关键词 井筒施工 隔水墙 涌水治理
中图分类号：U455.49 文献标识码：A
一、工程概况及施工情况
夏店井田位于汝州煤田东部，汝州市西北，东临庇山矿区，其中心距离汝州市约15km。夏店矿副井井口设计标高+309.2m，井筒中心坐标为X=3792897.000，Y=38382753.000，井底标高-560.0m，井深894.2m（含井底水窝9m），净直径7.0m。支护厚度500mm，砼强度为C40。
井筒于2011年5月1日开工，在井筒施工至371m时，该处岩层为平顶山砂岩含水层：岩性灰～灰白色石英、长石中粒砂岩，硅质胶结，垂直裂隙发育。根据实际揭露，井筒正处在一条贯穿南北方向的纵向裂隙上。在此工作面注浆措施执行、检查有效后，开始掘进，允许掘进20m，预留5m超前距。371m以下正常施工一段5m，在本段浇筑商砼期间，为保证浇筑质量，埋设导水管7根，引出井壁淋帮水。进行下一段炮眼施工前分别在高低帮各施工一个探眼，探眼显示7m内无水，进尺4.2m。后正常清底出碴，清底期间，上段埋设的一根导水管出水量逐步减小，最后管路因堵塞而流水停止，二个小时后井筒371米井壁接茬突然开裂并出现大量涌水，井筒成井376.3米，工作面空帮3.5米，经测算井筒涌水量约300方/小时。
二、施工方案
根据工作面出水情况，经研究决定，采用立井井壁隔水墙和壁后注浆加固分截出水水源及封堵导水通路相结合的施工方案进行注浆封水，方案如下：
根据水文地质情况，将副井井筒371m水眼点做为处理作业的节点。
根据实际情况，在滑膜上沿搭设临时工作台，破除被压裂受损井壁，找出出水水源点，压力外移，前期导通水源，卸载压力，待混凝土凝固期达到设计标准，在周边布置加固孔，截流分支水源，消减主水眼水量及压力，最后注浆封堵主水源点，达到封水节流的目的。
三、工艺原理
该技术的基本原理是在立井施工过程中发生突水事故时，采用井壁构筑隔水墙配合导水管路，周边加固截流，最后封堵主水源点的施工工艺。
四、立井井筒井壁隔水墙辅助周边加固截流施工关键技术工艺流程及操作要点
（一）井筒井壁隔水墙施工工艺流程。
搭设操作平台破除受损井壁及围岩找出水源点预留导水管路构筑井壁隔水墙水眼泄压周边加固截流封堵水源点
（二）特制导水通路及附属构件的制作。
线路导通设施制作，散水水路归拢收集，即收；预留收水导水设施，排水泄压，即泄。在夏店矿副井井筒突水中，根据现场水眼情况，裂隙出水，水源来自上部，用6mm花纹钢板加工一个长：宽：高= 漏斗，如图所示。
（三）井筒井壁隔水墙及周边加固截流施工准备。
找出水源点，根据现场井壁及水眼规格加工集、排水设施，加工临时模板，预留排水通路，施工隔水墙的质量保证措施及材料，在养护达到设计强度期间，对周边进行加固截流注浆所用的材料和设备。
（四）立井井筒井壁隔水墙辅助周边加固截流施工关键技术操作要点。
1、井壁隔水墙施工。
水源点找出后，下设集水管路及设施，突水点岩石一般较破碎或水流量大，由于隔水墙构筑后，要留有较长时间凝固期（10天），在此期间其强度达不到设计值，不能承受富水压力，故在此期间以泄压排水为主，防止水路畅通不被堵塞成为隔水墙质量好坏、直接影响治水能否成功的关键。同时利用隔水墙凝固时间可对突水水源点上部井壁进行例如壁后注浆等其他工作，对工期要求本来就紧而又出现突水意外的工程来说，具有特殊的意义。
隔水墙浇筑质量的好坏，清除附岩危岩、收集散水、辅助支护至关重要，可以辅以锚网、钢筋支护，增加浇筑强度等形式。
2、周边加固截流操作要点。
当井壁不能承受水压时，便发生突水，在周边注浆加固环节中，布孔位置及质量是关键，施工中应收集熟悉井筒每段所处的围岩地质状况，根据岩层走向及纹理，根据实际找出的水源点分布状况，有针对性的布设周边加固孔，此部分注浆期望能达到两个目的，一是加固突出水源周边围岩及井壁；二是归根于能通过高质量孔的布设，从周边把主水源销蚀，重点外移，无声中消灭矛盾。可根据需要选择不同的布孔形式。
3、突水水源点周边注浆加固。
采用深浅孔结合，上、下行注浆，五花型布置，孔间排距 ，沿隔水墙上下2-5m（共6m）布置。深孔2.5m（如确切的掌握了水源内部构造，可调整凿孔深度，找出水头位置注浆封堵），浅孔1.5m，井壁薄弱及明显出水点处造孔注浆。
五、立井井壁隔水墙施工
（一）找出突水水源点。
排水至突水位置，根据井筒施工时实际揭露的岩石状况，考察现场情况，分析突水水源点岩石分部、岩性、有无构造等现象，结合井壁受损情况、周边井壁质量等综合考虑，尽量做到一次性准确地找出水源点，避免分析失误而对井壁及围岩造成二次破坏。在夏店矿副井井筒376m井壁涌水后，结合井筒上部施工时揭露的一横贯井筒的斜向断层，分析确定突水水源的准确位置后，开始风镐破除井壁，7天时间破壁及水源洞挖掘完成，如分析推测基本一致，水源点为一直径约1m的涌水空洞，水源自上而下补给，水量270m?左右。破壁尺寸：出水洞口弦长9米，全段高4.8米破除，其余井壁平均破壁段高3.5米，壁厚500mm；水源洞深12米，平均高度2.4米，宽1.5米，开口部位平均高度3.5米，均宽6米，深4米。开口部位上下全段高锚网支护。人工挖掘岩方约145.7m?。
（二）隔水墙施工技术环节。
突水水源点找出后，情况直接明了。如何堵水截流，能否承受突水水压成为问题关键。根据实际制定了：引、泄、截流、封堵的治理突水关键技术方案。
夏店矿副井井筒376米突水后，在主要出水点埋设六寸不锈钢管两根，每根导水管长13米，均由两节钢管焊接法兰盘对接而成，六寸管上焊接交叉筋增加摩擦。在出水孔内部斜向打六到八根等强锚杆，确保导水管固定牢固不发生位移，外端露出井壁；水头部位铺设6片钢芭网（ 钢筋焊接网， ，网格 ）内放一自加工集水漏斗，内放钢筋笼（规格： ，外包两片钢笆网焊接钢筋笼上），引水管放入钢筋笼内以防止落渣堵塞管口。集水漏斗用等强树脂锚杆固定在岩壁上，安装固定完毕后，用快硬水泥封闭水箱所有空隙，确保涌出水全部从导水管流出。
（三）周边加固截流关键环节。
在出水点预埋导水管上安装六寸阀门。首先注浆封堵集中导水管处预埋收集散水的胶管，以封堵散水及加固水眼周围井壁，待出水点周边加固完成后，选择一导水管注浆堵水，另一导水管作泄压孔，若泄压孔漏浆则逐步关闭阀门，直至阀门封堵牢固、堵水充填岩体裂隙密实。注浆期间认真观察注浆压力及井壁状况，注浆压力不得大于5MPa。
六、结果
1、通过隔水墙施工及壁后注浆，该处涌水量降至5 m?。
2、提倡了新的治水理念——在处理突水事件的过程中，转变了传统的一味以堵截为主导的治水思想，提供了一种新的先引、泄，再逐步消蚀、截堵的治水思维的缓冲理念。
关键词：壁面剪应力固井质量顶替效率偏心环空
1影响ⅹⅹ油田固井质量主要原因分析
顶替不完全，造成大段的混浆带；如果水泥浆的流变性能优于泥浆，顶替时又达不到紊流，就可能造成水泥浆在泥浆中窜槽；钻井液性能的优劣，除保证钻井中的快速安全外，在井壁形成的泥饼对固井质量有着致密重要的因素，特别是冲洗液或隔离液在没有足够的冲洗时间时，势必在井壁上留下大量的虚泥饼，后期与水泥浆接触后可能造成对水泥浆的污染，形成靠近井壁的水泥浆不凝结，或者是水泥浆侯凝时泥饼干缩而出现微环隙；井眼条件对固井质量的影响；油层漏失对固井质量的影响。
2提高水泥浆顶替效率的研究与应用
为了保证环形空间的密封质量，首先需要可虑的是如何使环空充满水泥浆。充满的过程，实际上是水泥浆驱替或钻井液的过程。水泥浆与钻井液的顶替质量应满足以下基本要求：①注水泥浆井段的环空空间，钻井液应全部被水泥浆顶替干净，无窜槽现象存在；②水泥浆返高和套管内水泥塞的高度应符合设计要求。有效地驱替钻井液，提高注水泥的顶替效率是清除钻井液窜槽、保证水泥胶结质量和水泥环密封效果的基本前提。通过国内外专家的研究发现影响注水泥顶替效率主要有如下六种因素：套管在井内的居中度；液体在环空间的流动状态；紊流时液体流过封隔层位所接触的时间；钻井液的触变性；钻井液与水泥浆的流变性能；水泥浆与钻井液的密度差。
3确定合理顶替流速范围的原则
一个合理的顶替流速范围，应考虑该井如下几方面的情况：①井眼的稳定性，是否有易漏、易塌等薄弱地层，这些层位对环空返速的限制情况，这些数据可根据邻井或区块的资料获得；②正常钻井过程中的环空返速情况；③裸眼井径变化情况及对返速的限制，如当裸眼井径变化较大，存在所谓的“大肚子”时，一般要求返速不能太大，以免进一步冲蚀井壁。同时在“大肚子”段一般是很难达到紊流的；④套管居中度情况，当套管居中度不好时，环空返速不易太低；⑤井斜情况，当在大斜度或水平井套管注水泥时，环空返速不易太低；⑥泥浆泵与注水泥设备的工作能力。综合考虑上面这些因素，便可得出一个保证该井钻井正常的返速范围，由此再考虑进注入的前置液与水泥浆的性能与泥浆的差异，便可选定本次注水泥时，所应保持的环空返速范围的大小。
