m/h）。

（6）井下必须无漏失现象，若有漏失，必须先堵漏后下套管。

（7）凡准备入井的套管，各项参数必须符合设计要求。

（8）套管及入井工具附件在运、送、装卸过程中，严禁碰撞，护丝应带齐上紧。

（9）送到井场的套管，必须按行业标准和作业规程进行严格细致检查。

（10）对套管进行通内径、丈量长度、清洗丝扣、编号、编排套管顺序。

（11）要严格执行套管供应商提供的套管紧扣扭矩进行紧扣。

（12）套管必须按规定安装扶正器。

（13）下套管过程要连续灌钻井液，掏空长度应小于规定值。

（14）下套管过程中临时停止下套管时，必须活动套管。

（15）控制下放速度，使钻井液环空返速小于规定值。

（16）清理好井口，严防井下落物。

二、特殊井下套管措施

特殊井一般是指存在特殊情况的井、特殊轨迹井和特殊工艺井，如套管负荷过重的井、大斜度井、水平井和大位移井、漏失井等。此类井下套管应在执行常规井下套管技术措施的基础上，根据井的难度采取相应的其他措施。

1、套管负荷过重的井

当套管有效负荷超过钻机额定提升负荷的70%时，一般采用以下办法解决套管负荷超重的问题。

1）采用套管掏空法。

采用套管掏空法以减轻套管有效悬重。即在套管串中使用高抗回压浮箍，在下套管时保持一定量的掏空度。

2）采用漂浮接箍（漂浮减阻器）下套管。

采用漂浮接箍（漂浮减阻器）下套管既能减小斜井段和水平段摩阻，又能减小套管浮重，而且该方法能准确地确定减轻的重量值，是减少下套管负荷的较好的办法。

3）采用尾管固井及回接固井工艺。

当套管有效负荷超过钻机有效提升负荷过多时，可将套管一次性下入改为分两次下入，即先以尾管的形式下入下部套管段，进行尾管固井，待水泥浆凝固后，再下入上部套管段与底部套管回接，并进行固井，从而解决了套管负荷过重的问题。

2、大斜度井、水平井和大位移井

大斜度井、水平井和大位移井下套管的主要难点是克服套管下入摩阻大的问题，一般根据井的难易程度分别采取以下措施。

1）钻井液减阻技术。

对于水平位移不大的大斜度井、水平井，一般为减小摩阻，在钻井液中混入原油或加入减阻剂，以降低套管下入摩阻;并且在大斜度井段和水平井段的套管中加入足量的高支承力扶正器（有时用刚性扶正器），以防压差粘卡套管;由于下入了足量的扶正器，在固井时能保证套管在井内居中，有助于提高水泥浆顶替效率。

2）滚动减阻技术。

对于位移较大的井除采取以上措施外，还可以在钻井液中加入塑料球，使套管局部滑动摩擦变为滚动摩擦，以减小套管下入摩阻；另外在技术套管内和地层坚硬的井眼处可使用滚子扶正器，进一步减小磨阻，保证套管正常下入。

3）套管漂浮技术。

套管下入时，套管自身重力克服摩擦阻力，摩擦阻力为套管自重在接触面垂直方向正压力产生，对于位垂比较大的大位移井（一般大于2），由于井眼垂直段较短，下套管时，垂直井段重力推动力较小，而大斜度井段和水平段较长，不但不产生重力推动力，反而使摩阻加大（由于重力变成了对井壁的正压力，而摩阻与正压力成正比），因此套管下入更加困难，对于此类井，可采用“套管漂浮技术”降低套管对井壁的正压力，从而降低摩阻，实现套管正常下入。

（1）大位移井下套管困难的原因分析。

在下套管过程中，影响套管下入的力主要有：套管重力、套管浮力、套管与井壁的摩擦阻力和钻井液的黏滞力（图1）等。

上式中，井斜角、重力、流体密度、套管体积和摩擦系数在特定井段为常数，摩擦力F为可变量，由式2可知，影响摩擦力最直接的因素是正压力N，只有通过降低N值才能降低摩擦阻力 F值。

由式2、式3看出，当井眼钻完以后，井斜角α为固定值，套管串重力G为固定值，只有通过增大浮力Q才能降低N值，从而减小摩擦力F。由式4可知，增大浮力 Q的办法是增大漂浮体积，可以通过封堵某一段套管使该段套管漂浮体积变为套管外体积，这样增加了漂浮体积，从而增大浮力Q。因此，增加斜井段或水平段的套管浮力，可以降低大位移井下套管摩擦阻力。

（2）使用套管漂浮减阻器（漂浮接箍）减阻。

根据上述分析，如果将斜井段或水平段套管内的钻井液掏空，漂浮体积就变成了套管外体积，套管的重量没变，套管的浮力会增大，增加了套管离开井壁的正推力，从而使套管对井壁的正压力减小，摩擦力降低。因此，在下套管时，采用套管漂浮技术以减小套管下入摩阻。套管漂浮技术是通过使用漂浮接箍或套管漂浮减阻器来实现。使用方法是在套管串中的设计位置连接漂浮减阻器（或漂浮接箍），使大斜度井段或水平段的某段套管不灌入钻井液，以增加套管的漂浮体积，增加漂浮力，减小套管对井壁的正压力，降低套管下入摩阻（图2）。

3、漏失井

1）钻井过程中一直漏失的井。

对于在钻井过程中一直漏失的井，在下套管前必须进行堵漏，防止在下套管过程中一旦发生井漏，造成无法处理的复杂情况；若井下有高压油、水、气层，下套管过程发生井漏时，会造成环空液面下降，可能带来井涌或井喷事故。

2）下套管前堵漏成功的井。

对于下套管前堵漏成功的井，在下套管时也要采取防漏措施，防止下套管过程中再次发生井漏。一般采用以下措施：

（1）减小环空流阻。通过提高钻井液的流动性，降低循环钻井液时的流动阻力，从而降低钻井液上返时的动液柱压力，减小对井底的回压。

（2）严格控制套管下放速度。降低环空钻井液回流速度，从而降低流动阻力，减小套管下入过程的动液柱压力，以防压漏地层。

（3）使用“自灌浆浮箍”。使用“自灌浆浮箍”实现下套管自动灌浆，使套管下入时流向环空的钻井液减少，既能减少下套管时间，又能减小环空流体返速，达到降低环空流阻的目的；同时不需要停止下套管灌钻井液，防止套管粘卡。

