井筒完整性研究现状及进展

田晓冬

(西安石油大学 石油工程学院，西安 710065)

油气田的勘探开发，存在着经济效益高、潜在风险高等特点.目前，受到国际低油价、提高采收率技术等因素的影响，很多生产井处在超期服役的状态，设备腐蚀老化、组织管理落后等原因造成的油气井生产安全问题日益严重.因此，油气井完整性管理作为一种新兴的概念被提出来，在国际大型石油公司中备受关注并且得以成功应用.此外，新井特别是深井超深井、高温高压井、海上油气井也同时面临着完整性破坏的风险，亟待油气井完整性管理的开发应用[1-3].本文在大量调研国内外文献的基础上，对油气井筒完整性的基本定义、研究内容以及发展方向进行了详细的阐述，对建立国内的油气井筒完整性管理，改善识别到的不利影响因素，延长老井的寿命周期，降低新井的破坏风险具有实际的意义，从而保证能够更高效、更安全地开采油气.

井筒的完整性研究，主要通过对井筒全寿命周期中存在的风险因素进行识别和评价、制定相应的风险控制对策.从而将油气井正常运营的风险水平控制在合理的范围内，达到减少油气井安全事故发生，经济合理地实现油气井安全运行的目的[4-6].油气井完整性管理系统(WIMS)将其目标[7]描述为：延长油气井的使用寿命，确保安全生产，阻止地层流体失控窜流到环境或其中地层.将井筒完整性的研究分为三个方面：井下管柱及附件的完整性、井下作业的完整性、井口系统的完整性.

1 井下管柱及附件完整性

井下管柱及附件由于长期处于地下高温高压甚至强腐蚀的状态，因此其完整性容易遭到破坏，主要体现在以下两个方面：油套管的安全性(屈曲失稳、腐蚀等)、油套管的密封性.

1.1 油套管的安全性

油套管的安全性主要集中在油套管发生断裂、挤毁、弯曲、腐蚀等(见表1).

表1 油套管安全性研究内容及解决措施

尹飞等在国内外缺乏储层压实预测与定向井筒完整性评价的基础上，依据孔隙介质弹性理论提出孔隙压力下降引起储层压实量与地表沉降量的计算公式.经研究认为井筒的主要失效机制是生产井段中套管屈曲失稳和储层中套管挤毁，并提出使用高钢级或厚壁套管来改善井筒的完整性[8].

秦宇等阐述了井筒的完整性对于钻井及后期增产的重要作用，并结合实验数据分析了井筒完整性失效的机理，分析表明套管的损坏是由许多因素造成的，包括地层泥岩吸水蠕变和膨胀、产层出砂、岩层滑动、断层活动、盐岩蠕变、坍塌及地震等[9].

ROY P等针对热应力导致套管伸长和收缩从而致使井屏障系统破裂进行了系统的研究.他们使用实验和模拟相结合的方式来分析在热循环的条件下套管的热力学行为，从而能够确定故障出现的位置以及频率.结果表明在热效应的作用下，套管内部会产生大的应力，将会形成径向裂缝[10].

KANG Y等针对电动潜水泵产生的热量导致井筒温度以及环空压力上升，从而致使井筒完整性破坏的现象进行研究.首先考虑电动潜水泵的热效应，用井筒温度模型描述热量的对流及传导；随后采用油套管设计软件平台进行实例研究，结果发现井筒度升高，导致井筒轴向应力增加了23.6%.因此,在设计阶段要考虑到电动潜水泵散热导致环空压力升高，引起井筒完整性受到破坏[11].

1.2 油套管的密封性

油套管的密封性主要集中在油管螺纹接头破坏、外套管封隔器裂口、套管内部持续带压、电偶腐蚀缝隙腐蚀等(见表2).

张智等针对按照API/ISO或者GB/SY标准设计的油套管在生产中不能保证其完整性的现状，从三个角度对其进行了分析，包括限制API圆螺纹和偏梯形螺纹使用，金属接触气密封螺纹的选用，潜在的电偶腐蚀和缝隙腐蚀等，并研究了降低螺纹连接部位腐蚀、泄露或断裂的方法，建议在井筒完整性的设计过程中应该重视螺纹的选用[12].

表2 油套管密封性研究内容及解决措施

JONES P J等针对乌克兰边境处一口井筒完整性受到严重破坏的页岩气井进行研究，由于外套管封隔器出现裂口并且破裂压力达到62 MPa.基于此提出一种新型合成树脂密封剂，该密封剂能够承受69 MPa以上的压力，并且具有一定的抗压缩能力.现场实践表明，使用该种新型合成树脂材料来修复损坏的封隔器是有效的，并且通过了随后的抗压测试[13].

