氣井生產期間井筒內溫度變化對水泥環密封完整性影響的研究及應用

李德旗, 張 華, 郭玉超, 劉斌輝, 紀宏飛, 付 志, 劉碩瓊

(1中國石油浙江油田公司 2中國石油集團鉆井工程技術研究院 3天津大學 4中國石油西南油氣田公司工程技術研究院)

隨著天然氣井勘探開發的不斷深入，井下地質條件及井身結構也越來越復雜，固井后環空帶壓或井口竄氣問題也越來越突出。通過資料調研可知引起環空帶壓的主要原因是：油管或套管的螺紋連接不好，腐蝕、內管柱熱應力破裂或機械破損，封隔器、滑套等密封不嚴的泄露；井眼條件差、前置液設計不合理、固井工藝不合適或現場施工中出現問題等導致頂替效率差，影響界面膠結質量；水泥漿失水量大、穩定性差，失重時水泥基質滲透性高、防竄性差，水泥石體積收縮等的水泥漿體系設計的不合理[1-6]。通過提高管柱的氣密封性，優化井眼條件，合理設計前置液的用量，控制水泥漿失水量、提高穩定性及防竄能力等技術措施優化改進，整體固井質量有所提高。雖然目前在鉆完井及生產期間的環空帶壓屬于可控性帶壓，但該問題仍然比較突出。

為了更好地減緩環空帶壓風險，在前期分析環空帶壓問題的基礎上，本文采用水泥環密封完整性模型分析了生產期間影響環空帶壓的原因，并提出了解決措施，初步形成了提高高石梯-磨溪地區水泥環密封完整性的固井配套技術措施，減緩了環空帶壓風險，為天然氣井的安全生產運行提供了強有力的技術支撐。

一、生產期間的溫度變化情況及對環空帶壓的影響

生產期間的工況變化情況容易出現：高溫腐蝕下水泥石晶相變化影響水泥石內部結構及完整性；高溫條件下強度衰退降低了水泥石對后續作業環境的長期適應性；溫度和壓力越高，對水泥環結構完整性影響越大；井下工況下，溫度對結構完整性的影響大于壓力的影響等導致水泥環密封完整性失效，出現環空帶壓現象。為了分析高壓氣井在溫度、壓力變化條件下井筒應力分布及水泥環失效風險，建立了考慮溫度、壓力變化的套管-水泥環-地層組合體力學模型[7-8]。模型首先計算組合體溫度場的分布，根據溫度場變化，計算井筒應力場的分布。

1. 生產期間的井筒內溫度升高對水泥石抗壓強度的影響

在四川高石梯-磨溪區塊的天然氣井在生產期間，大約70%井的井口溫度超過85℃，最高達103℃。通過調研分析可知，由于技術套管和生產尾管回接固井的垂深都在2 800～3 200 m，井底靜止溫度一般80℃～90℃，固井水泥漿均采用純水泥漿體系，雖然固井質量優質率和合格率都比較高，但是并沒有考慮天然氣井生產期間井筒內溫度會升高甚至在上部井段井筒內溫度超過110℃，當水泥石的環境溫度超過110℃時，高溫下純水泥石的結構易被破壞、抗壓強度衰退嚴重(見表1)，影響水泥石的環空封隔能力甚至失去密封能力[9]。

表1 120℃對水泥石強度的影響

2. 生產期間的井筒內溫度升高對水泥環密封完整性的影響

(1)工況Ⅰ：?177.8 mm尾管固井后，四開完鉆前，?177.8 mm尾管上部；井口按地表溫度20℃，井底溫度135℃，則3 200 m處溫度可簡化計算得：90.7℃。

(2)工況Ⅱ：生產期間，?177.8 mm尾管上部；若井口溫度90℃，井底溫度150℃，則3 200 m處溫度可簡化計算得：124.9℃。

(3)工況Ⅲ：生產期間，?177.8 mm尾管下部；若井口溫度90℃，井底溫度150℃，則4 990 m處溫度可簡化計算得：144.4℃。

從表2可知，工況Ⅱ相比工況Ⅰ，雖套管內壓下降近20 MPa，但由于溫度升高，導致水泥環的兩種應力并未下降。工況Ⅲ相比工況Ⅰ，套管內壓相近，但由于溫度大幅升高，導致水泥環的兩種應力大幅上升，Tresca應力達60.3 MPa。

