謝關(guān)寶，滕春鳴，柳華杰

（1.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 102206；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 102206；3.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）

鹽巖主要由鉀、鈉、鈣、鎂的鹵化物及硫酸鹽礦物組成，具有較好的可溶性和可塑性，鉆井過程中易發(fā)生塑性變形或蠕動流動，導(dǎo)致井眼不規(guī)則，使套管變形或擠毀；尤其是儲氣庫等對井筒密封性的要求比較高，鹽巖層段存在井漏、固井質(zhì)量難以保證等工程技術(shù)難題，對井筒完整封閉性構(gòu)成潛在風(fēng)險[1-5]。針對鹽巖蠕變，Ge Weifeng 等人[6]基于數(shù)值模擬方法，研究了鹽層蠕變對水平井套管外壓的影響；B.Mota 等人[7]分析了堿和硫酸鈣對硅酸三鈣水化和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響；B.Schug 等人[8-9]研究認(rèn)為，石膏蠕變的速度與石膏在孔隙流體中的溶解度有很大的關(guān)系；R.Gholami 等人[10-13]研究認(rèn)為，鹽巖蠕變是巖層顆粒直徑、礦物、含水率、深度和應(yīng)變率的函數(shù)，并提出了一種基于損傷力學(xué)的方法，可以確定不同蠕變階段的應(yīng)變率；Wang Tongtao 等人[14-18]研究認(rèn)為，儲氣鹽穴頂板失效的主要原因是不能及時傳遞鹽穴頂部蓋層上的載荷，導(dǎo)致應(yīng)力集中，進(jìn)而誘發(fā)局部損壞。目前，有關(guān)鹽巖蠕變對井筒氣密性評價及分析的研究較少，也缺少相關(guān)理論依據(jù)與實踐[19-20]。為此，筆者采用巖石物理試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了鹽巖地層固井對一界面、二界面氣密性的影響，并進(jìn)行了實例分析，以期為研究鹽巖蠕變對井筒氣密性的影響提供理論依據(jù)。

1 鹽巖蠕變氣密性試驗

1.1 一界面氣密性試驗

根據(jù)工區(qū)常用的增韌水泥漿配方配制水泥漿，將配制好的水泥漿注入模具中，在90 ℃溫度條件下常壓養(yǎng)護(hù)3 d，待水泥漿凝固后，進(jìn)行氣密性測試。模具材質(zhì)與P110 套管相同，水泥與模具內(nèi)壁的接觸面為模擬的固井一界面。模具內(nèi)徑為15 mm，外徑為25 mm，高度分別為20，30，40，50，60，70 和80 mm。測試時，從模擬套管的一端通氮氣施加壓力，直至氣體從模擬套管另一端突破，此時的氣體壓力即為套環(huán)-水泥的密封壓力，測試結(jié)果見表1。

表1 固井一界面氣體密封能力Table 1 Gas sealing ability of the first interface of cementing

從表1可以看出，隨著模擬套管長度增加，密封壓力整體表現(xiàn)出增大的趨勢。試驗發(fā)現(xiàn)，氣體均從水泥石端面突破，而不是從界面突破，所以測試的密封壓力并不能表征一界面對氣體的具體密封能力值，而是水泥石的瞬間密封能力，其與水泥石的滲透率有關(guān)。試驗雖未能直接確定一界面的氣體密封壓力，但可以確定一界面的氣體密封壓力值大于測量值。因此，可以建立一個保守的一界面氣體密封能力準(zhǔn)則，即定義一界面的氣體密封壓力是接觸壓力的1.0 倍（試驗測量的一界面氣體密封壓力遠(yuǎn)大于接觸壓力）。

1.2 二界面氣密性試驗

為測試二界面氣密性，采用環(huán)狀鹽巖巖心，內(nèi)部注入水泥漿，巖心與水泥的膠結(jié)面可視為井筒固井二界面，同時施加不同圍壓及溫度，模擬地層條件。采用氮氣進(jìn)行二界面突破試驗，試驗初始時巖心側(cè)面施加大于底部氮氣壓力值的圍壓，然后不斷增大巖心底部氮氣的壓力值直至突破，此時的氮氣壓力值即為二界面的突破壓力。

