套管居中度对固井质量的影响及改进措施

2022-09-10

固井是油气井建井的一个重要环节, 主要包括下套管和注水泥。一口井固井质量的好坏不仅影响到井的后续钻进, 还影响其后期生产、采收效率及油气井寿命等。因此提高一口井的固井质量至关重要[1]。通过套管居中度对固井影响的分析, 总结了套管扶正器的优选以及安放位置的确定, 为优质固井提供了一定的理论指导。

一、固井质量的重要性

固井主要目的是保护生产管柱和封堵相邻油、气、水层, 固井水泥凝固后在纵向上形成一个水力封隔系统, 该系统必须在整个油气井寿命期间及报废之后都能实现有效的层间封隔, 在固井质量不达标的情况下, 水泥环厚薄不均, 使套管柱受力不均匀, 产生应力集中, 毁坏套管柱, 破坏地层、水泥石和套管三者之间的受力平衡[2]。固井过程中, 水泥浆返高不够或者凝固后水泥石出现不连续, 降低水泥、地层、套管之间的界面胶结及层间封隔效果, 引起串槽、气窜问题。严重时会使油气井报废, 造成严重的经济损失。

二、套管居中度对固井质量的影响

1. 地质条件对套管居中度的影响

井眼的地质条件是未知的, 当固井遇到蠕变性地层、井径扩大、井径缩小、地层溶洞的特殊情况, 就会出现卡套管情况, 使套管其他部分无法居中, 或井径扩大导致套管偏心严重, 最终影响水泥浆的顶替效率及水泥环与地层之间的胶结及密封能力, 对后续作业生产产生较大影响。

2. 压力体系对套管居中度的影响

固井过程时套管在井眼内受到各种压力的作用:轴向载荷迫使套管弯曲, 使套管壁与井壁或上层套管壁相接触、内压力与外挤压力使套管本体发生变形等。这些作用力都会迫使套管无法居中, 影响居中度。

3. 井眼条件对套管居中度的影响

随着钻井技术的发展, 从以前的直井发展到现在的定向井、水平井、特殊结构井, 不同的井眼具有不同的井眼轨迹基本参数。井斜角的增加以及井眼曲率的增加使得下套管过程中井眼迫使套管贴近井壁或上层套管壁, 导致套管偏心严重。

三、改进套管居中度的主要措施

要使套管扶正器发挥出最大作用, 必须综合考虑实际井眼工况和地层等因素并结合安装套管扶正器的实际工作经验, 选择合适的扶正器类型, 确定合适的安放间距。下面重点介绍套管扶正器类型、套管扶正器的安放间距的计算、套管柱线重对套管居中度的改善以及水泥浆性能对套管居中度的影响。

1. 套管扶正器类型介绍

套管扶正器一般分为弹性扶正器和刚性扶正器两种扶正器[4]。扶正器类型不一样, 针对的井况也不一样。

其中常规弹性扶正器是根据弹簧的基本原理设计的, 刚性扶正器则是通过减少套管与井壁接触面积的要求设计的。弹性扶正器是现场使用最为广泛的扶正器, 制作工艺简单、价格便宜、性能能够满足大部分常规固井要求, 但由于弹性扶正器下入力较大、复位力有限, 决定了弹性扶正器很难满足大斜度定向井和水平井固井的需求。根据实现不同的扶正器扶正效果, 弹性扶正器又分为焊接的弓形弹性扶正器、螺旋弹性扶正器、无焊接的弓形弹性扶正器、双弓形弹性扶正器以及带涡轮片的弹性扶正器。刚性扶正器一般使用在没有缩颈或不存在大肚子井段的规则井眼中, 但当井径大到一定程度时, 不管使用再多的刚性扶正器都不能使套管达到套管居中的要求。刚性扶正器造价一般比弹性扶正器高, 因其大多具有较低启动力、下入力和高复位力, 可以使套管顺利下入到预定井深, 并且还可以有效地保证套管居中程度, 广泛应用于大位移井和水平井。

2. 套管扶正器的安放间距计算

使用套管扶正器固然很好, 然而在实际固井作业中, 并不是使用的套管扶正器个数越多, 扶正效果就越好[5]。因为过多的套管扶正器, 不仅增加了固井成本, 而且增加了套管的刚性以及扶正器与井壁之间的接触面积, 可能导致套管不能顺利下入到预定井深。在大斜度井和水平井中, 套管下入的摩擦阻力比较大, 而当套管柱进入水平井段后, 由于重力作用的影响, 套管柱在井眼中严重偏心, 增加套管与井壁接触的摩擦力, 阻碍套管柱下入井眼。合理的安放套管扶正器才能最大限度的发挥套管扶正器的作用。

(1) 套管扶正器安放间距确定原则

套管扶正器安放间距确定原则是:套管最大偏心距小于或等于套管许可偏心距 (单位为cm) , 即:

而计算安放间距设计时取临界值, 即:

套管许可偏心距一般取值为同心环空间隙的三分之一, 即:

(2) 计算套管最大偏心距时针对不同的套管类型, 运用不同的计算公式。

弹性扶正器安放间距公式如下:

a.当相邻两扶正器全为刚性扶正器时:

b.当相邻两扶正器一只为刚性扶正器, 一只为弹性扶正器时:

根据上述计算公式在进行全井或某一井段的套管扶正器安放间距设计计算时, 从下往上逐段进行设计计算, 直到满足套管扶正器安放间距确定原则[6]。

3. 其他一些改善套管居中的因素

提高套管居中度不仅可以从安放套管扶正器出发考虑还可以通过减轻套管的线重, 水泥浆和钻井液的比值来改善套管居中。可以从套管扶正器安放间距公式可以看出套管线重在满足下套管强度设计的要求下线重与最大偏心距成正比, 线重越小, 最大偏心距就越小, 从而可以用更少的套管扶正器满足套管居中度, 进一步减轻套管重量, 减小下套管时的阻力;水泥浆与钻井液的比值从侧面影响套管的重量, 进而影响套管居中度。

小结

1.介绍了固井的相关知识, 对固井工程的认识有一定的指导意义。了解到固井对油气井发展的重要性, 对研究套管居中有一定的参考价值;

2.套管居中度大小取决于井眼条件、地质条件、套管柱结构、施工等条件。套管扶正器正确的使用和安放能够很好的解决套管难以居中的问题, 并结合固井标准总结了一整套针对不同套管扶正器类型的确立扶正器安放位置的公式理论, 实现科学、优质固井。

摘要：固井的目的在于油气井安全钻井或油气井开采, 固井过程中有很多影响固井质量的因素, 因此无法保证顺利完成建井。套管居中度是指套管在井眼中偏心的程度。套管居中度越好, 固井质量也越好。套管扶正器的选择和安放是解决套管居中的重要途径。基于改善套管居中的需求, 本文分析了套管居中度对固井的影响并给出了相关改进措施。

关键词：固井质量,套管居中度,扶正器,改进措施