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。     

气井水泥环封隔完整性失效原因及对策

随着勘探开发向地层深部发展和页岩气、致密气等非常规油气资源的开发,气井固井面临的井下地质条件越来越恶化,固井后水泥环封隔完整性失效问题越来越突出。而环空带压（或气窜）是川渝地区高温、高压、高酸性气井及非常规气井（页岩气、储气库、煤层气等）开发中面临的一个重要难题。在结合水泥环自身特性及外界条件导致水泥环封隔完整性失效的原因和危害分析基础上,提出了采用金属密封扣套管和气密封检测技术,合理设计水泥浆（石）性能,确保水泥石力学性能在井下温度、压力、应力变化条件下稳定,提高顶替效率,切实做好“三压稳”平衡压力固井,提高界面整体胶结质量,引进或开发先进的水泥浆体系,采用井下封隔器等技术措施能有效确保水泥环的长期封隔完整性。     

制订固井质量的测井评价标准探讨

到目前为止,国内外固井质量的测井评价标准都与深度无关,国内各油田固井质量评价工作局限于评价水泥环固结合格程度,因而造成大量误评价。通过对现场验窜、钻井、固井和固井质量测井等资料的统计和分析,通过对水泥抗压强度、水泥环界面胶结强度和相应的声波响应关系的实验研究,发现:①固井质量评价标准应随井深而变;②可以利用固井质量测井资料进行层间封隔性能评价;③水泥环界面剪切胶结强度也可以反映层间封隔性能。在此基础上,建立了J油田新的固井质量评价标准。     

高温条件下的固井第一界面水力胶结强度实验研究

针对深水固井水泥环所处的高温高压环境及复杂温度变化,研制了一套全尺寸高温高压水泥环密封完整性评价装置。基于此装置,利用气窜法测试了高温高压养护条件下的固井第一界面水力胶结强度,开展了水泥浆养护温度、养护时间以及温度变化等因素对固井第一界面水力胶结强度的影响实验。实验结果表明,水泥浆养护时间72 h时,随着养护温度的升高,水力胶结强度逐渐增加;水泥浆养护温度200℃时,随着养护时间的增加,固井第一界面水力胶结强度呈增加趋势,且养护时间达到5 d时,水力胶结强度达到最大值,随后逐渐稳定;温度变化对固井第一界面水力胶结强度影响较大,随着温度的升高,水力胶结强度增大,反之,水力胶结强度减小。     

固井形成的水力封隔系统封隔能力评价方法

油、水井固井的主要目的是保护生产管柱和封堵相邻的油、气、水层.固井水泥凝固后形成了一个纵向上的水力封隔系统,影响这个系统水力封隔能力的因素包括系统的缺陷和系统的强度.目前的固井质量评价方法主要检测套管、水泥环胶结情况,没有直接针对固井的目的(层间水力封隔情况)给出评价.在深入分析声波测井方法和水泥环密度测井方法特点的基础上,提出了油、水井固井质量综合评价方法,即利用声波测井和水泥环密度测井资料进行优势互补,解释固井第Ⅰ界面微环、水泥环抗压强度、固井第Ⅱ界面胶结状态,再针对固井的目的,综合以上各参数评价固井形成的水力封隔系统的水力封隔能力.     

提高苏丹6区固井质量的柔性水泥浆固井技术

苏丹6区位于苏丹共和国西南部,该区244.5 mm套管固井水泥封固井段包括主力产层,采用常规水泥浆体系固井后,电测水泥环胶结质量均不理想。完钻后,套管试压过程中产生的套管变形,以及继续钻井过程中钻柱和钻头对套管的撞击作用对井壁与套管间水泥环的破坏加大了对固井界面胶结的不良影响,甚至造成水泥环层间封隔失效。为此,在244.5 mm套管固井中引入了一套新的柔性水泥浆体系。该水泥浆体系中混有2%的膨胀剂和2%~3%的增韧剂。膨胀剂中的有效组分在水泥水化过程中促进水泥晶体的晶型变化和体积增加,以补偿水泥水合硬化时产生的体积内收缩,从而有效地消除了水泥石固结过程中产生的微间隙,增韧剂显著提高了水泥石的韧性和抗冲击性,实现了苏丹6区244.5 mm中间套管环空的良好封固,提高了界面的胶结质量。     