（4）补充环空液面。下套管过程中，始终观察环空钻井液液面，若发现液面降低，应及时补充钻井液，避免因轻微漏失使液柱压力降低，从而诱发油气水浸入井内造成井涌等复杂情况。

3）下套管过程发生井漏的处理办法。

对于井下较复杂的严重漏失井，尽管采取了一些防漏措施，但也可能在下套管过程中发生井漏；有些钻井过程中没有发生漏失的正常井，由于井眼复杂，井下坍塌或缩径等原因，也可能在下套管过程中造成井下憋漏。对于下套管过程井下发生漏失的井，可采取以下措施。

（1）开泵循环钻井液。增加钻井液流动性，降低流动阻力，减小井底的动液柱压力；同时将井下的岩石掉块及沉砂循环至沉砂池。

（2）若不能建立循环，应及时向环空灌满钻井液。以防环空液柱面下降，不能压稳油、气、水层，造成井涌。

（3）上提套管，并活动套管，试开泵循环。若还不能建立循环，再继续上提，直到开泵建立循环为止；循环处理钻井液，携带井眼内掉块和沉砂，当钻井液性能达到要求、井下干净时，再慢慢下人套管。

（4）若还不能解决漏失问题，建议起出套管，下钻堵漏。保证井眼不漏后再重新下入套管。

4、下套管时间较长的复杂井

一些井因井深并存在井下复杂情况，如易涌、易漏、井下掉块、缩径等，下套管速度不能过快，需要很长时间才能下完套管。由于钻井液长时间静止或没有系统循环钻井液，会导致井下情况变得更为复杂，如高压油、气、水向上运移带来井涌或溢流的风险；钻井液启动阻力增加带来开泵井漏的风险等。对于此类井必须采取以下措施。

（1）下套管中途循环钻井液，并对钻井液性能进行处理，使得钻井液始终保持良好的流动性;通过循环排出地层进入钻井液中的气体，确保钻井液均匀并保持设计密度。

（2）对于特殊工艺井，如“筛管顶部注水泥”、“封隔器完井”等需要使用盲管的井，必须使用“可循环式”盲管以保证下套管过程中循环钻井液，防止下套管过程中井下发生复杂情况时无法处理。

（3）下套管过程中，始终观察环空钻井液液面，若发现液面降低，应及时补充钻井液，避免因液柱压力降低而诱发油、气、水浸入环空，引起溢流或井涌。

（4）根据井眼特点，选用适合井眼特点的扶正器，合理设计扶正器间距并加足扶正器，以避免套管下入过程中发生压差卡套管。

5、井径不规则的井

对于井径不规则的井，在认真执行常规下套管措施的前提下，还要着重加强以下措施。

（1）选用导向性能和质量较好的引鞋，在前5根套管连续使用高弹性扶正器，并在引鞋附近固定1 只扶正器，以保证套管导向，在下入过程中套管不戳向井壁。

（2）下入的扶正器必须采取定位措施。最常用的方法是使用定位箍将扶正器定位，以防止套管上提或下放时扶正器被卡在小井眼处。

扶正器不使用定位箍定位为什么会卡在小井眼处呢?我们通过扶正器定位箍防卡套管原理进行分析（图3）：把定位箍安装在扶正器中间并离开套管接箍，当套管下放到小井眼处时，定位箍挡住扶正器下端，扶正器通过弹性变形向上拉长，直径变小，顺利穿过小井眼井段图3（a），然后恢复原状;当套管上提到小井眼处时，定位箍挡住扶正器上端，扶正器通过弹性变形向下拉长，直径变小，顺利穿过小井眼井段图3（b），然后恢复原状。如果不用扶正器定位箍定位，当套管下放到小井眼处时，扶正器被推到套管接箍处，使扶正器发生弹性压缩，直径变大，卡住套管，不能下行图3（c），从而发生卡套管事故。同理，当套管上提到小井眼处时，扶正器会被下推到套管接箍处，使扶正器发生弹性压缩，直径变大，卡住套管，不能下行图3（d），从而发生卡套管事故。因此，在复杂井眼下套管时必须对扶正器定位。另外，扶正器定位也能提高扶正效果，有利于提高固井质量。

第二

选择合适的水泥浆体系

选择合适的水泥浆体系是保证固井质量的关键因素之一。不同的井型要选用不同的水泥浆体系，高压井应选择高压井水泥浆体系，漏失井应选择漏失井水泥浆体系等。高压井水泥浆体系或漏失井水泥浆体系也分很多类，如何选择要根据目的井对水泥浆体系的性能要求确定。

一、常规水泥浆体系及性能

常规水泥浆体系是指对原始水泥浆性能不做大幅度调整的水泥浆体系。该水泥浆体系由 G级水泥按国家《油井水泥》标准水灰比（0.44）配制水泥浆，密度为1.89～1.91g/cm³，其他性能符合国家《油井水泥》标准，稠化时间按施工要求调节。水泥浆体系的性能相对容易调整，其性能要求：流动性好，稠化时间满足施工要求，失水不用严格控制，使用常规水灰比配出的密度，水泥石强度不用专门调整，不用外掺料，只用少量的外加剂调整稠化时间和流动度即可。

二、不同类型井固井对水泥浆体系要求

钻井完钻期间，要认真了解井下情况，掌握井眼岩性、钻井液性能、油、气、水活跃情况、漏失情况、井底温度以及其他复杂情况等，还要掌握固井的目的、准备使用的固井工艺方法和预计施工时间、投产前和投产后准备采取的井下储层改造措施等。选择水泥浆体系，根据施工要求及固井质量要求确定水泥浆性能参数，做好水泥浆性能设计，选择适合井下要求及施工要求的水泥和水泥外加剂，认真做好室内试验及小样和大样复查工作。典型的固井施工对水泥浆体系与性能要求如下：

