郭建軍，楊　睿

（西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院克固完井技術(shù)研究所，新疆克拉瑪依834000）

影響新疆油田滴西油氣田尾管固井質(zhì)量的原因分析及解決方法探討

郭建軍*，楊睿

（西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院克固完井技術(shù)研究所，新疆克拉瑪依834000）

新疆油田滴西油氣田目前新鉆井大部分采用裸眼段尾管固井工藝，由于在尾管固井過(guò)程上下環(huán)空間隙大小不同，固井水泥漿不能均勻分布，水泥漿候凝過(guò)程中失水，容易出現(xiàn)尾管固井水泥漿小循環(huán)現(xiàn)象，造成懸掛器及尾管與上層套管重疊段無(wú)水泥，并且由于套管與水泥漿膠結(jié)不好，導(dǎo)致固井質(zhì)量差、環(huán)空氣串和套管抗外擠能力降低等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)影響尾管固井質(zhì)量的原因進(jìn)行分析，針對(duì)性地提出了幾個(gè)解決辦法，并對(duì)幾個(gè)解決辦法可行性及實(shí)施效果進(jìn)行了探討。為以后在該區(qū)塊及其他區(qū)塊的尾管固井完井施工類(lèi)似問(wèn)題的處理提供了參考。

尾管固井；懸掛器；固井質(zhì)量；環(huán)空間隙；水泥漿

1　概述

自20世紀(jì)80年代出現(xiàn)尾管固井工藝至今，尾管固井仍然有一些技術(shù)難題沒(méi)有解決：一是不規(guī)則井眼與重疊段層流問(wèn)題尚未解決；二是井徑擴(kuò)大處與懸掛處小間隙的矛盾，影響頂替效率；三是循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)與鉆井液粘切高，影響二界面水泥膠結(jié)質(zhì)量。新疆油田滴西油氣田的氣層套管大都采用裸眼段尾管固井工藝，采用尾管固井工藝的井?dāng)?shù)占?xì)鈱犹坠芄叹當(dāng)?shù)的50%以上，因此如何提高尾管固井質(zhì)量是滴西油氣田固井工作中面臨的主要問(wèn)題。但是在近年來(lái)的氣層套管尾管固井施工后，出現(xiàn)了部分井尾管與井眼的環(huán)空部分段無(wú)水泥，尾管內(nèi)膠塞上部出現(xiàn)了一定長(zhǎng)度的水泥塞，造成固井質(zhì)量差、環(huán)空氣竄等問(wèn)題。為了進(jìn)一步提高固井質(zhì)量，有必要對(duì)影響固井質(zhì)量的原因進(jìn)行分析并探討其解決辦法。

2　影響固井質(zhì)量的原因分析

2.1水泥環(huán)缺損和套管不居中

針對(duì)不同的套管尺寸及井眼尺寸，利用固井軟件計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，水泥環(huán)出現(xiàn)缺損時(shí)，會(huì)引起套管有效應(yīng)力明顯提高，降低套管的承載能力，固井質(zhì)量完好時(shí)，套管截面上的有效應(yīng)力是均勻的，當(dāng)水泥環(huán)出現(xiàn)30°缺損時(shí)，套管壁的有效應(yīng)力會(huì)劇增。隨著水泥環(huán)缺損角度的增加，套管的有效應(yīng)力也逐漸提高，在水泥環(huán)缺損角度為150°～180°時(shí)，套管有效應(yīng)力達(dá)到最大值，此時(shí)套管的最大承載能力減小一半。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，由于套管不居中，將引起套管有效應(yīng)力大幅度提高，套管抗外擠強(qiáng)度降低，使用壽命縮短，影響固井施工時(shí)的環(huán)空頂替效率，造成套管與環(huán)空窄邊間隙泥漿流動(dòng)速度低，易形成層流頂替，造成鉆井液滯后；當(dāng)需要驅(qū)替滯后鉆井液的力大于水泥漿與鉆井液界面張力時(shí)，界面破裂，形成新的頂替界面。鉆井液滯留在水泥漿中，形成竄槽，從而嚴(yán)重影響水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量。

2.2部分重疊段無(wú)水泥和尾管內(nèi)水泥塞較長(zhǎng)

在固井施工時(shí)，雖然按設(shè)計(jì)在套管膠塞下部管內(nèi)預(yù)留一定長(zhǎng)度的水泥塞，但施工完后，探灰面時(shí)膠塞上部會(huì)出現(xiàn)一定長(zhǎng)度的水泥塞，說(shuō)明管外的水泥進(jìn)入了管內(nèi)，出現(xiàn)小循環(huán)現(xiàn)象，造成尾管部分重疊井段無(wú)水泥。管外水泥漿是如何進(jìn)入管內(nèi)的呢？通過(guò)分析，筆者認(rèn)為應(yīng)該是從環(huán)空間經(jīng)尾管上部懸掛器喇叭口流入套管內(nèi)，而套管內(nèi)的鉆井液從套管鞋進(jìn)入環(huán)形空間。其原因是：