高温高压气井自由套管对水泥环应力和完整性的影响

水泥环的密封完整性对降低环空带压、提高井筒安全性、延长气井开采寿命至关重要。为防止环空气窜,高温高压气井油层套管水泥一般返至井口,这给深井固井带来了巨大挑战。考虑井身结构和作业载荷的复杂性,运用Ansys软件建立了存在自由套管时水泥环受力有限元模型,研究了自由套管长度和井口套压对水泥环应力的影响,结果表明,井口套压作用下自由套管的鼓胀效应在水泥环中产生的径向拉应力和轴向应力是水泥环密封失效的主要原因。自由套管段长度对水泥环受力很不敏感,油层套管水泥可考虑不返至井口,但为保持水泥环长期完整性应避免过高井口套压,同时优选水泥浆体系以提高套管与水泥环胶结强度。     

JY页岩气田水平井预防环空带压固井技术

随着页岩气大规模开发,针对提高页岩气水平井固井质量的研究逐渐增多,但同期页岩气井环空带压情况并未缓解,对页岩气田的安全生产提出了严峻挑战。为解决页岩气井环空带压难题,建立了水泥环密封完整性评价装置,针对JY页岩气田开展了水泥环密封完整性影响因素分析,并相应形成了预防环空带压固井技术。研究认为水泥石胶结差和体积收缩导致早期环空带压,而分段压裂及生产参数变化对水泥石胶结和本体的破坏是页岩气井环空带压的最主要原因。预防环空带压固井技术在JY页岩气田进行了推广应用,压裂投产后带压井比例下降了82%,有效解决了页岩气井环空带压难题,提高了页岩气井水泥环长期密封完整性,保障了页岩气田安全开发。     

连续变化内压下套管-水泥环-围岩组合体微环隙计算

固井后井筒内压力的变化可能导致水泥环破坏或使水泥环产生塑性变形,从而在第一界面或第二界面处产生微环隙。基于Mohr-Coulomb准则,建立了套管-水泥环-围岩组合体弹塑性分析模型,对套管内压力加载和卸载过程进行分析,以界面拉力大小判定是否产生微环隙,并给出了微环隙大小的计算公式。使用该模型对前人的气窜实验进行模拟,理论结果与实验结果相符。分析结果表明,微环隙的产生由加载和卸载过程共同决定。加载过程可能会使水泥环进入塑性,而卸载时内压降低将导致界面受拉,从而产生微环隙。第一界面、第二界面均可能产生微环隙,取决于界面胶结强度与界面拉力的关系。卸载时,第一界面拉力大于第二界面拉力,当两个界面胶结强度接近时,第一界面更容易产生微环隙。该模型可用于评价水力压裂等过程中水泥环密封失效的风险,为现场施工提供依据,从而降低井筒密封完整性失效的风险。     

超高温热循环作用下水泥环完整性及界面力学性能衰退规律

稠油热采井因周期性蒸汽吞吐,造成井筒内的温度波动及持续变化、循环加卸载引发的水泥环完整性问题将威胁到井筒的完整性,导致井口抬升等安全问题频发。为了弄清超高温热循环作用下水泥环完整性失效机理、界面胶结衰退规律,避免蒸汽吞吐过程中套管-水泥环界面胶结失效,提出了超高温热循环环境下水泥环胶结强度评价方法,自主研发了集浇筑、养护、加热及测试一体化的水泥环胶结强度特色测试装置,并对“生产套管-水泥环-技术套管”组合体在超高温热循环作用下的界面完整性和力学完整性进行了测试及评价,获得了水泥环在3种不同温度(常温↗150℃↘常温,常温↗200℃↘常温,常温↖250℃↘常温)热循环作用下的完整性及界面力学性能实验结果。研究结果表明:高温热循环作用对水泥环力学及界面力学完整性具有显著的负面影响;随着温度和热循环次数的增大,水泥环界面力学性能显著降低。150℃热循环7次、200℃热循环5次以及250℃热循环1次后,套管与水泥环界面脱离;150℃热循环13次、200℃热循环9次以及250℃热循环7次后,水泥环界面剪切力、化学胶结力、摩擦力以及剪切胶结强度均降低为0,水泥环界面力学性能丧失。水泥环本体失效均以...     

