套管憋壓對固井質量的影響及對策分析與研究

唐緯軍

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

關鍵詞：固井 ;? 微間隙 ;? 預應力 ; 彈性模量

川東北地區某油田PL3井，5 1/2”套管固井時浮箍浮鞋失靈，碰壓前施工泵壓17Mpa，套管內憋壓19Mpa侯凝，48h后測聲幅，顯示固井質量差。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，顯示固井質量良好。根據這一事件，分析固井質量差的原因及本質，探討應對策略，進而對預應力固井的原因進行深入剖析與探討有比較重要的意義。

1 憋壓對固井質量的影響

1.1憋壓使套管產生的伸縮量計算公式

對套管進行厚壁圓筒分析，計算如下：設定套管尾厚壁圓筒，內半徑為R1，外徑為R2，管內憋壓值為P1，管外憋壓值為P2。套管內憋壓時套管產生形變，負荷卸載后，形變恢復，之間的形變值用Δμ表示，即為套管內憋壓所產生的套管伸縮量。

根據虎克定律，結合套管形變的院里，對套管進行徑向應變及徑向應力分析，并進行拉梅解答，得出以下方程：套管憋壓計算模型。套管內憋壓時（只考慮內壓）：

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憋壓值產生的套管伸縮量計算與分析

1.2.1 計算

設定某井套管直徑139.7mm，套管內憋壓，此時r值按內徑計算，在壁厚分別為12.7mm、7.27mm情況下進行分析，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）的關系為：

設定某井套管直徑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）與微間隙的關系為：

1.2.2 分析

根據表1計算所得，經過統計分析，得出套管內憋壓值與套管伸量（微間隙）呈以下關系：

分析1：根據表2與表1的對比分析，套管內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，套管內憋壓（設定壓力值為P3）后，在水泥漿未全井段完全稠化后泄壓，再在環空憋壓值不小于P3，理論上可以彌補之前形成的微間隙（未考慮環空水泥漿和水泥石的彈性模量、強度等影響）。

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

分析2;根據表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，套管內憋壓15Mpa，壁厚12.7mm套管產生微間隙21.84μm，壁厚7.27mm套管產生微間隙39.39μm。

分析4：根據公式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）的產生之根套管內外徑、憋壓值、套管彈性模量、泊松比有關。

1.3微間隙對固井聲幅曲線的影響

目前國內外關于微間隙值對固井聲幅曲線的影響，缺乏量化研究。考慮到測井對鉆井周期及成本的影響，沒法現場實際驗證。結合在西南區域部分井憋壓侯凝的情況，從現場固井實例進行對比分析：

表3 套管內憋壓情況與實際固井質量對比表

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，固井質量良好;憋壓8Mpa后泄壓，固井質量受到影響，但是固井質量能達到合格水平;而憋壓值達到18-20Mpa，固井質量不合格。

2 套管內憋壓導致聲幅差的補救措施

從以上計算可以得知，憋壓導致固井質量聲幅差，是因為憋壓時套管產生了形變，而水泥漿侯凝后泄壓，套管恢復到原來的狀態，而水泥石（假定水泥石無彈性）已經形成強度，未能跟隨套管一起變化，進而產生了微間隙。按照公式1計算，PL3井施工結束后，套管內憋壓19Mpa，形變值為28.66μm，此微間隙足以對測井聲波造成較大影響，進而導致固井聲幅值較大。

根據以上原理，將鉆井液密度提高到一定數值ρ，給套管一定的應力，使套管產生形變，緊緊的與水泥環結合在一起，再進行測井，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值應為1.96g/cm3。

現場實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量優質，原本聲幅值50-70%的下降到10%以內。

3 壓差預應力固井的意義

壓差預應力固井是指固井時增加固井結束后套管內外的壓差，例如單級固井時管內清水或者空氣替漿，管外加回壓，保證一定的壓差，使套管產生一定的收縮預應力，來彌補各種因素形成的水泥環-套管微間隙，進而確保固井質量。

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

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

4 結論

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

（2）套管內憋壓引起套管伸縮而水泥石未相應變化導致了測井固井質量差，或者二界面固井質量失真，可以通過提高套管內鉆井液密度的方法進行彌補，但該方法無法消除套管與水泥環的微間隙，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）壓差預約力固井技術，使固井前套管被壓縮，一方面可以減輕浮箍浮鞋失靈后，憋壓對固井質量的影響，二有利于固井質量測井，三有利于降低環空帶壓率。

參考文獻：

[1] 顧軍，高德利，石鳳歧，等 . 論固井二界面封固系統及其重要性 [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）