增加套管內(nèi)外壓差提高固井質(zhì)量

摘 要

摘要：如何提高固井質(zhì)量是鉆井工程長(zhǎng)期以來所面對(duì)的問題。應(yīng)用中厚壁管力學(xué)理論，從力學(xué)的角度分析了在固井過程中套管應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，提出了增加套管內(nèi)外壓差來提高固井質(zhì)
摘要：如何提高固井質(zhì)量是鉆井工程長(zhǎng)期以來所面對(duì)的問題。應(yīng)用中厚壁管力學(xué)理論，從力學(xué)的角度分析了在固井過程中套管應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，提出了增加套管內(nèi)外壓差來提高固井質(zhì)量的技術(shù)思路，通過施加外擠壓力使套管具備彈性能，在水泥漿候凝發(fā)生徑向體積收縮時(shí)，通過釋放彈性能，彌補(bǔ)體積收縮產(chǎn)生的微環(huán)隙，消除了氣竄通道，從而提高固井質(zhì)量。通過10多井次的氣井固井實(shí)踐，結(jié)果表明：該技術(shù)能有效地消除或減少固井后期因套管應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生變化而出現(xiàn)的微間隙，對(duì)提高固井質(zhì)量，取得了良好的效果。建議在井下條件允許的情況下，增加環(huán)空與套管內(nèi)的壓差值來提高固井質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：深井；水平井；氣井；壓差；套管；固井；質(zhì)量提高
O 引言
    因氣井固井質(zhì)量差而引起的環(huán)空氣竄主要有3個(gè)途徑：泥漿竄槽、微環(huán)空和水泥基質(zhì)。氣竄的主要原因包括膠凝懸掛、水泥漿收縮、水泥孔隙壓力降低、界面膠結(jié)強(qiáng)度低等[1～2]。固井后水泥漿體積收縮形成微環(huán)隙是主要?dú)飧Z通道之一，對(duì)于高壓氣井，0.02mm的微環(huán)間隙，將形成通道而發(fā)生氣竄[3～5]。當(dāng)微環(huán)間隙不到0.01mm時(shí)，對(duì)油氣水等液體而言，雖然不足以形成液體通道造成油氣水竄，但卻會(huì)使聲幅波的聲耦合率大大降低，使聲幅值增高、聲幅值失真。為了消除或減少氣井固井后兩界面的微間隙，采用了膨脹水泥漿、防氣竄水泥漿等，但試壓和后期試采過程的管內(nèi)壓力突變，導(dǎo)致管柱膨脹收縮，從而使界面產(chǎn)生微間隙，引發(fā)氣竄。為防止界面微間隙產(chǎn)生，對(duì)套管柱進(jìn)行受力分析，找到了界面微環(huán)隙的成因及對(duì)固井質(zhì)量的影響，提出了具體解決辦法。
1 套管受力分析
    套管在井下情況的受力較為復(fù)雜，為了分析方便，主要考慮套管受內(nèi)壓和外擠作用(即管內(nèi)外壓差)，而忽略軸向力和溫度對(duì)管柱應(yīng)力的影響時(shí)，套管屬于中厚壁管(圖1)。
 
