油井井筒完整性的綜合評價方法

劉 甜，王六鵬

（西安石油大學，陜西西安 710065）

隨著國內外油氣田的不斷開發，越來越多的油井由于長期運行產生了諸多隱患。例如，發生套管失效、井下安全閥故障、井口采油樹老化、封隔器失效等各種安全隱患。尤其是在鉆完井過程中，油井井筒發生風險的概率會越大，而且后果也更嚴重，所以對油井開展井筒完整性綜合評價就顯得非常重要。

通常所說的井筒完整性，其實就是指井筒抵抗結構破壞和維持井筒功能的重要屬性，同時這也是鉆井作業和生產作業安全的重要保障[1]。為了能夠長時間有效開發油氣井，保護油田公司利益、石油工人和生態環境安全，就必須充分了解影響井筒完整性的因素并且建立井筒完整性評價指標體系。

1 油井井筒完整性概念及應用

總的來說，油井井筒完整性其內涵可分為以下幾個方面：（1）從一口井開始設計、鉆井、完井、生產作業和最終廢棄井，井筒在結構和功能上是完整的；（2）當一些不可預測的因素使井筒某個屏障節點強度降低或發生意外的泄漏時，此時井筒處于受控的狀態；（3）井筒操作者不斷采取措施防止井筒事故的發生[2]。

油井井筒的結構從上至下主要有套管頭、油管頭、井口采油樹、表層套管、技術套管、油層套管、尾管、封隔器、井下安全閥等等。

井筒是一種有利于地層流體安全可靠的從地下向地面流動的空間結構。這種空間結構必須是完整的，否則油井就不能正常進行生產造成經濟損失。井筒在鉆井時用于封隔復雜地層，在生產時提供油氣流通通道，同時也是油井井筒控制的一個重要部分?？傊?，油井井筒一定要確保安全生產，有效降低因為地層流體泄漏而產生經濟損失，避免對人體健康、環境污染和石油公司信譽和形象等方面造成傷害。

2 油井井筒完整性失效機理

在鉆井工程中，油井井筒完整性失效主要與以下幾個方面有關：鉆井液性能、地層條件的復雜性、套管柱的損壞、水泥環的質量等。

鉆井液攜帶及懸浮巖屑和穩定井壁的作用對油井鉆井過程中井筒完整性有著至關重要的作用。如果鉆井液不能夠很好的攜帶碎屑，則碎屑不僅會造成生產風險，還會嚴重影響鉆井作業進度，甚至會發生卡鉆等井下復雜事故。此外，碎屑還有可能刮傷密封元件，導致井控出現問題。另一方面，如果鉆井液的液柱壓力過大，會導致地層破裂；如果鉆井液的液柱壓力過小，則有可能發生井塌等復雜事故。

由地層條件所引起的油井井筒損害因素，主要有以下幾種：（1）巖層滑動；（2）地層泥巖、鹽巖蠕變和膨脹；（3）塌陷和地震等。上述情況都會造成油井套管的損壞。在外部環境和人為因素的影響下，這些地質因素會引起應力集中。因此，導致作用在套管上的應力會發生非常大的變化，而當應力的變化超過了套管的極限時，套管就會被損壞，最終就會導致油氣井井筒完整性失效[3]。另一方面，要準確了解地層參數，如地層坍塌壓力、地層壓力、地層破裂壓力等等。如果屬于窄壓力窗口，則鉆井過程中很有可能發生鉆井事故，導致油井井筒完整性失效。

在地層中，套管損壞主要表現在以下幾個方面：（1）套管變形；（2）套管破裂；（3）套管錯段。以上三種情況，套管變形和套管破裂的油氣井主要集中在鹽巖、泥巖等蠕變地層的部位，而套管錯段的油氣井主要分布在地層斷裂帶處。

固井作業后，由于射孔等作業的影響使得井口可能會出現冒油或者冒氣的現象，從而影響到油井的生產和壽命，其主要的原因應該是水泥環的完整性遭到破壞[4]。水泥環的質量將影響地層的封堵效果和套管的抗擠壓變形能力，從而影響油井井筒的完整性。

3 油井井筒完整性評價指標

3.1 鉆井液評價指標及改進措施

在鉆井或完井過程中，具體評價方法有如下兩個方面：如果發現（1）鉆井液返出的鉆屑尺寸突然增大，數量增多并混雜，則有可能發生井塌，油井井筒完整性遭到破環；（2）實時監測鉆井液的密度和流變特性，因為鉆井液的流變特性對攜帶巖屑、提高機械鉆井速度、保證井下安全具有非常重要的作用。