為了對比分析鹽巖蠕變對界面密封性能的影響，設(shè)計了3 種試驗方案：1）方案1，選取3 塊巖心，在溫度90 ℃下養(yǎng)護(hù)3 d 后，測量氣體突破壓力值；2）方案2，方案1 的巖心完成突破壓力測量后，對巖心施加恒定圍壓值，讓鹽巖進(jìn)行蠕變，并在蠕變5 d后，再次測量氣體突破壓力值；3）方案3，選取2 塊巖心，在溫度90 ℃下養(yǎng)護(hù)3 d 后，施加一定的圍壓使鹽巖蠕變，5 d 后測試氣體突破壓力。3 個試驗方案共進(jìn)行了5 塊巖樣的測量，結(jié)果見表2。

表2 固井二界面氣體密封能力Table 2 Gas sealing ability of the second interface in cementing

從表2可以看出，鹽巖在圍壓4.0 MPa 的條件下蠕變5 d 后，能夠使二界面處原有的裂隙閉合，并具有密封0.6 MPa 氮氣的能力；鹽巖在圍壓6.0 MPa 的條件下蠕變5 d 后，能夠使二界面處原有的裂隙閉合，并具有密封2.7 MPa 氮氣的能力；鹽巖在圍壓10.0 MPa 的條件下蠕變5 d 后，能夠使二界面處原有的裂隙閉合，并具有密封5.6 MPa 氮氣的能力。

二界面處原有的裂隙均為氮氣突破形成的通道，且突破后的氣體流速相差不大，因此可以認(rèn)為這些裂縫的尺寸大致相等。鹽巖的蠕變能夠使一定尺寸的裂縫閉合，并具有一定的密封氮氣的能力。

從試驗獲得的少量數(shù)據(jù)來看，對于原本膠結(jié)狀態(tài)良好的二界面，鹽巖在圍壓6.0 MPa 條件下蠕變5 d 后，密封氮氣的能力能夠達(dá)到7.8 MPa，不加圍壓單軸條件下的鹽巖二界面密封氮氣的能力為4.0 MPa。對比這2 組數(shù)據(jù)可知，鹽巖蠕變對于原本膠結(jié)良好的二界面依舊有增強(qiáng)密封的作用。

對比一界面的氣密性試驗和二界面的氣密性試驗結(jié)果可知，水泥石相對較高的滲透率并未影響二界面的氣體密封能力，在氣體壓力還未到達(dá)水泥石的瞬時密封能力前，二界面已經(jīng)被氣體突破，說明二界面的氣體密封壓力小于一界面的氣體密封壓力。另外，從表1和表2也可以看出，一界面的氣體密封能力強(qiáng)于二界面的氣體密封能力。

2 鹽巖蠕變氣密性數(shù)值模擬

2.1 三維有限元模型的建立

為了模擬鹽巖蠕變過程中巖心與水泥環(huán)的接觸壓力與氣體密封能力的關(guān)系，利用ABAQUS 有限元軟件建立了鹽巖-水泥環(huán)-套管三維模型，如圖1所示。該模型包括套管、水泥環(huán)和鹽巖等3 部分，中間為水泥環(huán)的四分之一，外徑30 mm；外圍為鹽巖的四分之一，內(nèi)徑30 mm，外徑109 mm。

圖1 鹽巖-水泥環(huán)-套管三維模型Fig.1 Salt rock-cement sheath-casing 3D model

模擬過程中使用的參數(shù)均為試驗測量所得。套管的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.30；水泥石的彈性模量為9.0 GPa，泊松比為0.20；地層的彈性模量為1.8 GPa，泊松比為0.38。根據(jù)鹽巖單軸和有圍壓狀態(tài)下的三軸蠕變試驗數(shù)據(jù)，確定氣密性試驗的鹽巖蠕變參數(shù)。進(jìn)行氣密性模擬試驗時，根據(jù)單軸蠕變試驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果確定參數(shù)A、n和m的值。模擬井下真實地層時，根據(jù)圍壓條件下的蠕變試驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果確定參數(shù)值（見表3）。

表3 蠕變試驗參數(shù)取值Table 3 Parameters of creep experiment

2.2 鹽層地應(yīng)力對氣密性的影響

利用建立的三維模型，在鹽巖外側(cè)均勻施加地應(yīng)力載荷，模擬鹽巖蠕變對井筒氣密性的影響，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 地應(yīng)力對氣體密封能力的影響Fig.2 Influence of in-situ stress on gas sealing ability

從圖2可以看出，在水泥與鹽巖地層膠結(jié)良好的情況下，地應(yīng)力水平越高，鹽巖地層固井二界面對氣體的密封能力越強(qiáng)，且隨著時間延長逐漸增大。

