关于套管柱井口装定问题的再认识

针对石油钻井工程中套管柱井口装定载荷的设定和控制方法存在的缺陷,对套管柱受力情况进行了分析,认为在固井水泥浆候凝期间,井下套管柱所受外力存在不确定性,不能据此计算井口装定载荷,相关的行业标准亦存在缺陷。分析了影响和限制井口装定载荷的各项因素,认为井口装定载荷只要满足一定的区间要求即可,实际工作中可以直接设定,使其略大于自由套管段的重力。根据自由套管段在水泥浆候凝期间受力和变形情况,提出了控制套管柱井口装定载荷的实用方法:通过公式可以计算出在水泥浆稠化前和装定后两种状态下自由套管段实际变形长度的差值?L;在水泥浆稠化前将套管柱从坐放位置上提?L;到最后一级注水泥作业水泥浆凝固后,再将套管柱和套管悬挂器坐放到位。该井口装定方法对不同井型、不同类型的套管悬挂器以及单级和分级注水泥工艺都适用。     

固井质量对套管柱强度安全的影响

为了深入了解固井质量对套管柱强度安全的影响，考虑固井质量较差井段环空内水泥浆在温度、压力变化时由于膨胀或压缩对套管柱产生的附加载荷，建立了固井质量影响套管柱强度安全的数学模型。实例计算表明，固井质量较差井段的套管柱所受载荷发生了明显变化。因此，在对固井后的套管柱进行强度安全分析和力学计算时，应考虑固井质量的影响。     

水泥浆防气窜性能评价新方法

目前固井行业缺乏可结合实际情况进行水泥浆防气窜性能的评价方法,导致在单井设计中水泥浆的防气窜性能难以把握。通过规范水泥浆静胶凝强度的试验分析,提出将环空水泥浆柱视为由多段长度为30.48m的水泥浆柱组成,考察最接近气层水泥浆柱能否抵抗气侵从而延绅至井口的整个水泥浆柱的环空水泥浆防气窜性能的评价新方法。使用该方法对固井水泥浆配方进行了研究,并结合气田的现场尾管固井实例对所选水泥浆配方进行了评价。结果表明,在水泥浆的防气窜设计中仅强调控制水泥浆失水或缩短水泥浆候凝期间的过渡时间是不够的,必须提高水泥浆在候凝期间的内部结构阻力或降低水泥浆在候凝期间的渗透率,才能确保气井的固井质量。该方法可指导入井水泥浆的防气窜性能设计及评价。     

基于水化反应动力学的深水固井井筒温度与压力耦合预测模型

针对深水固井候凝期间水泥浆温度、压力与水化反应之间复杂的相互作用,基于水泥浆水化反应动力学建立深水固井候凝井筒温度压力耦合模型,利用差分法进行耦合数值求解,并将计算结果与实验及现场数据进行对比以验证模型的准确性。考虑水化反应、温度、压力之间的相互作用时,新建立的固井井筒温度压力耦合模型计算精度在5.6%以内,能够很好地满足工程要求。结合深水井开展数值模拟分析候凝期间井筒温度、压力、水化度的演化规律,研究结果表明:水泥浆温度在水化热作用下会迅速升高;随着水泥浆胶凝强度的发展,水泥浆的孔隙压力会逐渐降低,甚至低于地层压力,从而引发气窜;瞬态变化的温度和压力会影响水泥浆水化反应速率,井筒深部的水泥浆在高温高压环境下具有更快的水化反应速率;对于深水固井作业来说,泥线附近的低温环境会延长水泥浆的候凝时间,导致固井工作周期变长。图16表2参26     