4水泥浆流变性能设计
如前所述，影响注水泥顶替效率主要有六种因素，到底哪一个或哪一些因素对顶替效率产生决定性影响呢？尽管人们在顶替机理的研究上做了大量的工作，但至今仍未对注水泥顶替优化设计方法形成统一的认识。这是因为注水泥顶替机理是一个很复杂的问题，人们对它的研究和认识尚不十分深入。实验上主要表现在：不能满足动力学相似原理进行偏心环空内重力场研究，理论上还未能建立一套准确描述任意井斜条件下、偏心环空中、一种非牛顿液体顶替另一种非牛顿液体的动态模型，并进行定量分析。而实际应用方面的主要问题则是现场施工参数很难同实验室测量参数吻合。我们认为：在井下条件确定的情况下，决定性的因素是环空流动的壁面剪应力。
关于环空流动的壁面剪应力，可以使用以下公式计算：
τw=0.00025（D-d）Δp/L(1)
其中，τw——环空流动的壁面剪应力，pa
D——井眼直径，mm
d——套管直径，mm
Δp——水泥浆流动的摩擦阻力，pa
L——水泥浆封固段长度，m
理论上讲，当τw大于钻井液的胶凝强度时，就可以有效清除胶凝钻井液。
从公式（1）中，也不难得出以下几点重要理论：Δp在井眼几何条件一定得情况下，是一个与流动速度和流变参数有关的量；降低钻井液粘切对于提高顶替效率非常重要；当τw与钻井液胶凝强度接近时，接触时间对清除泥饼至关重要；用低粘切钻井液和前置液稀释井筒内原钻井液，对提高顶替效率非常有益。
把流动的壁面剪应力作为影响顶替效率的主要因素，是基于以下原因：①只有流动才能产生直接作用于井壁并清除胶凝钻井液的动力：流动的壁面剪应力。②紊流流动时，由于摩擦阻力近似与流动速度的平方成正比，所以，流动的壁面剪应力在一般情况下大于其它流态。但是，从流动计算的相关公式可以知道，同样大小的壁面剪应力也可以通过增加流体的塑性粘度和屈服值获得。对于塞流顶替，主要要求水泥浆要高粘切，以产生相对高的壁面剪应力。从以上分析也可以看出，紊流顶替的水泥浆粘度不能任意小，否则除了可能产生流体不稳定外，其摩擦也会小于层流或塞流流动状态。③在固井技术的发展过程中，产生了各种不同的顶替技术，例如塞流顶替和紊流顶替以及介于二者之间的低速顶替技术，每项技术都可以找到很多成功的实例。壁面剪应力设计的观点也与这些技术结论非常吻合。④从力学的角度来看，要清除附着在井壁上的胶凝钻井液，必须要有一定的力，从受力分析来看，这个力主要是壁面剪应力。
根据水泥浆流动的壁面剪应力大于15pa就可以基本保证顶替的原则，水泥浆塑性粘度一般设计为40-60mpa.s,屈服值一般设计为20-40pa，这样配置的水泥浆初始稠度在15-30Bc之间。
5现场施工条件分析及措施
5.1油气层固井井眼特点①所钻井集中在窟窿山已探明的油气富集带，进入油气层后，油气显示十分活跃；②完钻井中有3口开发井在钻井及完井作业中下沟组下段均有漏失现象，Q2-19井下套管前用水泥浆进行了2次堵漏作业并作了承压实验，但仍在套管入井后，循环时井口失返，经打堵漏浆等措施处理才建立循环。③在定向井中，在造斜段的井径均较大，其平均井径为527.98mm，井径扩大率144.55％。封固段平均井径317.78mm，井径扩大率47.19％。钻井周期较长是造斜段井径扩大的一个重要原因之一。目前所实施的定向井，设计及实际井斜在30度左右，套管居中较困难，从固井角度来讲对于实现良好的顶替效率有一定的困难。
5.2管串结构及封固要求①油层套管（延长油田也称为技术套管）采用139.7mm套管，不采用复合套管，其特点是套管与井壁环空间隙下大上小，对于固井而言其优点是增加了水泥环的厚度，增强了水泥环的强度，而其缺点也比较明显，对原始井眼的质量和下完套管的环空净化要求更高，否则极易在替浆过程中环空堵塞，造成固井失败。②油层封固段较长，井身结构的井其长度在600-800米之间。延长组油田西浅东深，油气藏埋藏浅，延长组西区水泥浆返至地面，东部返深200米以上，延安组就不同了，属于深井，壁面剪应力较大，是一个不可忽视的环节。
5.3施工设计要求及措施针对专家提出的影响固井质量的因素，固井施工设计中明确了如下措施：①管柱居中必须进行校核，直井或直井段居中度必须合适，定向井段居中度不能达到时，每根套管加一根扶正器，并校核居中度，以备设计水泥浆性能作参考。②前置液设计，根据延长油田固井特点只涉及三段。第一段为固井前调整部分原井浆，密度低于原井浆0.4g/cm3左右，粘度调至低于50s，段长400-600米；第二段为10-20％的水玻璃钻井液溶液或清水溶液，段长200米左右；第三段为施工药水，段长100米左右。低粘切钻井液的使用，实际上改变了原井浆的触变性能，基本保证了前置液在环空中处于紊流状态，确保了油气层段的紊流接触时间，同时即使不能完全顶替原井浆，但也可以达到稀释作用，为提高水泥浆顶替创造条件。③延长油田水泥浆结构设计：加重钻井液前置液+漂注低密度+加砂水泥浆。④水泥浆设计性能设计：引入壁面剪应力以后，如何通过水泥浆性能设计来提高环空摩擦阻力是水泥浆设计所追求的，当井斜和井径较大井眼条件较差时，在施工安全的情况下，必须适当调整其性能，满足最大井径下的顶替效率。漂珠低密度水泥浆性能为，密度1.35-1.50g/cm3之间任意可调，流变性能设计：n=0.3-0.5k=1.0-3.0；浆体稳定性：上中下密度小于0.01g/cm3；稠化时间：大于施工时间90—120分钟；失水：小于100ml；自由液：直井段控制在2.0ml以内，斜井段控制为零。流动的壁面剪应力大于20pa；加砂水泥浆性能为，密度1.85-1.90g/cm3；流变性能设计：n=0.3-0.5k=1.0-3.0；初始稠度：15-30Bc；稠化时间：大于施工时间30-60分钟；失水：小于50ml；自由液：直井段控制在2.0ml以内，斜井段控制为零。流动的壁面剪应力大于25pa。⑤施工参数：由于目前的井身结构和管串结构在固井施工过程中，内外压差较大，（U）型管效应非常突出，水泥浆在215.9mm与139.7mm环空内下段时，环空返出的排量不能有效控制，但其返出排量不得大于钻井过程的环空返速或下入套管后实际最大排量，否则要适当调整漂注水泥浆和加砂水泥浆的段长，同时顶替的施工排量必须满足最大井径和最小井径下壁面剪应力至少大于15pa。⑥固井设备要求：井眼较大时，注灰后期实际上已是顶替过程，因此必须考虑水泥车的注灰排量能力，要求注灰最大排量大于301/s。防止由于“U”型管效应造成前置液在同一井段驻留较长的时间而损坏井壁。⑦防水泥浆油气侵措施：钻井液的密度必须保证油气上窜速度小于30m/h。施工过程中，必须保证全过程环空的当量密度不得低于钻井液的密度。施工结束后的压力补偿：尾管悬挂采用循环压力补偿法，常规固井采用环空加回压来补偿。
关键词：水平井 动态固井 套管偏心距 动态固井设备
在水平井固井过程中，在水平段，套管与井壁接触面积大，导致套管严重偏心和贴壁，下入摩阻增大，易出现套管下不到位和卡套管事故，严重影响了泥浆驱替效率和封固质量。很多实验室研究和现场经验证明，诸如在前置液设计，提高水泥浆性能，使用套管扶正器等措施来提高固井质量，但是对水平段水泥固井质量提高依然不是很明显。如果能在固井施工过程中，在井下条件允许的情况下，来回的旋转和上下活动套管，能够增加钻井液柱压力的运移，同时提供一种机械的方法，使得套管偏心环空中窄边的虚泥饼能有效的清除，在水平段环空中窄边和宽边的水泥顶替达到一个动态的过程，就能从根本上提高固井质量，而在现有条件下单靠改变流体的流变性，泵速或者扶正器等都达不到这样的效果。
1 动态固井中环空水泥变化情况
套管下入井中时，套管往往是偏心的，在最坏的情况下，套管在窄边能完全的吸附在井壁上，这极大地影响了套管流体在窄边和宽边流体流动的效果，用套管偏心距来定量描述套管偏心程度。
在静止条件下，套管完全居中，套管偏心距约等于1。当套管紧贴于井壁，套管偏心距等于0 ，这是在水平井中水平段套管完全贴在井壁上，套管居中程度最差。
当在动态条件下，套管上下活动和旋转这项措施引进，传统定义的套管偏心距中将会随套管在井眼中心位置的改变而不同，它是一个变量。套管的运动将会引起井下压力的动态变化。一次性固井的目的就是将环空中的钻井液完全的用水泥浆替换，顶替效率用如下公式表示：
顶替效率=水泥占据的区域体积/整个环形空间区域体积
整个环形区域体积=水泥所占的体积+未顶替的体积
在套管运动的整过程，套管偏心距将会动态的变化，最大流速和最低流速也将会交替的变化，压力变化将会破坏泥饼的胶凝强度，最终将会允许水泥顶替残留，静止在井壁上的泥饼，当然这主要依靠套管运动的持续时间和排量大小。随着套管的旋转，流体将会进行从窄边到宽边的圆周运动，反之亦然。