1、无复杂情况的普通井固井。

这里所讲的无复杂情况的普通井是指对于井眼无漏失层，无活跃油、气、水层，井壁相对稳定，无其他复杂层，井径变化率在 10%以内，钻井液密度在1～1.6g/cm³之间，环空间隙介于20～50mm，封固段长度介于500～1200m，井底温度在30～120℃的井。具备以上条件的井固井，施工相对较容易，不易发生工程事故，固井质量也相对容易得到保证，对于此类井固井一般采用常规水泥浆体系。

2、高压井固井。

这里所讲的高压井是指钻井液密度大于1.6g/cm³，无其他复杂情况的井。对于高压井固井，固井难点突出表现在：

①钻井液黏度高，流动性差；

②钻井液与水泥浆密度差小；

③高压油气水易进入水泥浆液柱内；

④候凝失重表现突出等特点。

因此，固井时表现为：水泥浆顶替效率差、容易发生钻井液窜槽、水泥浆与钻井液易掺混（混浆）、候凝失重明显等问题，使用常规水泥浆体系难以保证固井质量。对于此类井固井一般采用高压井水泥浆体系，其性能特点是：水泥浆密度高（应保证与钻井液密度差大于0.24g/cm³），流动性好（大于20cm），初始稠度低（应小于25Bc），胶凝过渡时间短，稠化时间满足施工要求；其他性能达到行业标准要求。

3、水平井及大斜度井固井。

水平井及大斜度井是指封固段在水平段或大斜度井段的井。对于水平井及大斜度井固井，固井难点表现在：

①由于水泥浆的自由水和沉降稳定性对水平段和大斜度井段的固井质量影响比较大，会造成上部井壁形成水带或者上部环隙固井质量差；

②由于水泥浆在水平段或斜井段受重力影响，提高顶替效率难度较大；

③水平井及斜井下井壁易形成沟槽，易积聚泥砂和岩屑，影响顶替效率，同时易形成砂堵。

因此，对于水平井及大斜度井固井一般采用低失水水泥浆体系，其性能特点是：水泥浆具有较低的失水（小于 50mL）；零自由液；沉降稳定性好；水泥浆流动性好；稠化时间满足施工要求；其他性能没达到行业标准要求。

4、漏失井固井。

这里所讲的漏失井是指钻井过程中发生过钻井液漏失，在裸眼井段存在漏失层的井，下套管前堵漏成功的井也属于漏失井。对于漏失井固井，固井难点表现在固井过程中防漏。

一般漏失分为三种情况：

①破裂性漏失；

②渗透性漏失；

③裂缝及溶洞性漏失。

三种漏失情况对水泥浆体系有不同的要求，因此，不同的漏失井有不同的防漏水泥浆体系。

破裂性漏失对水泥浆体系的性能要求是：水泥浆密度要低，必要时使用低密度水泥浆体系，目的是减小液柱压力防止压破地层；流动性要好，目的是减小流动阻力，防止水泥浆上返时因流动阻力过大压破地层；稠化时间满足施工要求；其他性能满足行业标准要求。

渗透性漏失对才泥浆体系的性能要求是：水泥浆失水要低，目的是减少水泥浆在高渗透层失水，以防水泥浆脱水提前稠化带来工程事故；控制水泥浆密度，必要时使用低密度水泥浆体系，目的是减少液柱压力，防止因压差过大使水泥浆及滤液过多进入地层；提高水泥浆流动性，目的是减小流动阻力，防止水泥浆上返时因流阻过大使水泥浆进入地层；具有一定的堵漏性能；稠化时间满足施工要求；其他性能满足行业标准要求。

裂缝及溶洞性漏失对水泥浆体系的性能要求是：水泥浆要有堵漏特性，如增加堵漏纤维或其他堵漏材料，目的是使水泥浆到达漏失层时封堵漏失层段，以减少和防止水泥浆漏失；增加水泥浆稠度，增加水泥浆在漏失层的挂阻作用，并配合堵漏材料产生更好的堵漏效果；控制水泥浆密度，必要时使用低密度水泥浆体系，目的是降低液柱压力，防止因压差过大使水泥浆更容易进入地层；稠化时间满足施工要求；尽量减少附加时间；其他性能满足行业标准要求。

5、高温井固井。

这里所讲的高温井是指井下静止温度大于120℃的井和稠油热采井。目前，一些超深井或有异常高温的井已经达到 200℃以上，热采井注蒸汽温度超过 300℃（已达到350℃）。对于高温井固井，主要有两大难点：

①常温水泥外加剂在施工过程中会高温失效，使水泥浆性能在高温条件下发生突变，带来工程事故，必须使用具有抗高温能力的水泥外加剂，但在热采井固井中不存在这种情况；

②对一般水泥来讲，水泥浆凝固后在高温环境下强度会快速衰减，因此必须使用抗高温强度衰减能力强的水泥浆体系，防止固井后封固失效。在高温下固井施工的井（深井、超深井及异常高温井）和只在后期生产作业时才产生高温的井（稠油热采井），其对固井水泥浆体系要求是有差别的。

在高温环境下固井施工的井水泥浆体系性能要求为：一般采用抗高温水泥浆体系，水泥外加剂在高温下不失效；水泥石强度有较好的抗高温衰减能力；稠化时间满足施工要求；其他性能满足行业标准要求。只在后期生产作业时才产生高温的井固井水泥浆体系性能要求为：水泥石强度有较好的抗高温衰减能力；水泥石有较低的热传导系数，隔热效果要好；稠化时间满足施工要求；其他性能满足行业标准要求。

6、气井固井。

气井是指生产层是气层或要封固的裸眼段存在气层的井。气井固井的难点是：

①气层难以压稳，气体上窜速度快，固井过程中或固井后易发生气浸，严重影响固井质量；

②气浸严重时会发生溢流或井涌的风险。对于气井固井一般采用防气窜水泥浆体系或微膨胀水泥浆体系。

其性能要求是：水泥浆具有较好的防气窜能力；具有微膨胀特性；稠化过渡时间要短（40～100Bc的时间小于20min），稠化曲线要呈现直角稠化趋势;稠化时间满足施工要求；其他性能满足行业标准要求。