东海X7开发井长裸眼油气层井段全封固井技术

根据行业标准规范要求,为防止油套管生产环空带压或高产井生产时井口抬升剧烈,开发井生产套管固井宜采用单级全封方式。东海西湖花港组下段、平湖组油气藏埋深较深,X7井长裸眼井段固井全封固作业技术难度较大,工具材料组织、现场施工程序繁琐,且还受以下因素影响:油基钻井液油膜、泥饼难以彻底清除,对冲洗液、前置液性能要求高;裸眼井段压力体系复杂,对水泥浆体系和水泥浆柱压稳防窜要求高,候凝期间水泥胶凝失重导致浆柱静液压力下降更易发生气窜;防漏要求高,上部龙井组或平湖组煤层等薄弱层位易发生井漏复杂情况。受井身结构、套管偏心等诸多因素影响,固井顶替效率难以提高。因此,该井采取水泥浆体系优选、冲洗设计、环空静态及动态压力计算、顶替流变参数模拟及套管居中度模拟六项施工控制核心技术。生产运行方面精心组织筹备、制定标准化固井作业程序及应急管控措施,最终取得优良的固井质量。     

旋转固井扭矩计算

旋转固井是目前国际上最先进的固井新工艺之一,在固井施工中,通过转盘带动套管串旋转,提高水泥浆的顶替效率,提高固井质量。旋转固井的主要特点是通过机械方法施加扭矩使管串旋转。因此,扭矩的正确计算对于该工艺的设计与安全顺利施工具有重要的意义。根据旋转固井基本原理以及井下管柱软杆力学分析模型,建立了旋转固井扭矩计算模型和最大允许扭矩计算模型,并采用实际施工数据对该模型进行了验证。结果表明：采用所建立的旋转固井扭矩计算模型计算的结果具有较好的吻合性;在旋转尾管固井实际施工中,当水泥浆返入到套管重合段后,由于水泥浆的强携砂能力以及环间的减小,扭矩将升高。最大允许扭矩的计算模型能有效地指导现场安全施工,避免井下事故以及排除套管损坏带来的安全开采隐患。     

预应力固井技术研究及现场应用

随着油气勘探开发转向深部地层,固井面临井下地质情况复杂、温度高、温差大、压力高、多压力系统、高含硫和膏盐层等固井难题。固井中除了应用新型水泥浆体系、固井工具等技术措施外,还可从水泥石和套管金属的材料力学性质出发,利用水泥浆候凝期间静压与强度的关系和不同套管内压下与水泥石微间隙之间的关系,运用预应力固井技术,即采用大压差和环空憋压候凝增加水泥石早期强度、降低孔隙度,降低或减弱套管的伸缩扩张带来的微间隙,提高一、二界面固井胶结质量。试验表明,所采取的预应力固井技术措施行之有效,能够显著提高固井质量,能够满足后续增产作业的要求。     

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。     

环空底部加压固井技术的研究与应用

江苏油田老区由于多年的注水开采,地层压力紊乱,钻井施工中易引发油气侵、溢流,同时固井候凝期间的水泥浆失重也会诱导油气侵和溢流的发生,对固井质量影响较大。研究应用了环空底部加压固井技术,固井碰压后,首先坐封封隔器封闭下部环空,再通过套管内加压对环空注入一定量的水泥浆,保持套管外环空憋压候凝。该项技术共完成7口井现场试验,后5口井连续获得成功,固井质量优质。     

增加套管内外压差提高固井质量

如何提高固井质量是钻井工程长期以来所面对的问题。应用中厚壁管力学理论,从力学的角度分析了在固井过程中套管应力和应变之间的关系,提出了增加套管内外压差来提高固井质量的技术思路,通过施加外挤压力使套管具备弹性能,在水泥浆候凝发生径向体积收缩时,通过释放弹性能,弥补体积收缩产生的微环隙,消除了气窜通道,从而提高固井质量。通过10多井次的气井固井实践,结果表明：该技术能有效地消除或减少固井后期因套管应力应变发生变化而出现的微间隙,对提高固井质量,取得了良好的效果。建议在井下条件允许的情况下,增加环空与套管内的压差值来提高固井质量。     

