高温高压井水泥环缺失对多层套管应力影响规律

由于高温高压井中,固井工况复杂,套管与水泥环之间会出现缺失现象,导致套管损坏,尤其多层套管时上述问题更为突出而复杂。针对上述问题,以准噶尔盆地南缘某高温高压高产气井为研究对象,建立了套管水泥环缺失套管水泥环套管地层轴对称有限元模型,模型中水泥环缺失处采用圈闭流体单元,岩石和水泥环采用EDP本构模型,相互界面间用接触力学有限元模型。研究结果表明,该模型能够准确分析复杂条件下水泥环缺失套管受力情况,解决了以前的模型无法模拟水泥环缺失处流固耦合问题;当套管环空出现环状缺失时,水泥环缺失的交界面附近应力最大且水泥环缺失处液体性质对套管强度有较大影响。为保证其井筒完整性,在深井、超深井中,建议优化水泥环返高,使水泥环不返到井口,减小固井段长度,消除水泥环缺失问题。

新疆低渗透储层压后返排制度优化研究

压后返排作为压后管理的重要组成部分已经得到了压裂工程师的广泛关注,特别对于低渗透储层而言,如不能及时返排出储层中的压裂液,压裂液将会进入储层深部,对储层产生二次伤害。但如果返排速度过快,又会导致支撑剂发生回流,降低压裂效果,严重的会导致井筒及井口装置的破坏。因此,低渗透储层返排控制的一个重要关键技术就是优化合理的返排流速。返排见气前,本文基于物质平衡原理,利用渗流力学和工程流体力学理论,建立了支撑剂回流及裂缝闭合时间计算模型,得到了不同时刻井口压力与最佳油嘴匹配关系图。当返排见气后,研究并分析了见气后油嘴变大的原因,给出了具体的油嘴制定方法。以新疆低渗透储层X井为例,制定了返排优化方案,取得了较好的返排效果,该方法对同类储层具有一定的借鉴作用。

均匀地应力下水泥环应力计算及影响规律分析

套管试压工况下水泥环受力状态恶劣,容易导致水泥环发生破坏。运用弹性力学理论,对套管试压工况下的套管、水泥环和地层模型计算公式进行了推导,得出均匀地应力条件下水泥环二维应力状态解析解,并对模型进行了有限元数值模拟。分析了套管试压值、地应力、水泥环厚度、水泥石弹性模量、水泥石泊松比等因素对水泥环受力状态的影响规律。分析结果表明,水泥环无论在何种受力情况下,其内径处均易聚集较大应力;水泥环厚度的确定不但要考虑固井顶替效率和固井质量等影响因素,还应考虑水泥环与地层匹配情况以及水泥环可能的受力状况;水泥石弹性模量越小,水泥环受力越小,水泥环也就越安全。该项研究成果对注水泥固井设计及水泥环受力优化具有一定的理论指导意义。

交变压力下固井界面微间隙产生规律研究

针对油井长期服役过程中的固井界面微间隙产生机理及规律问题,对比国外学者的经典试验,利用ABAQUS有限元软件对套管内压交变作用下的固井界面力学响应进行了模拟分析。分析结果表明,当套管和水泥环应力均处在弹性范围内时,没有微间隙产生;而在高应力作用下水泥环中存在塑性残余变形时,套管内压交替变化将导致套管、水泥环和地层界面变形不再协调,将可能脱开产生微间隙。因此得出结论:套管内压交变作用下的水泥环塑性残余变形是导致微间隙产生的主要原因之一。进一步对影响微间隙尺寸的关键因素及规律进行分析,指出套管内压值越大,产生微间隙的可能性就越大,套管内交变压差越大,微间隙的尺寸就越大;在套管内交变压力作用下,软地层比硬地层固井界面更容易产生微间隙;同时,选用低弹性模量水泥固井界面产生微间隙的可能性则会降低。研究结果对环空带压和环空窜流的产生原因及预防具有重要意义。

非常规油气井压裂过程中水泥环完整性实验评价

非常规油气井大规模压裂使水泥环处于极端服役环境,极易导致水泥环屏障失效,而避免水泥屏障失效的关键在于弄清压裂诱导的交变压力下水泥环完整性失效机理。因此,采用自主研发的实验装置模拟井筒环境开展了全尺寸“生产套管普通(高强度)水泥环技术套管”两种组合体在交变压力下的密封性能和界面力学性能测试及评价,利用密封失效循环次数和界面胶结强度分别表征了水泥环密封性能和界面力学性能,获取了普通水泥环在4种交变压力(0↗30↘0,0↗50↘0,0↗60↘0和0↗70↘0 MPa)、高强度水泥环在5种交变压力(0↗30↘0,0↗50↘0,0↗60↘0,0↗70↘0和0↗80↘0 MPa)下的完整性实验结果,分析了交变压力峰值及循环次数对水泥环完整性的影响规律,揭示了水泥环完整性在交变压力作用下的失效机理及过程,明确了水泥环密封性能和界面力学性能之间的相关性,发现了高强度水泥环耐交变压力的密封/抗窜能力及界面力学性能均明显优于普通水泥环。研究成果可为非常规油气井水泥浆体系的优选及压裂施工参数的优化提供重要依据。

