全井筒固井储气井应力分析及施工工艺

建立了全井筒固井储气井的受力模型,计算了水泥环与井筒界面之间的径向压应力、摩擦力、埋地部分井筒的应力和应变以及固定水泥环的地层有效深度。根据计算结果,探讨了目前主要采用的2种固井工艺,给出了保障安全的固井工艺,为储气井的设计和施工提供了理论依据。     

套管壁厚对储气井井筒受力的影响分析

针对国内高压地下CNG储气井结构比较简单、存在井筒上冒和下沉的现象,对高压地下储气井井筒进行了受力分析,采用理论分析、实例计算和计算机仿真等方法开展研究,综合运用ANSYS软件、弹性力学、固体力学和土壤力学等方面的理论,建立了套管-水泥环-地层耦合模型。分析了不同壁厚套管在非均匀地应力下对井筒径向应力和环向应力的影响,指出壁厚较厚的套管可承载较大的径向载荷,有利于套管-水泥环-地层耦合的稳定,但套管壁厚的变化对环向载荷的影响并不十分明显,所以选择套管壁厚时既要确保储气井的安全,又要经济合理。     

基于水泥石实验数据的水泥环力学完整性分析

气井环空带压是高温、高压、高酸性气井开发中面临的一个重要难题。为此,针对从固井到生产作业中影响固井水泥环力学完整性的问题,采用弹塑性力学理论,建立套管-水泥环-地层系统耦合力学模型,求解水泥环Tresca应力和径向位移。结合龙岗气田X井尾管固井水泥石三轴应力实验获得的弹性模量、泊松比、抗压强度、屈服应变等岩石力学参数,进行了尾管固井段水泥环力学完整性评价：①固井初期,同一井深处,井筒内压力越大,水泥环受到Tresca应力和水泥环径向位移越大;相同内压下,随着井深的增大,水泥环受到的Tresca应力变化很小,但水泥环径向位移增加较为明显。②生产阶段,由于井筒内压力逐渐降低,水泥环受拉应力作用,水泥环移动方向与固井初期移动方向相反,随着压力的降低,在同一井深处,水泥环受到的Tresca应力和水泥环径向位移都变大;随着井深的增加,Tresca应力和径向位移逐渐增大。评价结论认为该井测试及生产期间不会引起尾管段水泥环力学完整性失效。     

CNG储气井内插管正循环固井应力分析

对目前采用井筒外部固井工艺建造的高压储气并进行了应力分析,指出了其存在的安全隐患.提出了采用内插管正循环固井工艺建造储气井的方法,从而消除安全隐患,确保CNG加气站的安全运行,为建造高压储气井提供借鉴.     

均匀地应力下套管壁厚对储气井井筒受力的影响

基于储气井结构满足弹塑性力学中厚壁圆筒理论,建立了套管-水泥环-地层耦合模型,并用ANSYS软件分析不同壁厚套管对井筒径向应力和环向应力的影响,对储气井套管的正确选择以及防止储气井失效有指导意义。     

储气井充放气过程安全分析

按储气井的结构,在轴向建立储气井充放气模型,结合充放气时储气井井口压力、流量与时间的关系,运用ANSYS程序中的FLOTRANCFD分析储气井充放气过程;求得充放气过程中井下各深度的压力随时间变化情况,得到了储气井轴向动态的受力情况;运用弹性力学中圆筒受均布压力的理论建立了平面的套管一水泥环一地层的组合模型,用ANSYS分析不同压力下储气井套管、水泥环及地层的受力情况。对储气井充放气过程中的井下工况分析,可为储气井的实际工程设计和安全评估提供有益的参考。     

CNG地下储气井的应力分析与疲劳分析

CNG地下储气井是目前国内CNG加气站广泛使用的高压储气方式,其安全性是加气站安全运行的关键。应用ANSYS有限元软件对Φ177.8×10.36标准储气井的套管和管箍进行应力分析和疲劳分析,对于CNG地下储气井的安全运行有参考意义。     

气井井筒温度场及温度应力场的理论解

基于传热学及弹塑性力学相关理论,结合固井水泥环实际密封工况,建立了2套数学模型:任意井型气井井筒温度场模型、套管-水泥环-地层围岩组合体温度场及温度应力场模型,形成了解析求解算法及工程分析软件,研究了温度应力场的影响因素.研究结果表明:产量对井筒温度场影响较大;高压高产气井的浅层固井水泥环温升明显,应提前分析预测其温度...     