7、长封固段井固井。

长封固段井是指一次性注水泥有效封固段长度大于1500m的井（严格来讲大于1200m即为长封固段井）。有效封固段是指必须保证质量的封固段，不包括对固井质量不作要求只为了充填环空的封固段。长封固段井固井难点是：

①水泥浆上返时易发生连续窜槽；

②水泥浆行程过长易发生脱水稠化；

③封固段上下温差大，上部水泥浆不易凝固；

④易压漏地层。

对于长封固段井固井一般采用适应大温差的广谱型水泥浆体系，其性能特点是：水泥浆具有较好的适应大温差能力，上部水泥浆能按时凝固；严格控制失水，防止水泥浆上返时脱水提前稠化；水泥浆流动性要好，提高顶替效率，减小流动阻力；在满足强度要求的情况下，尽量能使用较低密度水泥浆，以降低压破地层的风险；稠化时间满足施工要求；其他性能满足行业标准要求。

8、非常规油气井固井。

非常规油气是指在目前技术条件下不能采出或采出不具经济效益的石油和天然气资源。一般包括致密和超致密砂岩油气、页岩油气、超重（稠）油、沥青砂岩、煤层气、水溶气和天然气水合物等。非常规油气井是指开采非常规油气的井。目前，重点开采的非常规油气有：致密和超致密砂岩油气、页岩油气和煤层气，这些非常规资源的开发多采用长段水平井压裂技术。而长段水平井压裂对水泥封固质量要求高，并且要求水泥具有较高的弹韧性。因此，对于非常规油气井固井一般采用弹韧性水泥浆体系，其性能特点是：水泥石弹性模量相对较低（5~8GPa）；水泥浆胶结强度较好；由于是水平井固井，应控制失水量（小于50mL）和自由液量（零或接近零）；稠化时间满足施工要求；其他性能满足行业标准要求。

9、打水泥塞施工。

打水泥塞施工一般是指封隔弃井水泥塞、工程填井水泥塞和井眼侧钻水泥塞的注水泥施工。打水泥塞施工对水泥浆体系的性能要求一般分两种情况：一是填井或弃井用的长段水泥浆（大于300m）；另一种是开窗侧钻用的短水泥塞。两种情况对水泥浆性能要求是不一样的。

长段水泥塞施工对水泥浆体系性能要求是：由于长段水泥塞注水泥施工主要考虑顶替效率，一般采用紊流顶替，因此，要求水泥浆流动性能好；水泥浆与钻井液要有一定密度差（大于0.24g/cm³）；稠化时间满足施工要求；其他性能满足行业标准要求。

较短水泥塞对水泥浆体系性能要求是：由于较短水泥塞注水泥施工多数是为了开窗侧钻，对水泥塞质量有更高的要求，由于水泥塞较短，不能高速顶替，一般采用塞流顶替，因此，要求水泥浆有较高的稠度；与钻井液有一定密度差（大于0.24g/cm³）；水泥石强度要高；稠化时间满足施工要求；其他性能满足行业标准要求。

10、挤水泥施工。

挤水泥施工是指对固井质量不好的井进行挤水泥补救施工或对下套管后无法建立循环的井补救固井施工。挤水泥的主要难点是：

①对挤入压力高的井，如何将水泥浆挤入水泥石的窜槽通道，或挤入水泥石与地层的缝隙，或挤入地层；

②对挤入压力低的井，如何使挤入的水泥浆不漏失，存留在目的层段。水泥浆在高压下经过小间隙时最大的风险是脱水提前稠化，失去流动性。

因此，高压挤水泥施工一般采用低失水、高流性水泥浆体系，其性能特点是：水泥浆具有较低的失水量；流动性要好，以减小进入流动阻力；稠化时间具有较长的施工时间安全余量；其他性能满足行业标准要求。对于低压挤水泥，应防止水泥浆漏失，挤水泥结束时，应保证封固段液柱压力低于漏失压力，保证水泥浆柱不下沉。因此，低压挤水泥施工一般采用高失水、高黏度水泥浆体系，其性能特点是：水泥浆具有较高的失水量（不控制失水）；水泥浆黏度高，以增加水泥浆进入地层流阻；稠化时间满足施工要求；其他性能满足行业标准要求。

11、水泥浆堵漏施工。

水泥浆堵漏是指在钻井过程中发生严重漏失时，用水泥浆进行堵漏的施工。水泥浆堵漏的要点是如何将水泥浆停留在漏层靠近井眼周围，并且使水泥浆与辅助堵漏材料桥堵在漏失缝洞处，以封堵漏层。因此，水泥浆堵漏施工一般采用堵漏水泥浆体系，其性能特点是：水泥浆加有堵漏材料（如纤维、锯末等）；水泥浆有较高的稠度；不要控制失水；稠化时间满足施工要求；其他性能满足行业标准要求。

第三

提高水泥浆顶替效率

一、紊流顶替

水泥浆在环空上返时，按流速大小会呈现三种流型：塞流、层流和紊流（图4）。当流速较小（一般水泥浆至少低于0.4m/s）时呈塞流，流体像柱塞一样，在环空中基本是同速度平行上返，顶替效率较高，但由于水泥浆上返速度太慢，当水泥浆量较大时，替浆时间太长，施工风险较大，因此一般只在水泥浆量很少固井施工时采用，或替浆的某一时间段采用（多数在替浆结束前一段时间）。当流速增加到某一范围内时，则为层流，其特点是流体质点运动的轨迹与流体流动的方向平行，但流速不同，流核流速大，往边界层逐渐减小，这种流态中间的高速水泥浆容易提前穿过钻井液，发生窜槽，顶替效率低，固井时最好避开此流速。当流速超过某一值（一般大于1m/s）时，呈紊流状态，这个值称为：“临界流速”，此时各质点以较高流速做不规则运动，整个液柱整体推进，并且流体质点的不规则运动有利于冲刷井壁，顶替效率较高。紊流顶替是提高水泥浆顶替效率最有效的措施之一。