表2 三種工況下的應力狀態

二、提高水泥環密封完整性的配套技術措施

1. 針對套管內溫度變化造成的環空微間隙問題的應對措施

1.1 韌性改造水泥石降低水泥石彈性模量

由圖1可知，隨著井深的增加，彈性模量不同的水泥石的一界面壓力均逐漸增大；在同一井深處，水泥石彈性模量由5 GPa依次增加到10 GPa時，一界面壓力隨著彈性模量的增加而增大。因此對水泥石進行韌性改造，降低水泥石彈性模量能夠提高界面接觸力，提高水泥環密封完整性能。

圖1 水泥石的不同彈性模量對一界面壓力的影響

1.2 采用抗高溫水泥漿體系

對水泥漿體系的性能設計，不但要考慮鉆完井期間井筒內的溫度情況，也應該考慮生產期間井筒內的溫度升高情況，因此在技術套管和回接套管固井時，應采用抗高溫水泥漿體系，防止水泥石高溫條件下發生強度衰退，提高層間封隔質量。

1.3 采用DR常規密度高強韌性水泥漿體系

DR常規密度高強韌性水泥漿配方為:嘉華G級+25%高溫增強材料DRB-2S+5%膨脹增韌材料DRE-300S+5%防竄增韌材料DRT-100S+4%微硅+3%降失水劑DRF-300S+1.5%分散劑DRS-1S+0.3%消泡劑DRX-1L+0.3%抑泡劑DRX-2L+X%緩凝劑DRH-100L+50%水。該體系的沉降穩定性上下密度差為0，API失水量12 mL，游離液量為0，稠化時間120～360 min可調，低溫強度發展快(在30℃下水泥漿12.8 h起強度，水泥石強度11.3 MPa/24 h)；水泥石彈性模量6.47 GPa，體積膨脹率0.13%,且模擬生產期間溫度升高情況，先將水泥漿放置在30℃×20.7 MPa養護48 h后，再升溫至120℃×20.7 MPa進行養護后其水泥石強度53.8 MPa/48 h，62.1 MPa/168 h。由以上實驗數據可知，該水泥漿體系高溫強度無衰退，滿足工程應用要求。

2. ?244.5 mm套管和?177.8 mm尾管回接固井配套技術

為提高水泥膠結質量、減少生產期間環空帶壓現象，針對?244.5 mm套管和?177.8 mm尾管回接固井提出了以下技術措施：采用雙凝水泥漿雙膠塞固井，水泥漿返出地面5～10 m3；在井不漏的情況下，盡可能提高注替排量，提高沖洗頂替效率，確保水泥封固質量；全封固段采用抗高溫韌性水泥漿體系。

三、現場應用

2014年高石梯-磨溪區塊完井試油期間有4口井環空帶壓；因此通過優化?244.5 mm套管和?177.8 mm尾管回接固井水泥漿體系及工藝技術措施，初步形成了提高水泥環密封完整性的固井配套綜合技術措施。通過技術推廣應用，2016年高石梯-磨溪區塊完井試油期間的環空帶壓現象未發生，生產期間的環空帶壓風險也有所降低。

(1)?244.5 mm套管固井。固井前大排量循環2周，排量1.8～2.4 m3/min；固井漿柱結構為抗污染沖洗隔離液30 m3+間隔緩凝藥水6 m3+1.90 g/cm3緩凝水泥漿+1.90 g/cm3快干水泥漿，采用大排量1.8～2.4 m3/min注替；環空憋壓3～5 MPa候凝48 h測井。磨溪008-H26井?244.5 mm套管固井質量合格率96.9%，優質率77%。

(2)?177.8 mm尾管回接固井。固井前大排量循環2周，排量1.8～2.0 m3/min；固井漿柱結構為抗污染沖洗隔離液15 m3+間隔緩凝藥水8 m3+1.90 g/cm3緩凝水泥漿+1.90 g/cm3快干水泥漿，采用大排量1.8～2.0 m3/min注替；環空憋壓3～5 MPa候凝48 h測井。如磨溪009-3-X3井?177.8 mm尾管回接固井質量合格率99.8%，優質率99.5%。

四、結論

(1)生產期間井筒內溫度升高，高溫下純水泥石強度易衰退影響水泥環力學性能，降低層間封隔能力，增加環空帶壓風險。

(2)生產期間井筒內溫度升高，溫度變化引起的套管和水泥環的應力變化容易形成環空微間隙。

(3)對于技術套管和生產尾管回接固井，應考慮鉆完井期間和生產期間井筒內的溫度變化情況，合理設計水泥漿體系，建議采用抗高溫韌性水泥漿體系。