套管憋压对固井质量的影响及对策分析与研究

唐纬军

摘 要：根据川东北地区某井回压凡尔失灵后憋压侯凝导致固井质量差的问题，依据厚壁圆筒理论分析，列出了套管憋压产生微间隙的计算模型，分析了憋压产生环空微间隙的影响因素及对固井质量的影响。

关键词：固井 ;  微间隙 ;  预应力 ; 弹性模量

川东北地区某油田PL3井，5 1/2”套管固井时浮箍浮鞋失灵，碰压前施工泵压17Mpa，套管内憋压19Mpa侯凝，48h后测声幅，显示固井质量差。为了解决固井声幅差的问题，将钻井液密度从1.36g/cm3提高到1.95g/cm3后再测井，显示固井质量良好。根据这一事件，分析固井质量差的原因及本质，探讨应对策略，进而对预应力固井的原因进行深入剖析与探讨有比較重要的意义。

1 憋压对固井质量的影响

1.1憋压使套管产生的伸缩量计算公式

对套管进行厚壁圆筒分析，计算如下：设定套管尾厚壁圆筒，内半径为R1，外径为R2，管内憋压值为P1，管外憋压值为P2。套管内憋压时套管产生形变，负荷卸载后，形变恢复，之间的形变值用Δμ表示，即为套管内憋压所产生的套管伸缩量。

根据虎克定律，结合套管形变的院里，对套管进行径向应变及径向应力分析，并进行拉梅解答，得出以下方程：套管憋压计算模型。套管内憋压时（只考虑内压）：

备注：式中E为弹性模量，取210Gpa，γ为泊松比，取0.3，r为厚壁圆筒边界变量。

套管外憋压时（只考虑外压）：

1.2憋压值产生的套管伸缩量计算与分析

1.2.1 计算

设定某井套管直径139.7mm，套管内憋压，此时r值按内径计算，在壁厚分别为12.7mm、7.27mm情况下进行分析，按照上述公式1，得出憋压值（不考虑静压差的情况下）与套管伸量（微间隙）的关系为：

设定某井套管直径139.7mm，套管外憋压，此时r值按外径计算，在壁厚分别为12.7mm、7.27mm情况下进行分析，按照上述公式2，得出憋压值（不考虑静压差的情况下）与微间隙的关系为：

1.2.2 分析

根据表1计算所得，经过统计分析，得出套管内憋压值与套管伸量（微间隙）呈以下关系：

分析1：根据表2与表1的对比分析，套管内憋压值与套管外憋压值一样时，套管压缩量于套管伸缩量，例如壁厚12.7mm套管内憋压10Mpa时，套管伸量14.56μm，套管外憋压10Mpa时，套管缩量15.80μm。因此，套管内憋压（设定压力值为P3）后，在水泥浆未全井段完全稠化后泄压，再在环空憋压值不小于P3，理论上可以弥补之前形成的微间隙（未考虑环空水泥浆和水泥石的弹性模量、强度等影响）。

因此，套管内憋压侯凝时，如果在水泥浆未完全形成强度前泄压，套管外施加不低于憋压值的压力进行环空憋压，在不考虑水泥浆静胶凝强度情况下，可以弥补之前套管憋压、泄压所形成的微间隙。

分析2;根据表1可知，憋压值增大情况下，微间隙的增幅呈几何增长。因此，如果浮箍浮鞋失灵，憋压值不应太大，建议固井施工放回水检查回流后，憋压至静压差之值即可。

分析3：从表1或者表2可以看出，壁厚越大，套管内憋压对套管伸缩量与压缩量的影响，越小。例如表1中，套管内憋压15Mpa，壁厚12.7mm套管产生微间隙21.84μm，壁厚7.27mm套管产生微间隙39.39μm。