2.3 蠕變時間對氣密性的影響

在鹽巖外側(cè)均勻施加地應(yīng)力載荷，模擬蠕變時間對井筒氣密性的影響[20-21]，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著蠕變時間增長，鹽巖地層固井二界面對氣體的密封能力在短時間內(nèi)迅速增大，1 000 h 后增速變緩；隨著地層深度增大，水平地應(yīng)力增大，鹽巖地層固井二界面對氣體的密封能力亦隨之增大。

圖3 蠕變時間對固井二界面氣體密封能力的影響Fig.3 Effect of creep time on gas sealing ability of the second interface in cementing

2.4 鹽巖所處深度對氣密性的影響

進(jìn)一步模擬井下鹽巖蠕變一年后不同地層深度處的氣體密封能力，結(jié)果如圖4所示。

圖4 界面氣體密封能力隨地層深度的變化關(guān)系Fig.4 Variation of gas sealing ability of interface with depth of the formation

從圖4可以看出，隨著地層深度的增加，固井一、二界面的氣體密封能力均隨之增大，且固井一界面的氣體密封能力大于固井二界面的氣體密封能力。

2.5 地層封固長度對氣密性的影響

界面接觸壓力隨二界面封固長度的變化關(guān)系如圖5所示，氣體撐開界面的壓力隨二界面封固長度的變化關(guān)系如圖6所示。

從圖5可以看出，界面接觸壓力隨著固井封固長度的增加而增大；但長度超過160 mm 時，增幅不再明顯。從圖6可以看出，氣體撐開界面的壓力隨著界面封隔長度的增加而增大，其原因是初始界面接觸壓力隨長度增加而增大；但長度超過160 mm時，氣體撐開界面的壓力隨著界面長度增大不再明顯變化。

圖5 界面接觸壓力隨二界面封固長度的變化關(guān)系Fig.5 Variation of interface contact pressure with the sealing length of the second interface

圖6 氣體撐開界面壓力隨二界面封固長度的變化關(guān)系Fig.6 Variation of interface pressure against gas expansion with the sealing length of the second interface

2.6 固井二界面氣體密封壓力定量分析

判斷井筒的密封性能，首先要確保固井水泥環(huán)不會發(fā)生強(qiáng)度失效，水泥環(huán)一旦發(fā)生強(qiáng)度失效，整個井筒的密封性能會急劇下降甚至失去密封能力。

在確保固井水泥環(huán)沒有發(fā)生強(qiáng)度失效后，進(jìn)行界面的密封性能求解。對比前面固井一界面和二界面的氣體密封能力可知，固井一界面的氣體密封能力強(qiáng)于固井二界面，而鹽巖滲透率極低，可認(rèn)為不具備氣體滲透條件，因此鹽巖層的氣體密封能力取決于固井二界面的界面密封能力和水泥石的氣體密封性能。根據(jù)圖3，對不同深度處固井二界面的氣體密封能力進(jìn)行回歸擬合，得到經(jīng)驗公式：

式中：p為地層密封的氣體壓力，MPa；t為水泥凝固后開始計算的鹽巖蠕變時間，h；x1是為了使曲線擬合度更高而提取出來的時間節(jié)點；l為界面封固長度，m；l0為以深度2700 m 處為起點的長度節(jié)點，m；h為斜率。

3 模型準(zhǔn)確性驗證

3.1 模擬驗證單軸蠕變試驗

數(shù)值模擬的鹽巖單軸蠕變情況與蠕變試驗結(jié)果如圖7所示。單軸蠕變試驗數(shù)據(jù)和模擬蠕變結(jié)果基本重合，表明所采用的單軸蠕變試驗數(shù)據(jù)擬合的參數(shù)具有較高的準(zhǔn)確性。

圖7 鹽巖單軸蠕變試驗Fig.7 Uniaxial creep test of salt rock

3.2 模擬驗證室內(nèi)氣密性試驗

采用模擬方法研究試驗方案2 試驗過程中水泥-鹽巖組合體的受力情況。設(shè)定不同裂縫寬度，模擬裂縫寬度對應(yīng)的接觸壓力，結(jié)果如圖8所示。研究得知，試驗數(shù)據(jù)與模擬得出的數(shù)據(jù)吻合度較高。裂縫最大寬度存在差異的原因是，試驗時氣體的突破壓力值不同，突破時在二界面處撐開的裂縫寬度也不同。