暂堵型聚合物凝胶压井液在复杂气藏低压气井中的应用

目前凝析气藏国际最为复杂气藏,其复杂在于气体随压力变化相态也在变化,而准噶尔盆地的凝析气藏不仅相态随压力、温度变化而变化,其储层的岩性种类多、变化快,这为气田修井作业造成很大难点。随着气田的开发深入,地层压力逐渐降低,修井作业中压井液漏失量大,储层污染严重,导致气井复产困难。研究出具有暂堵性能的聚合物凝胶压井液。该压井液无固相、稳定性好、防膨率高、抗剪切、低滤失,同时具有良好的防漏、暂堵性能,其封堵率大于99%,突破压力梯度大于13.5 MPa/m。通过多井次现场应用,取得良好的储层保护效果,压井液漏失量明显降低,产量恢复率可以达到90%以上,有效解决了低压、中强水敏、易漏失地层的气井复产难题。

二次固井工艺技术优化研究与应用

为满足气田开发,将对新疆K气田部分老井的连木沁层位进行开发利用时发现,需要对该部分井进行二次固井。根据储层高渗漏特性,以及油层套管及技术套管二次固井需求,研制大颗粒防漏泥浆,优选G级微膨胀水泥,同时将锻铣取套、分层注灰等工艺技术相结合,建立一套二次固井工艺技术体系。在新疆K气田五口井进行现场运用,取得良好效果,同时为同行业二次固井工艺优选实施提供借鉴。

永久性弃置井封堵效果的试验评价

随着油气资源的持续开发,无商业开采价值的油气弃置井日益增多,弃置井的封堵效果是其永久保持井筒完整性的关键。为此,基于永久性弃置井特点及封堵技术规范和要求,提出了一种永久性弃置井封堵屏障单元的封堵效果测试及评价方法,自主研发了评价套管内水泥塞和套管外水泥环封堵有效性及可行性的测试系统,并模拟我国西北典型井井下工况开展了弃置井管内水泥塞和管外水泥环的密封性能测试和界面力学性能测试,获取了水泥塞、水泥环的突破压力、击穿压力及其与套管之间界面力学参数,分析了水泥塞/水泥环长度对其密封性能的影响规律,并拟合得到了水泥塞/水泥环长度与封堵压力的函数关系,对比了水泥塞与水泥环的密封性能及界面力学性能,明确了水泥塞/水泥环密封性能与界面力学性能之间的相关性,发现了水泥塞与水泥环封堵屏障的薄弱区。研究成果可为永久性弃置井封堵水泥浆体系及施工参数的“量身定制”提供依据。

超深井卡瓦悬挂器套管力学强度有限元分析

针对新疆某油田超深井在更换密封件提起采油四通时,发现井口悬挂器卡瓦夹持处套管断裂的问题,结合现场X1井使用的ø232.5 mm W型卡瓦悬挂器结构,建立了悬挂器坐挂-卡瓦夹持套管的三维有限元模型。根据第四强度理论推导出卡瓦效应的套管极限载荷计算公式,并通过有限元计算得到了理论公式的修正系数为0.913,同时得到在套管坐挂时,X1井卡瓦效应的套管极限载荷为6400 kN。有限元计算结果表明:卡瓦部分套管上的应力呈现非均匀分布,尤其是套管外壁非均匀程度较严重,且外壁牙痕上的应力集中是套管损伤、裂纹起裂和断裂的主要原因;如果存在较高的环空压力,在卡瓦部分或过渡区套管均有可能发生断裂失效破坏。建议选择无齿痕的卡瓦夹持套管,或者采用全金属密封的心轴式悬挂器,避免卡瓦悬挂器造成套管损伤破坏。研究方法和成果可为深井超深井卡瓦悬挂器套管的安全评价提供理论指导。

水平井固井质量对套管变形影响分析

针对某井区深井X-1h井中出现的套管变形损坏问题,对比分析了压裂段固井质量与套损位置关系,基于现场数据,建立了套管-水泥环-地层力学耦合模型,分析了套管-水泥环界面胶结失效后形成微间隙的大小、水泥环破坏后的缺失角度以及水泥环缺失方位对套管应力和变形失效的影响。研究结果显示:固井质量不佳对套管的应力及变形失效有显著影响;套管-水泥环界面过大的微间隙会由于套管在内压作用下的鼓胀效应而放大内压的作用;当水泥环缺失角度在45°~60°区间时,套管Mises应力最大,超过套管材料最小屈服强度;当水泥环缺失方位与井周最小主应力方向一致时,套管应力集中最明显,略大于套管材料的最小屈服强度,套管局部发生塑性变形失效。研究结果可为现场固井作业施工提供一定的指导。