利用非均匀外载数值模拟法优化盐间油藏套管类型

此文从盐间油藏套管损坏现状出发,分析了套管变形井的力学影响参数。利用现有测井资料、岩石力学参数及水力压裂参数建立与垂向地应力、水平地应力和蠕变外载力相关的非均匀载荷计算模型,然后利用非均匀外载与套管屈服强度、套管等效强度及径厚比的转换关系,计算出套管变形状态下的等效破坏栽荷和应具备的抗挤强度,最后优选出适合盐间油藏不同区块的套管类型。通过非均匀外载数值模拟法研究,定量分析了盐间油藏套管损坏的力学机理,形成了一套适合盐间油藏套管优选的理论计算方法,对国内外相似油田也起到了一定的指导作用。     

弯曲井段中套管柱挠曲变形的分析计算

水平井中的造斜段井身轨迹处于弯曲状态，因此位于其中的套管柱具有初弯曲。这样弯曲井段中套管柱不仅要受到自重产生的横向均布载荷和纵向载荷的作用，而且还有初弯曲，受力及变形很复杂。在考虑弯曲的条件下利用力法对弯曲井段中套管柱的挠曲变形进行了分析计算，推导出了相应的计算公式，其结论对工程实际有一定的指导意义。     

低温短候凝水泥浆体系室内研究

在导管、表层套管固井中,由于地层温度较低,油井水泥强度发展缓慢,候凝时间长,增加了钻井成本,并易造成环空窜流,影响固井质量和作业安全。针对目前国内油井水泥早强剂种类少、某些油井水泥早强剂存在早强效果不佳以及对水泥浆流变性影响较大等问题,通过室内试验筛选出一种新型的无氯、含晶种复合型早强剂SW-Z1,从而形成了一套密度1.30~1.90 kg/L的低温短候凝水泥浆体系。低温短候凝水泥浆体系的室内性能评价试验结果表明,该水泥浆体系具有直角稠化、低温候凝时间短、早期强度高、流变性能好,防气窜能力强等优点,可满足不同地层压力条件下的低温浅井固井需求。      

小间隙高压气井固井技术

毛坝1井是1口高压气井,要求全井封固,固井施工和候凝过程容易出现水泥浆稠化憋泵、水泥浆污染盐岩层、井漏、气窜或井涌等风险。经过对该井的认真研究,采用了尾管固井再回接的方法,优选了套管工具附件、水泥浆体系等配套技术,使该井固井成功,创造了该地区复杂井固井先例。文中详细介绍了毛坝1井的固井设计和施工技术,为今后小间隙高压气井固井提供了经验。     

膏盐层蠕变致套管变形损坏机理及对策——以四川盆地北部X区块为例

四川盆地北部三叠系海相地层已发现20余口井套管存在不同程度的变形损坏,变形井段主要集中在雷口坡组和嘉陵江组,该井段含有大量膏盐,其中嘉四段膏盐含量高达58%。为此,针对该区域的X区块A1井海相地层套管变形检测结果及膏盐层的蠕变特性,采用有限元方法建立了非均匀外挤载荷反演模型,反演得到了海相地层套管所受的非均匀外挤载荷最大、最小值分别为98.93 MPa、92.85 MPa;通过建立海相地层套管受力分析模型,模拟得到了非均匀外挤载荷状态下Φ177.8 mm套管等效应力分布,计算出作用在套管上的等效外挤载荷为119.68 MPa,而被检测的变形套管抗挤强度仅有89.8 MPa,不能满足抗挤要求,定量揭示出了引发该区套管变形损坏的原因是膏盐层蠕变产生的非均匀外挤载荷。结合该区非常规井身结构应用情况,进一步计算了对应Φ190.5 mm和Φ215.9 mm井眼尺寸的Φ168.28 mm、Φ193.68 mm和Φ 177.8 mm套管的等效外挤载荷,推荐了这3种尺寸的套管选型,其抗挤强度分别大于119.24 MPa、124.29 MPa和119.68 MPa,为该区域海相地层套管柱设计提供了参考数据。     