據(jù)拉梅公式[1]：
 
根據(jù)虎克定律微單元體的應(yīng)變：
 
式中：E為彈性模量；υ為泊松比。
由幾何關(guān)系可知形變與應(yīng)變的關(guān)系為：
 
將式(3)代入式(2)得：
 
當(dāng)時(shí)將式(1)代入式(4)得：
 
式中：ro為套管外徑，mm；ri為套管內(nèi)徑，mm；pi為套管受內(nèi)壓力，MPa；σr為徑向應(yīng)力，MPa；σθ為切向應(yīng)力，MPa；σz為軸向應(yīng)力，MPa；△L為變形量，mm。
    根據(jù)式(5)可計(jì)算套管的變形值。計(jì)算出的變形值是套管膨脹變形值，而在水泥凝固后釋放內(nèi)壓，套管收縮回原尺寸，此膨脹變形就變?yōu)樘坠芘c水泥膠結(jié)被破壞而形成微環(huán)隙。從式(5)可知：①套管尺寸越大，相同壓差下，產(chǎn)生的微環(huán)隙越大；②套管尺寸相同，壁厚越薄，產(chǎn)生的微環(huán)隙愈大；③對(duì)于固定套管而言，微環(huán)隙大小與受的壓差成正比。通過施加外擠壓力使套管具備彈性能，在水泥漿候凝發(fā)生徑向體積收縮時(shí)，通過釋放彈性能，彌補(bǔ)體積收縮產(chǎn)生的微環(huán)隙，消除氣竄通道，從而提高固井質(zhì)量。
2 工程應(yīng)用
    在注水泥后，由于水泥漿在凝結(jié)過程中失重，使套管外的部分液柱壓力將降至清水柱壓力，如果使用高于鹽水密度的頂替液頂替水泥漿，將會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)壓力高于管外壓力，套管向外(環(huán)空)膨脹，而固井后試壓又將井內(nèi)鉆井液替換成清水使套管向內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，套管向內(nèi)回縮，套管承受多次應(yīng)力及應(yīng)變的變化，致使水泥石破壞，導(dǎo)致環(huán)空產(chǎn)生微環(huán)隙。
2.1 套管內(nèi)外壓差值的確定
    壓差值的確定根據(jù)微間隙的大小和水泥石收縮的程度，對(duì)于高壓油氣井中氣體而言，0.0254mm的微環(huán)間隙，將形成通道發(fā)生氣竄，在不考慮水泥收縮或膨脹的情況下，確定所需的最小壓差值：
    
    取E=210×109N/m；υ=0.25～0.3；△L=0.0254mm。
    根據(jù)式(6)可以得出常用不同尺寸和不同壁厚油層套管在變形為0.02mm微間隙所需的最小應(yīng)變力(壓差值，圖2)。
 
