套管外防氣竄裝置的研制

周戰(zhàn)云， 郭子文， 李社坤， 任文亮， 劉華俊

(中石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽(yáng) 457001)

氣竄會(huì)引起氣體滯留在氣井環(huán)空中造成井口環(huán)空帶壓,而井口環(huán)空帶壓一直是世界上許多油氣田面臨的難題之一[1_2]，使很多氣井存在安全和環(huán)境的隱患。涪陵頁(yè)巖氣田的儲(chǔ)層為碳質(zhì)泥頁(yè)巖，孔隙度和滲透率較低，必須經(jīng)過(guò)大型水力分段壓裂改造才能投產(chǎn)，壓裂壓力通常為90～110 MPa，分15～25段壓裂[3]。截至2015年3月，該氣田已經(jīng)有99口井經(jīng)壓裂投產(chǎn)，53口井一級(jí)套管頭帶壓，57口井二級(jí)套管頭帶壓，33口井一二級(jí)套管頭同時(shí)帶壓，嚴(yán)重影響了該氣田的后期開發(fā)[4]。研究結(jié)果表明，該氣田出現(xiàn)井口環(huán)空帶壓現(xiàn)象的原因是大型壓裂造成水泥環(huán)與套管之間產(chǎn)生微間隙，氣體沿微間隙上竄導(dǎo)致井口帶壓[4_10]。因此，采取技術(shù)措施消除微間隙或防止微間隙產(chǎn)生，是解決頁(yè)巖氣井壓裂后環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}的根本方法[11]。目前，多采用擠水泥或化學(xué)堵漏修復(fù)微間隙，但成功率低，修復(fù)費(fèi)用高，而且多數(shù)井在修復(fù)后還會(huì)再次發(fā)生氣竄[11]，出現(xiàn)井口環(huán)空帶壓現(xiàn)象。普通硅酸鹽水泥是典型的脆性材料，固井后易在大型壓裂條件下發(fā)生塑性破壞[12_14]；彈韌性水泥漿雖能對(duì)解決井口環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}起到一定效果，但仍不能從根本上解決該問(wèn)題。使用常規(guī)管外封隔器雖能封閉局部氣竄通道，理論上可實(shí)現(xiàn)防氣竄，但是其內(nèi)部設(shè)有管內(nèi)外脹封液流通道，破壞了套管內(nèi)密封的完整性，所以并未被普遍采用。因此，筆者針對(duì)現(xiàn)有井口環(huán)空帶壓解決技術(shù)方法的不足，在分析氣井壓裂后產(chǎn)生氣竄通道原因的基礎(chǔ)上，研制了一種套管外防氣竄裝置。該裝置通過(guò)“套管+彈性?shī)A層+剛性外套”的夾層結(jié)構(gòu)模式，削弱大型壓裂作業(yè)對(duì)水泥環(huán)造成的破壞作用，防止水泥環(huán)產(chǎn)生微間隙，消除氣竄通道，防止井口環(huán)空帶壓。

1 套管外防氣竄裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

研究表明，大型壓裂會(huì)導(dǎo)致套管膨脹，進(jìn)而破壞水泥環(huán)使之產(chǎn)生微間隙甚至裂紋，由此產(chǎn)生上下貫通的氣竄通道[7]，導(dǎo)致井口環(huán)空帶壓。因此，可在套管柱外部局部設(shè)置具有“套管+彈性?shī)A層+剛性外套”夾層結(jié)構(gòu)的裝置(見圖1)，依靠剛性外套與水泥環(huán)的牢固膠結(jié)消除二者之間的氣竄通道；依靠彈性?shī)A層壓縮脹封封閉剛性外套與套管之間的夾層空間，消除夾層的氣竄通道；依靠彈性?shī)A層的彈性消除套管膨脹對(duì)剛性外套外水泥環(huán)的破壞作用，防止局部水泥環(huán)產(chǎn)生微間隙或裂紋，阻斷形成上下貫通的氣竄通道。該裝置采用套管外套裝方式，在下套管前安裝，不會(huì)影響套管柱的氣密結(jié)構(gòu)，適用性強(qiáng)；控制剛性外套直徑不大于套管接箍直徑，以避免增大套管柱最大外徑，使環(huán)空最小過(guò)流面積縮小。

