李 進 常培敏 張啟龍 劉 鵬 劉海龍 郭明龍 曾旭洋

1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300459;2. 海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室, 天津 300459;3. 中國石油西南油氣田公司, 四川 成都 610051;4. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司, 天津 300459

0 前言

近年來,受淺層氣竄的影響,渤海灣多口生產井存在表層套管與隔水導管環(huán)空帶壓問題,因涉及生產平臺作業(yè)安全問題,且補救困難,嚴重影響了油氣資源的利用。比如,渤海油田于1999年在PL 19-3-3、BZ 25-1-6井首次鉆遇淺層氣,發(fā)生淺層氣井噴事故[1-2];在BZ 34-1區(qū)塊、渤海中部1井、2井、3井、BZ 29-4區(qū)塊等地均遭遇了淺層氣固井氣竄的難題,尤其是在BZ 29-4區(qū)塊固井后多口井出現(xiàn)環(huán)空帶壓現(xiàn)象。從20世紀60年代發(fā)現(xiàn)氣竄現(xiàn)象至今,國內外多位學者針對水泥漿防氣竄性能評價及預測進行了研究,形成了包括潛氣竄因子法、水泥漿性能系數(shù)法、阻力系數(shù)法等多種評價方法及經驗公式[3-6]。但上述方法主要是基于固井早期氣竄的預測,未考慮水泥漿凝結過程中的體積收縮對氣竄的影響,無法有效預測評價水泥凝結后因體積收縮導致的完整性破壞而發(fā)生的氣竄風險。因此,急需針對海上油田淺層氣竄的特征,研究建立適用于海上油田淺層氣竄風險的新方法,實現(xiàn)水泥凝結全過程的氣竄風險分析與預測。

1 渤海淺層氣特征及氣竄原因分析

1.1 淺層氣定義、成因及特點

淺層氣指埋藏在海床面以下 1 500 m范圍內未膠結地層中聚集的有機氣體[7]。據(jù)研究表明,海底淺層氣有兩種類型:一種是生物甲烷淺層氣,98%以上成分是甲烷氣體,幾乎不含重烴;另一種是熱成甲烷淺層氣,主要含金剛烷類化合物,是石油或煤系形成過程中所產生的多種碳氫化合物組分之一[8]。淺層氣形成后,經過地質時期的運移與聚集,一般穩(wěn)定地埋藏于海底之下。通常,淺層氣以層狀淺層氣、團(塊)狀淺層氣、高壓氣囊和氣底辟等4種形態(tài)賦存于海底[9]。

根據(jù)2001年國土資源調查及2007年近海環(huán)境調查結果顯示[8],整個環(huán)渤海地區(qū)分布著大片的淺層氣區(qū),其中包括遼東灣灘海地區(qū)、黃河三角洲外海、山東半島濱淺海及南黃海近海等。其中渤海灣淺層氣主要分布于上第三系明化鎮(zhèn)組和館陶組地層[10]。明化鎮(zhèn)組淺層氣埋深一般在300～900 m;館陶組淺層氣埋深一般在800～1 400 m。根據(jù)該地區(qū)環(huán)空帶壓生產井的井口放壓取樣分析,本區(qū)淺層氣的有機氣體主要組分為甲烷,含量66.75%,C2組分含量為5.67%[11]。

總之,由于淺層氣埋深淺,海底表層較為松軟薄弱,且淺層氣壓力高、壓力變化快,上竄速度快、作用時間短,導致鉆井過程中,易發(fā)生井噴事故,在固井過程中難以實現(xiàn)壓穩(wěn),環(huán)空氣竄現(xiàn)象嚴重[11-13]。

1.2 淺層氣固井氣竄原因分析

對天然氣井而言,氣竄現(xiàn)象主要發(fā)生于候凝失重階段,屬于早期氣竄[14-16]。和天然氣井不同,淺層氣井固井氣竄現(xiàn)象一般出現(xiàn)在固井后數(shù)天,以水泥環(huán)完整性損害誘發(fā)后期氣竄為主[1]。渤海油田淺層氣竄原因主要集中于淺層巖性、水泥石體積收縮、地層溫度-壓力等工況以及后續(xù)施工作業(yè)等方面的影響。

1.2.1 淺層巖性

由于淺層沉積,多數(shù)為河流沉積和三角洲沉積,廣泛分布著松散的砂巖和泥巖,且淺層成巖不實,大部分泥巖為“軟”泥巖。特殊的巖性、復雜的沉積,造成了淺地層松軟、疏松、不成巖,水泥石無法與井壁形成有效膠結,導致固井氣竄容易發(fā)生[11]。

1.2.2 水泥石體積收縮

水泥石體積收縮會導致界面膠結脫離形成微環(huán)隙或誘發(fā)本體破碎,為淺層氣竄提供通道。

1.2.3 溫度、壓力等工況

對于淺層氣而言,因埋藏淺，所以井溫一般較低。低溫條件下水泥漿凝結較慢,固井候凝時間較長,易導致固井候凝過程中環(huán)空氣竄的發(fā)生;另外,水泥石強度發(fā)展慢,達到固井技術規(guī)定需要的時間長。

