油气井管柱完整性技术研究进展与展望

在回顾油气井管柱完整性概念的提出与发展历程的基础上,介绍了我国在钻柱构件适用性评价、"三超"(超深、超高温、超高压)气井油套管柱可靠性设计与完整性评价、"三超"气井油管腐蚀行为与评价、热采井基于应变设计与选材评价技术等方面的最新研究进展及其应用情况。指出现有油气井管材与管柱技术仍不能满足"三超"、严重腐蚀、非常规、特殊工艺和特殊结构井等服役环境,进而提出了进一步加强油气井管柱完整性技术研究与科技攻关的建议:1持续完善和发展中国西部深层油气勘探开发套管柱优化设计与管材选用及完整性评价技术;2急需建立有针对性的非常规页岩气开发套管柱优化设计、选材及完整性评价技术;3建立"三超"高含CO2气井环境及压裂酸化工况复杂油管优化设计、选材选型、完整性评价技术;4深入研究含缺陷油气井管柱缺陷检测、安全评价、风险评估、寿命预测、维修补强等关键技术;5建立油气井管柱完整性管理体系和配套的支撑技术体系。     

页岩气井用生产套管螺纹连接选用分析及评价

针对页岩气开发具有的水力压裂压力高、生产采气压力低且产量迅速递减等特点,开展了生产套管螺纹连接优选研究以降低管柱成本。通过对井下生产套管工况分析,制定螺纹连接适用性评价程序,采用模拟旋转下套管抗扭矩粘扣试验、压裂密封完整性评价试验及生产采气密封完整性评价试验,对拟采用的台肩对顶密封经济型螺纹进行试验验证评价;采用有限元分析螺纹在不同载荷工况下的密封性,提出螺纹使用上扣扭矩控制措施;采用经济型密封螺纹进行了页岩气井的现场应用。研究和应用表明,建立的页岩气生产套管螺纹连接优选试验评价程序和方法合理,台肩对顶密封经济型螺纹可满足页岩气生产套管开发需求,并可有效降低管柱成本。     

中国石化深层超深层油气井固井技术新进展与发展建议

我国深层超深层油气井固井面临高温、高压、复杂介质和复杂工况等的挑战，水泥环长效密封完整性难以保证，常规固井技术与装置不能满足需求，亟需理论创新和研究井筒完整性固井新技术。近年来，中国石化通过科研攻关，完善了固井水泥环密封完整性理论体系，建立了复杂工况条件下的水泥环密封失效控制方法，研发了“防窜、防腐、防漏、防损伤”高性能水泥浆，研制了适用于深层复杂工况环境的固井尾管悬挂器、分级注水泥器及配套附件，提出了固井优化设计新方法，形成了深层复杂油气藏固井新技术。建议今后进一步完善特色水泥浆技术体系，研发绿色、智能环保材料，攻关固井技术信息化与智能化，持续推进基础理论研究，提高深层超深层复杂油气井固井质量。     

涪陵页岩气田井筒完整性实践与认识

为了确保涪陵页岩气田页岩气水平井的安全开发,开展了页岩气水平井生产套管井筒完整性技术探索研究。基于管柱力学理论及套管设计+水泥浆固井+大型压裂的一体化理念,提出了页岩气水平井生产套管有效外载荷计算方法和生产套管柱优化设计方案,并对生产套管气密封螺纹进行特殊设计,完善了下套管现场操作保障措施和现场氦气密封检测工艺,形成了基于射孔与大型压裂的水平段弹韧性水泥浆固井配套技术,研发了针对页岩气生产套管螺纹密封失效的柔性化学堵漏技术。一期产建期间共完成了189口水平井的压裂投产,其中,仅有2口井井筒密封失效,采用柔性化学堵漏技术,使井筒密封失效的井得到了很好的治理。形成的生产套管井筒完整性系列技术基本满足了涪陵页岩气井安全正常生产的需求,为国内类似页岩气开发井井筒完整性工作提供了有益借鉴。     

