氣井生產(chǎn)期間井筒內(nèi)溫度變化對水泥環(huán)密封完整性影響的研究及應用

李德旗, 張 華, 郭玉超, 劉斌輝, 紀宏飛, 付 志, 劉碩瓊

(1中國石油浙江油田公司 2中國石油集團鉆井工程技術研究院 3天津大學 4中國石油西南油氣田公司工程技術研究院)

隨著天然氣井勘探開發(fā)的不斷深入，井下地質(zhì)條件及井身結構也越來越復雜，固井后環(huán)空帶壓或井口竄氣問題也越來越突出。通過資料調(diào)研可知引起環(huán)空帶壓的主要原因是：油管或套管的螺紋連接不好，腐蝕、內(nèi)管柱熱應力破裂或機械破損，封隔器、滑套等密封不嚴的泄露；井眼條件差、前置液設計不合理、固井工藝不合適或現(xiàn)場施工中出現(xiàn)問題等導致頂替效率差，影響界面膠結質(zhì)量；水泥漿失水量大、穩(wěn)定性差，失重時水泥基質(zhì)滲透性高、防竄性差，水泥石體積收縮等的水泥漿體系設計的不合理[1-6]。通過提高管柱的氣密封性，優(yōu)化井眼條件，合理設計前置液的用量，控制水泥漿失水量、提高穩(wěn)定性及防竄能力等技術措施優(yōu)化改進，整體固井質(zhì)量有所提高。雖然目前在鉆完井及生產(chǎn)期間的環(huán)空帶壓屬于可控性帶壓，但該問題仍然比較突出。

為了更好地減緩環(huán)空帶壓風險，在前期分析環(huán)空帶壓問題的基礎上，本文采用水泥環(huán)密封完整性模型分析了生產(chǎn)期間影響環(huán)空帶壓的原因，并提出了解決措施，初步形成了提高高石梯-磨溪地區(qū)水泥環(huán)密封完整性的固井配套技術措施，減緩了環(huán)空帶壓風險，為天然氣井的安全生產(chǎn)運行提供了強有力的技術支撐。

一、生產(chǎn)期間的溫度變化情況及對環(huán)空帶壓的影響

生產(chǎn)期間的工況變化情況容易出現(xiàn)：高溫腐蝕下水泥石晶相變化影響水泥石內(nèi)部結構及完整性；高溫條件下強度衰退降低了水泥石對后續(xù)作業(yè)環(huán)境的長期適應性；溫度和壓力越高，對水泥環(huán)結構完整性影響越大；井下工況下，溫度對結構完整性的影響大于壓力的影響等導致水泥環(huán)密封完整性失效，出現(xiàn)環(huán)空帶壓現(xiàn)象。為了分析高壓氣井在溫度、壓力變化條件下井筒應力分布及水泥環(huán)失效風險，建立了考慮溫度、壓力變化的套管-水泥環(huán)-地層組合體力學模型[7-8]。模型首先計算組合體溫度場的分布，根據(jù)溫度場變化，計算井筒應力場的分布。

1. 生產(chǎn)期間的井筒內(nèi)溫度升高對水泥石抗壓強度的影響

在四川高石梯-磨溪區(qū)塊的天然氣井在生產(chǎn)期間，大約70%井的井口溫度超過85℃，最高達103℃。通過調(diào)研分析可知，由于技術套管和生產(chǎn)尾管回接固井的垂深都在2 800～3 200 m，井底靜止溫度一般80℃～90℃，固井水泥漿均采用純水泥漿體系，雖然固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率和合格率都比較高，但是并沒有考慮天然氣井生產(chǎn)期間井筒內(nèi)溫度會升高甚至在上部井段井筒內(nèi)溫度超過110℃，當水泥石的環(huán)境溫度超過110℃時，高溫下純水泥石的結構易被破壞、抗壓強度衰退嚴重(見表1)，影響水泥石的環(huán)空封隔能力甚至失去密封能力[9]。

表1 120℃對水泥石強度的影響

2. 生產(chǎn)期間的井筒內(nèi)溫度升高對水泥環(huán)密封完整性的影響

(1)工況Ⅰ：?177.8 mm尾管固井后，四開完鉆前，?177.8 mm尾管上部；井口按地表溫度20℃，井底溫度135℃，則3 200 m處溫度可簡化計算得：90.7℃。

(2)工況Ⅱ：生產(chǎn)期間，?177.8 mm尾管上部；若井口溫度90℃，井底溫度150℃，則3 200 m處溫度可簡化計算得：124.9℃。

(3)工況Ⅲ：生產(chǎn)期間，?177.8 mm尾管下部；若井口溫度90℃，井底溫度150℃，則4 990 m處溫度可簡化計算得：144.4℃。

從表2可知，工況Ⅱ相比工況Ⅰ，雖套管內(nèi)壓下降近20 MPa，但由于溫度升高，導致水泥環(huán)的兩種應力并未下降。工況Ⅲ相比工況Ⅰ，套管內(nèi)壓相近，但由于溫度大幅升高，導致水泥環(huán)的兩種應力大幅上升，Tresca應力達60.3 MPa。

表2 三種工況下的應力狀態(tài)