（1）如果水泥漿與泥漿不是正常置換，那就是水泥漿從套管鞋處入套管內(nèi)，但這種可能性幾乎不存在，因?yàn)樗械奈补芟虏慷加袕?qiáng)制式和浮球式單流閥。液體在自重的作用下從上往下流動(dòng)阻力較小，而只能向下流動(dòng)，又因從上往下流動(dòng)阻力很大，不可能從下往上流動(dòng)。

（2）即使2個(gè)單流閥都失效，環(huán)空水泥漿可以從下往上流動(dòng)（在我們固井施工中這種工況很少發(fā)生），那么水泥漿在套管內(nèi)就會(huì)向上推動(dòng)膠塞。膠塞就不應(yīng)該在球座處，而在球座以上某一個(gè)位置，通過(guò)幾口典型井鉆水泥塞的工況證實(shí)，膠塞沒(méi)有往上移動(dòng)，就在球座處，說(shuō)明水泥漿不是從下往下流動(dòng)的。

2.3水泥環(huán)中存在段塞和氣塞

由于尾管環(huán)空封固段上下間隙大小不同，固井水泥漿分布不均勻，環(huán)空水泥漿自上而下膠結(jié)質(zhì)量不同。如使用我院?244.5mm×?139.7mm尾管懸掛器的DX1826井為例，井眼為?215.9mm，油層尾管為139.7mm套管，最大環(huán)空流道面積212cm2（未考慮井眼擴(kuò)大率），最小環(huán)空流道面積60cm2，考慮到尾管懸掛器處間隙小而導(dǎo)致防漏需要小排量頂替，造成固井頂替時(shí)效率低，影響固井質(zhì)量。特別是環(huán)空小間隙處，由相關(guān)資料可知，水泥環(huán)中易出現(xiàn)段塞、氣塞等情況，致使水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量差，強(qiáng)度大幅度降低，不能有效保護(hù)套管，從而影響懸掛器重疊處封固質(zhì)量，導(dǎo)致井下氣體在層間互竄，嚴(yán)重影響氣井的生產(chǎn)及措施實(shí)施。

2.4水泥環(huán)的彈性摸量

根據(jù)彈性力學(xué)厚壁筒理論，得出水泥環(huán)彈性模量對(duì)套管抗均布外載強(qiáng)度的影響規(guī)律，見(jiàn)表1。由表1知，水泥環(huán)彈性模量對(duì)套管抗均布外載能力的影響較大，隨著水泥環(huán)彈性模量的增大，套管水泥環(huán)抗均勻外載強(qiáng)度增加。所以可以通過(guò)改善水泥漿配方、提高水泥環(huán)的彈性模量來(lái)提高套管水泥環(huán)抗外載強(qiáng)度，增加套管的抗外擠能力，延長(zhǎng)套管的使用壽命。

3　提高固井質(zhì)量的解決方法探討

3.1套管扶正器和刮泥器的使用

表1　套管抗均勻外載放大系數(shù)F與水泥環(huán)彈性模量的關(guān)系

提高固井質(zhì)量最重要的因素之一是套管扶正器和刮泥器的安放，這就需要根據(jù)每口井實(shí)際測(cè)井曲線，合理設(shè)計(jì)套管扶正器和刮泥器的安放位置。對(duì)于多孔滲透性地層，需要在套管鞋短節(jié)中間和每根尾管接箍上安裝扶正器，因?yàn)檫@些層段必須獲得有效的封固。此外，在多孔層段的上方和下方每2根尾管安放1個(gè)扶正器，對(duì)于不規(guī)則的大肚子層段，最好在這些層段的上下幾根尾管安放扶正器，這樣可以基本上保證尾管居中及水泥的均勻分布。為進(jìn)行上下活動(dòng)套管，最好在每根尾管上安裝2個(gè)鋼絲環(huán)型刮泥器，刮泥器之間的距離5～6m，能夠在一定的行程內(nèi)，有效刮掉井壁的泥餅，提高水泥與井壁的膠結(jié)質(zhì)量。