水泥浆胶凝失重与套管轴向拉力关系实验研究

水泥浆固化过程是固井工程的重要环节。水泥浆固化好坏直接影响固井质量,继而影响整个钻井工程质量。在水泥浆固化过程中,浆柱压力降低会增加上部套管的拉力,这是导致油、气、水窜及套管早期损坏的主要原因。设计了水泥浆固化过程中套管载荷测试的实验装置,模拟井下不同工况,研究了水泥浆密度、水泥环长度、添加剂以及地层环境等因素对套管顶部应力的影响,得出套管轴向拉力随水泥浆凝固时间增长先增加后降低、最后稳定的规律,为水泥浆体系配方优选、改进注水泥施工工艺等提供了参考。     

阿塞拜疆Bz-1R井超高压固井技术

Bz-1R井是阿塞拜疆Karabagil油田的一口重点探井，其地层压力系数异常，钻井过程中钻井液密度最高达2．28kg／L，且钻井液安全密度窗口窄，易发生溢流或钻井液漏失，固井施工时压稳与防漏的矛盾突出，水泥浆密度的确定、水泥浆浆柱结构设计、平衡注水泥困难。该井井下地层流体活跃，容易在水泥浆候凝过程中侵入环空，影响第二界面的胶结质量而引发环空窜流，压稳防窜候凝困难，加上环空间隙小、水泥浆密度高等的影响，导致该地区固井施工难度极大。为此，研制应用了密度2．3～2．6kg／L性能稳定的超高密度水泥浆体系，采用旁通式自动灌浆浮箍解决了大尺寸套管在高压易漏井的下入问题，配合使用剪销式注水泥前隔离塞及水泥塞定位器，并采取了一系列有针对性的固井技术措施，保证了固井施工的顺利进行，使该井成为该油田第一口固井成功的超高压复杂井。     

BX水泥浆体系在LN油田的应用

为了实现钻井"提速、降本、增效",塔里木油田优化了LN油田的开发/评价井的井身结构,减少套管层数,形成了较多的长裸眼固井。而长封固段固井中的高温高压、大温差、长裸眼段、多套压力层系并存等复杂情况极大地增加了固井难度,对水泥浆的各项性能要求更为严格。从LN油田低压易漏长裸眼段固井的难点出发,结合该区域目前广泛采用的工艺技术现状,水泥浆的应用情况,进行了BX水泥浆体系应用适应性评价。结果表明,BX水泥浆体系具有高初始稠度、强触变性、防窜性能好等特点,更能够适用于LN油田的地质特征,在水泥浆候凝期间起到一定的防漏堵漏作用。双密双凝水泥浆设计,能有效降低液柱压力,降低施工过程中压漏地层的风险,提高整体固井质量,能够满足低压裸眼长封固段固井需求。      

固井洗井液临界密度设计方法研究

针对目前现场固井洗井液密度设计过高,严重污染地层的实际.采用固井洗井液临界密度的计算方法,降低现场固井洗井液密度,减少高密度洗井液对地层造成的伤害。固井洗井液,临界密度设计方法改变了水泥浆在失重后有效压力相当于静水柱压力的理论,综合水泥浆液柱压力和胶凝强度的影响.重新计算了水泥策候凝期间对地层的有效作用力.并通过压稳原理确定了固井洗井液临界密度计算方法。该计算方法考虑到水泥浆胶凝强度的影响.通过统计回归方法确定了理论公式.具有较强的科学依据。应用洗井液临界密度固井.能够在保证固井质量的前提下,减少由于钻井压差造成的地层伤害,又具有较强的实际操作性。便于现场监理对固井洗井液密度监督检查。     

长封固段固井套管热应力分析

对于长封固段固井所用套管,由于井眼温度场的作用,使得固井温度平衡后产生一定的热应力。根据固井过程中及固井结束后井眼温度场变化,利用热弹性力学理论,推导了描述固井前后套管柱热应力的公式,并以此为基础建立了考虑热应力作用的套管柱安全系数计算新方法。研究发现：在热应力作用下套管柱抗拉、抗外挤安全系数有所降低,更易使套管产生破坏;使用常规套管安全系数计算方法设计长封固段套管柱有可能导致套管柱产生强度破坏。 [