水力压裂诱发断层滑移对套管的剪切作用研究

国内某平台出现的压裂过程中的套管变形损坏问题频发,现场蚂蚁体测试结果显示该区块储层天然裂缝及断层发育,因此推断水力压裂诱发断层激活滑移导致套管受剪切变形。首先建立了包含上部盖层、含有断层的储层以及下部隔层的断层滑移地质力学模型,对断层面间相互作用关系进行推导,运用黏聚接触方法对其进行表征,模拟计算了压裂液进入断层后断层激活滑移的距离。随后建立了含有断层的三维水平井套管—水泥环—地层力学耦合模型,计算分析了压裂诱发的断层滑移量及其对套管所受外载荷、应力及变形的影响。结果表明,水力压裂流体进入后降低了断层胶结物胶结强度与断层面摩擦强度,使得断层系统力学平衡被破坏,导致断层激活滑移;断层滑移的剪切作用会给穿越断层的套管施加强度高且非均匀性强的外载荷,造成套管变形失效。研究验证了现场对于套管变形是由于压裂流体激活天然裂缝及断层滑移剪切套管所致的猜想,并提出了相应的预防措施,对现场实际作业具有一定的指导意义。

基于循环加载测试的水泥环抗窜能力试验评价

为科学评价水泥浆体系的抗窜能力,基于可模拟循环变载条件的水泥环抗窜能力试验装置,对不同候凝条件和不同配方的水泥浆体系抗窜能力进行试验分析。分析结果表明:在套管内压循环变载条件下,相同的水泥浆体系在不同的候凝条件、不同体系在相同候凝条件呈现出不同的抗窜能力,如在套管内外35 MPa压差下,配方1的水泥浆体系循环30轮次未出现破坏,而配方2的水泥浆体系在循环第5轮次产生了微裂纹和微环隙,而采用水泥浆性能系数法(SPN)和气/水窜测试仪分析,这两种体系的抗窜能力接近。因此,对于采用分段压裂进行储层改造的页岩油气井,增加多轮次变载条件下水泥环抗窜能力评价,有助于设计出更合理的水泥浆体系,选取更科学的施工参数。

水泥环力学完整性系统化评价方法

在油气井生产周期的不同作业阶段,水泥环在前一阶段的受力状况会对后续生产阶段的力学响应产生影响,水泥环力学完整性的评价须系统化。类比于隧道开挖工程中需要添加支护结构支撑开挖后围岩收敛的过程,石油工程中的钻井过程与其有一定的相似之处。在弹塑性力学的基础上,将隧道收敛约束法引入石油工程中,提出水泥环力学完整性评价方法。结果表明,运用该方法不仅可以直观地描绘出水泥环的破坏形式,还可以对破坏程度进行量化,可用于水泥环完整性的系统化评价和钻井工程设计指导。

复杂长裸眼井段套管下放动态过程模拟研究

长裸眼水平井由于复杂的空间轨迹和较高的摩阻会导致套管在下放过程中承受较大的阻力而无法到达预定位置。针对该技术问题,基于动力学理论、现场井眼轨迹、井身结构、井径和套管柱结构等数据,建立了全井段动态下放的套管柱有限元模型,对不同下放深度下全井段套管柱的力学行为进行了研究,并在此基础上对现场下套管采取上提冲放措施进行了动态过程分析。模拟结果表明:随着套管摩阻的增大,套管柱在下放5 400 m后无法继续,直井段套管发生了严重的螺旋屈曲;上提下放过程中,套管柱的受力十分复杂;通过对下套管采用动态模拟既可以得到套管在一定井深阶段能否自由下放的决定因素,还可以明确现场采取“上提冲放”优化下套管作业对套管产生的实际影响。研究结果为指导套管顺利下放提供了理论依据。

重点风险探井高探1井三开中完固井顺利完成

2018年10月,股份公司重点风险探井高探1井三开技术套管安全下至预定井深。9月29日凌晨,高探1井开始固井注水泥浆作业,经过近6h的连续施工,中完固井作业顺利完成。高探1井位于准噶尔盆地南缘冲断带四棵树凹陷高泉东背斜,设计井深5 980m,目前中完井深为5 430m。该井三开井段钻遇塔西河组、沙湾组、安集海河组和紫泥泉子组4个层位,此4层同打属首次实施。其裸眼井段长且岩性复杂,井壁稳定性差,钻井面临诸多挑战。使用油基钻井液体系进行三开钻进,钻进过程中逐步将钻井液密度提高至1.98g/cm^3以上后,井壁掉块现象缓解,井壁稳定性提高,顺利实现了4层同打。