影响新疆油田滴西油气田尾管固井质量的原因分析及解决方法探讨

郭建军，杨　睿

（西部钻探钻井工程技术研究院克固完井技术研究所，新疆克拉玛依834000）

影响新疆油田滴西油气田尾管固井质量的原因分析及解决方法探讨

郭建军*，杨睿

（西部钻探钻井工程技术研究院克固完井技术研究所，新疆克拉玛依834000）

新疆油田滴西油气田目前新钻井大部分采用裸眼段尾管固井工艺，由于在尾管固井过程上下环空间隙大小不同，固井水泥浆不能均匀分布，水泥浆候凝过程中失水，容易出现尾管固井水泥浆小循环现象，造成悬挂器及尾管与上层套管重叠段无水泥，并且由于套管与水泥浆胶结不好，导致固井质量差、环空气串和套管抗外挤能力降低等问题。通过对影响尾管固井质量的原因进行分析，针对性地提出了几个解决办法，并对几个解决办法可行性及实施效果进行了探讨。为以后在该区块及其他区块的尾管固井完井施工类似问题的处理提供了参考。

尾管固井；悬挂器；固井质量；环空间隙；水泥浆

1　概述

自20世纪80年代出现尾管固井工艺至今，尾管固井仍然有一些技术难题没有解决：一是不规则井眼与重叠段层流问题尚未解决；二是井径扩大处与悬挂处小间隙的矛盾，影响顶替效率；三是循环时间长与钻井液粘切高，影响二界面水泥胶结质量。新疆油田滴西油气田的气层套管大都采用裸眼段尾管固井工艺，采用尾管固井工艺的井数占气层套管固井井数的50%以上，因此如何提高尾管固井质量是滴西油气田固井工作中面临的主要问题。但是在近年来的气层套管尾管固井施工后，出现了部分井尾管与井眼的环空部分段无水泥，尾管内胶塞上部出现了一定长度的水泥塞，造成固井质量差、环空气窜等问题。为了进一步提高固井质量，有必要对影响固井质量的原因进行分析并探讨其解决办法。

2　影响固井质量的原因分析

2.1水泥环缺损和套管不居中

针对不同的套管尺寸及井眼尺寸，利用固井软件计算分析发现，水泥环出现缺损时，会引起套管有效应力明显提高，降低套管的承载能力，固井质量完好时，套管截面上的有效应力是均匀的，当水泥环出现30°缺损时，套管壁的有效应力会剧增。随着水泥环缺损角度的增加，套管的有效应力也逐渐提高，在水泥环缺损角度为150°～180°时，套管有效应力达到最大值，此时套管的最大承载能力减小一半。同时还发现，由于套管不居中，将引起套管有效应力大幅度提高，套管抗外挤强度降低，使用寿命缩短，影响固井施工时的环空顶替效率，造成套管与环空窄边间隙泥浆流动速度低，易形成层流顶替，造成钻井液滞后；当需要驱替滞后钻井液的力大于水泥浆与钻井液界面张力时，界面破裂，形成新的顶替界面。钻井液滞留在水泥浆中，形成窜槽，从而严重影响水泥环胶结质量。

2.2部分重叠段无水泥和尾管内水泥塞较长

在固井施工时，虽然按设计在套管胶塞下部管内预留一定长度的水泥塞，但施工完后，探灰面时胶塞上部会出现一定长度的水泥塞，说明管外的水泥进入了管内，出现小循环现象，造成尾管部分重叠井段无水泥。管外水泥浆是如何进入管内的呢？通过分析，笔者认为应该是从环空间经尾管上部悬挂器喇叭口流入套管内，而套管内的钻井液从套管鞋进入环形空间。其原因是：

（1）如果水泥浆与泥浆不是正常置换，那就是水泥浆从套管鞋处入套管内，但这种可能性几乎不存在，因为所有的尾管下部都有强制式和浮球式单流阀。液体在自重的作用下从上往下流动阻力较小，而只能向下流动，又因从上往下流动阻力很大，不可能从下往上流动。

（2）即使2个单流阀都失效，环空水泥浆可以从下往上流动（在我们固井施工中这种工况很少发生），那么水泥浆在套管内就会向上推动胶塞。胶塞就不应该在球座处，而在球座以上某一个位置，通过几口典型井钻水泥塞的工况证实，胶塞没有往上移动，就在球座处，说明水泥浆不是从下往下流动的。