圖8 裂縫寬度-接觸壓力對應(yīng)關(guān)系Fig.8 Relationship between fracture width and contact pressure

4 實例分析

文23 儲氣庫地處中原油田，為我國中東部地區(qū)最大儲氣庫，地質(zhì)情況復(fù)雜，尤其是儲氣庫蓋層段鹽膏巖發(fā)育，固井難度大，對井筒密封性、完整性要求較高，缺少有效的評價手段。目前，該儲氣庫井采用以下分類原則：蓋層水泥環(huán)密封能力大于38 MPa為注采井，小于20 MPa 為監(jiān)測井，其他為單采井。

WX4-3 井為文23 儲氣庫的一口井，蓋層段發(fā)育大量鹽巖，鹽巖層段2 305.00～2 755.00 m。其中2 305.00～2 588.00 m 井段平均聲波幅度為中低值、局部高值，變密度測井顯示大部分井段套管波缺失或較弱，局部套管波較強(qiáng)，八扇區(qū)以黑色和深灰色為主，局部中灰色，少量淺灰色，故一界面、二界面固井質(zhì)量均以膠結(jié)好為主，局部膠結(jié)中等，少量膠結(jié)差；2 588.00～2 755.00 m 井段平均聲波幅度值較高，變密度測井顯示套管波較強(qiáng)，局部套管波較弱，八扇區(qū)以深灰色和中灰色為主，局部黑色，少量淺灰色，故一界面以膠結(jié)中和差為主，局部膠結(jié)好，二界面以膠結(jié)差為主，局部膠結(jié)好和中，如圖9所示。

圖9 WX4-3 井固井質(zhì)量綜合評價結(jié)果Fig.9 Comprehensive evaluation result of cementing quality of WX4-3 Well

利用構(gòu)建的二界面氣體密封壓力定量分析方法，計算得到地層不同深度的二界面密封壓力（見表4），結(jié)合水泥石的密封能力和井身結(jié)構(gòu)完整性，綜合判定該井可作為注采井。

表4 WX4-3 井鹽巖層段固井二界面密封壓力Table 4 Sealing pressure of the second interface in cementing for the salt rock interval of Well WX4-3

文23 儲氣庫WX7-7 井鹽巖段為2 278.00～2 839.00 m，為進(jìn)一步分析與驗證鹽巖蠕變對水泥環(huán)氣密封完整性的影響，分別于固井后3，32 和47 d進(jìn)行固井質(zhì)量測井，評價結(jié)果見表5。

表5 WX7-7 井鹽巖層段固井質(zhì)量評價結(jié)果Table 5 Cementing quality evaluation results of salt rock interval of Well WX7-7

從表5可以看出，一界面膠結(jié)質(zhì)量好和中的比例由7.4%提高至42.8%，二界面膠結(jié)質(zhì)量好和中的比例由0.7%提高至27.8%，鹽層固井優(yōu)質(zhì)段累計達(dá)50 m 以上。由此可知，隨著時間增長，固井膠結(jié)質(zhì)量呈明顯變好的趨勢，且從變化時間上看，與2.3 節(jié)模擬的1 000 h（41.7 d）也具有較好的對應(yīng)性。

5 結(jié)論與建議

1）固井一界面對氣體的密封能力強(qiáng)于水泥石本身的氣密性，鹽巖蠕變可增強(qiáng)固井二界面的氣體密封能力。

2）在水泥與鹽巖膠結(jié)良好的情況下，地應(yīng)力水平越高，鹽巖地層固井二界面對氣體的密封能力越強(qiáng)；隨著蠕變時間增長，鹽巖地層固井二界面對氣體的密封能力在短時間內(nèi)迅速增大，1000 h 后增速變緩。

3）在井下圍壓條件下，水泥環(huán)很難發(fā)生剪切失效，因此鹽巖層氣體密封能力主要取決于固井二界面的界面密封能力和水泥石自身的密封能力。

4）氣體密封能力與界面接觸壓力有關(guān)，如果氣體壓力升高到可以克服界面接觸壓力而撐開界面時，氣體突破界面的壓力并不會隨著封固長度的增加而增大；但是界面接觸壓力隨著封固長度的增加而增大，并存在臨界值；對不同深度處固井二界面接觸壓力進(jìn)行回歸擬合，得到固井二界面接觸壓力隨封固長度變化的模型。需要注意的是，氣體密封能力受多種因素的影響，在其他地區(qū)使用時需要綜合考慮各種因素。