改進措施：絕大多數情況下，現場設備并不能實時地提供鉆井液數據，常規操作獲取的鉆井液數據甚至可能延遲24 h，在制定決策時這些數據并不能反映當時的井下條件。要想解決以上難題，哈里伯頓公司的BaraLogixDRU技術就能完美解決上述難題，大大提高鉆井效率，保護油井井筒的完整性。哈里伯頓的BaraLogix DRU是一款完全自動化的設備，能夠實時監測鉆井液數據，提供鉆井液體密度和流變特性等數據。該設備每分鐘檢測一次鉆井液體密度，每15 min檢測一次鉆井液的流變性能。

3.2 地層條件評價指標及改進措施

地層評價的對象主要是評價地層壓力，壓力其實主要考慮的是油井井筒的理論壓力與地層孔隙壓力、地層破裂壓力之間的差值。設地層的孔隙壓力為Pp，地層的破裂壓力為Pf，鉆井液的當量壓力為Pl。

式中：ΔPk-溢出壓力差，MPa；ΔPm-漏失壓力差，MPa。

表1 地層流體溢出風險等級

表2 井筒流體漏失風險等級

依據上面的這兩個公式計算的結果，就可以建立地層流體溢出表（見表1）和井筒流體漏失的風險等級表（見表 2）。

改進措施：針對壓力窗口窄的情況，AGR公司研發了EC-Drill技術，該技術不僅可以更好地控制壓力，而且安全性更高，能夠幫助作業者在窄壓力窗口下作業并降低作業成本，從而鉆達傳統鉆井技術無法達到的目標井深。鉆井作業中，EC-Drill系統可大大減少鉆井液密度調整作業，它可以精確調控立管中鉆井液的高度，同時控制井底壓力剛好大于地層孔隙壓力，或剛好小于地層破裂壓力。

3.3 油井套管評價指標及改進措施

基于對套管磨損評價，以下主要對套管剩余強度或壁厚進行研究。在這里，套管壁厚的測量主要是采用多臂井徑測井技術。其計算的原理是假設地層套管無質量損失，而且還不考慮套管軸向的彎曲變形伸長，這樣的話就可以利用單位長度套管質量不變原理求出當前壁厚（PRET）。

式中：Dmax-套管最大內徑，mm；Dmin-套管最小內徑，mm；D-鋼管的公稱外徑，mm；t-鋼管的公稱壁厚，mm。

把套管的壁厚作為套管壁厚減薄的出發點，首先，假定現在的套管剩余壁厚為δn，把套管的原壁厚設為δo，取套管的剩余壁厚比 γ=δn/δo當作評價指標。套管壁厚減薄風險等級（見表3）。

改進措施：（1）嚴格按照API標準選用套管鋼級；（2）對于任何一口井，尤其是在酸性環境下進行的固井套管柱強度設計時，應該考慮到該酸性環境的酸性強度，同時為套管的腐蝕破壞留有安全余量；（3）采取主動防磨或者優化防磨的措施來提高油井井筒的完整性。

3.4 水泥環質量評價指標及改進措施

固井完成后主要采用聲幅測井儀（CBL）對每一個井段檢測評估套管固井的質量。實際操作過程中，主要以測量處聲幅值與自由套管標度值之間的比值（聲幅比率）作為評價的指標，即：

由聲幅比率得到的結果，建立膠結質量風險評價分析表（見表4）。

改進措施：針對上述風險等級分析，需要對那些風險較大的油井進行改善。主要包括水泥石的韌性改造、提高驅替效率以保證界面膠結強度，以及使用清水作為驅替液來提高界面接觸力，還有使用一些特殊的封隔器等等。

4 結論與建議

本文主要對鉆井液、地層條件、油層套管、水泥環這幾個方面進行了評價分析，根據上述的一些分析得出未來應該從以下幾個方面管理油井井筒完整性。

（1）監測鉆井液實時數據時，應使用哈里伯頓公司的BaraLogixDRU技術，該設備每分鐘檢測一次鉆井液體密度，每15 min檢測一次鉆井液的流變性能。

（2）針對地層窄壓力窗口情況，應使用AGR公司研發的EC-Drill技術。EC-Drill系統可大大減少鉆井液密度調整作業，它可以精確調控立管中鉆井液的高度，精確控制鉆井液的壓力。

表3 壁厚減薄風險級別

表4 套管固井水泥膠結質量風險評價分析表

（3）在套管選用方面，嚴格按照套管標準。實時監測套管磨損情況，若套管剩余壁厚比γ＜40，應及時預警并更換相應的套管，以免造成復雜事故。

（4）固井作業應努力提高水泥漿的驅替效率，保證井段的聲幅比率μcbl（d）＜30%，從而提高固井質量。