圖1 套管外防氣竄技術(shù)原理Fig.1 Technical principle of outer casing anti-gas channeling

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)思路，套管外防氣竄裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由剛性外套、剛性壓套和彈性膠筒等3部分組成(見圖2)。剛性外套為管狀結(jié)構(gòu)，其兩端設(shè)置內(nèi)螺紋；剛性壓套也為管狀結(jié)構(gòu)，其一端設(shè)置外螺紋，通過(guò)螺紋連接于剛性外套兩端；彈性膠筒為環(huán)形結(jié)構(gòu)，由橡膠制成，多個(gè)整齊排列，置于剛性外套內(nèi)壁處，膠筒組的兩端分別與剛性壓套接觸。剛性外套的外徑與套管接箍相同，可避免增大套管柱最大外徑；彈性膠筒的內(nèi)徑略大于套管外徑，以便于套裝在套管外部；剛性外套與套管之間的密封可依靠剛性壓套壓緊彈性膠筒使之膨脹來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 套管外防氣竄裝置的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the outer casing anti-gas channeling device

1.3 工作原理

使用套管外防氣竄裝置時(shí)，首先將其套裝在套管預(yù)定位置的外部，然后旋緊剛性壓套，由于彈性膠筒位于剛性外套及套管之間的密閉空間內(nèi)，當(dāng)剛性壓套軸向壓縮彈性膠筒時(shí)，可使之產(chǎn)生徑向膨脹并緊密接觸套管外壁及剛性外套內(nèi)壁，密封夾層空間，防止氣體由此竄通。固井完成后，剛性外套與井壁之間形成水泥環(huán)，水泥環(huán)與剛性外套外壁牢固膠結(jié)形成密封。進(jìn)行壓裂作業(yè)時(shí)，套管在內(nèi)壓作用下會(huì)膨脹，但彈性膠筒會(huì)削弱該膨脹對(duì)剛性外套的影響，防止剛性外套外的水泥環(huán)被破壞產(chǎn)生微間隙或裂紋，因此可在該處阻斷氣竄通道。

1.4 技術(shù)參數(shù)

適用于φ139.7 mm套管的套管外防氣竄裝置其剛體最大外徑159.5 mm，剛體最小內(nèi)徑141.5 mm，剛體最小壁厚4.00 mm，本體長(zhǎng)度1 120 mm，抗壓差能力大于35 MPa，抗套管內(nèi)壓大于90 MPa，適用溫度-30～100 ℃，總質(zhì)量28 kg，剛體材質(zhì)P110鋼。

2 性能試驗(yàn)

2.1 模擬試驗(yàn)

為了對(duì)比套管外水泥環(huán)及套管外防氣竄裝置外水泥環(huán)受力變形的差別，根據(jù)力學(xué)原理，基于“套管_水泥環(huán)力學(xué)模型”及“套管_管外防氣竄裝置_水泥環(huán)力學(xué)模型”，建立了高內(nèi)壓條件下的模擬分析模型[15_19]，如圖3、圖4所示。

圖3 套管_水泥環(huán)分析模型Fig.3 Analysis model of casing_cement ring

圖4 套管_防氣竄裝置_水泥環(huán)分析模型Fig.4 Casing_anti-gas channeling device_cement ring analysis model

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬分析，設(shè)定了數(shù)值模型參數(shù)：井眼直徑為215.9 mm；套管外徑139.7 mm，壁厚12.34 mm，彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度800 MPa；水泥環(huán)厚度38/28 mm，彈性模量8 GPa，泊松比0.2，抗壓強(qiáng)度28 MPa；套管內(nèi)壓100 MPa。利用專用數(shù)值模擬分析軟件分別對(duì)“套管_水泥環(huán)”和“套管_套管外防氣竄裝置_水泥環(huán)”數(shù)值模型進(jìn)行了受力應(yīng)變模擬分析，結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 套管_水泥環(huán)應(yīng)變分析Fig.5 Strain analysis of casing_cement ring

圖6 套管_防氣竄裝置_水泥環(huán)應(yīng)變分析Fig.6 Casing_anti-gas channeling device_ce-ment ring strain analysis

由圖5可知，“套管_水泥環(huán)”分析模型中第一界面應(yīng)變量高達(dá)0.12 mm，而有關(guān)研究表明，水泥環(huán)膠結(jié)界面存在0.01 mm的微間隙就可發(fā)生氣竄，當(dāng)微間隙為0.02 mm時(shí)在CBL測(cè)井中可能出現(xiàn)較大的振幅，微間隙為0.05～0.07 mm時(shí)，固井質(zhì)量不合格，因此該變形足以破壞水泥環(huán)膠結(jié)面并產(chǎn)生較大的微間隙，產(chǎn)生氣竄通道。

由圖6可知，“套管_防氣竄裝置_水泥環(huán)”分析模型中第一界面應(yīng)變量?jī)H為0.008 mm，說(shuō)明彈性?shī)A層大幅消減了套管變形對(duì)水泥環(huán)的破壞作用，由于第一界面變形小于氣竄發(fā)生的最小間隙，不足以破壞水泥環(huán)膠結(jié)面，因此不會(huì)產(chǎn)生氣竄通道。