中国石油固井技术进展及发展建议

经过"十二五"的技术攻关,中国石油固井技术取得很大进步,在大温差长封固段油气井、深层复杂天然气井、页岩气及储气库井等类井的固井技术以及提高顶替效率等方面均取得重要进展;抗高温水泥浆、大温差水泥浆、韧性水泥、磷酸盐水泥、自愈合水泥等固井材料的现场应用获得良好效果;常规固井工具日益成熟,特殊固井工具取得突破;固井装备实现更新换代;固井质量智能化控制技术取得初步进展;水泥环密封完整性、水泥增韧改造机理等固井基础理论研究日益深化。由于油气勘探开发对象日益复杂,以及受低油价、工作量缩减、技术竞争加剧等因素影响,"十三五"期间固井行业将面临一系列新的挑战,需进一步提升技术创新力及核心竞争力,在复杂深井超深井、复杂天然气井、复杂调整井、非常规油气井及井筒密封完整性等方面开展深入持续的研究工作,为油气勘探开发提供更为强有力的技术支撑。     

书讯

《石油专用管》译文集(油套管特殊螺纹接头部分) 油套管特殊螺纹接头目前在国外一些超深井、热采井、定向井和腐蚀严重井已获得较广泛的应用。特殊螺纹接头具有密封性好、连接强度高、耐腐蚀等特性。为了帮助有关人员了解国外特殊螺纹接头研究和应用现状,石油管材研究中心进行了大量调研,并在美日等国的数十篇论文中选译了有关特殊螺纹接头的开发、设计、评价、密封判据、应用等文章,汇编成《石油专用管》油套管特殊螺纹接头专集。另外还收编了API圆螺纹接头性能、螺纹脂等文章和1990年世界油管表。     

塔里木油田特殊螺纹接头油套管评价试验及应用研究

塔里木油田井况复杂,高温、高压、超深气井占很大比例,对油、套管使用性能有特殊要求,API螺纹接头油、套管难以满足使用条件,必须使用密封性能好、连接强度高的特殊螺纹接头油、套管。依据APIRP5C5-2003(ISO13679-2002)油、套管实物试验标准,油田应当依据自己的实际工况条件选择特殊螺纹接头油、套管应用等级,并提出补充试验条件;工厂应当依据油田要求的接头应用等级推荐自己的特殊螺纹接头油、套管;实验室应当依据用户和工厂商定的接头应用等级和附加试验要求对油、套管接头进行试验。油田应当依据评价试验结果和实际使用效果选择特殊螺纹接头油、套管品种,并制定严格的特殊螺纹接头油、套管订货和验收技术标准。     

新型多层金属管柱电磁探伤成像测井技术及应用

井下油、套管损伤是油气勘探、开发中较为普遍的现象,在油套管损伤失效之前,及时发现井下油套管损伤并评价油套管的损伤程度,是油气藏开发需要注意的问题。利用测井技术开展油气井井下油套管损伤检测（或监测）是一种有效的手段,但对于油套管外壁损伤的测井检测与评价、多层金属管柱条件下的油套管损伤检测与评价、高压气体介质条件下的油套管损伤检测与评价等方面,现有的一些测井方法还存在较大的不适应性。在介绍了一种新型油套管损伤测井检测技术--多层金属管柱电磁探伤成像测井技术（MID-K）的基础上,阐述了仪器的测量原理和方法、仪器结构及特点;并据四川油气田的测井应用实例,讨论了该项技术在单层或多层金属管柱油套管检测方面的应用效果。现场应用表明,MID-K电磁探伤仪是一种测量精度高、适用范围广、操作简单、易于推广的新型油套管损伤检测仪,能较好地满足四川油气田勘探开发的需要。     