即使用最好的钻井方法，也不能达到100%的套管居中度，在静止条件下，套管偏心距是固定的，水泥在水平段的覆盖程度主要依靠流体的流变性能和套管的居中度。旋转和上下活动套管能够在井下创造一个动态的环境，能够分布不同的套管偏心距，用同样的流体速度有效的驱除泥浆槽在环空中从宽边到窄变。当套管旋转时，流体就能产生一个圆周方向的力使流体从窄边道宽边，周而复始。同时，另外一种直接的好处，就是使水泥能够均匀的分布，同时同样的速度能够使在窄边和宽边的水泥高度一致。另外，在下套管过程中如果遇阻卡，可以通过转动套管串来增加克服阻力，使套管顺利下入到设计位置。在国外很多固井现场案例验证，旋转套管速度建议控制在15-25rpm/min，上下活动套管控制在6m/min。
2 动态水泥固井工具
为了获得最佳的套管偏心距和顶替效率，开发适合套管上下活动和旋转的先进技术装备，运用于动态固井中全过程将十分重要。现将各工具做简要介绍。
在国外以套管钻井为基础，开发出了很多适合动态固井的工具。装置配备顶驱，自动下入套管工具和固井水龙头，能进行套管连接，循环，套管运动等一系列B续工作。
顶驱：这个整个动态固井必须配备，它在水平井和大斜度井钻进中中提供强有力的井眼清洁。相比于传统的传动钻杆系统，对于处理井下复杂情况中，顶驱将会更加容易的处理钻柱（包括套管）的旋转和上下活动，尤其是接单根，倒划眼和频繁的短起下将会变得相当容易。固井时，通过顶驱泵送水泥同时允许频繁地套管旋转，减少非生产时间。
自动套管下入工具：该工具是从套管钻井直接改造而来，套管驱动系统（CDS），套管自动下入工具和顶驱紧密相连。更利于套管的下入，防止了套管卡钻，随着套管的不断旋转，更有利于套管在循环钻井液时，有利于井眼清洁和固井。在最近几年，CRT已经被认作是固井施工中的关键工具。
无线扭矩信号传输系统：动态固井的一个监测部分，能记录套管在旋转过程中的旋转圈数和扭矩。该系统能准确显示套管旋转过程中扭矩的变化，并在司钻控制板上用图形显示出来，合理的扭矩和监测，当异常发生时，在固井时可以采取相应的措施去保证套管纵向弯曲产生不超过其额定的屈服值，及时调整固井过程中的套管转数。
固井水泥头/水龙头：从顶驱上泵送水泥在现场还不易达到，现场主要推荐使用水泥头或者从水龙头的旁边进入，当然水泥塞结构可以根据压塞装置设置，现代的系统允许套管上下活动和旋转钻具，但是他们需要更多的安装时间，同时还有很多的压力限制。
扶正器：合理的管柱扶正器能够有效的清除泥饼，偏心的管柱导致在高边和低边形成不同的流体速度，隔离液和水泥浆将会沿着阻力比较小的地方流动，大段泥浆将会滞留在井眼低边。扶正器主要安装在套管柱上，在注水泥施工中提供足够的套管居中度。但是他们只是常用于在套管柱的辅助设备。为了获得足够的套管居中度，计算和安装足够数量的扶正器，准确下入位置，间隔。刚性扶正器用于由于它的超强的稳定性和井眼清洗能力是认为最好的选择。
3结论和建议
无论是套管旋转钻井的发展，或是以常钻井为基础，开发出以套管旋转固井为过渡的钻井方式，都能使水泥在环空中能够均匀的分布，同时同样的速度能够使在窄边和宽边的水泥高度一致，能在实质上提高水平井的固井质量发展，尽管在石油工业上已经证明了套管旋转在整个固井过程中的重要作用，但是由于当代工具和技术的发展的限制，使得这一技术不能广泛的运用于石油固井行业。实现固井中全过程的套管旋转，还有很远的路要走，但是如果能够通过本文对未来的固井技术提出或者指明一些方向，只要我们朝着这个方向迈进，胜利也就不远了。
参考文献：
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一、浅井区块固井难点
1、浅井区油层埋深浅、地层温度低,外加剂选择困难,而且注入井筒内的水泥浆强度发展慢,其抵御油气水窜的能力差,固井质量难以保证。
2、浅井区由于长期污水回注、注气开采,使地层压力发生巨大的变化,大部分层位压力远远高于原始地层压力。设计提供的地层压力不能真实反映实际地层压力,按设计钻井液密度值钻进经常发生溢流、井涌。
3、浅井区上部井段蕴藏着丰厚的天然气资源。由于埋藏浅,钻开后,钻井液液柱压力无法平衡气层压力,因此在钻进过程中钻井液气侵严重,有时因含气量太高,井口取浆测得的钻井液密度低于清水。受高压气层影响,稠油浅井固井质量难以保证。例如一般浅井,其下部油层虽已封固住,但其上部天然气层未封固住,造成固井施工后,天然气仍不断从井口冒出,严重影响了该井的正常生产。
4、地层破裂压力低,压井、固井过程中易发生井漏。浅井完钻井深一般在3-400m左右,地层破裂压力低,钻井过程中一旦发生井涌,在仓促加重钻井液时容易压漏地层。
5、为降低原油的粘度、增加原油流动性、确保稠油的开采,通常采用注蒸气吞吐开采方式。由于稠油产层浅、地层破裂压力低,加上地表浅层又蕴藏着大量的天然气,因此注气过程中很容易造成“稠油产层与顶部气层”的窜通,增大天然气层的能量,进而影响稠油浅井的固井施工。
二、浅井固井质量的影响因素
1、人为因素影响。由于注水井多、注入量大,加上井楼油田主要产层多为低渗透性地层,固井前即便停注、泄压,从井口看上去压力已回零,实际上由于地层压力的传递和泄压缓慢,水泥浆在固井候凝期间发生失重时,蹩压地层的压力仍在释放,造成水泥浆难以压稳产层。
2、地下状态复杂因素影响。层间压差大、高低压层间“窜流”,在水泥环内形成窜槽。由于长期的注水开采,使地层压力变得非常复杂。一些地层压力亏空,而另一些地层出现高压,在一个井筒剖面上高压层、低压层、正常压力层相间存在,形成层间压差;一方面是高压油气水层易向“失重”状态中的水泥浆中窜流,形成水带;另一方面是水泥浆易进入低压层,使井筒内水泥浆体积减小、压力降低;而水泥浆浆体内压力的降低,还会加剧高压层流体的窜入和高、低压层之间的窜流,这种流动状态和在水泥浆内形成流动通道,都将直接影响到水泥浆的封固质量。
3、地层因素影响。井楼油田地层夹层薄而多,由于强注污水及高温蒸汽,使地层层间互窜,造成地层压力紊乱,一般在井下会出现多个吐油、水层,因为井深较浅,钻井液密度增加也压不住溢流。另外,地层在300m以下裂隙较发育,用钻井液钻井时容易发生井漏,造成了上吐下泄的复杂现象。
三、一般浅井固井技术
针对以上所述浅井固井影响因素,从水泥浆体系、水泥浆密度设计以及井眼准备、固井工艺等方面入手,经多年的研究和实践,总结出一套行之有效的固井技术。
1、采油井停采,注水井停注
为水泥浆提供一个相对“较好”的候凝环境,应该提前停注泄压,可以有效地控制地层中注入水的压力,减小注入水流入井筒中的量,降低水泥浆候凝时动态油气水对水泥环的破坏。
2、选用低失水、短过渡优质水泥浆体系
浅井固井首先急需解决低温防窜问题,因此必须设计低温早强短过渡的水泥浆体系。经多年研究,优选出低温降失水剂。低温降失水剂一般是不渗透剂和早强性膨胀剂的混合物,它一方面在滤失进入地层后可形成不渗透膜,阻止地层流体窜入水泥浆;另一方面由该剂配制的水泥浆具有一定的早强性和轻微的膨胀性,水泥石体积不收缩,可以明显提高水泥浆的早期强度和缩短过渡时间,具有良好的防窜能力。
3、固井前对周边注水井、采油井停采、停注在钻开油层前15d至固完井3d内,新钻井周围200m内的井必须停止注汽;若周围井处于焖井期,必须在排液一段时间后,方能钻开油气层,以免油层内压力过高,导致钻井过程中发生井涌、井喷。
4、固井施工中的防涌措施
在钻井过程中经常会发生井涌。现场施工表明:钻井液密度过低压不住井,而过高就可能发生井漏。因此钻井时,必须做好防喷及其它安全措施,并严格控制钻井液的密度。由于钻井液密度高,粘度高、切力大,为确保水泥浆与地层的胶结质量,固井施工时必须注入一定量的清水作为冲洗液,冲刷、清洗井壁,清水与钻井液相比较,其密度小,因此固井施工中当冲洗液返至环空时,必然导致环空液柱压力降低,造成环空液柱压力不能平衡地层压力,诱发井涌。近几年来,取消了清水冲洗液,而采用低密度水泥浆或加重隔离液,这不仅确保了前置液对封固段井壁的“冲刷”,同时,前置液进入环空后,仍能压稳地层。
5、固井施工中的防漏措施
钻井液或水泥浆漏失主要集中在表层套管鞋处和目的层上部渗透性良好的砂层井段。固井施工中采取了如下防漏措施。
(1)下套管前对漏失层段进行堵漏。在钻入漏失层段前,为了克服漏与涌的矛盾,采取加入堵漏剂的方法,封堵地层裂隙和渗透性较好的低压层,一般采取随钻堵漏剂和井壁封固剂,在钻井过程中,由于压差的作用,堵漏剂通过架桥、填塞、压实、堵塞漏失通道,达到有效地预防和控制漏失。在钻井过程中发生过井漏的浅井,在下套管前通井时,起钻到漏失层段以下50m处,注入堵漏钻井液,对漏层进行堵漏。