高温高压气井水泥环封隔能力评价实验研究

水泥环封隔能力是高温高压气井密封完整性评价的关键,根据南海西部油田复杂温度压力环境,研制了一套可施加200°C高温、70 MPa围压及套管内压力、40 MPa环空压力的全尺寸高温高压水泥环封隔能力评价装置;基于该实验装置,考虑水泥浆失重对水泥环应力分布的影响,设置了符合高温高压气井水泥环封隔能力评价的实验步骤,开展了水泥浆养护温度、养护时间、封隔长度以及套管偏心等因素下的水泥环封隔能力评价实验。结果表明,水泥环封隔能力随着养护温度的升高或养护时间的增加呈现先增大后基本不变的趋势;水泥环封隔长度与其封隔能力呈线性关系;套管偏心度越大,水泥环的封隔能力越差;地层与水泥环弹性模量之比越接近于1,水泥环封隔能力越好。     

低密度固井质量声波测井评价方法研究

数值模拟了低密度水泥套管井中短源距声波测井全波波形,分析了水泥固井第1界面和第2界面情形的全波波形与流体环隙宽度的关系,建立了低密度水泥固井的套管波幅度校正关系式。认为在低密度水泥套管井中．若采用常规水泥固井的解释标准,用套管波评价第1界面水泥胶结时．需要进行校正．而评价第2界面水泥胶结时,可以不用校正。根据理论结果结合实际测井记录的波形特点．研究了波形信息提取方法,得到了第1、第2界面胶结指数等参数．用以评价固井质量。这种方法在西北油田低密度固井质量评价中获得了较好的结果。     

基于参数不确定性的井筒失效风险评价研究

目前井筒完整性的相关研究大都未考虑温度的影响,也没有成形的、针对套管和水泥环统一的失效风险评价方法。为此,以深水高温高压完井测试井筒为研究对象,基于参数不确定性影响进行研究,建立一套综合考虑套管和水泥环的井筒完整性失效风险评价方法。研究结果表明：所得评价方法对风险具有较高敏感性,提高套管强度会降低套管失效风险,而环空圈闭压力只重点影响封固井段风险;水泥环的抗压和抗拉失效分别造成固井界面微环隙和本体径向裂缝,弹性模量与泊松比分别主要影响水泥环的抗压与抗拉失效风险,可以通过增大水泥环材料韧性来提高水泥环密封。研究结论可为井筒完整性的保护和深水高温高压完井测试作业的顺利进行提供理论指导。     

天然气井水泥环封隔能力的测井评价

水泥环气层层间封隔和气井井口带压评价是勘探开发中亟待解决的问题.综合分析了气井固井质量测井资料、验窜资料、钻井历史和气井井口带压的有关资料.通过CBL、SBT和USI测井资料的验证实例,讨论了天然气井水泥环层问封隔能力的分析方法.提出用良好胶结累计长度法、混浆带长度法评价及2种方法交会法评价气井井口带压状况的方法.研究表明,利用测井资料评价气层之间的水泥环封隔能力与常规固井质量评价方法相似;利用固井质量测井资料显示的良好水泥胶结长度和混浆带长度,可以评价井口带压.该方法在中国海上和陆地一些气田应用,取得初步成功.     