井筒屏障完整性及其优化设计

随着我国各大油田进入开发中后期，老井“二次采油”甚至“三次采油”所引发的井筒完整性问题频发。现场老井完整性建设不足，增产措施带来的苛刻工况造成井筒管柱腐蚀严重，威胁管柱服役寿命以及井筒完整性，给油田造成极大的经济损失的同时也给油气田安全运行带来隐患。为此，结合我国油气田开发现状，分析了现有井筒完整性标准的不足和重点研究方向。介绍了腐蚀完整性管理概念，并在此基础上，以CO₂吞吐井为例提出了基于井筒腐蚀风险与载荷风险双重作用的井筒屏障优化方法，确定了吞吐井的失效敏感区域和服役寿命。结果显示:实例井极限吞吐轮次为7轮；油管失效敏感区域为800~1 500 m，套管失效敏感区域为1 700~2 000 m，建议在失效敏感区域进行重点防护。该研究为各油田依据自身实际情况，本着“全局把控，重点防护，经济有效”的思想开展井筒屏障设计，延长老井免修期，建立科学性、适用性、效益性的完整性管理体系具有重要意义。     

井筒屏障完整性及其优化设计——以CO_2吞吐井为例

随着我国各大油田进入开发中后期,老井"二次采油"甚至"三次采油"所引发的井筒完整性问题频发。现场老井完整性建设不足,增产措施带来的苛刻工况造成井筒管柱腐蚀严重,威胁管柱服役寿命以及井筒完整性,给油田造成极大的经济损失的同时也给油气田安全运行带来隐患。为此,结合我国油气田开发现状,分析了现有井筒完整性标准的不足和重点研究方向。介绍了腐蚀完整性管理概念,并在此基础上,以CO_2吞吐井为例提出了基于井筒腐蚀风险与载荷风险双重作用的井筒屏障优化方法,确定了吞吐井的失效敏感区域和服役寿命。结果显示:实例井极限吞吐轮次为7轮;油管失效敏感区域为800～1 500 m,套管失效敏感区域为1 700～2 000 m,建议在失效敏感区域进行重点防护。该研究为各油田依据自身实际情况,本着"全局把控,重点防护,经济有效"的思想开展井筒屏障设计,延长老井免修期,建立科学性、适用性、效益性的完整性管理体系具有重要意义。     

四川盆地威荣区块深层页岩气水平井压裂改造工艺

四川盆地南部威荣区块由于地质条件复杂、最大水平主应力和垂向主应力差异小、水平应力差值大、施工泵压高、敏感砂比低等原因,页岩气水平井的压裂施工面临诸多难题。为此,通过剖析该区深层页岩气水平井的工程地质特征及压裂改造难点,借鉴国内外页岩气水平井体积压裂的技术思路,确定了对该区页岩气水平井实施压裂改造的主体思路及技术对策,并在后续页岩气水平井的压裂改造中加以应用。研究结果表明:(1)威荣区块页岩气水平井采用常规压裂工艺形成的裂缝复杂程度低、整体改造体积偏小,射孔簇有效性难以保证,加砂强度低导致压裂后气井的稳产能力较差,并且难以应对套管变形井的压裂改造;(2)针对该区深层页岩气水平井的压裂改造难点,形成了"超高压、大排量、大液量、缝内暂堵转向、变排量"工艺、"分段多簇射孔优化+大排量"及"缝口暂堵转向"技术、"大排量、高黏度、低砂比、低密度、小粒径连续加砂"工艺和"连续油管快速处理+小直径桥塞、射孔枪分体泵送"的套管变形井压裂改造技术;(3)将所形成的压裂工艺应用于该区块5口页岩气水平井,压裂后获得的页岩气无阻流量平均值为26.11×104 m3/d,改造效果较好。结论认为,该研究成果可以为深层页岩气水平井的压裂施工作业提供借鉴。     