(2)注水泥浆期间防漏措施。为确保固井施工中水泥浆不发生漏失,上部封固段采用低密度水泥浆,下部采用密度为1.90 g/cm3的高密度水泥浆,以确保环空最大液柱压力不大于地层破裂压力。另外,漂珠是一种好的低密度材料,因其密度低、颗粒小且呈空心状,易被吸附在微裂缝处,对上部封固段具有一定的堵漏功能。
(3)使用水泥伞减慢水泥浆的漏失速度。针对该区块地层特性,通常要在目的层上部渗透性良好的砂层段加一只水泥伞,防止水泥浆下沉,并支撑静液柱压力,水泥伞的设计允许流体自由向上流动至地面。
(4)改善水泥浆体的流变性、降低固井施工压力。通过调节水泥浆的流变性,提高水泥浆的流动性,降低水泥浆循环压力。通常在水泥浆中加入一定的分散剂,以改善水泥浆流变性,使水泥浆初始稠度低于10Bc。
(5)采用小排量替浆。固井施工最后替浆碰压时,必须严格控制替浆排量为,以免施工压力过高、压漏地层。
四、几点认识
1、选择适宜的水泥浆体系是保证固井质量的重要前提。
2、固井施工前,采用单向压力封闭剂对漏失井段进行堵漏,是提高漏失井固井质量有效的办法。
3、钻开油层前至固完井3d内,对周边注气井采取一定范围内的停采、停注的办法,是防止浅井钻井过程中发生井涌的一条有效途径。
[关键词]双级固井；分级箍；设计
中图分类号：TE256 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0040-01
马古6-8-20位于辽河断陷西部凹陷马圈子潜山，是辽河油田在马古6块部署的一口重点评价井，设计为4开井，完钻井深4673米。
一、钻井基本情况及完井要求
马古6-8-20钻进至中生界，井深4186m时，发生渗漏，一小时漏失约1方，漏失钻井液总计100方。完井要求：易漏层位封固良好，油层水层不能窜通，满足投产后压裂或注汽需要；防止或减少水泥浆失重造成油气水上窜，保证固井质量；避免注水泥作业井漏的发生，确保施工安全。
针对该井封固段长，下部井段易漏失的特点，结合具体的完井要求，对技术套管采用双级固井工艺。
二、 主要难点
1、封固段长超过3000米，采用双极注固井，工艺复杂；
2、注灰量大，固井时间长，对水泥浆性能要求较高；
3、替量较大，需要准备足够的泥浆量并保证泥浆泵完好；
4、保证给分级箍打开留有足够的时间；
5、潜山地层存在渗漏，对固井质量有一定影响。
三、固井设计
1 入井管串结构及工具
（1）自下向上套管串结构为：浮鞋+一根套管+浮箍（进口）+一根套管+碰压座+套管串+机械式分级箍（国产）+套管串+联顶节。
（2）扶正器安放位置：根据测斜数据，井斜≥5°、20米一只弹性扶正器，1°≤井斜
（3）采用机械式分级箍，安放位置选在沙3层位。
2 注水泥设计
2.1.电测井径、环容及理论水泥浆量计算
2.2水泥浆体系
2.3 水泥浆用量
第一级：水泥塞量：0.4 cm3，口袋水泥浆量：0.1 cm3，本井总注灰量：45.0 cm3。
第二级：总注灰量：87.0 cm3。
2.4替浆流体用量
第一级：压塞液密度1.00 g/cm3、用量2.0 cm3，钻井液密度1.38 g/cm3、用量79.6 cm3，清水密度1.00 g/cm3、用量2.0 cm3；
第二级：压塞液密度1.00 g/cm3、用量2.0 cm3，钻井液密度1.38 g/cm3、用量52.9 cm3，清水密度1.00 g/cm3、用量2.0 cm3。
2.5 流变学设计
第一级：注水泥顶替排量2.20 m3/min，静液柱压力差5.00 MPa，循环总压耗3.30 MPa，最终顶替泵压8.40 MPa；
第二级：注水泥顶替排量：2.20 m3/min，静液柱压力差11.70 MPa，循环总压耗1.40 MPa，最终顶替泵压13.20 MPa。
3 施工工艺过程
1、第一级
1、水泥车试压，排量1.05m3/min，压力15Mpa；水泥车注前
置液，密度1.02g/cm3， 排量1.10 m3/min，施工时间12min，注入量12m3；放回水，试阻流环，预混水泥浆，施工时间3min。
2、注领浆，密度1.80g/ cm3，排量1.10 m3/min，施工时间4.5min，注入量5.00m3；注中间浆，密度1.85 g/cm3，排量1.10 m3/min，施工时间18.00min，注入量18m3；注尾浆，密度1.90g/ cm3，排量1.10 m3/min，施工时间22.0min，注入量22.0 m3；摇档销，卸帽子，投挠性塞，施工时间3.00min。
3、替清水，密度1.00g/cm3，排量1.10 m3/min，施工时间2.0min，注入量2.00 m3；替钻井液，密度1.38 g/ cm3，排量2.10 m3/min，施工时间44.00min，注入量80m3；替清水碰压，密度1.00g/ cm3，排量1.10m3/min，施工时间2.0min，注入量2.0m3，碰压压力15Mpa。
四、泄压，检查回流，打开循环孔，建立循环。
1、水泥车试压，排量0.15m3/min，压力25Mpa；水泥车注前
置液，密度1.02g/cm3， 排量1.10 m3/min，施工时间15min，注入量15m3；预混水泥浆，施工时间3min。
2、注领浆，密度1.75g/cm3，排量1.10 m3/min，施工时间8.0min，注入量8.00 m3；注中间浆，密度1.85 g/cm3，排量1.10 m3/min，施工时间45.00min，注入量45m3；注尾浆，密度1.90g/cm3，排量1.10 m3/min，施工时间34.0min，注入量34.0 m3；开档销，倒闸门，释放关闭胶塞，施工时间3.00min。
3、替清水，密度1.00g/cm3，排量1.10 m3/min，施工时间2.0min，注入量2.00 m3；替钻井液，密度1.38 g/cm3，排量2.15 m3/min，施工时间29.00min，注入量53m3；替清水碰压，密度1.00g/cm3，排量1.10 m3/min，施工时间2.0min，注入量2.0 m3，碰压压力20Mpa。
4 放回水断流，分级箍循环孔关闭成功。
施工过程分级箍安全可靠，侯凝后电测结果显示，封固段（1200m-4238m）封固良好，固井质量合格。
五、结论
1、双级注水泥技术可以降低环空液柱压力，减少注水泥作业井漏的发生，保证固井施工安全，同时可以减少水泥浆失重造成的油气水上窜，有利于提高固井质量。此外，还可选择最佳的水泥封固段，节约水泥，降低固井成本。
关键词： 斜井 厚流砂层 超前管棚注浆 脲醛树脂化学浆液
Will: LiJiaBa return air slope engineering sand layer thickness of vertical flow 17.3 m, the length 44 m, grouting sand layer before water gushing for 31 m 3 / h. Used in construction without pellet chemical grouting material of urea-formaldehyde resin can effectively control the grouting quantity and grouting pressure, guarantee the curtain grouting curtain grouting thickness and overall strength, smoothly through the flow of sand layer. Tilt the flow of sand layer note chemical pulp technology simple process, the effect is obvious, solve the slope the flow of sand layer construction difficult problem for similar conditions of the flow of sand layer construction to provide the precious experience. And in ningxia area, Inner Mongolia region infrastructure mine the flow of sand layer construction has been widely application has application value.