二、保证井眼规则

井眼规则是提高顶替效率的前提条件。若井径扩大严重，在井眼较大处水泥浆上返速度低，不能达到紊流；井眼不规则，大肚子处会形成钻井液死区，水泥浆不能顶替，形成钻井液残留，严重影响水泥浆的顶替效率（图5）。另外，在“大肚子井眼”处会堆积沉砂，造成砂子和岩屑不能从井底循环上来，当水泥浆上返经过此处时，由于水泥浆携砂能力较强，极易在上部小井眼处发生砂堵憋泵，引发工程事故和导致固井质量差。所以，要保证固井质量，首先保证井眼规则。井眼规则包括井径规则和井身轨迹规则两个方面，对于定向井，井斜变化率要控制在设计范围内，并且要均匀。

三、保证套管居中

钻井液流动阻力与环空间隙大小成反比，当套管不居中时，造成套管与井眼间的环空间隙偏差大，使套管外环空窄边的流阻升高，而宽边的流阻减小，从而导致环空流速偏差（图6）。使宽边的水泥浆高速流动，窄边钻井液发生滞留，产生窜槽现象。套管严重不居中时会贴井壁，在套管贴近井壁的一边形成死区，造成水泥浆不能进入环隙，出现无水泥现象。因此，保证套管居中是提高固井质量的重要因素，套管居中度的大小严重影响紊流临界流速的大小。套管居中度为65%时，间隙小的一边比间隙大的一边临界流速会提高2.5倍左右（斯仑贝谢实验数据）。若套管偏心严重，小间隙处的流体很难达到紊流，钻井液很难被顶替出去。为提高水泥浆顶替效率，一般要求套管居中度大于75%。

四、良好的钻井液性能

固井前，钻井液必须有良好的流动性，在满足井下要求的情况下尽量减小钻井液的黏度和密度，以减小钻井液的流动阻力，提高水泥浆的顶替效率。但是，密度和黏度并不是越低越好，太低会带来井壁垮塌和油气上窜。因此，必须在保证井下穏定、安全的前提下提高钻井液的可顶替性，为了既保证井下安全，又不影响固井质量，一般情况下，要求固井前的钻井液性能基本接近完钻时期的钻井液性能。

五、井眼清洗干净

固井施工前必须彻底循环钻井液，以清洗井底岩屑和调整钻井液性能。一般情况下，下完套管后，至少按设计排量循环不少于两周，并且钻井液振动筛上没有砂子和岩屑返出，泵压表压力显示平稳，无波动现象，才能进行固井作业。清洁的井眼以及井壁上形成薄而致密的泥饼，不但能提高固井质量，而且能减少工程事故的发生。一旦砂子及岩屑没有清洗，固井施工时，砂子及岩屑会在水泥浆上返顶部界面上堆积，造成砂堵憋泵；另外，井眼清洁,井壁上形成薄而致密的泥饼，可以提高水泥石与套管及地层之间的胶结强度。

六、使用冲洗液

冲洗液是用来清洗套管与井壁的液体，注水泥前注入冲洗液，有利于冲洗井壁和套管,提高水泥与套管及地层间的胶结强度。冲洗液具有以下特点：

(1)具有较高的流动性，较低的临界流速，易达到紊流，有利于提高顶替效率；

(2)具有很强的冲洗能力，冲洗液一般密度很低，流动性较好，具有较强的冲刷能力，对虚泥饼有很好的冲刷作用；

(3)冲洗液含有表面活性剂，具有很好的润湿反转作用，对油污清除效果较好；

(4)具有平衡液柱压力的能力，由于冲洗液密度较低，可以用来调节液柱压力，防止压漏地层。

但使用冲洗液一定要适量，否则会冲垮井壁，导致工程事故。

七、使用隔离液

隔离液是用来隔离水泥浆与钻井液的液体。注水泥前注入隔离液以减少水泥浆与钻井液的掺混，防止水泥浆被污染，确保其性能良好，隔离液可保证入井流体间的相容性，从而提高固井施工的安全和固井质量，隔离液也常作为调节液柱压使用，隔离线具有以下特点：

(1)具有良好的相容性，既能和钻井液相容又能和水泥浆相容，也能三者相容，可以有效隔离钻井液和水泥浆，防止两者掺混而造成水泥浆性能发生变化，导致固井工程事故；

(2)具有较好的流动性，可作为冲洗液与水泥浆的过渡液体，临界流速一般小于水泥浆(但高于冲洗液)，较容易形成紊流；

(3)具有调节环空液柱压力的能力，由于隔离液的用量范围较大，密度可调范围大，可以在井下密度压力窗口较窄时，用来调节液柱压力，既能防止压漏地层，又能防止油气上窜。

总的来讲，当隔离液以隔离功能为主要目的时，其性能要求以中性、相容性为好，流动性好，其他性能可按井下要求进行调整。

八、清除井壁泥饼

清除井壁泥饼可有效提高固井质量。清除井壁泥饼特别是虚泥饼，有助于提高水泥浆与地层胶结强度，提高封隔效果，清除井壁泥饼的方法有三种：一种是机械清除；另一种是液力清除；第三种方法是利用化学固化法，改变泥饼性质。

机械清除泥饼是利用泥饼清除工具来完成，常用的泥饼清除工具是泥饼刷。
液力清除是通过改变冲洗液性能和利用紊流顶替技术来完成，对于井壁稳定的井也可以改变循环流体（钻井液）性能，在固井前进行清洗。
化学固化法是在固井前在钻井液中加入化学处理剂，循环钻井液，使泥饼发生固化，提高其强度和与水泥浆的胶结能力，从而提高固井质量。有的泥饼固化剂可加在固井前置液中，以改善泥饼胶结能力。“MTC”前置液就具有较好的泥饼固化功能。可增强泥饼强度，提高固井质量。