ROCHA-VALADEZ T等对大多数井出现的套管持续带压进行研究.气体通过水泥环、封隔器或者套管的泄露都会造成持续套管带压.基于此建立了持续套管带压测试数据的定量分析理论模型，假设气体泄漏至环空并且向上窜流，引入一阶控制方程以及线性差异方程.通过与现场数据进行对比，发现气体的窜流将会导致套管压力的升高[14].

王蕾琦针对高温高压超深井中接头经常发生的泄露、脱扣、破坏等现象，利用建立的接头三维有限元模型，并通过Abaqus软件在油管处施加扭矩，详细研究了特殊螺纹接头的完整性，得到在最佳上扣扭矩条件下，该特殊螺纹接头的密封性与连接强度都满足设计要求，即具有良好的完整性[15].

2 井下作业完整性

井下作业的完整性问题主要集中在钻完井、固井、生产等方面.

2.1 钻完井完整性

钻完井完整性主要集中在地层压力、井喷溢油、工程风险、非常规钻井等方面(见表3).

表3 钻完井完整性研究内容及解决措施

段明星等在大量调研美国墨西哥湾Macondo井喷溢油事故资料的基础上，提出需要从井漏与井喷、井眼内液柱压力控制和深水井控等方面对深水油气井完整性进行改进[16].

SALEHI S等发现套管钻井中涂抹效应能够加强井筒完整性，但其并未被量化研究，其中有许多不确定因素，包括套管与泥饼之间的接触、钻井流体的类型等.基于此对其进行数值模型与分析模型的研究，数值模型考虑了泥饼与地层的地质力学特性，分析模型计算了不同尺寸套管的接触力.结果表明,当套管转速达到每分钟100转时，就不会形成泥饼；当套管环空尺寸比率超过0.8时，井底压力会急剧升高[17].

王宇从地层压力特征的角度对磨溪高石梯区块震旦系探井钻井和完井过程的完整性进行了评价，对井身结构设计、钻井液密度、井控、套管设计的完整性评价表明在探井和钻完井各个作业阶段配置的井屏障组件是有效的，能够防止地层流体的无序流动，从而保障了井筒的完整性[18].

何龙基于井筒完整性管理，针对元坝气田长兴组钻完井面临的工程风险进行了完整性分析，并认为钻井工程中的井筒完整性是整个完整性管理的重要组成部分.在井筒完整性的设计与管理过程中，通过工程地质研究，钻进液密度优化，充分发挥了初次井屏障的核心作用，并对井身结构进行优化，提高了管材的抗压级别，保障了元坝气田超深井的安全高效开发[19].

TEASDALE P等首先阐述了马塞卢斯页岩盆地非常规钻井出现的井筒完整性问题，随后介绍了基于连续油管的高性能膨胀管.由于水泥环胶结质量较差，即使进行挤水泥操作也不能承受压裂时的高压力，提出采用连续油管将高性能膨胀管下入井底，接在套管上，测试结果表明能够承受住68 MPa的压力，满足压裂要求[20].

2.2 固井完整性

固井的完整性主要体现在水泥环的完整性，表现为压裂水泥环损坏、注蒸汽水泥破裂、固井水泥浆漏失、酸化破坏射孔区、固井屏障的失效、套管层位封隔差等(见表4).

表4 固井完整性研究内容及解决措施

张智等基于挪威石油工业协会以及美国石油协会的井筒完整性标准，结合很多高温高压井由于固井质量差导致的重大安全环境事故经验，例如美国海湾地区的1992—2006年的39起井喷事故中，有18次与水泥固井质量有关，重新给出固井水泥屏障的设计要求，并指出由于不能有效掌控固井水泥屏障，致使其成为井筒完整性最薄弱的环节[21].

JAIN B等针对阿曼地区注蒸汽开采井进行研究，发现蒸汽热循环会导致水泥环破裂造成蒸汽乱窜，从而导致开采成本增高.基于此开发了一种新型水泥浆系统，在注入水泥浆之前首先注入纤维球从而避免漏失，随后模拟了蒸汽注入时对水泥环产生的压力，并对水泥浆的机械性能和热力学特性不断进行优化，最后评价了井筒的完整性.结果表明，新型水泥浆系统在多轮次热循环的作用下并未发生蒸汽泄露，密封性良好[22].