一种新的固井质量检测评价技术——AMK2000M

目前,固井质量检测的仪器主要为声波系列,其评价结果受多种因素影响。俄罗斯AMK2000M固井质量检测仪器由声波仪器和伽马密度放射性仪器组合而成,记录固井套管与地层之间声波动力学、运动学参数和水泥环分区密度信息,能评价固井质量第一界面、第二界面胶结结果与水泥环各分区体积密度值和水泥环胶结情况。评价方法在水泥环体积密度方面有所突破,评价手段从面接触扩展到了体积分析,其评价结果能有效消除快速地层、微环等因素影响,评价精度、可信度均要强于其他技术。在对该测井评价技术的解释方法介绍的基础上,重点介绍了在四川油气田的实际应用效果,对于该技术的推广有指导意义。     

利用晶格膨胀剂提高二界面固井质量技术

固井二界面问题是一个亟待解决的工程难题,它会直接影响勘探开发的效果和效益已是不争的事实。在固井施工中,水泥环与地层的良好胶结是实现有效层间封隔的基础,但是水泥石体积的收缩往往是影响固井质量的主要因素之一研究从这一因素出发,研制出了晶格膨胀水泥浆体系,补偿水泥石的体积收缩,提高水泥石在环形空间的胶结强度,提高二界面固井质量,室内试验和现场应用证明：该技术可有效解决环空水泥石的体系收缩,防止油气水窜的发生,提高了二界面固井质量。     

孤岛油田工程测井技术

1.固井质量评价测井技术 1.1 声波变密度测井 固井声幅测井仅能测井套管波波幅大小,只能解释水泥环与套管(第一界面)的胶结好坏。若水泥环与地层封固不好,而形成窜槽,用固井声幅测井就难以判断。为了解决第二界面的胶结质量问题,研制了声波变密度测井。 声波变密度测井是应用声波发射和接收技术测量沿套管传播的套管波和通过水泥环沿地层传播的地层波及泥浆波,根据套管波和地层波的强弱用来判断套管外水泥胶结     

提高水泥环第二界面胶结质量的固井技术

分析了苏北小油田固井水泥环第二界面胶结质量的影响因素,并从井眼准备和使用套管扶正器、泥饼刷、膨胀水泥、前置液等方面探讨了提高水泥环第二界面胶结质量问题。现场数十口井的应用表明,采用合理的固井技术措施后,该地区固井合格率达１００％、良好率达９０％以上,第二界面胶结质量合格率达７６％、良好率达４７％。     

轻质水泥浆固井质量测井评价标准构建

为了给测井评价轻质水泥浆固井质量提供理论依据与标准,基于高温声特性试验及数值模拟结果,分析了水泥浆密度、水泥环厚度、第一界面胶结质量等因素对常规固井质量测井的影响,分析得到:受套管外径和壁厚的影响,随水泥浆密度降低,套管波相对幅度的差异越来越明显;在套管与水泥环之间存在微环隙时,随着水泥环厚度增大,套管波幅度单调增大,...     

顺北油气田防漏固井用封隔式分级箍研制与应用

顺北油气田二叠系固井极易发生漏失,环空水泥缺失长度超过2 000 m,导致生产期间套损严重。针对该问题,研制了封隔式分级箍,并进行了室内性能评价试验和现场应用。室内性能评价试验发现,该分级箍不仅具有常规分级箍的功能,还可以在一级固井后胀封封隔器,封隔漏层,防止二级固井时发生漏失,提高环空水泥环完整性;封隔器胀封后,环空封隔能力可达20 MPa;循环孔关闭后,管内密封能力不低于套管抗内压强度。顺北油气田9口井应用了封隔式分级箍,二级固井平均漏失量由105.1 m3降至3.5 m3,环空水泥缺失长度由2 048 m缩短至350 m,节约固井成本约1 100万元。封隔式分级箍解决了长裸眼易漏失井段固井时的漏失问题,为顺北油气田的高效开发提供了技术支撑。