油井井筒完整性的綜合評(píng)價(jià)方法

劉 甜，王六鵬

（西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

隨著國(guó)內(nèi)外油氣田的不斷開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的油井由于長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生了諸多隱患。例如，發(fā)生套管失效、井下安全閥故障、井口采油樹(shù)老化、封隔器失效等各種安全隱患。尤其是在鉆完井過(guò)程中，油井井筒發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率會(huì)越大，而且后果也更嚴(yán)重，所以對(duì)油井開(kāi)展井筒完整性綜合評(píng)價(jià)就顯得非常重要。

通常所說(shuō)的井筒完整性，其實(shí)就是指井筒抵抗結(jié)構(gòu)破壞和維持井筒功能的重要屬性，同時(shí)這也是鉆井作業(yè)和生產(chǎn)作業(yè)安全的重要保障[1]。為了能夠長(zhǎng)時(shí)間有效開(kāi)發(fā)油氣井，保護(hù)油田公司利益、石油工人和生態(tài)環(huán)境安全，就必須充分了解影響井筒完整性的因素并且建立井筒完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1 油井井筒完整性概念及應(yīng)用

總的來(lái)說(shuō)，油井井筒完整性其內(nèi)涵可分為以下幾個(gè)方面：（1）從一口井開(kāi)始設(shè)計(jì)、鉆井、完井、生產(chǎn)作業(yè)和最終廢棄井，井筒在結(jié)構(gòu)和功能上是完整的；（2）當(dāng)一些不可預(yù)測(cè)的因素使井筒某個(gè)屏障節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度降低或發(fā)生意外的泄漏時(shí)，此時(shí)井筒處于受控的狀態(tài)；（3）井筒操作者不斷采取措施防止井筒事故的發(fā)生[2]。

油井井筒的結(jié)構(gòu)從上至下主要有套管頭、油管頭、井口采油樹(shù)、表層套管、技術(shù)套管、油層套管、尾管、封隔器、井下安全閥等等。

井筒是一種有利于地層流體安全可靠的從地下向地面流動(dòng)的空間結(jié)構(gòu)。這種空間結(jié)構(gòu)必須是完整的，否則油井就不能正常進(jìn)行生產(chǎn)造成經(jīng)濟(jì)損失。井筒在鉆井時(shí)用于封隔復(fù)雜地層，在生產(chǎn)時(shí)提供油氣流通通道，同時(shí)也是油井井筒控制的一個(gè)重要部分?？傊?，油井井筒一定要確保安全生產(chǎn)，有效降低因?yàn)榈貙恿黧w泄漏而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失，避免對(duì)人體健康、環(huán)境污染和石油公司信譽(yù)和形象等方面造成傷害。

2 油井井筒完整性失效機(jī)理

在鉆井工程中，油井井筒完整性失效主要與以下幾個(gè)方面有關(guān)：鉆井液性能、地層條件的復(fù)雜性、套管柱的損壞、水泥環(huán)的質(zhì)量等。

鉆井液攜帶及懸浮巖屑和穩(wěn)定井壁的作用對(duì)油井鉆井過(guò)程中井筒完整性有著至關(guān)重要的作用。如果鉆井液不能夠很好的攜帶碎屑，則碎屑不僅會(huì)造成生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)嚴(yán)重影響鉆井作業(yè)進(jìn)度，甚至?xí)l(fā)生卡鉆等井下復(fù)雜事故。此外，碎屑還有可能刮傷密封元件，導(dǎo)致井控出現(xiàn)問(wèn)題。另一方面，如果鉆井液的液柱壓力過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致地層破裂；如果鉆井液的液柱壓力過(guò)小，則有可能發(fā)生井塌等復(fù)雜事故。