1 工程概况
宁夏李家坝煤矿位于宁夏回族自治区银川市东南约120 km处，行政区划属盐池县管辖，设计生产能力为90万吨/年。矿井采用斜井开拓方式，布置主、副、风三条斜井，主、副斜井坡度20°，回风斜井古近系段坡度24°。
李家坝煤矿的回风斜井穿越第四系表土层、古近系地层和侏罗系延安组地层等。其中第四系主要为风积砂；古近系地层主要由浅红色呈半固结状态细砂、粘土组成；侏罗系延安组地层主要由各粒级砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成，煤岩层的力学性能极软弱。且穿越地层存在三个主要含水层组，即第四系、古近系及基岩风化带孔隙~裂隙含水层组（I）、侏罗系中统延安组12煤以上砂岩裂隙~孔隙承压含水层组（III）及侏罗系中统延安组12~18煤砂岩裂隙~孔隙承压含水层组（IV），特别是古近系地层主要是粘土与砂层互层组成，而砂层若含水则极易形成流砂层。在井筒掘进过程中若处理不当将使斜井井筒围岩难于控制，极易出现冒顶、涌水、冒砂等严重事故。
因此，我们根据回风斜井井筒穿越地层的工程地质与水文条件，提出合理的斜井井筒穿越厚流砂层的成套施工技术方案，以实现斜井井筒施工高效、经济与安全的需要，并保证斜井井筒支护结构的长期稳定，取得了良好的经济效益。
2 流砂层的特性及流砂层注浆加固机理
2.1 地下水的作用
（1）地下水的浮托作用
地下水对水位以下的岩土体有静水压力的作用，并产生浮托力。这种浮托力比较明确地可以按阿基米得原理确定，即当岩土体的节理裂隙或孔隙中的水与岩土体外界的地下水相通，其浮托力应为岩土体的岩石体积部分或土颗粒体积部分的浮力。
（2）地下水的潜蚀作用
潜蚀作用通常产生于细砂岩、粉砂岩、粉细砂岩及粉土地层中，即在施工降水等活动过程中产生水头压差，在动水压力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，使土体结构产生破坏。
2. 2 流砂现象及形成条件
流砂现象通常在细砂岩、粉砂岩、粉细砂岩及粉土地层中产生，即土被水饱和后产生流动的现象。
易产生流砂的条件如下：
（1）水力坡降大于临界水力坡降时，即动水压力超过土粒重量时易产生流砂；
（2）细砂岩、粉砂岩、粉细砂岩及粉土的孔隙度愈大，愈易形成流砂；
（3）细砂岩、粉砂岩、粉细砂岩及粉土的渗透系数愈小，排水性能愈差时，愈易形成流砂。
2. 3 流砂层的特性
流沙的最大特点是在一定压力条件下具有自流动性。因此，在开凿矿井井筒时，若遇到流沙，流沙就会向开凿空间流动从而淹满开凿的空间。对于表土段特厚的冲积层，大量流沙涌入开凿的井筒空间，还容易引起地表大面积塌陷，甚至波及到地面建筑。流沙中含的粘土与水愈多，其颗粒质愈小，其中水的压力也愈大，这种流沙流动性愈强。流沙冲入开凿的井筒空间的根源在于水，流沙层中含水量愈大，压力愈高，则流沙溃决的危险愈大。如果能成功地将流沙层中的含水量降低到15%或更低，同时又降低流沙层的压力，这时流沙就变成了普通湿沙子，也就具有了一定的自稳性。
2.4 流砂层注浆加固技术机理
注浆是指将具有填充胶结性能的材料配成浆液，以泵压力为动力源，用注浆设备通过注浆管将其注入到地层，浆液以渗透、充填、劈裂和挤密等方式扩散，赶走土颗粒间或岩体裂隙中的水分和空气后占据其位置，由于浆液的凝结、硬化，将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大、防水抗渗性能高和化学稳定性良好的“结石体”，达到对地层加固或堵水的目的，改善受注地层的水文地质和工程地质条件。在流砂层中进行注浆施工主要有两种方法，即通过高压喷射注浆技术或静压注浆技术，以期形成止水防砂注浆帷幕结构，在注浆帷幕的保护下，进行斜井井筒的掘进与支护，确保施工安全。
3 回风斜井井筒过厚流砂层超前管棚注化学浆加固技术方案
对回风斜井井筒过垂深17m的厚含水流砂层，采用超前管棚注化学浆浆加固技术方案。超前管棚注浆加固技术方案是在斜井井筒开挖前，先在斜井井筒开挖面与一定范围内的井筒周边围岩做混凝土止浆墙，然后沿斜井井筒轮廓线向前方流砂层内打入带孔管棚，并通过管棚向流砂层内注入起充填胶结作用的脲醛树脂化学浆液，待浆液扩散、凝结、硬化后，减少流砂层孔隙率，增加流砂层的密实度，使浆液在流砂层中起骨架作用并使浆液与土体凝结成一个壳体，即在斜井井筒周边形成一定厚度的注浆加固帷幕，减小流砂层的渗透性，提高了流砂层的物理强度，达到流砂层加固和堵水的目的，起着止水防砂及承受地层荷载的作用。
超前管棚注浆加固机理分析：主要是钢管与浆液固结体共同作用的结果，一方面进行钻孔并在孔内安设钢管，当钢管穿过流砂层后，伸入到粘土层部位时，有力地保障了开挖工作面流砂层的稳定，起到骨架、格栅作用；另一方面通过注浆使浆液从钢花管孔中溢出，并在一定的注浆压力作用下注入到钢管周围流砂层中，从而形成复合稳定的固结体，最终形成管棚注浆加固帷幕，使周围流砂层的力学性质得到改变，稳定性能得到加强，可以防止流砂层塌落和地表下沉，保证斜井井筒工作面的稳定与安全。
3.1 回风斜井超前管棚注浆加固技术设计方案
回风斜井井筒设计开挖荒断面宽×高为5600 mm×5500 mm，在回风斜井井筒过流砂层段超前管棚注浆加固分为三段施工，每段布置1排超前管棚共32个，三段共布置75个；管棚注浆管拱顶间距0.5 m，帮部间距0.6 m；管棚长度为24.0 m，直径为45 mm，外插角为2°，钻孔直径为60 mm，管棚布置断面图及布置详图如图3-1~3-3所示。
3.2 超前管棚注浆加固技术设计参数
（1）布孔
在回风斜井井筒过流砂层段紧靠开挖荒断面轮廓线布置1排超前管棚共32个，拱顶间距0.5 m，帮部及底板间距0.6 m；对管棚进行标号为1~32号，如图3-4所示。
图3-4 回风斜井静压注浆孔布置标号
（2）管棚参数的选取
①管棚的直径：选取管棚直径为45 mm。
②管棚的长度：管棚长度是根据斜井井筒过流砂层斜长、深入下部稳定岩层斜长1.5 m，选取管棚长度为24.0 m
③管棚的外插角：选取管棚的外插角为2°。
④管棚的间距：拱顶管棚间距为0.5 m，帮部及底板管棚间距0.6 m。
⑤搭接长度：每段超前管棚之间搭接长度5m。
（3）注浆材料
针对流砂层特殊地层条件，本方案采用脲醛树脂类浆液，加浓度为2 %的草酸溶液作为固化剂，脲醛树脂溶液和草酸溶液配比为~（体积比）。
（4）注浆压力
综合以水压为依据的经验公式及以地层压力为计算根据等两种因素，确定注浆压力应为0.5~1.0 MPa；注浆终压为2.0~2.5 MPa。
（5）注浆量
在计算注浆量时应考虑注浆类型、岩土体的孔隙率和裂隙度、浆液充填情况等等，渗透注浆的好坏取决于渗透半径内岩土体的孔隙充填程度，充填率越高，注浆效果越好。综合工程类比、理论计算，确定单孔注浆量为4.0 t。
4 施工工艺
超前管棚施工时分为三段依次进行，施工时保证前后两段管棚搭接长度为5m。
（1）管棚的加工制作
管棚管身设若干溢浆孔，孔径为8 mm；孔距为0.5 m，按梅花形排列；前端0.2 m范围不设溢浆孔，并加工成尖锥形并予以封焊严实；后端1.0 m范围不设溢浆孔，管棚加工示意图如图4-5所示；并要求管身顺直；为防止溢浆孔堵塞，并在开口孔眼外包一圈橡皮环。
（2）管棚施工工艺
① 止浆墙。在流砂层地段打超前管棚前首先做止浆墙，浇筑止浆墙时预埋直径108mm孔口管，孔口管位置及角度按照超前管棚位置角度埋设，防止流砂及浆液返流到斜井井筒内。在斜井井筒开挖揭露流砂层处向井筒掘进荒断面四周扩挖0.3 m，采用C30混凝土浇筑厚度为1500 mm的止浆墙。止浆墙如图4-6所示。
（1）止浆墙横断面