高云文等针对压裂过程造成水泥环损坏从而导致井筒完整性失效的现象，分析了水泥石弹性模量、屈服强度等对地层-套管-水泥环组合体密封完整性的影响.结果表明，水泥石的弹性模量越小，越不容易产生硬性压碎破坏，屈服强度越高，卸载后界面抗撕裂能力越好，最后结合长庆油田合平4井的现场工程数据，表明改造后的韧性水泥浆性能满足施工及生产要求[23].

ANUGRAH A等针对固井过程中经常出现的泥浆漏失致使固井失效的现象，提出一种水泥隔档系统.该系统包含生物聚合物，能够在地层表面形成有效密封，增强井壁的稳定性，减少固井时的泥浆漏失以及回流.在现场的应用表明，当水泥浆的密度从10.5 ppg增加到13.5 ppg时，并未出现水泥浆漏失的情况，而且随着水泥浆密度的增加，增强了早期水泥强度，减少了候凝时间，降低了低密度水泥浆的使用，从而大大降低了成本[24].

SCHREPPERS G认为水泥环的密封性对于整个开发过程中油气的流动具有重要的作用，并概括了四种水泥环破坏的模式：水泥环发生应力破裂，水泥环发生剪切破坏，水泥环套管产生间隙，水泥环岩石产生间隙.基于此，进行了非线性的热传导二维三维分析，分析包括了从井的设计阶段直至废弃阶段，模拟并评价了水泥环的密封性，并计算了水泥环发生一种或多种破坏模式的机率，最后给出并讨论了一些数值模拟模型[25].

BOGAERTS M等将水泥环完整性作为井完整性的一个单独部分分离出来，分别从设计、作业、评价三个方面对其进行研究.在设计阶段，确定水泥环的作用，并通过仿真水泥环的位置、水泥浆的设计、甚至井的设计进行优化来尽量减少水泥环施工时的危险.在作业阶段，先进的设备提高了专家对注水泥过程的控制，实时的信息传递能够使陆上的专家控制海上的注水泥操作，并且提供专业性的建议.在评价阶段，水泥环的评价流程需要作业过程中的各项参数，包括注水泥参数、钻井参数、作业阶段参数、作业后测试等[26].

VASQUEZ J等研发了一种有机交联聚合物密封剂系统，能够在特殊的情况下替代水泥浆，解决套管泄露、层位封隔差等问题.该系统能够在裂缝通道中形成水凝胶来降低基质的渗透率，承受压力在18 MPa以上，适用温度范围是4 ℃到204 ℃，并且能够在酸性、CO2、H2S环境中使用.目前，该系统已经被广泛地用在解决底水锥进、高渗地层、砾石充填隔离、裂缝闭合等问题[27].

许明标等针对固井后套管-水泥环-地层形成的固井屏障容易失效造成井筒完整性破坏的现状，优选了增韧材料GBS-51并将其与胶乳复配，结果证明新的水泥浆体系具有很高的韧性，完全满足现场固井的需要，不仅避免了原先胶乳水泥浆体系成本高的缺点，而且具有很广的温度适应性，有利于保障井筒的完整性[28].

ABDEL AL AZIZ M等针对分级注水泥装置寿命周期短引起井筒完整性破坏的现象，讨论了新型密封分级注水泥装置的成本以及可靠性.该装置能够承受69 MPa的压力、177 ℃的温度，并且能够使用一根长套管固井，减少了衬管悬挂器和尾管回接的费用，能够将建井的时间缩短了6到7 d.此外，该装置的设计依照ISO标准进行，这也最大化了其可靠性和适用性[29].

ICHIM A等针对井筒完整性中人为因素造成的不确定性，介绍了在俄亥俄大学开发的水泥存储系统，目的在于建造一个泥浆存储设备以及泥浆数据库.所有的泥浆信息都会存储在一个定制的数据库里面，泥浆样品会被存储在俄亥俄大学一个特定的恒压泥浆存储设备，它们来自井场胶结的水泥，并由特殊的移动式高压蒸汽灭菌器运送.一旦出现井筒完整性问题，就可以准确地找到对应泥浆的性质[30].

2.3 生产完整性

生产完整性主要集中在增产措施，表现为压裂早期裂缝的增长，开发考虑岩石机械性质，压裂套管水泥环地层力学行为.

