增加套管内外压差提高固井质量

摘 要

摘要：如何提高固井质量是钻井工程长期以来所面对的问题。应用中厚壁管力学理论，从力学的角度分析了在固井过程中套管应力和应变之间的关系，提出了增加套管内外压差来提高固井质
摘要：如何提高固井质量是钻井工程长期以来所面对的问题。应用中厚壁管力学理论，从力学的角度分析了在固井过程中套管应力和应变之间的关系，提出了增加套管内外压差来提高固井质量的技术思路，通过施加外挤压力使套管具备弹性能，在水泥浆候凝发生径向体积收缩时，通过释放弹性能，弥补体积收缩产生的微环隙，消除了气窜通道，从而提高固井质量。通过10多井次的气井固井实践，结果表明：该技术能有效地消除或减少固井后期因套管应力应变发生变化而出现的微间隙，对提高固井质量，取得了良好的效果。建议在井下条件允许的情况下，增加环空与套管内的压差值来提高固井质量。
关键词：深井；水平井；气井；压差；套管；固井；质量提高
O 引言
    因气井固井质量差而引起的环空气窜主要有3个途径：泥浆窜槽、微环空和水泥基质。气窜的主要原因包括胶凝悬挂、水泥浆收缩、水泥孔隙压力降低、界面胶结强度低等[1～2]。固井后水泥浆体积收缩形成微环隙是主要气窜通道之一，对于高压气井，0.02mm的微环间隙，将形成通道而发生气窜[3～5]。当微环间隙不到0.01mm时，对油气水等液体而言，虽然不足以形成液体通道造成油气水窜，但却会使声幅波的声耦合率大大降低，使声幅值增高、声幅值失真。为了消除或减少气井固井后两界面的微间隙，采用了膨胀水泥浆、防气窜水泥浆等，但试压和后期试采过程的管内压力突变，导致管柱膨胀收缩，从而使界面产生微间隙，引发气窜。为防止界面微间隙产生，对套管柱进行受力分析，找到了界面微环隙的成因及对固井质量的影响，提出了具体解决办法。
1 套管受力分析
    套管在井下情况的受力较为复杂，为了分析方便，主要考虑套管受内压和外挤作用(即管内外压差)，而忽略轴向力和温度对管柱应力的影响时，套管属于中厚壁管(图1)。
 
据拉梅公式[1]：
 
根据虎克定律微单元体的应变：
 
式中：E为弹性模量；υ为泊松比。
由几何关系可知形变与应变的关系为：
 
将式(3)代入式(2)得：
 
当时将式(1)代入式(4)得：
 
式中：ro为套管外径，mm；ri为套管内径，mm；pi为套管受内压力，MPa；σr为径向应力，MPa；σθ为切向应力，MPa；σz为轴向应力，MPa；△L为变形量，mm。
    根据式(5)可计算套管的变形值。计算出的变形值是套管膨胀变形值，而在水泥凝固后释放内压，套管收缩回原尺寸，此膨胀变形就变为套管与水泥胶结被破坏而形成微环隙。从式(5)可知：①套管尺寸越大，相同压差下，产生的微环隙越大；②套管尺寸相同，壁厚越薄，产生的微环隙愈大；③对于固定套管而言，微环隙大小与受的压差成正比。通过施加外挤压力使套管具备弹性能，在水泥浆候凝发生径向体积收缩时，通过释放弹性能，弥补体积收缩产生的微环隙，消除气窜通道，从而提高固井质量。
2 工程应用
    在注水泥后，由于水泥浆在凝结过程中失重，使套管外的部分液柱压力将降至清水柱压力，如果使用高于盐水密度的顶替液顶替水泥浆，将会导致管内压力高于管外压力，套管向外(环空)膨胀，而固井后试压又将井内钻井液替换成清水使套管向内产生应力，套管向内回缩，套管承受多次应力及应变的变化，致使水泥石破坏，导致环空产生微环隙。
2.1 套管内外压差值的确定
    压差值的确定根据微间隙的大小和水泥石收缩的程度，对于高压油气井中气体而言，0.0254mm的微环间隙，将形成通道发生气窜，在不考虑水泥收缩或膨胀的情况下，确定所需的最小压差值：
    
    取E=210×109N/m；υ=0.25～0.3；△L=0.0254mm。
    根据式(6)可以得出常用不同尺寸和不同壁厚油层套管在变形为0.02mm微间隙所需的最小应变力(压差值，图2)。
 