3.2預(yù)防小循環(huán)的措施

3.2.1消除產(chǎn)生小循環(huán)的動(dòng)力來(lái)源

水泥漿一旦停止流動(dòng)便產(chǎn)生失重現(xiàn)象，是水泥漿特有的性質(zhì)，目前還無(wú)法避免，但可以設(shè)法避免由于失重而產(chǎn)生的管內(nèi)外液柱壓差。即先預(yù)設(shè)尾管內(nèi)負(fù)壓差，使管外水泥失重時(shí)，管內(nèi)外壓力平衡或基本平衡。尾管固井中，為了防止氣竄，通常采用二凝水泥漿結(jié)合憋回壓的固井工藝。其原理是當(dāng)氣層井段的快凝水泥漿（尾漿）初凝失重時(shí)，氣層上部緩凝水泥漿（領(lǐng)漿）尚未初凝，仍保持原有的靜液柱壓力，緩凝水泥漿液柱壓力加上井口適當(dāng)憋壓，補(bǔ)充快凝水泥漿失重減少的壓力，即可平衡氣層壓力防止氣竄。而預(yù)設(shè)尾管內(nèi)負(fù)壓差的原理是：頂替水泥漿，向尾管內(nèi)泵入一定數(shù)量且密度低于水泥漿的鉆井液，當(dāng)水泥漿頂替到位時(shí)使尾管內(nèi)的液柱壓力小于尾管外的液柱壓力，其壓差值等于快凝水泥段失重所減少的壓力。當(dāng)快凝水泥失重時(shí)，尾管內(nèi)外的尾管外已達(dá)到平衡。當(dāng)緩凝水泥漿失重時(shí)，快凝水泥漿已具有足夠的膠凝強(qiáng)度來(lái)阻止水泥漿流動(dòng)。

計(jì)算快凝水泥漿失重時(shí)減少的靜液柱壓力公式如下：

式中：ΔP——快凝水泥漿失重時(shí)減少的壓力，MPa；

P快——快凝水泥漿原始?jí)毫μ荻?，MPa/m；

H——快凝水泥段高度，m。

計(jì)算低密度頂替液體積的公式如下：

式中：v——低密度頂替液的體積，m3；

q——尾管每米容積，m3/m；

P低——低密度頂替液的壓力梯度，MPa/m。

當(dāng)尾管封固多個(gè)油、氣層或一個(gè)油、氣層，其位置在尾管中上部時(shí)，如采用二凝水泥漿，則快凝水泥漿封固井段很長(zhǎng)，水泥漿失重時(shí)降低的液柱壓力較大，如為了平衡尾管內(nèi)外壓力，而管內(nèi)采用大量的低密度頂替液時(shí)，造成固井施工頂替泵壓高，增加了施工的難度。為了降低固井施工頂替泵壓，可采用多凝水泥漿，減少低密度頂替液量，盡可能縮短快凝水泥漿封固長(zhǎng)度，減少快凝水泥漿失重時(shí)降低的液柱壓力。此外，還可以適當(dāng)增加尾管內(nèi)預(yù)留水泥塞長(zhǎng)度，用水泥塞失重時(shí)降低的液柱壓力去抵消一部分快凝水泥漿失重時(shí)所降低的液柱壓力。

3.2.2提高快凝水泥漿的早期強(qiáng)度

為了保證在快凝水泥漿失重時(shí)緩凝水泥漿基本保持原有的液柱壓力，應(yīng)將快凝水泥漿與緩凝水泥漿初凝的時(shí)間間隔拉開(kāi)。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐可知，間隔時(shí)間一般在2h左右，同時(shí)應(yīng)縮短同一種水泥漿初凝到終凝時(shí)間間隔，提高水泥漿的早期強(qiáng)度，以便在緩凝水泥漿失重時(shí)，快凝水泥漿有足夠的強(qiáng)度阻止緩凝水泥漿流動(dòng)。

3.3使用回插式液壓尾管懸掛器固井工藝和提高頂替效率

為解決固井水泥漿分布不均勻問(wèn)題，提高固井頂替效率，可采用了液壓尾管懸掛器回插工藝，并增大懸掛器處環(huán)空流道面積，改變懸掛器的結(jié)構(gòu)，減小懸掛器的外徑，使懸掛器的結(jié)構(gòu)和工作原理能夠滿足液壓尾管懸掛器回插工藝的要求?；夭迨揭簤何补軕覓炱魇菍?shí)現(xiàn)這一工藝的關(guān)鍵工具，由液壓密封系統(tǒng)、坐掛系統(tǒng)、復(fù)合膠塞等組成。

（1）注水泥漿工具下到預(yù)定井深時(shí)，正注水泥漿。注入一定量的水泥漿后投入小膠塞，替入頂替液推動(dòng)小膠塞及水泥漿下行。小膠塞下行至套管空心膠塞處，推動(dòng)套管空心膠塞及水泥漿共同下行至尾管底部回壓閥處停止，注水泥漿過(guò)程完成。

（2）完成注水泥漿后，上提尾管，水泥漿回落，然后再回插至井底（即活動(dòng)尾管），使環(huán)空內(nèi)的水泥漿得以重新均勻分布，并正轉(zhuǎn)管柱若干圈。