2.2 承壓變形試驗(yàn)

為了分析套管在承內(nèi)壓條件下的變形規(guī)律，設(shè)計(jì)了套管承壓變形測(cè)試裝置。該測(cè)試裝置主要由套管短節(jié)、堵頭、由壬接頭、千分表、千分表支撐環(huán)和支架等部分組成(見圖7)。

圖7 套管承壓膨脹測(cè)試裝置Fig.7 Pressure expansion test device of the casing

利用套管承壓變形測(cè)試裝置對(duì)φ139.7 mm套管(壁厚0.54 mm，鋼級(jí)P110，長(zhǎng)度600 mm)進(jìn)行了承壓膨脹率測(cè)試，試驗(yàn)壓力10～70 MPa，以10 MPa的步長(zhǎng)進(jìn)行遞增，每遞增一個(gè)步長(zhǎng)壓力后穩(wěn)壓1 min，同時(shí)由千分表讀取變形量，結(jié)果如表1所示。

表1 套管變形量測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of casing deformation

由表1可以看出，φ139.7 mm套管變形量及變形率與試驗(yàn)壓力在其強(qiáng)度范圍內(nèi)基本呈線性關(guān)系，當(dāng)壓力達(dá)到70.9 MPa時(shí)，其直徑膨脹量已達(dá)到0.260 mm，其外壁位移量為0.130 mm，說(shuō)明在高內(nèi)壓情況下套管在徑向上存在較大變形，該變形會(huì)對(duì)其外部的水泥環(huán)產(chǎn)生較大接觸應(yīng)力。

為了驗(yàn)證套管外防氣竄裝置抗套管內(nèi)壓變形效果，設(shè)計(jì)加工了套管外防氣竄裝置樣品，其規(guī)格為φ139.7 mm，最大外徑159.5 mm，長(zhǎng)度400 mm。然后將其固定于試驗(yàn)裝置(見圖8)的套管短節(jié)外部,旋緊剛性壓套并進(jìn)行承壓變形試驗(yàn)。

圖8 套管外防氣竄裝置承壓變形試驗(yàn)裝置Fig.8 Pressure deformation test device of the outer casing anti-gas channeling device

參照套管承壓變形規(guī)律測(cè)試過(guò)程進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)壓力10～70 MPa,以10 MPa的步長(zhǎng)進(jìn)行遞增，然后由千分表讀取套管外防氣竄裝置剛性外套的變形量，結(jié)果如表2所示。

表2 剛性外套變形量測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of rigid outer casing deformation

由表2可以看出，套管外防氣竄裝置剛性外套的變形量與套管內(nèi)壓力在其強(qiáng)度范圍內(nèi)基本呈線性關(guān)系，當(dāng)壓力達(dá)到71.1 MPa時(shí)，其直徑變形量?jī)H為0.007 mm，說(shuō)明套管膨脹變形被彈性?shī)A層大大削弱，套管外防氣竄裝置的剛性外套幾乎不受其影響，因此可有效防止大型壓裂作業(yè)對(duì)套管外防氣竄裝置外水泥環(huán)的破壞。

2.3 承壓密封試驗(yàn)

為了驗(yàn)證套管外防氣竄裝置彈性膠筒的承壓密封性，首先在套管外防氣竄裝置剛性外套中部開設(shè)進(jìn)氣口并安裝接頭，然后將套管外防氣竄裝置固定在套管短節(jié)上，旋緊剛性壓套將彈性膠筒脹封，隨后將剛性外套中部的進(jìn)氣口與高壓氣泵相連，最后將整套裝置浸入水槽中，通過(guò)高壓氣泵泵注氣體(見圖9)，氣壓快速升至35 MPa后穩(wěn)壓5 min，套管外防氣竄裝置的兩端未發(fā)現(xiàn)氣泡。說(shuō)明套管外防氣竄裝置的彈性膠筒脹封后能夠承受35 MPa的壓差，具有較強(qiáng)的防氣竄性能。

圖9 套管外防氣竄裝置承壓密封性試驗(yàn)示意Fig.9 Schematic diagram of pressure seal test for the outer casing anti-gas channeling device

3 施工工藝

1) 首先根據(jù)需要確定安裝套管外防氣竄裝置套管的數(shù)量、套管下深、每根套管的安裝數(shù)量；推薦安裝套管外防氣竄裝置的套管不少于3根，每根套管至少安裝2只套管外防氣竄裝置；安裝套管外防氣竄裝置的套管在井眼內(nèi)應(yīng)處于井徑規(guī)則處，井斜角不宜過(guò)大，并且應(yīng)在氣層頂部以上；推薦上層套管重疊段底部位置至少在2根套管上安裝套管外防氣竄裝置，并確保該段水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量良好。

