摘要
在地热井漏失地层进行“戴帽”固井注水泥难度大，往往因挤入的水泥浆偏离设计位置而导致固井失败。本文提出了漏失层“戴帽”固井的技术思路，即利用井内液柱压力与地层裂隙压力保持平衡以有效控制固井水泥浆柱移动位置，通过控制挤注排量以防止水泥浆被稀释。在具体实施中，可以采用开放固井和封闭固井两种方式。前者在注替浆过程中，井筒与外界大气、上下井筒之间始终相通。当上下套管级差较大时，水泥浆柱在平衡过程中下移距离较长，位置不易控制，且易稀释，但是所需工具简单，适合应用于上下套管级差较小的条件，尤其是在同级套管内。对于后者而言，需采用特殊密封工具封闭下部套管，在注替浆过程中，上下井筒始终是不通的。可以避免水泥浆柱下移距离长、位置不易控制、易稀释等缺点，适合各种套管级配条件下固井注水泥作业，在套管级差较大时更显其精确封固优势。
固井是地热井成井的关键工序，必须重视固井作业的每个环节。固井注水泥就是在套管柱与井壁的环状空间注入水泥浆使之固结封闭的工艺过
（1）水泥浆挤注过程中，井内液体（钻井液、水泥浆）不断漏入地层，替浆结束后，水泥浆柱还会移动，最终浆柱是否能够存留在设计段凝固，很难控制。
（2）挤注过程中井内液体容易混入，水泥浆一旦被稀释，将不能形成有效的水泥环，最终导致固井失败。
漏失层“戴帽”固井注水泥失败往往是因为忽略了压力平衡的问题。压力平衡固井是将井内液柱压力与地层裂隙压力保持平衡，有效控制固井水泥浆柱移动位置的固井方法。
常规固井与压力平衡固井具有较大差异。非漏失层的常规固井可视为静态固井，固井过程中井内不漏失，替浆时将水泥浆顶替至设计位置后，浆柱一般稳定而不移动，候凝时间达到设计要求固井即成功。压力平衡固井也可视为动态固井，在向井内注入水泥浆以及替浆过程中会持续漏失，根据现场实测，固井结束后的很长一段时间内，井筒内液面持续下降，可见井内的水泥浆柱一直都在移
如
| ρwgh=ρwgh2+ρmghm | （1） |
| h１＝(-1)hm+h0 | （2） |
式中：h0——原平衡液面深度，m；h１——新平衡液面深度，m；h2——水泥浆以上水柱高度，m；hm——水泥浆柱高度，m；ρm——水泥浆密度，g/c
图1 井筒液柱平衡示意
Fig.1 Schematic diagram of wellbore liquid column quilibrium
避免固井过程中井筒液体对水泥浆的稀释，就要确保水泥浆柱挤入井筒及移动过程中保持整体性。
首先要求水泥浆从注浆钻具底部开始进入井筒到全部进入的过程中，井筒液面必须始终处于上升或静止状态，此时井筒内液体（清水或稀泥浆）不易混入水泥浆内。因此需要满足的条件见
| Q排≥Q漏 | （3） |
式中：Q排——固井选择的泵排量，即挤注排量，
实际施工中泵排量的条件较容易实现。
其次是力求减少水泥浆柱在井筒内的移动距离，避免界面处长时间扰动污染。
基于上述思路，在具体实施中，可以采用开放固井和封闭固井两种方法实现漏失层有效封固。
开放固井是在固井过程中井筒与外界大气始终相通，见
图2 开放固井计算示意
Fig.2 Schematic diagram of open cementing calculation
固井过程中，钻具下入深度是关键数据，其计算方法见
| H=H1+H2 | （4） |
| H2=(h1-h0)Φ | （5） |
式中：H——注浆钻具端口与封固套管顶部的距离，m；H1——“戴帽”固井预留水泥塞厚度，一般取10~20 m；H2——压力平衡后井口水位差产生当量体积（V1）使水泥浆柱下移距离，m；Φ1、Φ2——上部套管和固井处套管内径，mm；其它符号意义同上。
开放固井作业注替浆过程中，上部井筒（表层套管）和“戴帽”封固段井筒（技术套管）始终连通，上部井筒内液柱自由升降，最终反映了因注浆形成的新平衡高度。根据
（1）下入钻具。完成底部“穿鞋”固井后，下入“戴帽”固井钻具（钻杆），下入深度位置依据
（2）循环检验。选择大排量循环，检验循环线路密封性，同时测定井筒内水位变化，为后期注替浆过程控制排量提供参考数据。
（3）注水泥浆。按照计算体积，连续大排量（Q排）注入水泥浆，注浆过程确保井筒液面连续上升或稳定。
（4）精准替浆。精准计量，以没入静水位（h0）以下的注浆钻具内容积量进行替浆，（排量为Q排），替浆结束后井筒内压力逐渐平衡，水位持续下降，最终达到h1。
（5）起钻候凝。起出钻具，同时监测井口水位变化逐渐接近h1为正常。