由地層條件所引起的油井井筒損害因素，主要有以下幾種：（1）巖層滑動(dòng)；（2）地層泥巖、鹽巖蠕變和膨脹；（3）塌陷和地震等。上述情況都會(huì)造成油井套管的損壞。在外部環(huán)境和人為因素的影響下，這些地質(zhì)因素會(huì)引起應(yīng)力集中。因此，導(dǎo)致作用在套管上的應(yīng)力會(huì)發(fā)生非常大的變化，而當(dāng)應(yīng)力的變化超過(guò)了套管的極限時(shí)，套管就會(huì)被損壞，最終就會(huì)導(dǎo)致油氣井井筒完整性失效[3]。另一方面，要準(zhǔn)確了解地層參數(shù)，如地層坍塌壓力、地層壓力、地層破裂壓力等等。如果屬于窄壓力窗口，則鉆井過(guò)程中很有可能發(fā)生鉆井事故，導(dǎo)致油井井筒完整性失效。

在地層中，套管損壞主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）套管變形；（2）套管破裂；（3）套管錯(cuò)段。以上三種情況，套管變形和套管破裂的油氣井主要集中在鹽巖、泥巖等蠕變地層的部位，而套管錯(cuò)段的油氣井主要分布在地層斷裂帶處。

固井作業(yè)后，由于射孔等作業(yè)的影響使得井口可能會(huì)出現(xiàn)冒油或者冒氣的現(xiàn)象，從而影響到油井的生產(chǎn)和壽命，其主要的原因應(yīng)該是水泥環(huán)的完整性遭到破壞[4]。水泥環(huán)的質(zhì)量將影響地層的封堵效果和套管的抗擠壓變形能力，從而影響油井井筒的完整性。

3 油井井筒完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 鉆井液評(píng)價(jià)指標(biāo)及改進(jìn)措施

在鉆井或完井過(guò)程中，具體評(píng)價(jià)方法有如下兩個(gè)方面：如果發(fā)現(xiàn)（1）鉆井液返出的鉆屑尺寸突然增大，數(shù)量增多并混雜，則有可能發(fā)生井塌，油井井筒完整性遭到破環(huán)；（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液的密度和流變特性，因?yàn)殂@井液的流變特性對(duì)攜帶巖屑、提高機(jī)械鉆井速度、保證井下安全具有非常重要的作用。

改進(jìn)措施：絕大多數(shù)情況下，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備并不能實(shí)時(shí)地提供鉆井液數(shù)據(jù)，常規(guī)操作獲取的鉆井液數(shù)據(jù)甚至可能延遲24 h，在制定決策時(shí)這些數(shù)據(jù)并不能反映當(dāng)時(shí)的井下條件。要想解決以上難題，哈里伯頓公司的BaraLogixDRU技術(shù)就能完美解決上述難題，大大提高鉆井效率，保護(hù)油井井筒的完整性。哈里伯頓的BaraLogix DRU是一款完全自動(dòng)化的設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液數(shù)據(jù)，提供鉆井液體密度和流變特性等數(shù)據(jù)。該設(shè)備每分鐘檢測(cè)一次鉆井液體密度，每15 min檢測(cè)一次鉆井液的流變性能。

3.2 地層條件評(píng)價(jià)指標(biāo)及改進(jìn)措施

地層評(píng)價(jià)的對(duì)象主要是評(píng)價(jià)地層壓力，壓力其實(shí)主要考慮的是油井井筒的理論壓力與地層孔隙壓力、地層破裂壓力之間的差值。設(shè)地層的孔隙壓力為Pp，地層的破裂壓力為Pf，鉆井液的當(dāng)量壓力為Pl。

式中：ΔPk-溢出壓力差，MPa；ΔPm-漏失壓力差，MPa。

表1 地層流體溢出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

表2 井筒流體漏失風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

依據(jù)上面的這兩個(gè)公式計(jì)算的結(jié)果，就可以建立地層流體溢出表（見(jiàn)表1）和井筒流體漏失的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表（見(jiàn)表 2）。

改進(jìn)措施：針對(duì)壓力窗口窄的情況，AGR公司研發(fā)了EC-Drill技術(shù)，該技術(shù)不僅可以更好地控制壓力，而且安全性更高，能夠幫助作業(yè)者在窄壓力窗口下作業(yè)并降低作業(yè)成本，從而鉆達(dá)傳統(tǒng)鉆井技術(shù)無(wú)法達(dá)到的目標(biāo)井深。鉆井作業(yè)中，EC-Drill系統(tǒng)可大大減少鉆井液密度調(diào)整作業(yè)，它可以精確調(diào)控立管中鉆井液的高度，同時(shí)控制井底壓力剛好大于地層孔隙壓力，或剛好小于地層破裂壓力。