页岩气井水泥环完整性研究

四川盆地内的几个国家级页岩气示范区气井环空带压、套管变形等问题较为突出。为此,通过分析页岩气钻完井过程井筒内压力变化的条件,建立了计算井筒压力变化全过程的应力—应变状态下的套管—水泥环—围岩体系弹塑性力学模型,应用该模型分析了变内压下第一界面、第二界面微环隙的产生和发展,进而结合实际现场数据进行计算。结果表明:(1)加载过程不会产生微环隙,但加载内压的大小决定了水泥环塑性变形的程度;(2)卸载时内压的降低将导致界面受拉,从而产生微环隙,破坏水泥环的完整性;(3)可以通过优选水泥浆配方,提高水泥环力学性能,结合施工工艺措施优化来保障页岩气井水泥环完整性。13口井的现场试验应用结果表明,水平段固井质量平均优质率达92.67%,其中已投产的11口井均未出现环空带压,有效地改善了页岩气示范区的气井环空带压问题。该项研究成果可为同类区块固井水泥环完整性管理提供帮助。     

高压气地下储气井在城市燃气调峰中的应用

高压气地下储气井是一种全新的城市燃气调峰站储气系统,目前已经得到广泛应用。阐述了高压气地下储气井调峰的特点与原理,综合分析了目前常见城市燃气调峰的方式和优缺点,指出高压气地下储气井在城市燃气调峰中需要进一步研究气质控制、储气井的选用和设计标准、井间距、套管内外腐蚀、套管疲劳强度、固井技术、自动控制和监测系统等问题。     

地下储气库注采井不同井段水泥环密封性能实验

针对我国西南地区首座地下储气库——相国寺储气库投产后注采井出现较大比例的B环空异常带压问题,采用室内实验的方法,根据注采井100 m、900 m、2 000 m垂深处温度和压力差异,设计了不同的水泥石养护温度和加载围压,并采用小尺寸的水泥环完整性测试装置基于应力等效原理测试了从井底到井口水泥环在试压和注采时的密封能力。实验结果表明:①井筒不同深度段水泥候凝温度和围压差异较大,同一种水泥浆体系在实际固井后沿井筒深度具有不同的机械性能,导致不同井段水泥环密封性能存在着巨大的差异;②交变载荷会导致水泥环的压实和累积损伤,加剧水泥环的密封失效;③注采井2 000 m处水泥环在试压和注采工况条件下,密封性完好,没有发生泄漏,1 000 m处水泥环在试压工况下能保持完好,在循环交变载荷下存在着水泥环密封失效的现象,井口附近100 m处水泥环在试压工况和注采工况时均出现了泄漏;④实验结果揭示,在试压和注采工况下,井筒中上部水泥环密封失效是造成B环空异常带压的根本原因。结论认为,该研究成果可以为提高地下储气库注采井固井水泥环密封的可靠性提供实验数据支撑。     

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。     

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。     

相国寺储气库低压易漏失井固井技术

相国寺构造地质情况复杂,上部须家河组—嘉陵江组地层极易发生恶性井漏,下部石炭系等主力气藏的地层压力系数极低,下套管及固井施工中也极易发生漏失,严重影响环空水泥环的密封完整性。通过开展地层承压试验、钻井液性能调整技术、前置低密度先导浆固井技术、正注反打固井工艺的研究,以及优选具有防漏、堵漏效果的水泥浆体系,基本形成了一套适用于相国寺储气库注采井固井的防漏、堵漏技术,成功解决了低压易漏失的固井难题,实现了环空有效完全充填。     

利用预应力固井方法预防水泥环微环隙研究

深层页岩气水平井环空带压问题较为普遍,套管-水泥环界面处微环隙是导致环空带压的主要原因。针对该问题,运用力学实验手段和数值模拟方法,分析了预应力固井条件下微环隙的产生与发展,明确了不同预应力条件下水泥环耐受压裂段数。结果表明:套管内压越小,水泥环保证密封完整性时可承受的循环载荷次数越多;循环载荷作用下微环隙宽度为30.89μm是发生气窜的临界值。预应力固井显著降低了初次塑性变形量,增大了塑性变形增量;考虑预应力作用下套管产生的径向预应变,预应力固井技术显著降低了微环隙的宽度,增加了多级压裂过程中水泥环密封完整性的耐受压裂段数。预应力值越高,微环隙出现前的耐受压裂段数越多;压裂段数相同的情况下,预应力越大水泥环微环隙越小。现场应用结果表明,采用预应力固井技术及低弹性模量水泥浆,可以有效缓解深层页岩气水平井套管环空带压现象。研究结果可为页岩气水平井固井提供技术支持。     