深层油气井井筒完整性检测方法

为解决深层油气井井筒“完整性失效部位不唯一、失效形式多样化”、定位识别难度大的问题，基于现有检测方法，集成优化相关设备和工艺，形成了以“声波+电磁”特征为核心的深层油气井井筒完整性检测方法，能够准确定位并识别油管泄漏、丝扣渗漏、套管泄漏、套后水泥环窜流、液面下泄漏和多重泄漏。采用该方法检测了试验井的井筒完整性，成功确定了生产管柱两泄漏点的位置和泄漏类型。研究和现场试验结果表明，研究形成的检测方法可准确识别深油气井井筒完整性失效类型和确定失效位置，可为深层油气井建井、修井和井筒完整性管理提供技术支撑。      

页岩气井井筒完整性若干研究进展

在页岩气开发工程中遭遇了井筒完整性问题，主要包括页岩气井水泥环密封失效引起的环空带压问题和页岩气井压裂过程中的套管变形问题。基于目前已有的相关研究成果，总结分析了页岩气井井筒完整性失效问题的相关研究进展情况。随着国内外学者对页岩气井压裂过程中套管变形研究的逐渐深入，认为页岩气井套管变形的主要影响因素包括压裂过程中的温度应力、储层非对称压裂、固井质量差及断层或裂缝滑动等。其中，压裂过程中断层或裂缝滑动造成的页岩气井套管剪切变形机理已经受到越来越多的研究人员关注，并提出可以通过提高套管强度和固井质量、避开断层或裂缝滑动区域来有效降低套管变形的技术对策。页岩气井水泥环密封失效主要由套管内压变化和套管偏心引起的水泥环屈服破坏、界面裂缝引起的窜流等问题造成的，通过采用膨胀水泥、柔性水泥及环空预应力等技术措施可有效减小水泥环密封失效的风险。通过优化设计页岩气井的特殊水泥浆体系，对于有效提高页岩气井水泥环密封完整性具有重要意义。考虑到水泥浆固井密封能力的局限性，还可以附加考虑在井眼环空局部采用机械密封方法达到密封完整性要求。关于页岩气井井筒完整性的研究结果，对于通过体积压裂完井的其它非常规油气井工程相关设计控制也具有重要的参考意义。     

陆相页岩气水平井固井技术——以延长石油延安国家级陆相页岩气示范区为例

鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的上三叠统延长组及下二叠统山西组具有良好的页岩气成藏条件,陕西延长石油(集团)有限责任公司采用水平井分段压裂技术对该区页岩气进行开发。针对水平井固井过程中存在的油基钻井液清洗困难、长水平段套管难以居中、固井过程中易发生漏失、水平井及分段压裂对水泥环要求高、长封固段固井附件易失效等技术难题,开展了相关技术研究,获得了解决上述问题的技术措施:1在该示范区通过采用清油型前置液多级冲洗工艺,有效地冲洗界面残留油膜,提高油基钻井液冲洗效率;2新研制的水平井专用扶正器能有效降低管柱下入摩擦阻力,保证套管的居中度;3通过提高地层承压能力、优化浆柱结构实现平衡压力固井;4优选韧性材料提高水泥环的耐冲击能力,较好地满足了页岩气水平井分段压裂工艺对水泥石性能的要求;5研制的高性能固井附件,保证了长封固段水平井施工安全。所获成果已在该示范区的4口页岩气水平井中进行了应用,固井一次成功率达100%,固井质量优良率达100%,取得了良好的固井效果。     

复杂页岩气井无限级砂塞分段压裂先导性试验

滇黔北昭通页岩气示范区YSA井钻遇断层且存在3个水平井眼,考虑到压裂过程中可能产生套管变形等复杂问题,不宜采用常规的桥塞分段工艺,因此开展了连续油管无限级砂塞分段工艺进行分段压裂。该工艺分段数不受井筒条件限制,分段方式以砂塞封隔分段代替了常规的桥塞分段,配套的新型工具只需起下1次连续油管就能完成单段的冲砂、填砂和多簇喷砂射孔作业,整个施工过程中井筒全通径,能有效应对页岩气井套管变形对压裂施工的影响。YSA井在发生套管变形的情况下完成了13级分段压裂,解决了由于套管变形而无法使用桥塞分段的难题,压后测试产量达11.3×104 m3/d,增产效果显著。该工艺的成功应用为我国页岩气井提供了一种新的分段改造手段。     