分析4：根据公式1和公式2可知，在不考虑过套管外水泥浆、水泥石影响的情况下，套管伸缩量（含微间隙）的产生之根套管内外径、憋压值、套管弹性模量、泊松比有关。

1.3微间隙对固井声幅曲线的影响

目前国内外关于微间隙值对固井声幅曲线的影响，缺乏量化研究。考虑到测井对钻井周期及成本的影响，没法现场实际验证。结合在西南区域部分井憋压侯凝的情况，从现场固井实例进行对比分析：

表3 套管内憋压情况与实际固井质量对比表

从上述对比来看，以壁厚12.34mm的139.7mm套管，憋压35Mpa，施工过程中不断泄压，分别泄压至22Mpa、10Mpa、5Mpa、1.4Mpa侯凝，固井质量良好;憋压8Mpa后泄压，固井质量受到影响，但是固井质量能达到合格水平;而憋压值达到18-20Mpa，固井质量不合格。

2 套管内憋压导致声幅差的补救措施

从以上计算可以得知，憋压导致固井质量声幅差，是因为憋压时套管产生了形变，而水泥浆侯凝后泄压，套管恢复到原来的状态，而水泥石（假定水泥石无弹性）已经形成强度，未能跟随套管一起变化，进而产生了微间隙。按照公式1计算，PL3井施工结束后，套管内憋压19Mpa，形变值为28.66μm，此微间隙足以对测井声波造成较大影响，进而导致固井声幅值较大。

根据以上原理，将钻井液密度提高到一定数值ρ，给套管一定的应力，使套管产生形变，紧紧的与水泥环结合在一起，再进行测井，就会消除微间隙对固井声幅的影响。

按照以上公式，PL3井原钻井液密度1.37g/cm3，憋压值19Mpa，井底垂深3285m。计算ρ值应为1.96g/cm3。

现场实际将钻井液密度提高到1.96g/cm3后测井，测井曲线显示一界面固井质量优质，原本声幅值50-70%的下降到10%以内。

3 压差预应力固井的意义

压差预应力固井是指固井时增加固井结束后套管内外的压差，例如单级固井时管内清水或者空气替浆，管外加回压，保证一定的压差，使套管产生一定的收缩预应力，来弥补各种因素形成的水泥环-套管微间隙，进而确保固井质量。

从上述分析得知，套管内憋压导致固井质量差的原因是憋压导致套管变形，而泄压后套管收缩但水泥石未随着变化，形成微间隙。因此，通过套管内加压测井的方法，使套管膨胀弥补之前形成的微间隙，可以测得相对较好的一界面固井质量，进而可以反映真实的二界面固井质量。但是较好的第一界面固井质量是一个假象，如果完井后钻井液密度恢复到之前，或者替成清水，第一界面固井质量依然会比较差。

根据上述理论，在焦石坝工区，固井时采用清水替浆，固井后环空加压18-25Mpa，固井质量优良率超过90%。此外，采取上述措施和水泥浆改进措施后，焦石坝地区固井后环空带压率从最高87.35%的降到目前的9.5%，因此压差预应力固井不仅能确保固井质量，还对降低环空带压率由比较的明显的效果。

4 结论

（1）在不考虑水泥浆压力、水泥石弹性模量的情况下，初略求出了套管内外憋压导致套管伸缩量的计算公式。

（2）套管内憋压引起套管伸缩而水泥石未相应变化导致了测井固井质量差，或者二界面固井质量失真，可以通过提高套管内钻井液密度的方法进行弥补，但该方法无法消除套管与水泥环的微间隙，如果降低钻井液密度至原来值，或者替换成清水，微间隙依然存在。

（3）压差预约力固井技术，使固井前套管被压缩，一方面可以减轻浮箍浮鞋失灵后，憋压对固井质量的影响，二有利于固井质量测井，三有利于降低环空带压率。

参考文献：

[1] 顾军，高德利，石凤歧，等 . 论固井二界面封固系统及其重要性 [J]. 钻井液与完井液，2005.22（2）：7-10.

（中石化中原石油工程固井公司  河南  濮阳  457001）