（2）止浆墙剖断面
图4-6 止浆墙结构示意图
②钻孔:搭设钻机平台，钻机平台用木枕搭设，并一次性搭好；平台支撑要着实地，连接要牢固、稳定，防止在施钻孔时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等，影响钻孔质量；移动钻机到钻孔部位，调节钻机高度，要求钻机与已设定好的孔口管方向一致，精确核定钻机位置，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合，在钻杆方向和角度满足设计要求后方可开钻。钻孔开始时选用低档，待钻到1.0 m左右时，具体来说，首先架设方向架，确定打孔方向、位置，管棚的外插角为2°；针对流砂层特殊地层条件，采用导轨式凿岩机钻进成孔；若在钻进过程中出现塌孔，此时要停止钻进将钻机退出，往钻孔内注水泥浆液，待浆液凝结固化后重新进行钻孔，保证钻孔钻至设计深度。钻孔顺序为先钻拱顶超前管棚孔，然后按左右对称施工钻帮部超前管棚孔，最后施工底板超前管棚孔。
③插管。安设管棚时应对准管孔的方向和角度，使用液压推进器将导管推入，下管前，要预先按设计对每个钻孔的管棚进行配管和编号；下管要及时、快速，以保证在钻孔稳定时将管棚送到孔底，每钻完一孔便顶进一根管棚。管棚每节之间采用丝扣连接，相邻两节之间节头要错开，其错接长度不小于1.0 m；管棚与导向管之间用砂浆堵塞密实。
④注浆。采用HGB化学注浆计量泵进行注浆作业。为确保注浆质量、防止串浆，在施工过程中采取钻一孔注一孔的施工方法。注浆顺序为先注拱顶超前管棚（按左右对称施工），然后注帮部超前管棚，最后再注底板超前管棚，按从上向下、先两边后中间对称施工顺序进行施工。
注浆结束控制标准：一是定压控制法，岩土体注浆加固，一方面靠注进岩土体的浆液起作用，另一方面靠浆体对岩土体的挤压作用使得岩土体的力学指标提高，反过来岩土体的密实度增加又使浆体的强度充分发挥，形成共同承载体。因此，注浆终压对加固效果起主要作用，设计注浆终压为2.0~2.5 MPa；二是浆液总量控制法，当注浆扩散半径确定后，注浆总量就确定了。在地层均匀无空洞的条件下，调整注浆压力，使得总注浆量达到设计值，设计单孔注浆量为4 t。
⑤斜井井筒开挖
在超前管棚注浆完成后，在靠近底板位置施工一注浆检查孔，检查钻孔的出水量及沙层固化效果，如检查钻孔无水并钻孔成孔效果好，即可进行斜井井筒的掘进与支护。在斜井井筒开挖时为保证及时架设U29型钢支护和防止全断面开挖造成流砂层从井筒底板向上流动（即保证斜井井筒与底板的稳定），在斜井井筒开挖时，先挖拱顶及帮部处的土体而留出底板核心土不开挖（如图7-7所示），及时架设拱顶和帮部的U29型钢支护并挂网喷射混凝土；然后将底板核心土挖掉，铺设底板U29型钢支架，并与帮部U29型钢支架连接，最后挂网喷射混凝土形成全断面封闭结构。
（3）管棚施工工艺流程图
5结语
李家坝回风斜井工程流砂层垂直厚度17.3m，斜长44m，注浆前砂层涌水为31m?/h。回风斜井井筒过流砂层3个段高：累计钻孔深度2394m，超前管棚打钻注浆累计施工34天（不包含掘进施工时间，3段超前管棚注浆掘进累计施工27天），累计使用脲醛树脂溶液和草酸溶液总计363t。根据实际掘进过程中揭露砂层来看，整个流砂层涌水量小于1m?/h，流砂层固化效果好整体强度高。
顺利通过回风斜井井筒17.3m厚度流砂层。通过对李家坝回风斜井过17.3m厚流砂层超前管棚注浆封水加固来看，施工方案是科学的，各项技术参数是准确的，实行的技术措施经实践证明是安全可靠的。
1) 实践证明；斜井通过含水流砂层时，采用无颗粒化学注浆材料脲醛树脂可有效控制注浆量和注浆压力，能保证注浆帷幕厚度和注浆帷幕整体强度，顺利通过流砂层。
2) 斜井掘进在通过含水流砂层时，当普通水泥浆难以注入时，超细水泥也难以注入，此时应直接采用脲醛树脂进行化学注浆，不再使用超细水泥以减少钻进量，缩短注浆时间。
3) 斜井过流砂层注化学浆技术工艺简单，效果明显，解决了斜井过流砂层施工困难的难题，为类似条件的流砂层施工提供了宝贵经验。并且在宁夏地区、内蒙地区基建矿井过流砂层施工方面得到了广泛应用，具有推广价值。
关键词：固井技术；现状；发展方向
随着钻井技术的发展，越来越多的复杂井相继完成，随之而来的就是如何解决这些井的完井问题。渤海固井公司经过多年的摸索，探索出了一套解决复杂井固井难题的技术思路，掌握了多种特有的固井工艺技术和方法，解决了部分固井技g难题，取得了较理想的效果，满足了地质、工程需要。
1当前固井技术现状
1.1深井、超深井固井技术。掌握了耐高温水泥及其外加剂、分级注水泥、尾管固井（包括套管回接技术）等工艺技术，并研制生产了多种新型水泥添加剂产品。成功完成的渤古1井（完钻井深5130米）和渤古6-9井（完钻井深5103米），井底静止温度均达到180摄氏度，是近年来固井施工井底静止温度最高的井；对于深井盐膏层固井，通过采用盐水体系及处理剂，满足了固井技术要求。
1.2高压油气井固井技术。已掌握了分级注水泥，双凝及多凝段注水泥，管外封隔器加防气窜剂、气阻剂和降失水剂加重水泥浆注水泥，井口环空加压及使用多密封特殊套管螺纹等一系列固井技术。
1.3低密度水泥浆固井技术。重点开展了低密度水泥浆、微珠水泥、超低密度充气水泥浆及泡沫水泥浆、管外封隔器固井完井技术等，达到了勘探开发要求。在油田内部完井施工中基本配套成熟。推广了微珠水泥、超低密度充气水泥等固井技术。胜利油田重点探井桩古斜472井采用抗高温中空玻璃微珠低密度高强塑性低渗水泥浆体系。该井现场施工一次成功，声幅检测固井一界面固井质量优质，二界面固井质量优质率达70%，创造了中空玻璃微珠低密度水泥浆体系应用井深最深、温度最高两项国内记录，开创了小间隙尾管低密度水泥浆固井的先例。
1.4水平井、大位移井固井技术。重点开发了水平井套管设计软件，研究应用了套管扶正器和漂浮接箍等各类适用附件及水泥浆体系、紊流与塞流复合顶替等一系列工艺技术措施，使该类井固井技术水平不断提高。
1.5提高第二界面固井质量的研究及现场应用。通过改善水泥浆体系、管串结构和固井工艺措施等一系列手段，提高第二界面的固井质量。
1.6稠油热采井固井技术。通过采用添加石英砂、粉煤灰以及与之配伍的处理剂，形成了热采井投产后的高温、固井中的防漏要求。同时，预应力固井工具及套管附件都已形成配套系列。
2当前固井技术发展面临的问题与矛盾
2.1油田勘探开发的进一步深入对固井技术提出了新要求
胜利油区勘探开发对象正在发生明显的变化。隐蔽性油气藏的比例越来越大，岩性地层油藏比例变大，低渗透性油气藏探明储量升高，随着主力层系的探明程度不断提高，勘探目的层也在不断加深、老区开发和更新井基本以复杂断块、低渗透油藏、稠油油藏、整装为主，滩坝砂、砂砾岩油藏已成为今后产量接替的重要阵地。勘探、开发对象的上述变化必然给固井工程技术提出一系列新的更高要求。
2.2老区固井施工难度进一步加大
胜利石油主要的产油地区已经进入了后期，随着油田生产的进一步进行，为了提高采收率和产量，在部分油井产量降低的情况下转为注水井。由于长期的高压注水改变了地层原有的压力结构，高压注水开发造成的地层压力活跃、注水窜流、油层中形成的局部高压圈闭等不利因素，给固井施工带来诸多困难，使固井工程质量受到很大的影响。固井质量问题越来越多，主要表现在：（1）固井后套管外冒油、气、水；（2）油水层位水泥浆凝固不好；（3）水泥浆纵向窜槽，产层或层间封固不合格。虽然固井采取了一些措施，取得了较好的效果，但存在的问题也不小。
3对固井技术今后发展方向的几点认识
