套管憋壓對固井質(zhì)量的影響及對策分析與研究

唐緯軍

摘 要：根據(jù)川東北地區(qū)某井回壓凡爾失靈后憋壓侯凝導(dǎo)致固井質(zhì)量差的問題，依據(jù)厚壁圓筒理論分析，列出了套管憋壓產(chǎn)生微間隙的計算模型，分析了憋壓產(chǎn)生環(huán)空微間隙的影響因素及對固井質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞：固井 ;? 微間隙 ;? 預(yù)應(yīng)力 ; 彈性模量

川東北地區(qū)某油田PL3井，5 1/2”套管固井時浮箍浮鞋失靈，碰壓前施工泵壓17Mpa，套管內(nèi)憋壓19Mpa侯凝，48h后測聲幅，顯示固井質(zhì)量差。為了解決固井聲幅差的問題，將鉆井液密度從1.36g/cm3提高到1.95g/cm3后再測井，顯示固井質(zhì)量良好。根據(jù)這一事件，分析固井質(zhì)量差的原因及本質(zhì)，探討應(yīng)對策略，進(jìn)而對預(yù)應(yīng)力固井的原因進(jìn)行深入剖析與探討有比較重要的意義。

1 憋壓對固井質(zhì)量的影響

1.1憋壓使套管產(chǎn)生的伸縮量計算公式

對套管進(jìn)行厚壁圓筒分析，計算如下：設(shè)定套管尾厚壁圓筒，內(nèi)半徑為R1，外徑為R2，管內(nèi)憋壓值為P1，管外憋壓值為P2。套管內(nèi)憋壓時套管產(chǎn)生形變，負(fù)荷卸載后，形變恢復(fù)，之間的形變值用Δμ表示，即為套管內(nèi)憋壓所產(chǎn)生的套管伸縮量。

根據(jù)虎克定律，結(jié)合套管形變的院里，對套管進(jìn)行徑向應(yīng)變及徑向應(yīng)力分析，并進(jìn)行拉梅解答，得出以下方程：套管憋壓計算模型。套管內(nèi)憋壓時（只考慮內(nèi)壓）：

備注：式中E為彈性模量，取210Gpa，γ為泊松比，取0.3，r為厚壁圓筒邊界變量。

套管外憋壓時（只考慮外壓）：

1.2憋壓值產(chǎn)生的套管伸縮量計算與分析

1.2.1 計算

設(shè)定某井套管直徑139.7mm，套管內(nèi)憋壓，此時r值按內(nèi)徑計算，在壁厚分別為12.7mm、7.27mm情況下進(jìn)行分析，按照上述公式1，得出憋壓值（不考慮靜壓差的情況下）與套管伸量（微間隙）的關(guān)系為：

設(shè)定某井套管直徑139.7mm，套管外憋壓，此時r值按外徑計算，在壁厚分別為12.7mm、7.27mm情況下進(jìn)行分析，按照上述公式2，得出憋壓值（不考慮靜壓差的情況下）與微間隙的關(guān)系為：

1.2.2 分析

根據(jù)表1計算所得，經(jīng)過統(tǒng)計分析，得出套管內(nèi)憋壓值與套管伸量（微間隙）呈以下關(guān)系：

分析1：根據(jù)表2與表1的對比分析，套管內(nèi)憋壓值與套管外憋壓值一樣時，套管壓縮量于套管伸縮量，例如壁厚12.7mm套管內(nèi)憋壓10Mpa時，套管伸量14.56μm，套管外憋壓10Mpa時，套管縮量15.80μm。因此，套管內(nèi)憋壓（設(shè)定壓力值為P3）后，在水泥漿未全井段完全稠化后泄壓，再在環(huán)空憋壓值不小于P3，理論上可以彌補(bǔ)之前形成的微間隙（未考慮環(huán)空水泥漿和水泥石的彈性模量、強(qiáng)度等影響）。

因此，套管內(nèi)憋壓侯凝時，如果在水泥漿未完全形成強(qiáng)度前泄壓，套管外施加不低于憋壓值的壓力進(jìn)行環(huán)空憋壓，在不考慮水泥漿靜膠凝強(qiáng)度情況下，可以彌補(bǔ)之前套管憋壓、泄壓所形成的微間隙。

分析2;根據(jù)表1可知，憋壓值增大情況下，微間隙的增幅呈幾何增長。因此，如果浮箍浮鞋失靈，憋壓值不應(yīng)太大，建議固井施工放回水檢查回流后，憋壓至靜壓差之值即可。

分析3：從表1或者表2可以看出，壁厚越大，套管內(nèi)憋壓對套管伸縮量與壓縮量的影響，越小。例如表1中，套管內(nèi)憋壓15Mpa，壁厚12.7mm套管產(chǎn)生微間隙21.84μm，壁厚7.27mm套管產(chǎn)生微間隙39.39μm。

分析4：根據(jù)公式1和公式2可知，在不考慮過套管外水泥漿、水泥石影響的情況下，套管伸縮量（含微間隙）的產(chǎn)生之根套管內(nèi)外徑、憋壓值、套管彈性模量、泊松比有關(guān)。

