影響新疆油田滴西油氣田尾管固井質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研究院克固完井技術研究所，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研究院克固完井技術研究所，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，由于在尾管固井過程上下環空間隙大小不同，固井水泥漿不能均勻分布，水泥漿候凝過程中失水，容易出現尾管固井水泥漿小循環現象，造成懸掛器及尾管與上層套管重疊段無水泥，并且由于套管與水泥漿膠結不好，導致固井質量差、環空氣串和套管抗外擠能力降低等問題。通過對影響尾管固井質量的原因進行分析，針對性地提出了幾個解決辦法，并對幾個解決辦法可行性及實施效果進行了探討。為以后在該區塊及其他區塊的尾管固井完井施工類似問題的處理提供了參考。

尾管固井；懸掛器；固井質量；環空間隙；水泥漿

1　概述

自20世紀80年代出現尾管固井工藝至今，尾管固井仍然有一些技術難題沒有解決：一是不規則井眼與重疊段層流問題尚未解決；二是井徑擴大處與懸掛處小間隙的矛盾，影響頂替效率；三是循環時間長與鉆井液粘切高，影響二界面水泥膠結質量。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數占氣層套管固井井數的50%以上，因此如何提高尾管固井質量是滴西油氣田固井工作中面臨的主要問題。但是在近年來的氣層套管尾管固井施工后，出現了部分井尾管與井眼的環空部分段無水泥，尾管內膠塞上部出現了一定長度的水泥塞，造成固井質量差、環空氣竄等問題。為了進一步提高固井質量，有必要對影響固井質量的原因進行分析并探討其解決辦法。

2　影響固井質量的原因分析

2.1水泥環缺損和套管不居中

針對不同的套管尺寸及井眼尺寸，利用固井軟件計算分析發現，水泥環出現缺損時，會引起套管有效應力明顯提高，降低套管的承載能力，固井質量完好時，套管截面上的有效應力是均勻的，當水泥環出現30°缺損時，套管壁的有效應力會劇增。隨著水泥環缺損角度的增加，套管的有效應力也逐漸提高，在水泥環缺損角度為150°～180°時，套管有效應力達到最大值，此時套管的最大承載能力減小一半。同時還發現，由于套管不居中，將引起套管有效應力大幅度提高，套管抗外擠強度降低，使用壽命縮短，影響固井施工時的環空頂替效率，造成套管與環空窄邊間隙泥漿流動速度低，易形成層流頂替，造成鉆井液滯后；當需要驅替滯后鉆井液的力大于水泥漿與鉆井液界面張力時，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，從而嚴重影響水泥環膠結質量。

2.2部分重疊段無水泥和尾管內水泥塞較長

在固井施工時，雖然按設計在套管膠塞下部管內預留一定長度的水泥塞，但施工完后，探灰面時膠塞上部會出現一定長度的水泥塞，說明管外的水泥進入了管內，出現小循環現象，造成尾管部分重疊井段無水泥。管外水泥漿是如何進入管內的呢？通過分析，筆者認為應該是從環空間經尾管上部懸掛器喇叭口流入套管內，而套管內的鉆井液從套管鞋進入環形空間。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，但這種可能性幾乎不存在，因為所有的尾管下部都有強制式和浮球式單流閥。液體在自重的作用下從上往下流動阻力較小，而只能向下流動，又因從上往下流動阻力很大，不可能從下往上流動。

（2）即使2個單流閥都失效，環空水泥漿可以從下往上流動（在我們固井施工中這種工況很少發生），那么水泥漿在套管內就會向上推動膠塞。膠塞就不應該在球座處，而在球座以上某一個位置，通過幾口典型井鉆水泥塞的工況證實，膠塞沒有往上移動，就在球座處，說明水泥漿不是從下往下流動的。

2.3水泥環中存在段塞和氣塞

由于尾管環空封固段上下間隙大小不同，固井水泥漿分布不均勻，環空水泥漿自上而下膠結質量不同。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，最大環空流道面積212cm2（未考慮井眼擴大率），最小環空流道面積60cm2，考慮到尾管懸掛器處間隙小而導致防漏需要小排量頂替，造成固井頂替時效率低，影響固井質量。特別是環空小間隙處，由相關資料可知，水泥環中易出現段塞、氣塞等情況，致使水泥環膠結質量差，強度大幅度降低，不能有效保護套管，從而影響懸掛器重疊處封固質量，導致井下氣體在層間互竄，嚴重影響氣井的生產及措施實施。

2.4水泥環的彈性摸量

根據彈性力學厚壁筒理論，得出水泥環彈性模量對套管抗均布外載強度的影響規律，見表1。由表1知，水泥環彈性模量對套管抗均布外載能力的影響較大，隨著水泥環彈性模量的增大，套管水泥環抗均勻外載強度增加。所以可以通過改善水泥漿配方、提高水泥環的彈性模量來提高套管水泥環抗外載強度，增加套管的抗外擠能力，延長套管的使用壽命。

3　提高固井質量的解決方法探討

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F與水泥環彈性模量的關系

提高固井質量最重要的因素之一是套管扶正器和刮泥器的安放，這就需要根據每口井實際測井曲線，合理設計套管扶正器和刮泥器的安放位置。對于多孔滲透性地層，需要在套管鞋短節中間和每根尾管接箍上安裝扶正器，因為這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個扶正器，對于不規則的大肚子層段，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。為進行上下活動套管，最好在每根尾管上安裝2個鋼絲環型刮泥器，刮泥器之間的距離5～6m，能夠在一定的行程內，有效刮掉井壁的泥餅，提高水泥與井壁的膠結質量。