3.1强化技术管理，提升固井技术水平。要加强协调工作，稳步提高固井质量。在提高服务质量、产品质量的同时，积极与甲方沟通，采取切实可行的技术措施，将质量风险降低到最低。要抓好基础管理，促进技术管理水平的进一步提高。在日常技术管理中，要从技术措施的制定到落实，层层把关。要积极与上级有关部门和甲方进行结合，充分估计和评价施工中所遇到的问题，减少施工风险。要制定激励政策，提高技术水平。在当前这种艰难的局势下，要从考核政策方面给予倾斜，鼓励技术创新。要形成物质、精神双重激励，调动起干部、职工的积极性，提升固井技术水平。
3.2强化科技创新，迎接新挑战。要以满足油田勘探开发需求为目的，强力推进科技创新。要始终以油气勘探开发和油田增储上产对固井工程的需求为己任，找准制约固井技术发展与推广应用的瓶颈，明确技术攻关课题和科技创新目标，强化技术管理，提高固井工程技术贡献率。特别是面对施工区域特点和勘探开发的新形势，需要我们对原有的固井技术进行变革，在以下技术有新突破：①以老168区块和埕129-斜10井为代表的海油陆采的大位移井固井技术；②完善水平井筛管顶部注水泥工艺技术；③深井、特殊工艺井固井技术；④长封固段固井技术；⑤相对“高压”油气层固井技术。
3.3针对区域特点，完善区域固井模式。要针对老区固井技术难点，认真分析总结，进一步完善区域固井技术措施，如孤东、孤岛地区最大的特点是由于长期大量的注水和开采，造成地层压力较高、地下注、采层位横向动态干扰严重，固井作业时既可能因水泥浆的失重而引起油、气窜，又可能发生水泥浆，严重影响着固井施工安全和固井质量；埕子口地区的大多区块地层压力为自然液柱压力，而埕23、埕24、埕25断块，由于多年注水的原因，地层压力偏高，钻井液密度为1.30g/cm3～1.45g/cm3，且地下动态干扰较严重；桩西地区近临海岸，地层压力多为自然液柱压力，但与其他地区相比，定向井、水平井、长封固段井较多，这就给固井施工带来一系列的困难；渤南地区多为深井，有些区块为高压井，如义171、义172、义34和义72断块，固井施工难度较大。要根据各区块不同的地层特点，制定应对措施，进一步加强新技术、新工艺的推广应用，制定切实可行的区域固井技术措施，确保固井质量。
3.4加大投入，努力提升固井装备水平。为进一步提升固井技术实力，要提高油井水泥实验室的资质，完善实验室的实验能力，计划配套完善水泥仪器，通过引进千德乐7200型水泥水化分析仪（水泥气窜模拟分析仪）、4268ES水泥收缩/膨胀仪、2030水泥渗透仪，以及配套混浆能力好的水泥车和各种罐车，整体提升固井设备技术水平。
关键词：井身结构；分级固井；水泥浆；压力平衡；
LG**井位于塔里木盆地塔北隆起轮南低凸起东部斜坡，目的层位为奥陶系。设计井深6110m。二开中完井深5905 m，裸眼段长4402m，穿越多套不同压力体系地层，钻井液ρ1.51 g/cm3，气侵严重；ρ1.52 g/cm3发生井漏。地层承压能力不满足压稳气层要求，下入Ф200.03 mm套管双级固井。一级施工因井漏环空压力体系改变，导致候凝期间发生溢流，节流压井，泥浆密度1.60 g/cm3，建立压力平衡，实施了双级固井作业。
1 井况简介
二开穿越新近、古近、白垩、侏罗、三叠、石炭及奥陶系良里塔格组七套地层。一级封固白垩系以下多套砂砾岩，煤层，粗砂岩及灰岩地层。
油气层及钻井液密度：侏罗系煤层气1套，厚度2m；三叠系气层3套，累厚15m；石炭系气层3套，累厚7m；奥陶系气层3套，累厚15m。钻井中泥浆密度：古近系ρ1.15 g/cm3；白垩系ρ1.26 g/cm3；侏罗系1.30 g/cm3；三叠系1.45 g/cm3；石炭、奥陶系ρ1.51 g/cm3，气侵严重，上窜速度104.8 m/h。密度提至1.52 g/cm3发生井漏，累计漏失量224.59m3。
1.3 井身结构：￠273.05mm表套下深1503m；二开￠241.3mm井眼钻至奥陶系良里塔格组5905m，下入￠200.03mm套管分级固井。分级箍深度3002.13m；三开钻穿奥陶系一间房组主油气层裸眼完成。
2 固井施工难点：封固多套不同压力体系地层，地层承压能力低，防漏、防窜、压稳是主要技术难点。施工井漏导致环空液柱压力失衡，气窜及井控风险。
3 主要技术措施
采用双级固井，阶梯密度多凝水泥浆体系，平衡压力固井，水泥浆失重状态下，气层压稳系数Fb≥1；优化施工参数，施工最大动液柱压力不大于地层漏失压力。
优选水泥浆体系，控制水泥浆低失水和良好的防窜性能，直角稠化，缩短稠化失重期，防窜系数SPN≤3。
施工前注入， 相容性良好的低黏切先导泥浆20m3，充分置换不规则大井径段含油高黏切钻井液；ρ1.55g/cm3的黏性加重隔离液，隔离段长500m，提高顶替隔离效率。
4 浆体设计
4.1 一级水泥浆配方及性能，配方如下，性能见表1
领浆Ⅰ：“G”级水泥+漂珠+微硅（100：10：10）+4.0%LANDY-806L降失水剂 +2.0%LANDY-606L缓凝剂+0.5%LANDY-906L分散剂+0.2%LANDY-19L消泡剂；领浆Ⅱ以领浆Ⅰ为基液，降低液固比；尾浆Ⅰ：“G” 级水泥+硅粉（100：35）+4.2%LANDY-806L +0.8%LANDY-606L+0.5%LANDY-906L+0.2%LANDY- 19L；尾浆Ⅱ：阿G+硅粉（100：35）+4.0%LANDY-806L+0.7% LANDY-606L+0.5% LANDY-906L+0.2% LANDY-19L。
4.2 一级固井环空液柱结构及平衡压力设计
隔离液ρ1.56 g/cm3，占环空段长500m；水泥领浆Ⅰρ1.60g/cm3，封固3500～4880m；领浆Ⅱρ1.64g/cm3，封固4880～5050m；水泥尾浆Ⅰρ1.85 g/cm3，封固5050～5450m；尾浆Ⅱρ1.90 g/cm3，封固5450m以下井段。
水泥浆失重当量ρ1.07g/cm3；地层压力系数Fd以钻进泥浆密度为当量；各段水泥浆分别失重时，对应气层压稳系数Fb>1.0， 计算公式Fb=Ph/Pd
4.3 防气窜性能及压稳系数评价
水泥浆防气窜系数SPN=
B为水泥浆API失水量，t30BC、t100BC分别为30BC和100BC的稠化时间。
评价标准：SPN值≤3为防气窜性能好；SPN值4～6防气窜性能中等；SPN值≥6防气窜性能差。从表1可以看出每段水泥浆均有较好的防气窜能力。
当Fb
Fb=1，水泥液失重时，环空液柱压力与地层压力平衡，防气窜能力取决于水泥浆性能系数SPN；
Fb>1且SPN值≤3状态下，防气窜效果最理想。综合以上因素，一级水泥浆防窜性能较好，液柱压力平衡，防气窜效果较为理想。
5 施工作业工况
一级固井注低黏切先导泥浆20 m3，ρ1.51 g/cm3；注隔离液10.6 m3；水泥领浆Ⅰ31m3；领浆Ⅱ5.5 m3；水泥尾浆Ⅰ9 m3；尾浆Ⅱ10.5 m3；注压塞液2.2 m3，ρ1.03 g/cm3；顶替液143 m3，ρ1.51 g/cm3，一级作业结束，施工漏失量59.7 m3；投分级箍开孔塞，打压9Mpa开孔；循环泥浆至领浆稠化60 min后，改为间断循环，候凝16 h时，井口发现似溢流，关井观察，立压4MPa，套压4.5MPa；节流压井并分离排气点火，压井液密度由ρ1.51 提至1.60 g/cm3，建立压力平衡；控制井口环空回压3 MPa完成二级施工，作业漏失量92.02 m3。
6 固井质量检测及分析
二级水泥返高1534m，两级封固段衔接，质量合格。分析为：主要漏层在三叠及石炭系，二级控制回压施工，水泥浆沿一级封固段气窜通道进入漏层，对气窜封固段进行了二次封堵补救。
7 固井候凝期间溢流原因分析