1.2.4 后續(xù)施工作業(yè)

對于淺層氣固井來說,埋藏淺、地層疏松,固井后還有后續(xù)鉆井作業(yè)。比如,后期試壓作業(yè)容易壓裂水泥環(huán),形成氣竄通道。

分析可知,淺層巖性、環(huán)境工況和后續(xù)施工作業(yè)的影響屬于外因,在實際作業(yè)過程中不可避免,而水泥石體積收縮的影響屬于體系內因,是能夠避免的可控因素。

1.3 體積收縮對水泥環(huán)完整性損害分析

研究表明[17],隨著水化凝結的進行,水泥會逐漸發(fā)生體積收縮,最大絕對體積收縮率達5%～7%,初凝前的塑性體積收縮占比不足5%,95%的體積收縮發(fā)生于初凝后,其中90%以上的體積收縮發(fā)生于終凝硬化階段。水泥石體積收縮對完整性損害的影響方式主要有兩種:

其一,體積收縮會降低水泥環(huán)和套管、地層的膠結強度,最嚴重時會逐漸導致一二界面剝離,形成微環(huán)隙,誘發(fā)氣竄,導致水泥環(huán)封固失效,見圖1。研究表明,水泥環(huán)膠結界面存在0.01 mm的微間隙就可發(fā)生油氣竄流,當微間隙為0.02 mm時,CBL測井中可能出現(xiàn)較大的振幅,微間隙為0.05～0.07 mm時,則導致固井質量不合格[18]。

圖1 體積收縮形成微環(huán)隙圖Fig.1 Micro-annulus formed by volume shrinkage

其二,收縮時產生收縮應力,收縮越大,應力越大,當周向應力超過一定限值后將導致水泥環(huán)本體破碎,見圖2。研究表明,體積收縮率小于1%時不會形成竄流通道,體積收縮達到5%時已經嚴重影響固井質量[19-20]。

圖2 體積收縮導致本體破碎圖Fig.2 Bulk crushing due to volume shrinkage

2 水泥環(huán)收縮對完整性影響分析模型

2.1 套管-水泥環(huán)-地層力學模型

對處于非均勻應力狀態(tài)下的水泥環(huán)受力分析可由圖3表征[21],r0、r1、r2、r3分別代表套管內徑、外徑、水泥環(huán)外徑和無限遠地層半徑(r3?r0)。套管受內壓pw,地層受均勻地應力σ。將水泥環(huán)看作是理想的彈性體材料,圖3中a)可分解為均勻地應力條件b)和偏差應力分量條件c)兩種狀態(tài)。

a)實際應力狀態(tài)a)Actual stress state

b)均勻地應力狀態(tài)b)Uniform in-situ stress state

c)偏差應力狀態(tài)c)Deviating stress state

2.1.1 均勻地應力條件下的應力分析

關于均勻地應力條件下套管、水泥環(huán)和地層受力有如下現(xiàn)成的拉梅解[22]:

(1)

(2)

上述解中共6個待定系數(shù),對應6個邊界條件,具體參考文獻[20],代入式(1)和式(2)可得到6個線性方程組,通過編程可以求解得到井筒液柱壓力pw和地應力σ環(huán)境下的套管-水泥環(huán)-地層應力分布。

2.1.2 偏差應力分量條件下的應力分析

偏差應力條件下套管、水泥環(huán)和地層受力已有學者進行了如下求解[22]:

(3)

方程組一共12個未知系數(shù),對應12個線性方程,可通過編程求解。其中應力邊界條件4個,應力接觸條件4個和位移連續(xù)條件4個,具體參考文獻[20]。

2.2 水泥環(huán)自收縮應力分析

參考混凝土井壁收縮應力分析可知[23],在水泥自收縮過程中將產生收縮應力:

σs=εs·Es

(5)

分解到極坐標形式下的應力分量為:

(6)

體積收縮率的概念為:

(7)

實際上,由式(7)可以發(fā)現(xiàn),體積收縮率的概念實質是應變,即εγ=γ?？紤]水泥收縮具有各向同性的性質,即沿各個方向收縮率大小一樣,即:

εsγ=εsx+εsy+εsz=εsρ+εsφ+εsz

(8)

(9)

(10)

2.3 水泥環(huán)總應力分布

將上述三部分應力分析結果進行疊加,得水泥環(huán)總應力分布,實際上水泥環(huán)在井筒液壓力pw、地應力和自收縮應力環(huán)境下,由于pw和地應力一定,僅考慮水泥環(huán)自收縮的影響研究時,其總應力是體積收縮的函數(shù),即:

(11)

2.4 水泥環(huán)完整性失效判別準則

由水泥環(huán)總應力分布表達式可得不同體積收縮率條件下水泥環(huán)的應力分布,取ρ=ri(i=1,2)即可得到界面膠結應力的大小,通過和水泥環(huán)徑向膠結力、軸向膠結力、抗拉強度對比即可判斷水泥環(huán)在自收縮應力作用下的失效形式。

2.4.1 水泥環(huán)拉伸形成微環(huán)隙的判別準則

(12)