    補(bǔ)償?shù)淖畹蛪翰钪禐椋?/span>
    △p-(po-pi)=pi    (7)
式中：△p為所需最小壓差值，MPa；po為套管外靜液柱壓力，MPa；pi為套管內(nèi)靜液柱壓力，MPa。
    p2≥p≥p1，p2為補(bǔ)償?shù)淖罡邏翰钪担喝⊥鈱犹坠茏畲罂箖?nèi)壓強(qiáng)度的80%和裸眼地層的最高破裂壓力的80%兩者中的最小值。
2.2 工藝設(shè)計(jì)技術(shù)
    為獲得克服套管變形所需的壓差值，在固井工藝設(shè)計(jì)上可采用如下兩種方法(兩種方法可同時(shí)使用)：
    1) 完井液頂替。對(duì)于全井下套管一次注水泥的固井中，采用完井液(或清水)作為頂替液，增加套管內(nèi)外壓差，在水泥漿凝固過程中產(chǎn)生足夠的膨脹變形致使套管在以后不再向內(nèi)變形而產(chǎn)生微間隙，既能確保界面膠結(jié)質(zhì)量和強(qiáng)度，又能減少下鉆替換鉆井液的步驟而直接進(jìn)行試氣(油)工作，節(jié)約時(shí)間和成本。同時(shí)采用完井液(或清水)替漿時(shí)泵壓高，管外的流體作用在套管外壁和井壁的力增大，沖刷效果更佳，有利于驅(qū)替，保證固井質(zhì)量。完井液頂替量根據(jù)式(7)，其在套管內(nèi)外的靜液柱產(chǎn)生的壓差值需大于等于△L。在尾管固井中，采用尾管段內(nèi)清水頂替，能較好地提高尾管段的壓差，補(bǔ)償完井后套管應(yīng)力變化，防止微間隙的產(chǎn)生。
    2) 環(huán)空憋回壓、套管內(nèi)敞壓候凝。環(huán)空憋回壓是補(bǔ)償水泥漿凝結(jié)過程中的失重，預(yù)防氣竄的重要方法，但在實(shí)施操作上往往憋回壓值較低。特別是在當(dāng)井下有漏層時(shí)，僅為補(bǔ)償失重的壓力損失。在井下條件允許的情況下，計(jì)算失重壓力，憋回壓值應(yīng)取p1值和失重壓力兩者取大值，這樣既可補(bǔ)償失重壓力，又可補(bǔ)償套管應(yīng)力。
    上述兩種方法均對(duì)浮鞋和浮箍等工具附件的要求高，反向承壓能力需根據(jù)工程要求試驗(yàn)，施工中膠塞必須碰壓，增加了固井難度和風(fēng)險(xiǎn)。完井液頂替會(huì)導(dǎo)致施工中靜壓差大，替漿后期將出現(xiàn)超高壓，對(duì)水泥車、管線及工具附件的承壓能力要求高，必須保證施工安全。固井準(zhǔn)備時(shí)要求水泥車、水泥頭及管匯作承壓試驗(yàn)；環(huán)空憋回壓會(huì)受到井下條件的約束，如井下易漏失和尾管固井實(shí)施起來就較為困難。
2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
    應(yīng)用上述方法分別在LG地區(qū)的Ф177.8mm套管回接和八角場(chǎng)地區(qū)的Ф139.7mm油層套管共計(jì)10余井次固井中應(yīng)用，固井電測(cè)優(yōu)質(zhì)率和合格率有較大提高，LG地區(qū)Ф177.8mm回接固井電測(cè)優(yōu)質(zhì)率提高了32.9%，并經(jīng)受住了后期增產(chǎn)作業(yè)的考驗(yàn)。
    從表1和表2可以看出采用增加管內(nèi)外壓差工藝技術(shù)后，固井優(yōu)質(zhì)率和合格率都有較大幅度地提升。
表1 增加管內(nèi)外壓差固井方法現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表
井號(hào)
套管層次
環(huán)空憋壓(MPa)
清水頂替液(m3)
管內(nèi)外壓差(MPa)
最小補(bǔ)償壓差(MPa)
優(yōu)質(zhì)率(%)
L9
Ф177.8mm回接
12
0
15
16.20
76.01
L6
Ф177.8mm回接
8
38.0
27
16.20
90.00
X60-5
Ф139.7mm尾管
0
42.0
36
20.68
95.00
L11
Ф177.8mm回接
11
13.7
22
16.20
73.16
表2 常規(guī)與增加管內(nèi)外壓差固井技術(shù)質(zhì)量對(duì)比表
作業(yè)方式
井次
評(píng)價(jià)段長(zhǎng)(m)
優(yōu)質(zhì)率(%)
合格率(%)
常規(guī)固井
4
12627.00
36.94
84.36
預(yù)應(yīng)力固井
7
22017.05
87.54
99.25
    從表1、2可以看出采用增加管內(nèi)外壓差工藝技術(shù)后，固井優(yōu)質(zhì)率和合格率都有較大幅度的提升。
    從采用的兩種工藝方法來看，憋回壓與利用清水頂替都可以有效地增加管內(nèi)外壓差。但是憋回壓受到地層承壓能力的限制，效果不如使用清水頂替液理想。從表1中可以看出，當(dāng)控制管內(nèi)外壓差比較大時(shí)，固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)到了90%以上。而僅依靠憋回壓很難產(chǎn)生較大的管內(nèi)外壓差，并且由于憋壓時(shí)間選擇不合理也會(huì)影響固井質(zhì)量。
3 結(jié)論與建議
    1) 在井下條件允許的情況下，提高環(huán)空與套管內(nèi)的正壓差值，更有利于提高固井質(zhì)量。
    2) 固井作業(yè)時(shí)提高環(huán)空與套管內(nèi)的正壓差值的做法能有效地降低和減少固井后期作業(yè)過程中由于套管應(yīng)變導(dǎo)致的微間隙。
    3) 在水泥漿具有低失水、低析水、微膨脹等特性的情況下，配合防氣竄水泥漿，增加管內(nèi)外壓差提高固井質(zhì)量技術(shù)的應(yīng)用效果將更好。
    4) 憋回壓的時(shí)間應(yīng)在固井施工完后立即進(jìn)行。
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(本文作者：楊萬忠1 李銳2 石慶1 1.川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司；2.四川大學(xué))