1.3微間隙對固井聲幅曲線的影響

目前國內(nèi)外關(guān)于微間隙值對固井聲幅曲線的影響，缺乏量化研究?？紤]到測井對鉆井周期及成本的影響，沒法現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證。結(jié)合在西南區(qū)域部分井憋壓侯凝的情況，從現(xiàn)場固井實(shí)例進(jìn)行對比分析：

表3 套管內(nèi)憋壓情況與實(shí)際固井質(zhì)量對比表

從上述對比來看，以壁厚12.34mm的139.7mm套管，憋壓35Mpa，施工過程中不斷泄壓，分別泄壓至22Mpa、10Mpa、5Mpa、1.4Mpa侯凝，固井質(zhì)量良好;憋壓8Mpa后泄壓，固井質(zhì)量受到影響，但是固井質(zhì)量能達(dá)到合格水平;而憋壓值達(dá)到18-20Mpa，固井質(zhì)量不合格。

2 套管內(nèi)憋壓導(dǎo)致聲幅差的補(bǔ)救措施

從以上計算可以得知，憋壓導(dǎo)致固井質(zhì)量聲幅差，是因?yàn)楸飰簳r套管產(chǎn)生了形變，而水泥漿侯凝后泄壓，套管恢復(fù)到原來的狀態(tài)，而水泥石（假定水泥石無彈性）已經(jīng)形成強(qiáng)度，未能跟隨套管一起變化，進(jìn)而產(chǎn)生了微間隙。按照公式1計算，PL3井施工結(jié)束后，套管內(nèi)憋壓19Mpa，形變值為28.66μm，此微間隙足以對測井聲波造成較大影響，進(jìn)而導(dǎo)致固井聲幅值較大。

根據(jù)以上原理，將鉆井液密度提高到一定數(shù)值ρ，給套管一定的應(yīng)力，使套管產(chǎn)生形變，緊緊的與水泥環(huán)結(jié)合在一起，再進(jìn)行測井，就會消除微間隙對固井聲幅的影響。

按照以上公式，PL3井原鉆井液密度1.37g/cm3，憋壓值19Mpa，井底垂深3285m。計算ρ值應(yīng)為1.96g/cm3。

現(xiàn)場實(shí)際將鉆井液密度提高到1.96g/cm3后測井，測井曲線顯示一界面固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)，原本聲幅值50-70%的下降到10%以內(nèi)。

3 壓差預(yù)應(yīng)力固井的意義

壓差預(yù)應(yīng)力固井是指固井時增加固井結(jié)束后套管內(nèi)外的壓差，例如單級固井時管內(nèi)清水或者空氣替漿，管外加回壓，保證一定的壓差，使套管產(chǎn)生一定的收縮預(yù)應(yīng)力，來彌補(bǔ)各種因素形成的水泥環(huán)-套管微間隙，進(jìn)而確保固井質(zhì)量。

從上述分析得知，套管內(nèi)憋壓導(dǎo)致固井質(zhì)量差的原因是憋壓導(dǎo)致套管變形，而泄壓后套管收縮但水泥石未隨著變化，形成微間隙。因此，通過套管內(nèi)加壓測井的方法，使套管膨脹彌補(bǔ)之前形成的微間隙，可以測得相對較好的一界面固井質(zhì)量，進(jìn)而可以反映真實(shí)的二界面固井質(zhì)量。但是較好的第一界面固井質(zhì)量是一個假象，如果完井后鉆井液密度恢復(fù)到之前，或者替成清水，第一界面固井質(zhì)量依然會比較差。

根據(jù)上述理論，在焦石壩工區(qū)，固井時采用清水替漿，固井后環(huán)空加壓18-25Mpa，固井質(zhì)量優(yōu)良率超過90%。此外，采取上述措施和水泥漿改進(jìn)措施后，焦石壩地區(qū)固井后環(huán)空帶壓率從最高87.35%的降到目前的9.5%，因此壓差預(yù)應(yīng)力固井不僅能確保固井質(zhì)量，還對降低環(huán)空帶壓率由比較的明顯的效果。

4 結(jié)論

（1）在不考慮水泥漿壓力、水泥石彈性模量的情況下，初略求出了套管內(nèi)外憋壓導(dǎo)致套管伸縮量的計算公式。

（2）套管內(nèi)憋壓引起套管伸縮而水泥石未相應(yīng)變化導(dǎo)致了測井固井質(zhì)量差，或者二界面固井質(zhì)量失真，可以通過提高套管內(nèi)鉆井液密度的方法進(jìn)行彌補(bǔ)，但該方法無法消除套管與水泥環(huán)的微間隙，如果降低鉆井液密度至原來值，或者替換成清水，微間隙依然存在。

（3）壓差預(yù)約力固井技術(shù)，使固井前套管被壓縮，一方面可以減輕浮箍浮鞋失靈后，憋壓對固井質(zhì)量的影響，二有利于固井質(zhì)量測井，三有利于降低環(huán)空帶壓率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顧軍，高德利，石鳳歧，等 . 論固井二界面封固系統(tǒng)及其重要性 [J]. 鉆井液與完井液，2005.22（2）：7-10.

（中石化中原石油工程固井公司? 河南? 濮陽? 457001）