2) 安裝套管外防氣竄裝置的套管應(yīng)進(jìn)行清潔，確保外壁光滑、無(wú)變形、無(wú)污物；為防止套管外防氣竄裝置在套管上移動(dòng)影響密封效果，應(yīng)在每組套管外防氣竄裝置兩端安裝定位環(huán)。

3) 由于套管外防氣竄裝置外部水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量對(duì)于防氣竄效果具有重要影響，因此安裝套管外防氣竄裝置的套管應(yīng)加裝2只剛性套管扶正器，以提高套管居中度，確保水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量。

4) 由于套管外防氣竄裝置內(nèi)部的承壓自封式密封彈性膠筒具有承壓方向要求，因此安裝該裝置時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按裝置外部安裝箭頭的標(biāo)記安裝，防止裝錯(cuò)方向影響使用效果。

5) 每組套管外防氣竄裝置在套管上的安裝位置應(yīng)盡量處于套管中部，在套管上端應(yīng)留出懸掛套管吊卡的位置，在套管下端應(yīng)留出打鉗位置，防止安裝位置不合理影響下套管作業(yè)。

6) 采用專用勾形扳手旋緊套管外防氣竄裝置兩端的剛性壓套時(shí)，可采用加力杠旋緊(加力杠長(zhǎng)度1.20～1.50 m，兩人加力)，旋緊扭矩約為1.2～1.5 kN·m，以防止扭矩過(guò)小達(dá)不到預(yù)緊密封要求。

7) 為了便于套管外防氣竄裝置套裝在套管上，可根據(jù)需要在套管外防氣竄裝置內(nèi)部密封墊處刷涂潤(rùn)滑油，但要防止套管外防氣竄裝置外壁沾染油脂，否則會(huì)降低水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量，對(duì)防氣竄效果造成不良影響。

8) 按照下套管作業(yè)規(guī)程下套管，但應(yīng)防止套管外防氣竄裝置在下套管過(guò)程中發(fā)生磕碰導(dǎo)致變形，影響使用效果。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

套管外防氣竄裝置研制成功后，先后在焦頁(yè)88_2HF井和焦頁(yè)93_2HF井產(chǎn)層固井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，后期壓裂投產(chǎn)后均未出現(xiàn)井口環(huán)空帶壓現(xiàn)象。其中焦頁(yè)93_2HF井是位于川東南地區(qū)川東高陡褶皺帶萬(wàn)縣復(fù)向斜焦石壩背斜帶吊水巖向斜的一口開發(fā)水平井，三開采用φ215.9 mm鉆頭鉆進(jìn)，三開完鉆井深5 778.00 m，垂深4 218.00 m，套管下深5 768.00 m，為了防止固井后發(fā)生氣竄導(dǎo)致井口環(huán)空帶壓，分別在井深1 400.00，2800.00和3 500.00 m處的套管外安裝了3組套管外防氣竄裝置，安裝正常，下套管順利，固井施工正常。固井及壓裂作業(yè)結(jié)束后，未出現(xiàn)井口環(huán)空帶壓現(xiàn)象。

5 結(jié)論與建議

1) 模擬試驗(yàn)、室內(nèi)性能試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，套管外防氣竄裝置內(nèi)部的彈性膠筒可大大削弱套管承壓變形對(duì)其剛性外套的影響；彈性膠筒在壓縮脹封后能夠承受35 MPa的壓差，可有效防止氣井井口出現(xiàn)環(huán)空帶壓現(xiàn)象。

2) 在套管柱外部使用套管外防氣竄裝置，可防止大型壓裂作業(yè)對(duì)該裝置外部水泥環(huán)的破壞，避免在水泥環(huán)第一界面形成微間隙或其內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，阻斷第一界面氣竄通道，預(yù)防井口環(huán)空帶壓。

3) 套管外防氣竄裝置的應(yīng)用效果與安裝處的固井質(zhì)量緊密相關(guān)，特別是第二界面水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量差時(shí)會(huì)降低防氣竄效果，因此需進(jìn)一步研究如何確保套管外防氣竄裝置安裝處水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量。

4) 建議在需要壓裂開采的頁(yè)巖氣井或需要反復(fù)強(qiáng)采強(qiáng)注的儲(chǔ)氣庫(kù)井，應(yīng)用套管外防氣竄裝置，避免出現(xiàn)由于套管膨脹破壞水泥環(huán)造成的井口環(huán)空帶壓。