3.2預防小循環的措施

3.2.1消除產生小循環的動力來源

水泥漿一旦停止流動便產生失重現象，是水泥漿特有的性質，目前還無法避免，但可以設法避免由于失重而產生的管內外液柱壓差。即先預設尾管內負壓差，使管外水泥失重時，管內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合憋回壓的固井工藝。其原理是當氣層井段的快凝水泥漿（尾漿）初凝失重時，氣層上部緩凝水泥漿（領漿）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憋壓，補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。而預設尾管內負壓差的原理是：頂替水泥漿，向尾管內泵入一定數量且密度低于水泥漿的鉆井液，當水泥漿頂替到位時使尾管內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。當快凝水泥失重時，尾管內外的尾管外已達到平衡。當緩凝水泥漿失重時，快凝水泥漿已具有足夠的膠凝強度來阻止水泥漿流動。

計算快凝水泥漿失重時減少的靜液柱壓力公式如下：

式中：ΔP——快凝水泥漿失重時減少的壓力，MPa；

P快——快凝水泥漿原始壓力梯度，MPa/m；

H——快凝水泥段高度，m。

計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。

當尾管封固多個油、氣層或一個油、氣層，其位置在尾管中上部時，如采用二凝水泥漿，則快凝水泥漿封固井段很長，水泥漿失重時降低的液柱壓力較大，如為了平衡尾管內外壓力，而管內采用大量的低密度頂替液時，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度，減少快凝水泥漿失重時降低的液柱壓力。此外，還可以適當增加尾管內預留水泥塞長度，用水泥塞失重時降低的液柱壓力去抵消一部分快凝水泥漿失重時所降低的液柱壓力。

3.2.2提高快凝水泥漿的早期強度

為了保證在快凝水泥漿失重時緩凝水泥漿基本保持原有的液柱壓力，應將快凝水泥漿與緩凝水泥漿初凝的時間間隔拉開。由現場實踐可知，間隔時間一般在2h左右，同時應縮短同一種水泥漿初凝到終凝時間間隔，提高水泥漿的早期強度，以便在緩凝水泥漿失重時，快凝水泥漿有足夠的強度阻止緩凝水泥漿流動。

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，并增大懸掛器處環空流道面積，改變懸掛器的結構，減小懸掛器的外徑，使懸掛器的結構和工作原理能夠滿足液壓尾管懸掛器回插工藝的要求。回插式液壓尾管懸掛器是實現這一工藝的關鍵工具，由液壓密封系統、坐掛系統、復合膠塞等組成。

（1）注水泥漿工具下到預定井深時，正注水泥漿。注入一定量的水泥漿后投入小膠塞，替入頂替液推動小膠塞及水泥漿下行。小膠塞下行至套管空心膠塞處，推動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（即活動尾管），使環空內的水泥漿得以重新均勻分布，并正轉管柱若干圈。

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

（4）坐掛成功后，正轉若干圈，然后上提中心管脫離懸掛器，實現丟手正循環洗井，洗出多余水泥漿，洗井完成后，上提鉆具，關井候凝。

3.4使用延遲固井水泥漿技術

為提高水泥環和套管的抗外載強度，配合液壓尾管懸掛器回插工藝，開發研制初凝時間在3～4h的延遲固井低密度水泥漿，并通過改善水泥漿配方，提高水泥漿彈性模量來提高水泥環的抗外載強度。這種固井水泥漿應具有流動性好（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、膠結后強度高、韌性好等特點。既保證了配套工藝的施工要求，具有較高的抗外擠強度，又保證在射孔時不易破碎、破裂。該水泥漿體系性能穩定，主要受溫度影響，當試驗溫度為80℃時，水泥漿稠化時間為420min左右，試驗溫度每升高5℃，稠化時間將縮短30min，而強度發展較快。

4　結論及認識

（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，使環空水泥漿基本上能夠均勻分布，確保水泥環與井壁有較高膠結質量。

（2）隨著水泥環缺損角度的增加，套管的有效應力也逐漸提高，在水泥環缺損角度為150°～180°時套管有效應力達到最大值，此時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力，延長套管使用壽命。

（3）隨水泥環彈性模量的增大，套管水泥環抗均勻外載強度增加，因此要改善水泥配方來提高其彈性模量和密度，同時水泥漿還要具有流動性好、不析水、膠結后強度高、韌性好等特點，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、后注水泥的傳統工藝。該工具若因下放管柱遇阻，需進行憋壓循環洗井時不會意外中途坐掛，安全可靠，且作業工序連貫、簡便。同時該工具也可以按常規的方法進行固井作業，方便靈活，可滿足不同現場情況的要求。

（5）在尾管固井中，由于管外水泥漿失重而出現小循環現象，只要從設計上考慮避免水泥漿失重造成的壓差，或切斷小循環通路就可以防止小循環情況的發生。

（6）在尾管固井中，采用旋轉尾管懸掛器在注水泥頂替過程中可以較好地旋轉管柱，提高頂替效率，特別是尾管與環空小間隙處頂替效率，使水泥環分布相對比較均勻，消除水泥環中段塞和氣塞現象，從而進一步提高水泥環膠結質量。

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

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

［3］李定先.尾管固井中的小循環現象及預防［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，現從事固完井現場技術服務和工具研發工作。