九、采用双胶塞固井

双胶塞固井是指固井施工时，在注水泥浆前后各使用一个胶塞的固井作业。注水泥浆前使用的胶塞叫隔离塞，也叫下胶塞（空心塞）；注水泥浆后使用的胶塞叫碰压塞，也叫上胶塞。

隔离塞的作用是：

①将水泥浆与前面的钻井液隔开，防止水泥浆被钻井液污染，导致水泥浆性能变化，影响固井质量和造成工程事故；

②刮掉套管壁上的残余钻井液，以防被碰压塞刮掉时污染水泥浆，影响固井质量。

碰压塞的作用是：

①将水泥浆与后面的流体隔开，防止水泥浆与钻井液掺混，引起水泥浆性能变化，影响固井质量和造成工程事故；

②与承托环配合起碰压作用，在套管串设计人工井底位置安装一个承托环，当替入的钻井液推动碰压塞到达承托环时，泵压升高，表示替浆结束。

采用双胶塞固井可以减少水泥浆两端与钻井液的掺混，保证水泥浆性能的稳定。更重要的是，前隔离塞能有效刮削套管内壁残余的钻井液，提高固井施工的安全性和固井质量（图7）。常用的前隔离塞有隔膜式和剪销式两种（参见第4部分）。

十、水泥浆与钻井液应有足够的密度差

水泥浆与钻井液的密度差越大越有利于提高顶替效率，但过高的水泥浆密度会带来高的调整难度和成本。水泥浆密度超高（大于2.5g/cm³）也会影响其他性能，带来施工风险和质量风险。因此，一般的情况下，要求水泥浆与钻井液的密度差应大于0.24g/cm²，特殊情况下也应大于0.1g/cm³。

十一、水泥浆上返时活动套管

在水泥浆上返过程中，活动套管是提高水泥浆顶替效率比较有效的方法之一。活动套管对固井质量有以下好处：

①改变流动的流场，打断窜槽通道，使窜槽通道不再连续；

②搅乱并消除由于套管严重贴边引起的纯钻井液窜槽部位，使少量的钻井液混入水泥浆中，对水泥浆性能影响较小；

③活动套管相当于对水泥浆搅拌，可进一步促进水泥浆水化；

④如果旋转活动套管，水泥浆的旋转离心力能促使水泥浆产生径向流动，可有效提高大肚子井径处的顶替效率。

井眼不规则的井、小间隙井固井活动套管对提高固井质量效果更加明显。活动套管一般有两种方式；一种是在短距离范围内上提下放套管；另一种是旋转套管。上提下放活动套管相对简单，但存在提起来放不下去的风险。旋转活动套管效果最好，风险也小，但必须有专门的固井旋转水泥头和与其配套的扶正器、尾管挂等专用工具。旋转套管专用扶正器必须保证扶正器与套管之间能自由转动，否则，在旋转套管时会导致扶正器损坏，或者破坏地层，严重时会造成卡套管事故。能活动套管的井一般是井眼比较稳定，钻井液摩阻较低，套管长度比较短，井斜比较小的井。

十二、增加水泥浆与井壁及套管的紊流接触时间

增加水泥浆与井壁及套管之间的紊流接触时间（简称增加接触时间），是提高固井质量的一个重要因素。增加接触时间也就是使水泥浆在上返时有足够的时间与目的层井壁和套管接触。增加接触时间具有以下好处：

①能充分将目的层井壁或套管上的钻井液或虚泥饼洗净，提高水泥浆的顶替效率；

②进一步优化胶结面上的水泥颗粒分布，形成界面上水泥颗粒分配，增加胶结强度；

③使界面胶结更致密，有效减少候凝期间水泥浆失重时的油气水上窜。

常用的提高水泥浆接触时间的方法是增加水泥浆附加量，或者领浆前适当增加注入低密度水泥浆。

第四

良好的水泥浆性能

水泥浆性能是保证固井质量的关键要素。即使同一种水泥浆体系，在不同的井上使用，对性能要求也是不一样的，水泥浆性能的调整必须满足两方面的要求：

第一，应满足固井质量要求，保证将来油气生产开发，实现油气水层的有效封隔和水泥环的耐久性；

第二，应满足固井施工要求，水泥浆体系必须适合井下条件，既能保证施工安全，又不会在施工或候凝过程中影响固井质量。

最基本的要求是：

有较好的流动性，合适的稠化时间和密度，并有足够的早期强度，对于有特殊要求的井，还要保证失水、流变性、弹韧性、防气窜性能和防漏性能等各项性能指标达到设计要求，以满足固井质量和施工安全。因此，固井施工前应按设计要求调整好水泥浆性能。

第五

防止油气水浸窜

固井施工中的油、气、水浸窜分两种情况：一种是固井施工过程中发生的油、气、水浸窜；另一种是固井候凝过程中由水泥浆失重而引起的油、气、水浸窜。以上两种情况都对固井质量产生较大的影响。对于气井，其严重性更为突出，由于气的密度小，比较活跃，浸窜严重时会明显降低钻井液密度，诱发井涌，严重时会造成工程事故。在固井设计和施工过程中都应高度重视。

一、防止固井过程中油气水浸窜

在固井过程中，由于水泥浆在环空中高速流动，根据流体力学原理，流速越高压强越低，如过去的杀蚊剂喷雾器（图8）就是应用这个原理，在高速气流流动下会产生低压强，将杀蚊药吸出。同理，固井水泥浆上返时，环空压力会因水泥浆在环空中高速流动而降低，将地层液体吸出，特别是在近平衡固井中表现更为明显。同时流速增高也会使流动阻力增加，当综合作用产生的液柱压力低于地层孔隙压力时，地层中的油气水就会出来，特别是油气比较活跃的高压井，液柱与地层压差小，表现更为突出，为防止固井过程中的油气上窜，在固井设计时，必须考虑平衡压稳问题，也就是要做动态压力平衡设计，不然，在水泥浆上返过程中，高压油气水会随水泥浆一起上行，严重影响固井质量，严重时，会使液柱压力降低，发生溢流和井涌事故。

二、防止固井候凝过程水泥浆失重造成油气水上窜

固井候凝过程水泥浆失重是指在凝固初期，水泥浆逐步形成固体架构，部分重量已悬挂于套管壁和井壁上，但还没形成强度，其液柱压力会降低，逐步向液柱内部流体柱压力靠近，当液柱压力降低到小于高压油气水层压力时，油气水就会上窜，进入水泥封固段，形成油气水通道，严重影响固井质量。以上现象我们称为水泥浆候凝失重现象（简称候凝失重）。水泥浆候凝失重在高密度钻井液井和长封固段井中表现最为明显。