3.3 油井套管評(píng)價(jià)指標(biāo)及改進(jìn)措施

基于對(duì)套管磨損評(píng)價(jià)，以下主要對(duì)套管剩余強(qiáng)度或壁厚進(jìn)行研究。在這里，套管壁厚的測(cè)量主要是采用多臂井徑測(cè)井技術(shù)。其計(jì)算的原理是假設(shè)地層套管無(wú)質(zhì)量損失，而且還不考慮套管軸向的彎曲變形伸長(zhǎng)，這樣的話就可以利用單位長(zhǎng)度套管質(zhì)量不變?cè)砬蟪霎?dāng)前壁厚（PRET）。

式中：Dmax-套管最大內(nèi)徑，mm；Dmin-套管最小內(nèi)徑，mm；D-鋼管的公稱外徑，mm；t-鋼管的公稱壁厚，mm。

把套管的壁厚作為套管壁厚減薄的出發(fā)點(diǎn)，首先，假定現(xiàn)在的套管剩余壁厚為δn，把套管的原壁厚設(shè)為δo，取套管的剩余壁厚比 γ=δn/δo當(dāng)作評(píng)價(jià)指標(biāo)。套管壁厚減薄風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（見(jiàn)表3）。

改進(jìn)措施：（1）嚴(yán)格按照API標(biāo)準(zhǔn)選用套管鋼級(jí)；（2）對(duì)于任何一口井，尤其是在酸性環(huán)境下進(jìn)行的固井套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮到該酸性環(huán)境的酸性強(qiáng)度，同時(shí)為套管的腐蝕破壞留有安全余量；（3）采取主動(dòng)防磨或者優(yōu)化防磨的措施來(lái)提高油井井筒的完整性。

3.4 水泥環(huán)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及改進(jìn)措施

固井完成后主要采用聲幅測(cè)井儀（CBL）對(duì)每一個(gè)井段檢測(cè)評(píng)估套管固井的質(zhì)量。實(shí)際操作過(guò)程中，主要以測(cè)量處聲幅值與自由套管標(biāo)度值之間的比值（聲幅比率）作為評(píng)價(jià)的指標(biāo)，即：

由聲幅比率得到的結(jié)果，建立膠結(jié)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析表（見(jiàn)表4）。

改進(jìn)措施：針對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分析，需要對(duì)那些風(fēng)險(xiǎn)較大的油井進(jìn)行改善。主要包括水泥石的韌性改造、提高驅(qū)替效率以保證界面膠結(jié)強(qiáng)度，以及使用清水作為驅(qū)替液來(lái)提高界面接觸力，還有使用一些特殊的封隔器等等。

4 結(jié)論與建議

本文主要對(duì)鉆井液、地層條件、油層套管、水泥環(huán)這幾個(gè)方面進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，根據(jù)上述的一些分析得出未來(lái)應(yīng)該從以下幾個(gè)方面管理油井井筒完整性。

（1）監(jiān)測(cè)鉆井液實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)使用哈里伯頓公司的BaraLogixDRU技術(shù)，該設(shè)備每分鐘檢測(cè)一次鉆井液體密度，每15 min檢測(cè)一次鉆井液的流變性能。

（2）針對(duì)地層窄壓力窗口情況，應(yīng)使用AGR公司研發(fā)的EC-Drill技術(shù)。EC-Drill系統(tǒng)可大大減少鉆井液密度調(diào)整作業(yè)，它可以精確調(diào)控立管中鉆井液的高度，精確控制鉆井液的壓力。

表3 壁厚減薄風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別

表4 套管固井水泥膠結(jié)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析表

（3）在套管選用方面，嚴(yán)格按照套管標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)套管磨損情況，若套管剩余壁厚比γ＜40，應(yīng)及時(shí)預(yù)警并更換相應(yīng)的套管，以免造成復(fù)雜事故。

（4）固井作業(yè)應(yīng)努力提高水泥漿的驅(qū)替效率，保證井段的聲幅比率μcbl（d）＜30%，從而提高固井質(zhì)量。