（6）探塞试压。候凝达到48 h后探水泥塞，扫开水泥塞进行试压，试压不成功固井质量不合格，分析原因重新封固。
在KM-01井施工过程中三开井段漏失严重，实施了三次“戴帽”固井注水泥。第一次钻具下入位置计算方法不正确，且水泥浆产生稀释导致失败；第二次注浆排量小，水泥稀释最终失败；第三次基于压力平衡原理，优化计算方法，确定钻具下入深度，采用双泵循环解决水泥浆稀释问题，最终成
在河南PBR01井施工过程
实践表明，开放固井方法操作简单，无需特殊井下工具。主要缺点是水泥浆与上下井筒内液体连通并接触，套管级差较大时，平衡过程中浆柱下移距离较长，水泥浆容易受到稀释而影响固井质量，有时需要多次固井。
封闭固井是固井过程中采用特殊井下密封工具使井筒与外界大气始终封闭，见
图3 封闭固井计算示意
Fig.3 Schematic diagram of closed cementing calculation
此方法中密封工具下入深度是固井的关键参数，其计算见
| H=H1+H3 | （6） |
| H3=(h1-h0)Φ | （7） |
式中:H3——压力平衡后钻具内水位差产生当量体积使水泥浆柱下移距离，m；Φ3——为注浆钻具内径，mm；其它符号意义同上。
封闭固井作业注替浆过程中，上部井筒和“戴帽”封固段井筒始终是不通的，上部井筒水位不会变动。对比
（1）下入密封工具。完成底部“穿鞋”固井后，开始“戴帽”，将钻杆连接密封工具送入到位并座封，下入深度位置依据
（2）循环检验。开泵循环清水，监测井筒内水位，如果水位变化则说明密封失效，应重新密封再次循环检验。
（3）注水泥浆。按照设计体积，确保连续注入水泥浆，挤注过程中持续监测井筒内水位变化，水位稳定为正常。
（4）精准替浆。精确计量，以没入静水位（h0）以下的注浆钻具内容积量进行替浆。
（5）候凝。替浆完成，卸开井口钻具候凝，监测钻具内外水位变化，钻具内水位最终下降至h1后稳定，钻具外水位h0静止无变化为正常。
（6）起钻。候凝8 h后打开封隔器，起钻再候凝，候凝期间水位稳定无变化为正常。
（7）探塞试压。累计候凝达到48 h探水泥塞，扫开水泥塞进行试压，试压不成功固井质量不合格，分析原因重新封固。
衡水市中心城区JK01地热井成井深度3002 m，揭露三组（寒武—奥陶系、蓟县系、长城系）基岩热储，其最终成井结构见
图4 JK01地热井成井结构示意
Fig.4 Schematic diagram of geothermal well (JK01) formation structure
根据以往开放固井施工经验，漏失量较大的基岩层，封固段水泥浆柱平衡过程中运移距离长，稀释现象严重，可能多次固井，耗时较长，且浆液容易进入热储堵塞裂隙。为保护热储，且提高工作效率，确保“戴帽”质量，试验性地采用石油钻井常用的封隔器辅助固井。采用封隔器型号Y221-21，其为单向卡瓦支撑，主要由水力锚、中心管、胶筒、锥体、支撑卡瓦、摩擦换向器等组成，其实物见
图5 封隔器实物
Fig.5 Physical picture of packer
固井前测得静水位（h0）57 m，设计注入水泥浆1.2
后期进行固井质量检验：扫开水泥塞试压4 MPa，稳定时间30 min不降，表明固井合格；又通过声幅测井确认固井可靠；在抽水试验中重叠段密封良好，无串水现象，再次证明封固有效。
实践表明，该固井方法需要特殊的井下密封工具封闭井筒，隔绝上部井筒与固井井筒的压力联系，使其成为上下不连通的两个部分，平衡过程中水泥浆柱不受上部井筒液体的影响，下移距离较短，浆柱位置控制更加精准，且不易稀释，使小体积量的水泥浆固结更可靠。
（1）漏失地层“戴帽”固井使用水泥浆量虽然较少，但基于压力平衡原理指导施工是可以实现有效封固的。
（2）开放固井在注替浆过程中，水泥浆与上部井筒内液体连通，级差较大的套管内固井，平衡过程中水泥浆柱下移距离较长，易被稀释，且位置不易控制，会影响固井质量。但该方法所需工具简单，适合应用于套管级差较小的条件，尤其是在同级套管内。
（3）封闭固井在注替浆过程中，隔绝上部井筒与固井井筒的压力联系，水泥浆柱在平衡过程中不受上部井筒液体的影响，下移距离较短，小体积量的浆柱不易稀释、位置易控制，质量更可靠。该方法需要特殊的井下密封工具，适合各种套管级配条件下固井注水泥作业，在上下套管级差较大时更显其精确封固优势。
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