川渝气区“三高”气井固井技术研究

为解决川渝气区"三高"(高压、高含硫、高危)气井固井难题,在分析其固井技术难点的基础上,通过对水泥腐蚀机理的分析,提出采用水泥浆不同配料组分的颗粒粒径合理级配来优化设计水泥浆的方法。据此,经过实验筛选出漂珠低密度水泥和纤维—胶乳—微膨胀水泥两套具有高强度、良好流变性并能形成低渗透致密水泥石的防腐水泥浆体系。从井眼准备、固井井下工具、提高注替效率、固井漏失补救、压稳等方面研究了提高固井质量的措施。现场应用结果表明,该固井技术的固井合格率和优质率都得到了明显提高。形成了一套川渝气区"三高"气井各层段套管固井技术和配套工艺技术,可用于指导生产,能够保证"三高"气井的固井质量。     

阿姆河右岸气田油层套管防气窜固井技术

阿姆河右岸气田是土库曼斯坦每年向中国供应300×10⁸ m³天然气的重要气源地。该气田2008年之前投产的天然气井固井质量均较差,环空带压井比率高达40%。为此,针对气井带压形成的不同原因,根据不同的压力系统分别应用了微硅水泥浆体系,常规G级水泥浆体系和加重水泥浆体系。在6口井开展了适合该气田特点的固井前的井筒准备、水泥浆性能控制和注水泥工艺的配套技术应用试验,通过采用多凝水泥浆柱结构、多级注水泥工艺、先悬挂后回接固井工艺及提高套管内外压差,补偿环空水泥浆失重所导致的液柱压力损失,保证固井候凝期间的压力平衡。在总结试验成果的基础上,开展了39口井的推广应用,CBL测井质量优质率达到45.27%,合格率达到77.31%,大幅度提高了该气田的固井质量,环空带压情况由2008年之前的40%下降到目前的6%,并形成了一套能有效预防该气田固井作业气窜发生的综合固井技术措施。     

地下储气库盐穴及盐层固井技术

分析了西气东输地下储气库盐穴及盐层固井存在盐穴无井底、盐层固井、井底温度较高、井眼尺寸大、水泥石长期胶结性能要求高等固井技术难点,采用打水泥塞建立人工井底、半饱和盐水水泥浆体系、提高大井眼顶替效率等技术措施,解决了采卤井老井改造固井技术难题,实现了无井底盐穴固井,通过改进欠饱和盐水水泥浆性能,提高了新腔钻井的盐膏层固井质量。在江苏金坛盐矿完成的6口储气库盐穴固井和8口新腔钻井固井作业表明,该固井技术适合储气库盐穴盐层固井的需要,可以提高固井质量。     

相国寺储气库注采气井的安全风险及对策建议

四川盆地相国寺地下储气库是我国西南地区第一个储气库,其安全平稳运行关系到整个西南地区的用气需求和经济发展。国内外地下储气库事故的统计分析结果表明,注采气井的安全风险相对较大。目前相国寺储气库地层运行压力为11.7~28.0 MPa,CO₂分压为0.53 MPa,加之生产前期天然气中还含有钻井液、盐酸、凝析水以及少量H₂S等物质,腐蚀环境也较为复杂。为此,根据相国寺注采气井油、套管的材质、固井水泥体系、井下安全阀和封隔器的类型,结合相关文献和实验资料,开展了注采气井的安全风险分析。结果表明：注采气井的油管和套管主要因腐蚀、冲蚀和应力变化的影响导致失效;水泥胶结质量和测井方法的影响将导致固井质量存在缺陷;井下安全阀主要因液压系统和控制线路故障、冲蚀和人为操作不当等原因导致失灵;封隔器主要因应力变化、腐蚀及密封元件变形等原因导致封隔失效。根据存在的这些安全风险,提出了相应的对策措施建议,可为相国寺及类似地下储气库的安全生产和管理提供参考。     

高压气井套管回接固井预应力技术

针对套管回接固井质量不好,未能将尾管重叠段已经存在或潜在的窜流通道堵死,致使气井生产时井口带压的问题,回接固井作业时采取了很多技术措施,但都没有从根本上解决回接固井质量问题。为此,通过增加回接管柱管内外静液柱压差、井口憋回压方式,在固井施工过程中通过液柱压强转换为作用在回接套管本体上的预应力,在水泥浆凝固时该应力就迫使套管贴紧水泥石,防止水泥浆凝固时管柱和水泥环微环隙的形成,提高固井质量。几口试验井的测井结果表明：所采取的固井技术措施行之有效,能够保证套管回接的固井质量。