（3）憋壓坐掛，水泥漿在環(huán)空內(nèi)均勻分布后，上提懸掛器到坐掛位置后憋壓到一定壓力時(shí)，液缸剪銷(xiāo)被剪斷，活塞上移，推動(dòng)卡瓦坐掛在?244.5mm套管內(nèi)壁上。

（4）坐掛成功后，正轉(zhuǎn)若干圈，然后上提中心管脫離懸掛器，實(shí)現(xiàn)丟手正循環(huán)洗井，洗出多余水泥漿，洗井完成后，上提鉆具，關(guān)井候凝。

3.4使用延遲固井水泥漿技術(shù)

為提高水泥環(huán)和套管的抗外載強(qiáng)度，配合液壓尾管懸掛器回插工藝，開(kāi)發(fā)研制初凝時(shí)間在3～4h的延遲固井低密度水泥漿，并通過(guò)改善水泥漿配方，提高水泥漿彈性模量來(lái)提高水泥環(huán)的抗外載強(qiáng)度。這種固井水泥漿應(yīng)具有流動(dòng)性好（n＞0.6）、不析水、失水量低（在7MPa、90℃條件下，30min失水小于30mL）、水泥漿密度（1.60g/cm3以下）、適用于100℃左右高井溫條件、膠結(jié)后強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)。既保證了配套工藝的施工要求，具有較高的抗外擠強(qiáng)度，又保證在射孔時(shí)不易破碎、破裂。該水泥漿體系性能穩(wěn)定，主要受溫度影響，當(dāng)試驗(yàn)溫度為80℃時(shí)，水泥漿稠化時(shí)間為420min左右，試驗(yàn)溫度每升高5℃，稠化時(shí)間將縮短30min，而強(qiáng)度發(fā)展較快。

4　結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）套管扶正器和刮泥器的合理安放和使用，既能較好地保證尾管的居中，又能有效清除井壁的泥餅，使環(huán)空水泥漿基本上能夠均勻分布，確保水泥環(huán)與井壁有較高膠結(jié)質(zhì)量。

（2）隨著水泥環(huán)缺損角度的增加，套管的有效應(yīng)力也逐漸提高，在水泥環(huán)缺損角度為150°～180°時(shí)套管有效應(yīng)力達(dá)到最大值，此時(shí)套管的最大承載能力減小一半。因此要確保套管居中，從而減小套管的有效應(yīng)力，延長(zhǎng)套管使用壽命。

（3）隨水泥環(huán)彈性模量的增大，套管水泥環(huán)抗均勻外載強(qiáng)度增加，因此要改善水泥配方來(lái)提高其彈性模量和密度，同時(shí)水泥漿還要具有流動(dòng)性好、不析水、膠結(jié)后強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)，以滿足尾管固井的要求。

（4）尾管回插固井工藝可以保證套管居中和水泥漿均勻分布，避免出現(xiàn)段塞、氣塞等工況。回插式液壓尾管懸掛器是先注水泥漿，后坐掛，改變了早期懸掛器先投球、憋壓、坐掛、后注水泥的傳統(tǒng)工藝。該工具若因下放管柱遇阻，需進(jìn)行憋壓循環(huán)洗井時(shí)不會(huì)意外中途坐掛，安全可靠，且作業(yè)工序連貫、簡(jiǎn)便。同時(shí)該工具也可以按常規(guī)的方法進(jìn)行固井作業(yè)，方便靈活，可滿足不同現(xiàn)場(chǎng)情況的要求。

（5）在尾管固井中，由于管外水泥漿失重而出現(xiàn)小循環(huán)現(xiàn)象，只要從設(shè)計(jì)上考慮避免水泥漿失重造成的壓差，或切斷小循環(huán)通路就可以防止小循環(huán)情況的發(fā)生。

（6）在尾管固井中，采用旋轉(zhuǎn)尾管懸掛器在注水泥頂替過(guò)程中可以較好地旋轉(zhuǎn)管柱，提高頂替效率，特別是尾管與環(huán)空小間隙處頂替效率，使水泥環(huán)分布相對(duì)比較均勻，消除水泥環(huán)中段塞和氣塞現(xiàn)象，從而進(jìn)一步提高水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量。

［1］宋明，楊鳳香，等.固井水泥環(huán)對(duì)套管承載能力的影響規(guī)律［J］.石油鉆采工藝，2002（4）：67-68.

［2］宋明.用101.6mm套管延遲固井技術(shù)修復(fù)殘壞老井［J］.石油勘探與開(kāi)發(fā)，2002（3）：28-30.

［3］李定先.尾管固井中的小循環(huán)現(xiàn)象及預(yù)防［J］.石油鉆采工藝，1995（3）：22-24.

TE925

A

1004-5716（2016）04-0087-03

2015-04-02

郭建軍（1964-），男（漢族），山東聊城人，工程師，現(xiàn)從事固完井現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)和工具研發(fā)工作。