连续油管喷砂射孔环空分段压裂技术在苏里格气田的应用

苏里格气田属于“低孔、低压、低渗”的三低气田,需要压裂改造才能生产,其中连续油管喷砂射孔环空分段压裂技术以其自身的技术优势,成为苏里格地区水平井改造的重要方式。连续油管喷砂射孔环空分段压裂技术通过定位器、封隔器等井下工具组合实现喷砂射孔、封隔器分层、套管大批量注入和连续油管精确定位,一趟管柱可完成多种作业,具有施工周期短、成本低、压后全通径等优点。阐述了该技术的工作原理及配套工具的原理、结构。通过在苏里格一口二开水平井的成功实施,说明连续油管喷砂射孔环空分段压裂技术适用于致密气藏,为水平井多级水力压裂提供了新的技术手段。     

井内压力变化对水泥环密封完整性的影响及对策

川渝气区的部分井因井内压力大幅度改变,导致水泥环密封完整性失效而发生气窜,引起环空带压。为此,考虑水泥环初始应力状态及井内压力变化特点,建立了水泥环力学模型,论述了页岩气井管柱试压和大型体积压裂、川中高压气井固井后大幅度降低钻井液密度、地下储气库井周期性注采作业等典型工况下水泥环密封完整性可能破坏的形式。研究结果表明:试压和压裂可能导致水泥环周向拉伸破坏,形成径向裂缝;井内压力大幅度降低,使套管壁处水泥环承受的径向拉应力超过抗拉强度,破坏界面胶结,形成微环隙;周期性交变载荷可能引起水泥环疲劳破坏。相应的针对性技术对策为:根据后期作业井内压力变化,选用力学性能匹配的弹性水泥浆或柔性自应力水泥浆;常规套管固井在碰压后立即进行管柱试压;固井后井内压力大幅度下降的井,应用径向预应力固井技术和封隔器防止气窜。     

中国石油连续管作业技术进展及发展建议

中国石油连续管作业经过“十三五”持续攻关与示范推广,技术取得很大进步,作业量快速增长。在连续管径向钻井与侧钻、超深井及深部页岩/致密油气连续管作业、连续管定向喷砂射孔压裂、连续管悬挂完井与采油采气4个领域,连续管工艺技术与关键工具研究、装备研制与软件开发等方面均取得重要进展。依托连续管快速修井、连续管速度管柱与完井管柱、连续管储层改造与连续管测井测试4项主体工艺的示范推广,连续管作业量以每年递增22%的速度快速增长。随着油气开发向更深层、更长水平段发展,“十四五”期间连续管技术将面临一系列新的挑战,需进一步提升连续管装备水平与作业能力,加强全系列连续管作业技术的专项推广,推进技术共享服务平台和数字化智能化软件平台建设,为“稳油增气,提质增效”双重战略实施提供强有力的技术支持。     

水平井裸眼选择性分段压裂完井技术及工具

苏里格气田属低压、特低渗透气藏,由于完井方式的不同、井身轨迹弯曲和井眼尺寸等因素的限制,使得裸眼水平井与直井以及套管固井水平井的选择性压裂完井管串有很大区别。介绍了利用油管作为完井和压裂管串,一趟下入长水平裸眼段而不需要下套管固井、射孔等作业,实现了裸眼水平段选择性分段压裂工艺技术及该技术的管串结构、工艺原理、技术特点、配套工具和现场应用。研究及现场应用表明,采用该技术比其他低渗透气藏压裂增产技术开发效果更好,投入成本更低,具有显著经济及社会效益。