KOSTOV N等为了维持水力压裂过程中井筒的完整性，研究水力压裂诱导裂缝的早期增长、井筒附近受压状态，并由此开发了一种裂缝动态增长模型.该模型基于内聚力模型，并通过现有的裂缝增长分析方法以及实验室裂缝模拟进行验证，此外还考虑了裂缝动态增长的机理以及固体流体等多种物体的性质.结果发现，在早期的裂缝增长中，裂缝的增长与井筒附近的应力状态是非线性的关系[31].

NARASIMHAN S等分析认为在开发过程中忽略岩石机械性质会致使水平应力较高，岩石发生脆性到韧性、剪切到压实的转变，从而导致井筒完整性受到损害.因此，对巴肯地层开发过程中岩石的性质进行研究，并将岩石的性质(杨氏模量、泊松比等)作为有效应力的函数进行重新计算，从而能够准确地计算出探边井和开发井之间裂缝形状，最后进行了水力压裂模拟[32].

刘奎等基于弹塑性力学，借助复变函数与应力场分解，分析研究了页岩气压裂过程中水平段套管-水泥环-地层系统的力学行为.结果表明：相对于套管，水泥环内表面更容易达到屈服极限，而且套管壁越厚，套管内径和水泥的弹性模量越小，水泥环越安全，井筒的完整性越能得到保障.研究结果对压裂过程中的井筒完整性具有很大的意义[33].

3 井口系统完整性

井口系统的完整性主要体现在井口设备的完整性.

张双红针对川东北地区高温、高压、高含硫气藏对井口设备腐蚀严重的现状，首先依据最大井口关井压力，H2S和CO2腐蚀分压以及井口流温，确定了井口设备的产品规范、压力、温度、材质等级及结构类型.随后针对Cameron公司设计的SSMC型井口装置及采气树，通过有限元分析其强度完整性以及实际密封测试研究其密封完整性，并给出了整个气井井口设备的完整性[34].

4 井筒完整性的展望

4.1 发展趋势

随着油气井发展带来的挑战及HSE观念的深化，井筒完整性将越来越受到石油公司和政府的关注.井筒完整性将得到更广泛、更深入的研究.井筒完整性设计贯穿油气井的整个生命周期，包括油气井设计、钻井、完井、生产、维修、废弃各个环节.每个环节都实施井筒完整性方针、技术，各个环节信息共享，使井筒完整性决策更加系统周密.

开发新型井筒完整性监测、检测工具，更加及时准确地发现井筒存在的完整性问题.发展井筒完整性修复的新工艺技术，为不完整的井筒修复提供技术支持.油气井的井日志、监测数据、操作记录等信息自动采集、输入软件；根据数学模型、数值分析等对井筒状态进行评价；针对不同的井筒完整性问题，给出相应的解决方案.

4.2 发展意见

4.2.1 针对井筒完整性在各个阶段的内涵，制定相关的标准

国内石油行业、科研单位应迅速、高度重视井筒完整性.通过对井筒完整性的监测、预测、干预，可以减少停产、维修次数，增强油气井的适用性、安全性及经济效益.建立井筒完整性的技术标准，编制软件对相关数据进行管理并发展新技术提高井筒的完整性.

《钻井和作业的油气井完整性》是目前唯一关于油气井完整性的专业标准，但是该标准不能完全适应我国石油陆上高温高压气井的勘探开采，因此为实现安全高效开发，急需制定相关的法律法规，使油气井开采有法可依，有规可用，减少事故的发生率.

4.2.2 建立科学合理的井筒完整性体系，找到合理的风险评价方法

井筒的完整性是牵涉到油气井设计直至废弃全过程，每个阶段的完整性都有不同的内容，因此需要确定完整性的内涵以及针对不同阶段完整性的评价判定方法，建立起井筒完整性的评价体系，从而能够对油气井进行时刻有效的监督管理.

在井筒完整性体系的基础上，结合风险识别和风险评估，对井筒失效发生的概率、损失程度进行全面的评估，确定发生风险的可能性及危害程度，并与规定的安全指标比较，衡量风险发生的程度，并适时采取相应的措施.

5 结论

(1)随着老化油气井、深井超深井、高温高压井、海上油气井的增多，井筒完整性管理及应用愈发重要.作为一种全新的技术和生产管理理念,井筒完整性管理不仅是贯穿于油气井整个寿命周期的管理,又是技术、操作和组织措施的全方位综合管理，它最大化了油气井的适用性、安全性及经济效益.

(2)国内对油气井完整性的研究尚处在起步阶段，应从重点突破、政策制定、风险管理等方面对井筒完整性进行研究，形成完整的井筒完整性体系及成熟的软件管理系统，能够尽快应用到现场，提高各大油田的经济效益.