    补偿的最低压差值为：
    △p-(po-pi)=pi    (7)
式中：△p为所需最小压差值，MPa；po为套管外静液柱压力，MPa；pi为套管内静液柱压力，MPa。
    p2≥p≥p1，p2为补偿的最高压差值：取外层套管最大抗内压强度的80%和裸眼地层的最高破裂压力的80%两者中的最小值。
2.2 工艺设计技术
    为获得克服套管变形所需的压差值，在固井工艺设计上可采用如下两种方法(两种方法可同时使用)：
    1) 完井液顶替。对于全井下套管一次注水泥的固井中，采用完井液(或清水)作为顶替液，增加套管内外压差，在水泥浆凝固过程中产生足够的膨胀变形致使套管在以后不再向内变形而产生微间隙，既能确保界面胶结质量和强度，又能减少下钻替换钻井液的步骤而直接进行试气(油)工作，节约时间和成本。同时采用完井液(或清水)替浆时泵压高，管外的流体作用在套管外壁和井壁的力增大，冲刷效果更佳，有利于驱替，保证固井质量。完井液顶替量根据式(7)，其在套管内外的静液柱产生的压差值需大于等于△L。在尾管固井中，采用尾管段内清水顶替，能较好地提高尾管段的压差，补偿完井后套管应力变化，防止微间隙的产生。
    2) 环空憋回压、套管内敞压候凝。环空憋回压是补偿水泥浆凝结过程中的失重，预防气窜的重要方法，但在实施操作上往往憋回压值较低。特别是在当井下有漏层时，仅为补偿失重的压力损失。在井下条件允许的情况下，计算失重压力，憋回压值应取p1值和失重压力两者取大值，这样既可补偿失重压力，又可补偿套管应力。
    上述两种方法均对浮鞋和浮箍等工具附件的要求高，反向承压能力需根据工程要求试验，施工中胶塞必须碰压，增加了固井难度和风险。完井液顶替会导致施工中静压差大，替浆后期将出现超高压，对水泥车、管线及工具附件的承压能力要求高，必须保证施工安全。固井准备时要求水泥车、水泥头及管汇作承压试验；环空憋回压会受到井下条件的约束，如井下易漏失和尾管固井实施起来就较为困难。
2.3 现场应用
    应用上述方法分别在LG地区的Ф177.8mm套管回接和八角场地区的Ф139.7mm油层套管共计10余井次固井中应用，固井电测优质率和合格率有较大提高，LG地区Ф177.8mm回接固井电测优质率提高了32.9%，并经受住了后期增产作业的考验。
    从表1和表2可以看出采用增加管内外压差工艺技术后，固井优质率和合格率都有较大幅度地提升。
表1 增加管内外压差固井方法现场应用表
井号
套管层次
环空憋压(MPa)
清水顶替液(m3)
管内外压差(MPa)
最小补偿压差(MPa)
优质率(%)
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 常规与增加管内外压差固井技术质量对比表
作业方式
井次
评价段长(m)
优质率(%)
合格率(%)
常规固井
4
12627.00
36.94
84.36
预应力固井
7
22017.05
87.54
99.25
    从表1、2可以看出采用增加管内外压差工艺技术后，固井优质率和合格率都有较大幅度的提升。
    从采用的两种工艺方法来看，憋回压与利用清水顶替都可以有效地增加管内外压差。但是憋回压受到地层承压能力的限制，效果不如使用清水顶替液理想。从表1中可以看出，当控制管内外压差比较大时，固井优质率达到了90%以上。而仅依靠憋回压很难产生较大的管内外压差，并且由于憋压时间选择不合理也会影响固井质量。
3 结论与建议
    1) 在井下条件允许的情况下，提高环空与套管内的正压差值，更有利于提高固井质量。
    2) 固井作业时提高环空与套管内的正压差值的做法能有效地降低和减少固井后期作业过程中由于套管应变导致的微间隙。
    3) 在水泥浆具有低失水、低析水、微膨胀等特性的情况下，配合防气窜水泥浆，增加管内外压差提高固井质量技术的应用效果将更好。
    4) 憋回压的时间应在固井施工完后立即进行。
参考文献
[1] 钻井手册(甲方)编写组.钻井手册(甲方)[M].北京：石油工业出版社，1990.
[2] 李克向.保护油气层钻井完井技术[M].北京：石油工业出版社，1993.
[3] 万仁溥.现代完井工程[M].北京：石油工业出版社，2000.
[4] 刘崇建.国外油井注水泥技术[M].张玉隆，译.成都：四川科学技术出版社，1992.
[5] 郑开华.高压气井固井技术研讨[J].钻采工艺，2001，24(4)：1-4.
 
(本文作者：杨万忠1 李锐2 石庆1 1.川庆钻探工程公司井下作业公司；2.四川大学)