2.3水泥环中存在段塞和气塞

由于尾管环空封固段上下间隙大小不同，固井水泥浆分布不均匀，环空水泥浆自上而下胶结质量不同。如使用我院∅244.5mm×∅139.7mm尾管悬挂器的DX1826井为例，井眼为∅215.9mm，油层尾管为139.7mm套管，最大环空流道面积212cm2（未考虑井眼扩大率），最小环空流道面积60cm2，考虑到尾管悬挂器处间隙小而导致防漏需要小排量顶替，造成固井顶替时效率低，影响固井质量。特别是环空小间隙处，由相关资料可知，水泥环中易出现段塞、气塞等情况，致使水泥环胶结质量差，强度大幅度降低，不能有效保护套管，从而影响悬挂器重叠处封固质量，导致井下气体在层间互窜，严重影响气井的生产及措施实施。

2.4水泥环的弹性摸量

根据弹性力学厚壁筒理论，得出水泥环弹性模量对套管抗均布外载强度的影响规律，见表1。由表1知，水泥环弹性模量对套管抗均布外载能力的影响较大，随着水泥环弹性模量的增大，套管水泥环抗均匀外载强度增加。所以可以通过改善水泥浆配方、提高水泥环的弹性模量来提高套管水泥环抗外载强度，增加套管的抗外挤能力，延长套管的使用寿命。

3　提高固井质量的解决方法探讨

3.1套管扶正器和刮泥器的使用

表1　套管抗均匀外载放大系数F与水泥环弹性模量的关系

提高固井质量最重要的因素之一是套管扶正器和刮泥器的安放，这就需要根据每口井实际测井曲线，合理设计套管扶正器和刮泥器的安放位置。对于多孔渗透性地层，需要在套管鞋短节中间和每根尾管接箍上安装扶正器，因为这些层段必须获得有效的封固。此外，在多孔层段的上方和下方每2根尾管安放1个扶正器，对于不规则的大肚子层段，最好在这些层段的上下几根尾管安放扶正器，这样可以基本上保证尾管居中及水泥的均匀分布。为进行上下活动套管，最好在每根尾管上安装2个钢丝环型刮泥器，刮泥器之间的距离5～6m，能够在一定的行程内，有效刮掉井壁的泥饼，提高水泥与井壁的胶结质量。

3.2预防小循环的措施

3.2.1消除产生小循环的动力来源

水泥浆一旦停止流动便产生失重现象，是水泥浆特有的性质，目前还无法避免，但可以设法避免由于失重而产生的管内外液柱压差。即先预设尾管内负压差，使管外水泥失重时，管内外压力平衡或基本平衡。尾管固井中，为了防止气窜，通常采用二凝水泥浆结合憋回压的固井工艺。其原理是当气层井段的快凝水泥浆（尾浆）初凝失重时，气层上部缓凝水泥浆（领浆）尚未初凝，仍保持原有的静液柱压力，缓凝水泥浆液柱压力加上井口适当憋压，补充快凝水泥浆失重减少的压力，即可平衡气层压力防止气窜。而预设尾管内负压差的原理是：顶替水泥浆，向尾管内泵入一定数量且密度低于水泥浆的钻井液，当水泥浆顶替到位时使尾管内的液柱压力小于尾管外的液柱压力，其压差值等于快凝水泥段失重所减少的压力。当快凝水泥失重时，尾管内外的尾管外已达到平衡。当缓凝水泥浆失重时，快凝水泥浆已具有足够的胶凝强度来阻止水泥浆流动。

计算快凝水泥浆失重时减少的静液柱压力公式如下：

式中：ΔP——快凝水泥浆失重时减少的压力，MPa；

P快——快凝水泥浆原始压力梯度，MPa/m；

H——快凝水泥段高度，m。

计算低密度顶替液体积的公式如下：

式中：v——低密度顶替液的体积，m3；

q——尾管每米容积，m3/m；

P低——低密度顶替液的压力梯度，MPa/m。

当尾管封固多个油、气层或一个油、气层，其位置在尾管中上部时，如采用二凝水泥浆，则快凝水泥浆封固井段很长，水泥浆失重时降低的液柱压力较大，如为了平衡尾管内外压力，而管内采用大量的低密度顶替液时，造成固井施工顶替泵压高，增加了施工的难度。为了降低固井施工顶替泵压，可采用多凝水泥浆，减少低密度顶替液量，尽可能缩短快凝水泥浆封固长度，减少快凝水泥浆失重时降低的液柱压力。此外，还可以适当增加尾管内预留水泥塞长度，用水泥塞失重时降低的液柱压力去抵消一部分快凝水泥浆失重时所降低的液柱压力。

3.2.2提高快凝水泥浆的早期强度

为了保证在快凝水泥浆失重时缓凝水泥浆基本保持原有的液柱压力，应将快凝水泥浆与缓凝水泥浆初凝的时间间隔拉开。由现场实践可知，间隔时间一般在2h左右，同时应缩短同一种水泥浆初凝到终凝时间间隔，提高水泥浆的早期强度，以便在缓凝水泥浆失重时，快凝水泥浆有足够的强度阻止缓凝水泥浆流动。