1、水泥浆候凝过程中油气水上窜原因分析

在固井施工中，即使采取了压稳油气水层措施，并通过压力计算做到了油气水层的压稳，但也不能保证候凝过程中油气水不上窜。因为候凝过程中水泥浆液柱在凝固过程初期会发生失重。就是在水泥浆刚开始凝固时，由于水泥浆逐渐形成胶液结构，并与井壁和套管产生接触应力从而使水泥浆柱的压力下降，从开始形成胶液结构到生成固体 CSH 凝胶，水泥浆液柱压力会逐渐降低，压力逐渐降低为水泥柱孔隙中的液体压力。由于液柱压力下降的极限值是其骨架内的液体压力，所以水泥浆柱压力降低的最低值为水柱的压力。如图9所示，当水泥浆柱压力降低到C 点以下时，液柱开始不能压稳油气层，会发生油气上窜，影响固井质量图9（a）。

2、防止水泥浆候凝过程中油气水上窜的措施

防止水泥浆候凝过程中油气水上窜应从以下几个方面着手：

一是保证水泥浆失重后的液柱压力仍大于地层油气水压力；

二是尽量缩短水泥浆胶凝时间（也就是从水泥浆失重到水泥浆形成强度时间）；

三是使水泥浆本身具有防窜功能，即使发生失重高压流体也不能进入水泥浆。常用的方法有：

（1）采用失重压力补偿技术。

固井设计时首先做好防失重压稳平衡设计，保证水泥浆失重后，环空液柱压力仍大于地层孔隙压力，仍能压稳油气水层图9（b），在设计方法上，对水泥浆失重采用失重压力补偿技术来解决，常用措施有：

①采用双凝水泥浆体系固井。双凝水泥浆体系固井是将封固段的水泥浆设计为稠化时间不同的两种浆体系，上段为缓凝水泥浆段（稠化时间长），下段为速凝水泥浆段（稠化时间短），下段水泥浆段是高压层段，当下段水泥浆开始凝固失重时，上段水泥浆还处于流体状态，能提供足够的液柱压力压稳高压层，当上段水泥浆开始凝固失重时，下段水泥浆已凝固封住了高压层，从而解决了失重对油气水浸的影响（图10）；

②固井后环空憋压。固井后环空憋压技术是通过对水泥浆失重后的压力计算，得出液柱压力与地层压力的差值，在固井后通过关闭环空封井器向环空内加压，以实现对环空压力的补偿，从而达到压稳油气水层的目的。环空憋压方法有两种：一是井口环空憋压，使用该方法必须有技术套管和封井器；二是环空底部加压，该方法是利用环空底部加压器来完成；

③采用双级注水泥工艺。通过两次注水泥工艺，先利用较短的封固段对高压层进行封固，由于封固段较短水泥浆失重不会影响压稳，待一级水泥浆凝固后再进行二级注水泥作业，这样就解决了水泥浆失重带来的影响；

④采用尾管固井及回接固井工艺。该工艺是通过先进行尾管固井作业，对高压层进行封固，待尾管水泥浆凝固后再进行尾管回接作业，与双级注水泥的道理基本相同，解决了水泥浆失重带来的高压流体浸窜问题；

⑤采用低密度水泥浆充填固井工艺。对于上部井段没有油气层，对固井质量要求不高的井，上部水泥段可使用稠化时间较长的低密度水泥浆作为充填段，既解决了对套管的支撑，又解决了下部水泥浆失重时的压稳问题，同时还节约成本；

⑥固井前注入加重钻井液。该方法是在注水泥前注入提前配制好的加重钻井液，水泥浆凝固时，加重钻井液在水泥浆柱上方，可弥补水泥浆失重而减小的液柱压力，该方法不适合水泥浆返出地面的井，也不适合漏失井等。

（2）缩短水泥浆胶凝过渡时间。

选择胶凝过渡期较短的水泥浆体系，缩短水泥浆失重过程，减少油气水浸入的时间和机会图9（c），常用措施有：采用直角稠化水泥浆体系或近直角稠化水泥浆体系。

（3）采用防窜水泥浆体系。

通过改变水泥浆内部结构，使水泥浆不具有渗透性，即使地层压力大于液柱孔隙压力，油气水也无法进入水泥浆内，常用措施有：使用防气窜水泥浆体系、非渗透水泥浆体系等。

（4）水泥浆凝固过程产生内部压力。

使水泥浆在凝固过程中内部产生阻止油气水进入的压力，防止油气水进入水泥浆中，常用措施有：使用膨胀水泥浆体系以及泡沫水泥浆体系。

3、水泥浆失重后的压力平衡计算

水泥浆失重时，液柱压力会降低，最低为水柱压力。因此，在开展固井平衡设计时，失重后的液柱压力按水的液柱压力计算。对于同一凝固时间的水泥浆，失重后环空液柱压力Ps为∶

第六

减少水泥有效封固段长度

有效封固段是指必须保证固井质量实现有效封隔的封固段。在钻井和固井设计时，有效封固段长度要符合实际，并不是越长越好，要以科学的态度，以不影响生产，且可以实现为目的进行设计。若实现不了，要求的再长也没用，反而把应该固好的段没有固好。封固段越短越容易保证固井质量，封固段过长会带来以下不利因素：

①上部易产生混浆；

②发生连续窜槽；

③带来更大的水泥浆柱失重影响；

④易压漏地层；

⑤水泥浆易脱水提前稠化；

⑥易砂堵憋泵；

⑦上下大温差，上部水泥浆凝固时间长或不易凝固等。

因此，做固井施工设计时应尽量将有效封固段长度控制在1000m 以内（特殊情况也应小于1200m）。若工程要求有效封固段过长时，可以采取双级注水泥工艺，尾管固井再回接工艺进行分两次注水泥固井作业。对于上部井段对固井质量要求不高的井，可采用低密度水泥充填和其他技术措施解决，以保证固井质量和施工的安全性。