二、提高水泥環(huán)密封完整性的配套技術措施

1. 針對套管內(nèi)溫度變化造成的環(huán)空微間隙問題的應對措施

1.1 韌性改造水泥石降低水泥石彈性模量

由圖1可知，隨著井深的增加，彈性模量不同的水泥石的一界面壓力均逐漸增大；在同一井深處，水泥石彈性模量由5 GPa依次增加到10 GPa時，一界面壓力隨著彈性模量的增加而增大。因此對水泥石進行韌性改造，降低水泥石彈性模量能夠提高界面接觸力，提高水泥環(huán)密封完整性能。

圖1 水泥石的不同彈性模量對一界面壓力的影響

1.2 采用抗高溫水泥漿體系

對水泥漿體系的性能設計，不但要考慮鉆完井期間井筒內(nèi)的溫度情況，也應該考慮生產(chǎn)期間井筒內(nèi)的溫度升高情況，因此在技術套管和回接套管固井時，應采用抗高溫水泥漿體系，防止水泥石高溫條件下發(fā)生強度衰退，提高層間封隔質(zhì)量。

1.3 采用DR常規(guī)密度高強韌性水泥漿體系

DR常規(guī)密度高強韌性水泥漿配方為:嘉華G級+25%高溫增強材料DRB-2S+5%膨脹增韌材料DRE-300S+5%防竄增韌材料DRT-100S+4%微硅+3%降失水劑DRF-300S+1.5%分散劑DRS-1S+0.3%消泡劑DRX-1L+0.3%抑泡劑DRX-2L+X%緩凝劑DRH-100L+50%水。該體系的沉降穩(wěn)定性上下密度差為0，API失水量12 mL，游離液量為0，稠化時間120～360 min可調(diào)，低溫強度發(fā)展快(在30℃下水泥漿12.8 h起強度，水泥石強度11.3 MPa/24 h)；水泥石彈性模量6.47 GPa，體積膨脹率0.13%,且模擬生產(chǎn)期間溫度升高情況，先將水泥漿放置在30℃×20.7 MPa養(yǎng)護48 h后，再升溫至120℃×20.7 MPa進行養(yǎng)護后其水泥石強度53.8 MPa/48 h，62.1 MPa/168 h。由以上實驗數(shù)據(jù)可知，該水泥漿體系高溫強度無衰退，滿足工程應用要求。

2. ?244.5 mm套管和?177.8 mm尾管回接固井配套技術

為提高水泥膠結質(zhì)量、減少生產(chǎn)期間環(huán)空帶壓現(xiàn)象，針對?244.5 mm套管和?177.8 mm尾管回接固井提出了以下技術措施：采用雙凝水泥漿雙膠塞固井，水泥漿返出地面5～10 m3；在井不漏的情況下，盡可能提高注替排量，提高沖洗頂替效率，確保水泥封固質(zhì)量；全封固段采用抗高溫韌性水泥漿體系。

三、現(xiàn)場應用

2014年高石梯-磨溪區(qū)塊完井試油期間有4口井環(huán)空帶壓；因此通過優(yōu)化?244.5 mm套管和?177.8 mm尾管回接固井水泥漿體系及工藝技術措施，初步形成了提高水泥環(huán)密封完整性的固井配套綜合技術措施。通過技術推廣應用，2016年高石梯-磨溪區(qū)塊完井試油期間的環(huán)空帶壓現(xiàn)象未發(fā)生，生產(chǎn)期間的環(huán)空帶壓風險也有所降低。

(1)?244.5 mm套管固井。固井前大排量循環(huán)2周，排量1.8～2.4 m3/min；固井漿柱結構為抗污染沖洗隔離液30 m3+間隔緩凝藥水6 m3+1.90 g/cm3緩凝水泥漿+1.90 g/cm3快干水泥漿，采用大排量1.8～2.4 m3/min注替；環(huán)空憋壓3～5 MPa候凝48 h測井。磨溪008-H26井?244.5 mm套管固井質(zhì)量合格率96.9%，優(yōu)質(zhì)率77%。

(2)?177.8 mm尾管回接固井。固井前大排量循環(huán)2周，排量1.8～2.0 m3/min；固井漿柱結構為抗污染沖洗隔離液15 m3+間隔緩凝藥水8 m3+1.90 g/cm3緩凝水泥漿+1.90 g/cm3快干水泥漿，采用大排量1.8～2.0 m3/min注替；環(huán)空憋壓3～5 MPa候凝48 h測井。如磨溪009-3-X3井?177.8 mm尾管回接固井質(zhì)量合格率99.8%，優(yōu)質(zhì)率99.5%。

四、結論

(1)生產(chǎn)期間井筒內(nèi)溫度升高，高溫下純水泥石強度易衰退影響水泥環(huán)力學性能，降低層間封隔能力，增加環(huán)空帶壓風險。

(2)生產(chǎn)期間井筒內(nèi)溫度升高，溫度變化引起的套管和水泥環(huán)的應力變化容易形成環(huán)空微間隙。

(3)對于技術套管和生產(chǎn)尾管回接固井，應考慮鉆完井期間和生產(chǎn)期間井筒內(nèi)的溫度變化情況，合理設計水泥漿體系，建議采用抗高溫韌性水泥漿體系。