3.3使用回插式液压尾管悬挂器固井工艺和提高顶替效率

为解决固井水泥浆分布不均匀问题，提高固井顶替效率，可采用了液压尾管悬挂器回插工艺，并增大悬挂器处环空流道面积，改变悬挂器的结构，减小悬挂器的外径，使悬挂器的结构和工作原理能够满足液压尾管悬挂器回插工艺的要求。回插式液压尾管悬挂器是实现这一工艺的关键工具，由液压密封系统、坐挂系统、复合胶塞等组成。

（1）注水泥浆工具下到预定井深时，正注水泥浆。注入一定量的水泥浆后投入小胶塞，替入顶替液推动小胶塞及水泥浆下行。小胶塞下行至套管空心胶塞处，推动套管空心胶塞及水泥浆共同下行至尾管底部回压阀处停止，注水泥浆过程完成。

（2）完成注水泥浆后，上提尾管，水泥浆回落，然后再回插至井底（即活动尾管），使环空内的水泥浆得以重新均匀分布，并正转管柱若干圈。

（3）憋压坐挂，水泥浆在环空内均匀分布后，上提悬挂器到坐挂位置后憋压到一定压力时，液缸剪销被剪断，活塞上移，推动卡瓦坐挂在∅244.5mm套管内壁上。

（4）坐挂成功后，正转若干圈，然后上提中心管脱离悬挂器，实现丢手正循环洗井，洗出多余水泥浆，洗井完成后，上提钻具，关井候凝。

3.4使用延迟固井水泥浆技术

为提高水泥环和套管的抗外载强度，配合液压尾管悬挂器回插工艺，开发研制初凝时间在3～4h的延迟固井低密度水泥浆，并通过改善水泥浆配方，提高水泥浆弹性模量来提高水泥环的抗外载强度。这种固井水泥浆应具有流动性好（n＞0.6）、不析水、失水量低（在7MPa、90℃条件下，30min失水小于30mL）、水泥浆密度（1.60g/cm3以下）、适用于100℃左右高井温条件、胶结后强度高、韧性好等特点。既保证了配套工艺的施工要求，具有较高的抗外挤强度，又保证在射孔时不易破碎、破裂。该水泥浆体系性能稳定，主要受温度影响，当试验温度为80℃时，水泥浆稠化时间为420min左右，试验温度每升高5℃，稠化时间将缩短30min，而强度发展较快。

4　结论及认识

（1）套管扶正器和刮泥器的合理安放和使用，既能较好地保证尾管的居中，又能有效清除井壁的泥饼，使环空水泥浆基本上能够均匀分布，确保水泥环与井壁有较高胶结质量。

（2）随着水泥环缺损角度的增加，套管的有效应力也逐渐提高，在水泥环缺损角度为150°～180°时套管有效应力达到最大值，此时套管的最大承载能力减小一半。因此要确保套管居中，从而减小套管的有效应力，延长套管使用寿命。

（3）随水泥环弹性模量的增大，套管水泥环抗均匀外载强度增加，因此要改善水泥配方来提高其弹性模量和密度，同时水泥浆还要具有流动性好、不析水、胶结后强度高、韧性好等特点，以满足尾管固井的要求。

（4）尾管回插固井工艺可以保证套管居中和水泥浆均匀分布，避免出现段塞、气塞等工况。回插式液压尾管悬挂器是先注水泥浆，后坐挂，改变了早期悬挂器先投球、憋压、坐挂、后注水泥的传统工艺。该工具若因下放管柱遇阻，需进行憋压循环洗井时不会意外中途坐挂，安全可靠，且作业工序连贯、简便。同时该工具也可以按常规的方法进行固井作业，方便灵活，可满足不同现场情况的要求。

（5）在尾管固井中，由于管外水泥浆失重而出现小循环现象，只要从设计上考虑避免水泥浆失重造成的压差，或切断小循环通路就可以防止小循环情况的发生。

（6）在尾管固井中，采用旋转尾管悬挂器在注水泥顶替过程中可以较好地旋转管柱，提高顶替效率，特别是尾管与环空小间隙处顶替效率，使水泥环分布相对比较均匀，消除水泥环中段塞和气塞现象，从而进一步提高水泥环胶结质量。

［1］宋明，杨凤香，等.固井水泥环对套管承载能力的影响规律［J］.石油钻采工艺，2002（4）：67-68.

［2］宋明.用101.6mm套管延迟固井技术修复残坏老井［J］.石油勘探与开发，2002（3）：28-30.

［3］李定先.尾管固井中的小循环现象及预防［J］.石油钻采工艺，1995（3）：22-24.

TE925

A

1004-5716（2016）04-0087-03

2015-04-02

郭建军（1964-），男（汉族），山东聊城人，工程师，现从事固完井现场技术服务和工具研发工作。