2.4.2 水泥環(huán)拉伸本體破壞的判別準則

(13)

式中:σT為水泥環(huán)抗拉強度,MPa,由巴西劈裂實驗測得。

2.4.3 水泥環(huán)膠結滑移失效判別準則

(14)

式中:i=1,2分別代表固井一、二界面;τi為軸向膠結強度,MPa;σl為界面正應力,MPa;fl為界面摩擦系數(shù)。

3 海上油田淺層氣竄風險預測新方法

3.1 淺層氣臨界氣竄工況分析方法

由式(11)水泥環(huán)總應力分布表達式可知,非均勻地應力條件下水泥環(huán)所受應力為體積收縮、徑向直徑和周向角度的函數(shù)關系,見式(15)。

(15)

考慮水泥體積收縮率和凝結固化時間的變化關系,見式(16)。

γ=fγ(t)

(16)

結合水泥環(huán)總應力分布和水泥環(huán)膠結失效判別準則,可確定三種臨界氣竄工況。淺層氣竄風險預測時,當且僅當下述三種臨界工況同時滿足時,才能將實際氣竄風險降到最低,以保障固井作業(yè)安全和封固質量。

1)水泥環(huán)拉伸界面脫離臨界工況

(17)

2)水泥環(huán)拉伸本體破碎臨界工況

(18)

3)水泥環(huán)滑移失效臨界工況

(19)

3.2 淺層氣竄風險預測新方法建立

基于渤海油田淺層氣竄原因分析,結合理論模型研究與建立,形成淺層氣竄風險預測新方法。在井眼工況參數(shù)、水泥漿體系等基礎資料搜集基礎上,分別開展水泥漿基本工程性能評價和早期氣竄風險預測,結合實驗結果按式(11)求解水泥環(huán)總應力分布,依據(jù)3.1節(jié)淺層氣臨界氣竄工況分析方法預測氣竄風險,具體步驟見圖4。其中,由于淺層氣早期氣竄風險一般較低,易于控制,采用水泥漿性能系數(shù)法(SPN)、氣竄潛力系數(shù)法(GFR)等氣井氣竄風險預測方法進行評價即可[22-24]。當且僅當式(17)～(19)所示三種淺層氣竄臨界工況同時滿足風險低條件即可,否則淺層氣竄風險高,需通過添加膨脹劑進一步優(yōu)化水泥漿體系性能。

圖4 淺層氣竄風險預測流程圖Fig.4 Flowchart of prediction process of shallow gas migration

4 實例分析

以XX油田E 8井為例分析。E 8井設計井深 2 853 m,444.50 mm井眼鉆至861 m時鉆遇淺層氣,下入339.73 mm套管進行固井作業(yè)。設計采用密度1.90 g/cm3膠乳水泥漿體系封固,基本工程性能滿足設計要求,水泥漿防氣竄系數(shù)小于3。固井作業(yè)過程中未發(fā)生氣竄現(xiàn)象,但固井后數(shù)天,隔水導管與表層套管環(huán)空帶壓1.86 MPa,發(fā)生淺層氣竄。該井水平最大地應力9 MPa,水平最小主應力7.53 MPa,地層巖石彈性模量10.4 GPa,泊松比0.172;套管彈性模量210 GPa,泊松比0.21;水泥環(huán)彈性模量6.4 GPa,泊松比0.169。

從上述現(xiàn)象分析,該井在固井候凝過程中未發(fā)生淺層氣竄,后期環(huán)空帶壓考慮井筒完整性破壞發(fā)生竄流的情況。按照3.2節(jié)淺層氣竄風險預測新方法開展體積收縮、巴西劈裂等實驗,并進行淺層氣臨界氣竄工況判斷,見圖5～7。分析結果顯示,該井雖早期氣竄風險較低,但由于體系中未添加膨脹劑,導致體積收縮較大,界面脫離形成微環(huán)隙,為淺層氣竄提供通道的風險較高,實例分析結果與現(xiàn)場實際氣竄現(xiàn)象一致。

圖5 界面拉伸脫離形成微環(huán)隙工況分析圖Fig.5 Condition analysis of micro-annulus formedby interfacial tension

圖6 界面拉伸本體破碎工況分析圖Fig.6 Condition analysis of bulk breaking formedby interfacial tension

圖7 界面滑移失效工況分析圖Fig.7 Condition analysis of interface slip failure

5 結論

1)渤海淺層氣具有埋藏淺、含氣量大、壓力高、上竄速度快、作用時間短等特點,氣竄的原因主要為淺層巖性影響、體積收縮影響、淺層溫度壓力的影響和后續(xù)施工作業(yè)的影響。

2)在體積收縮對水泥環(huán)完整性損害機理基礎上,研究建立了水泥環(huán)自收縮對完整性影響分析模型,立足于淺層氣竄臨界工況分析方法,形成了渤海油田淺層氣竄風險預測新方法。

3)實例分析表明,該方法可有效考慮體積收縮對水泥環(huán)完整損害的影響,預測淺層氣竄風險,為優(yōu)化水泥漿性能設計,避免淺層氣竄問題,保障油氣井固井質量和安全提供了分析依據(jù)。