第七

使用水泥外加剂

用物理方法调节水泥浆性能存在局限性，调节幅度不会太大。想对水泥浆性能进一步优化和提高，以满足施工要求和质量要求，必须进行化学调节。化学调节是指使用水泥外加剂对水泥浆性能进行调节。用外加剂对水泥浆进行性能调节是目前最常用的一种手段，它既能调节水泥浆施工性能，如密度、流动度、稠度、稠化时间、失水、流变性等，也能调节水泥浆凝固后的性能，如强度、弹韧性、渗透性、高温强度抗衰减能力等。从而达到不同井的施工要求，保证固井质量和施工安全。

第八

尽量提高水泥浆密度

对同一种水泥浆来说，密度越高强度越高。一般情况下，水泥浆的主要性能如抗压强度、稠度、滤失量和自由水，都随水泥浆的密度变化而变化，密度越高对固井质量越好，但是密度过高会导致稠化时间缩短，带来施工风险，所以，必须在保证井下安全的情况下提高水泥浆密度。

第九

给水泥浆增加物理能量

一般来讲，在水泥浆初凝之前，给它施加物理能量，如给水泥浆搅拌、高速流动、振动等，可有效改变水泥浆性能，使水泥浆流动性增加、失水量减少、水泥石强度增高。这主要是因为给水泥浆增加能量可使水泥浆颗粒进一步优化排布，使水泥浆颗粒表面积更充分与水接触，加速水分进入水泥颗粒之间，提高水化速度并使水化更充分。因此，在注水泥过程中，尽量给水泥浆施加更多的能量，增加水泥浆的流动性、颗粒碰撞、颗粒微观运移等。常用的方法有：高能混合器配浆、机械搅拌、液力搅拌、批混水泥浆注入、给水泥浆磁场增能、震动增能等。目前，这些方法多在固井施工过程中所采用。

第十

避免工程事故

固井工程事故是造成质量事故的一大危害，严重的工程事故必然造成质量事故。最常见的工程事故有：

①固井憋泵，会导致留水泥塞、水泥浆低返；

②替空，会造成套管下部无水泥、无人工水泥塞；

③井漏，会造成水泥浆低返，污染油、气层；

④固钻具（插旗杆），一般发生在尾管固井和打水泥塞施工，会带来很大的经济损失，一旦发生固钻具事故，需要倒扣处理（倒不开就要爆炸松扣处理）和下磨鞋磨铣，也有可能发生把上部技术套管磨穿的风险；

⑤水泥浆倒返，可能造成留水泥塞和低返。

特别是在尾管固井或者双级注水泥一级固井施工中，若发生水泥浆倒返时，无法采取有利的挽救措施。多数工程事故都很难补救，即使可以补救，补救成功率也很低。因此，必须对固井进行精心设计，对各环节把关，以保证施工顺利，排除工程事故，保证固井质量。

第十一

其他重要措施

一、采用振动固井技术

振动固井技术是指在固井施工水泥浆上返过程中，使水泥浆发生振动，从而提高固井质量的一种固井技术。使水泥浆振动的方法有：机械振动、电磁波振动、声学振动等。最常用的方法是机械振动。机械振动是通过固井套管振动器来完成。使用方法是：将机械式固井套管振动器连接于套管串中，通过控制振动器使套管在水泥上返时发生振动，从而带动水泥浆振动，以提高固井质量。

二、水泥浆扩充技术

水泥浆扩充技术是指对于大井径和糖葫芦井眼固井时，使水泥浆向外扩充提高充填效率的一种技术。在大肚子井眼或糖葫芦井眼固井时，水泥浆往往沿着套管附近的环空中部向上流动，大井径的井壁附近成为死区，发生严重钻井液窜槽，影响固井质量。采用水泥浆扩充技术可以较好地解决以上问题。水泥浆扩充技术是由水泥浆专用扩充工具来完成，常用的水泥浆扩充工具有：固井旋流器、固井旋流扶正器、固井旋流短节、旋流引鞋等。

三、水泥浆批混技术

水泥浆批混技术是指固井注水泥前先将水泥浆提前配制好，然后再注入井内的一种固井技术（或方法）。由于该固井技术要提前配制水泥浆，因此能保证固井水泥浆性能完全达到设计要求，有利于提高固井质量。但是必须使水泥浆稠化时间延长；另外，提前配制的水泥浆在循环和注入时，时间顺序会被打乱，造成水泥浆稠化时间的不确定性，具有一定的施工风险。水泥浆批混技术多用于注入水泥浆量较少的井，多数是小尾管固井。

四、使用膨胀水泥体系

膨胀水泥体系是指在水泥浆凝固过程中可以发生体积膨胀的水泥浆体系。使用膨胀水泥体系可带来以下好处：

①在水泥浆凝固过程中发生体积膨胀，产生膨胀压力，以抑制高压油气水在水泥浆候凝期间浸入水泥浆内，从而不会发生油、气、水窜；

②水泥膨胀还可以弥补水泥浆上返时，由于钻井液窜槽而形成的环空微间隙；

③由于水泥浆凝固时膨胀，增加了水泥与套管和井壁间的胶结强度，提高固井质量。膨胀水泥浆体系更适合使用于高压井固井。

五、使用防漏固井工艺

固井过程中，特别是长封固段井和地层承压能力低的井，必须防止固井过程中的水泥浆漏失。固井过程一旦发生漏失，会引起水泥浆低返，造成固井失败；对于油气水活跃的井或压力窗口较小的井，井漏会诱发井涌，严重时会造成井喷。所以，对于钻井过程中发生过漏失的井，要认真分析漏失原因和漏失类型，做好固井防漏设计，同时，在固井施工中要加强防漏措施。

六、使用特殊水泥浆体系

对于特殊环境下的固井，如对热采井、严重漏失井、盐膏层井、非常规井和冻土地区井等特殊环境的井进行固井施工时，必须采用适合井型特点和地区特点的水泥浆体系，否则，即使能完成固井施工，也无法保证固井质量。