井身结构设计不合理，井深5905m，只下表套1503m，二开裸眼段长4402多米，钻越多套不同压力体系地层。井漏与压稳矛盾不可调和，是导致井下复杂的根本原因。
地层承压能力低，不具备压稳油气层条件，井漏无法根本解决。下套管前虽进行了堵漏，但承压能力未满足下套管固井需要，井漏导致固井后平衡压力体系破坏，压力失衡是油气上窜的主要因素。
固井前循环泥浆，入口密度1.51 g/cm3，出口密度1.50 g/cm3，未实现压力平衡；油气上窜速度不满足
分级箍开孔后循环泥浆时间，虽然大于水泥浆稠化时间，理论上已渡过胶凝失重期。但由于井漏、水泥浆污染等诸多因素影响，水泥浆性能发生改变，稠化时间延长，水泥强度未达到阻止气窜能力。环空循环流阻附加压力解除，也是气窜因素之一。
8 教训和认识
合理的井身结构设计，是完成复杂地质条件下钻井和固井的基础，是预防井下复杂和实现压力平衡的先决条件。封堵漏层，提高地层承压能力，压稳油气层，建立井下压力平衡，是固井成功的基础。
水泥浆稠化是一个水化、胶凝过程，强度发展受井下诸多因素影响，其真实性能，远远达不到室内试验数据。固井后关井候凝，可有效预防溢流发生。
参考文献：
[1] 张兴国，杜成良，李跃明等. 环空窜流的类型及成因[J].西部探矿工程，2006，126（10）
关键词：堵砂、堵水、防坍塌
高压喷射注浆法是在注浆法的基础上，应用高压喷射技术而发展起来的一项新的地基加固方法，于1970年始于日本。它是利用工程钻机钻孔作为导孔，将带有特殊喷嘴的喷射管插入设计处理深度后，用高压脉冲泵等高压发生装置，使浆液或水以20～40 MPa的高压流从喷嘴中喷出，冲击切割土体。当能量大、速度快、呈脉动状的喷射流的动压超过土体结构强度时，土粒便从土体上剥落下来。一部分细小的土粒被喷射的浆液所置换，随着液流被带到土面上（俗称冒浆）。其余的土粒与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量大小有规律的重新排列。待浆液凝固后，便在土中形成一固结体，固结体的形状与喷射流移动方向有关。
高压旋喷注浆法适用于处理淤泥、淤泥质粘土，粘性土、粉土、黄土、砂土、人工填土等地基。当土中含有较多的大粒径块石、坚硬粘性土、大量植物根茎或有过多的用机质时，应根据现场试验结果确定其使用程度。
1、井底反水、反砂产生的原因
当该顶管工作井开挖到底板位置时（井深约10米，井内孔7.2×4.5m），井底出现大量反砂、涌水现象，根据施工现场的观察以及地质资料所示，该现象主要是因为该井位置有约3~5米厚的粉细砂层，而且是刚好在我们准备对该工作井开挖施工底板之前，曾下过一段时间的暴雨，工作井四周的土体经过长时间的雨水浸泡，再加上施工时又要把工作井里的水短时间内全部抽干，井内的水随着逐渐减少，钢筋砼井壁及水泥搅拌桩承受的地下水压力以及土侧压力就逐渐增加，当井内水抽到井底时，井外的地下水压力过大，最终冲裂钢筋砼井壁旁的水泥搅拌桩，随着水的流动，造成了井底反水、反砂现象。
开始时反水、反砂现象还是比较小。因为反出来的都是白色的粉细砂，而且离该井北边约12米处有一排居民房，为了防止该井的反水、反砂而造成对施工旁的居民房影响，也有可能会造成该工作井的井壁破裂、塌方等事故的发生，因此我项目部决定暂时停止对该井的继续施工，并立刻对该井内进行反灌水稳砂处理。
2、堵水、堵漏的处理方法
我项目部根据施工现场的实际情况，在既保证施工工期而又保证井边居民房结构安全的情况下，决定安排高压旋喷桩机进场补桩、注浆加固井周边土体施工处理。其中处理方法如下：
1）：先在工作井砼护壁外四周（原水泥搅拌桩上）打一排深约16米（井底深9.8米），桩距30cm，密扣20cm的水泥高压旋喷桩。施工时采取每米约4到5包水泥调浆，根据施工经验，每钻孔如能出现反浆现象即可停止注浆施工，如按施工要求注浆都不能出现反浆现象，则可根据施工经验，尽量调小注浆压力（反浆、提钻中间时间可采取多次停顿，反复提钻），以利于水泥桩更好的成型，其中在井边打桩时，桩与桩之间必须垂直、密扣，特别是在井的四个角的位置，需特殊加固；
2）：采用不排水法施工，用长臂勾机或抓斗进行清底、挖砂（开挖之前必须待水泥旋喷桩成型达14天以上），在确保已开挖到位（达到设计开挖深度，而且要比设计深度深约30～50cm）后，停止施工，并停工2到3天后再去测量，如井底反水、反砂现象停止、稳定，而且符合水下砼封底厚度要求，才可以用泵车进行水下砼封底施工，水下砼浇注完成后需等待14天以上才可以抽水验底；
3）：如抽水验底还出现反砂现象，则在反砂位置进行注浆处理，以固化砼底板下松动的流砂层，防止砼底板下的地下水压冲破砼底板层，再次造成反水、反砂。施工时的采用水泥注浆量、压力的大小，应根据现场注浆时的实际情况，及时调整压力、水泥浆量，采用多次、间隔性注浆施工等方法。
3、处理结果
关于该工作井反砂、涌水情况的处理，我司有关领导非常重视，总工程师和有关技术人员就该事曾多次到过现场，观察现场环境情况，研讨施工处理方案；监理和业主也非常重视，多次召集市质监站、设计院、当地建委、质监站、监理、施工等各方有关技术人员现场观察，并召开专题处理会议，讨论该井情况的具体处理施工方案等。
经过上述处理方法完成后约14天再次抽水观察，发现该井的底板砼已完全封好，并没有出现反水、反砂现象，整体效果很好。
4、注浆质量保证措施
（1）注浆过程中对附近范围内的地表进行沉降隆起监控量测，随时调整注浆参数防止沉井开裂及地表隆沉影响井架使用安全。
（2）确保钻孔深度和角度，做好钻孔记录，为保证注浆效果奠定基础；
（3）严格按照技术交底作业，按照注浆工艺流程施工，做好注浆记录确保孔口管与管壁之间封闭密实，防止孔口处跑浆；注浆开始时宜采用小流量以免堵塞浆液渗透通道，注浆结束标准必须达到设计要求注浆压力或注浆量，确保注浆质量。
（4）注浆结束后，应综合分析钻孔注浆记录，并在出水量较大或注浆薄弱处打检查孔，检查注浆效果，如不能满足要求，则要补注。
（5）注双液浆时，注浆压力突然升高，应停止水玻璃注浆泵，只注入水泥浆或清水，待泵压恢复正常时，再进行双液注浆。
（6）当进浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小泵量、低压力注浆，以使浆液在岩层裂隙中有相对停留的时间，以便凝胶；有时也可以间歇注浆，但停注时间不能超过浆液凝胶时间；当需停止时间较长，则先停水玻璃泵，再停水泥浆泵，使水泥浆冲出管路，防止堵管。
（7）当发生跑浆时，则应缩短浆液的凝胶时间，进行小泵量、低压力注浆，以使浆液快速凝固，堵塞裂隙。
5、结束语
高压喷射注浆法处理地基在我国已有了广泛的应用，并制定了相应的施工设计规范。在高速公路软弱地基加固、水利工程防渗、矿山井巷加固与防渗等方面得到越来越多的应用。在一些大城市，随着地铁建设和高层建筑的崛起，不少深基坑工程亦都采用了高压喷射注浆技术来进行深基坑的止水防渗。高压喷射注浆按注浆管类型可分为单管、二重管和三重管三种方法。单管以单纯喷射水泥浆液；二重管在水泥浆液射流外面包裹一层高压空气同时喷射，来破坏土层结构，同时完成置换、填充；而三重管则是以包裹了高压空气的高压水流来破坏土层结构，再以水泥浆液进行置换、填充。
实践证明：在其他施工条件不允许的情况下，采用高压喷射注浆技术处理涌水、涌砂淹井事故是有效可行的。其不仅投入设备小、少，还能节约造价，缩短处理工期，达到事半功倍的效果，为今后类似工程提供借鉴。
参考文献
[1]崔云龙.简明建井工程手册.北京：煤炭工业出版社，2003
[2] 杜嘉鸿等.地下建筑注浆工程简明手册.北京.科学出版社，1992
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