目前,高温高压气井在生产期间环空异常带压现象频发,气井环空异常带压表明井内出现窜漏,其完整性受到削弱,将影响气井安全生产。气井环空异常带压的根本原因是井屏障部件受损。通过对异常环空压力进行现场诊断测试,根据测试数据评估各个环空的窜漏程度,为环空异常带压潜在风险控制措施的制定提供指导。首先,分析了气井环空带压的5种模式,并基于气液多相流和达西渗流理论,建立了水泥返至井口和未返至井口2种环空介质条件下气体渗流数学模型。结合实例井不同环空压力诊断测试数据,评估了固井水泥环的密封完整性。该方法可通过反向拟合现场实测压力数据,预测各环空压力的变化趋势,并评估固井水泥环的整体泄漏程度,可用于指导固井工程设计及现场作业。

压裂、回注、储气库注采等作业将造成套管内压的循环变化,最终导致水泥环的密封失效。针对前人套管内压循环变化造成水泥环密封失效破坏的实验研究并结合最新的实验结果,分析了是否考虑地层岩石约束两种井眼系统工况条件下的水泥环失效破坏方式。分析结果显示:未考虑地层岩石约束的实验易导致水泥环的周向拉伸破坏而产生径向裂纹;套管-水泥环界面过渡区的存在能降低水泥环的径向压应力和周向拉应力,从而降低水泥环产生拉伸破坏的风险;考虑地层岩石的约束时,水泥环内外界面受到套管和地层岩石的径向和周向约束,阻止了已经达到拉伸强度极限的水泥环发生拉伸破坏而产生径向裂纹的趋势;套管内压增大时,井下工况中水泥环主要发生塑性屈服破坏产生微环隙,基本不会发生周向拉伸破坏。研究成果可为固井优化设计提供参考。

稠油热采井在注入蒸汽过程中,对水泥环力学性能要求较高,准确评价水泥环密封性是保证热采井正常生产的关键。根据热采井生产特点,建立井筒组合体力学模型,提出一套水泥环密封安全系数评价方法。针对辽河稠油热采典型井进行水泥环密封完整性分析,开展隔热管导热系数、水泥环弹性模量、水泥石峰值强度和井口注汽压力对井筒应力的影响分析。分析结果表明:随隔热系数的减小,井筒温度降低,水泥环弹性模量降低,安全系数明显增加;对于辽河热采井,以15 MPa压力注入350℃蒸汽时,若隔热管完好,则水泥环弹性模量小于9 GPa,峰值强度大于30 MPa,能保证水泥环密封完整性。该方法能满足稠油热采井对固井水泥环力学性能的需求,可为注汽过程的密封完整性提供技术支持。

为研究压力或温度变化条件下油气井筒环空水泥环的失效形式与机制,建立了循环加载下水泥环密封完整性评价试验装置。该装置能够实现模拟井眼条件下钻井液泥饼形成、水泥浆注入、水泥浆凝固以及多轮次循环加载下水泥环密封性失效等过程。采用该装置进行水泥浆凝固后在不同套管尺寸及加载条件下水泥环的失效形式、模拟射孔条件下水泥环失效特征、循环加卸载条件下水泥环抗窜能力评价等试验,结果表明套管内压变化时水泥环会出现拉伸、本体剪切破坏与微环隙等失效形式。采用失效特征、渗透率变化与水泥环抗窜能力等相结合的方法可进行环空水泥环密封完整性试验评价,为合理的水泥浆体系设计优选及井筒生产参数优化提供依据。

深层页岩气具有埋藏深、地温高、破裂压力高等特点,压裂过程中,大排量和高泵压的施工方式导致气井环空带压的问题较为突出。为此,采用数值模拟方法,构建了考虑一界面胶结损伤的瞬态力-热耦合水泥环密封性评价模型,分析了深层页岩气井大排量压裂过程中水泥环一界面的胶结失效规律。分析结果表明:冷流体的高速注入所产生的较大温降可以降低高压注液期间水泥环一界面的径向应力,从而缓解压力加载阶段水泥环一界面的塑性变形;深层页岩气井水泥环一界面的密封性失效主要发生在停泵泄压阶段,泄压时的井底温降越大,水泥环一界面越易发生胶结失效而产生微环隙;现场可通过降低水泥石的导热系数,采取分段泄压的施工工艺来消除冷流体注入所导致的负面影响。研究成果对深层页岩气井环空带压问题的有效控制具有重要意义。

针对页岩气井压裂作业中水平井固井水泥环密封失效的问题,开展了油层套管外水泥环密封能力评价实验研究。充分考虑现场井筒深度、候凝温度和水泥环实际围压的差异,设计了不同的水泥石养护温度和加载围压方案,并基于应力等效方法对全井筒水泥环在试压和压裂工况下的密封能力作了评价。实验结果表明:在实际工况下,不同井段的固井水泥环表现出显著的密封性能差异,且高试压压力易使井筒中上部井段的水泥环失效;在大规模分段压裂工况下,套管及水泥环受到循环交变载荷的影响,会使技术套管和油层套管的环间水泥环出现大量微环隙而导致环间气密封失效,但处于裸眼段的水泥环更易保持完好的密封性。经分析:水泥环的力学性能受温度和压差的显著影响,因此不同井深段的水泥环密封性能出现差异;同时,压裂交变载荷会使水泥环压实并产生累积...

受井下高温高压、酸性流体、固井后大规模分段压裂、油气开采等诸多因素影响,水泥环密封完整性极易遭受破坏,导致层间窜流、井口带压,甚至引发井喷。目前,以提高水泥环胶结质量为核心的水泥环密封控制技术,已无法满足复杂油气井长效开发需求,而随着深井、超深井与非常规油气井不断增多,未来面临的环境和工况更加复杂,对水泥环密封完整性的要求更高。为此,概述了复杂环境下水泥环全生命周期密封完整性研究进展,分析了目前水泥环密封完整性控制存在的主要问题,指出了未来应解决的基本理论和科学问题,并对未来相关技术进行了展望。研究认为,在持续研究高温高压环境下水泥水化及防窜理论、动载环境下水泥环密封失效规律、酸性环境下水泥石腐蚀机制的基础上,应突出全生命周期控制理念,解决“窜流、损伤、腐蚀”导致水泥环密封失效...

水平井射孔段井筒由于孔眼的存在,在分段压裂过程中应力集中现象极易加剧固井水泥环的破坏。此外,由于高压压裂液直接作用在水泥环孔眼壁面上,使其完整性在压裂过程中遭受的挑战更大。建立了热流固耦合数值模型旨在分析分段压裂过程中射孔段水泥环内部的温度与应力变化,研究了套管内压、压裂液排量、水泥弹性模量、孔径与孔密对于水泥环密封完整性的影响规律。计算结果表明,压裂过程中水泥环一界面、二界面以及孔眼处均会产生剪切破坏。考虑瞬态力热耦合作用时,水泥环孔眼处失封风险提高。压裂液排量、孔径与孔密对水泥环切向应力影响较小;套管内压与水泥环弹性模量的降低虽然可在一定程度降低剪切破坏系数,但难以避免射孔段水泥环压裂初期的剪切破坏。