周 浪 向 毅 汪傳磊

(1. 中國(guó)石油西南油氣田公司 工程技術(shù)研究院， 成都 610007；2. 中國(guó)石油西南油氣田公司 川東北氣礦， 四川 達(dá)州 635000)

0 前 言

在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，實(shí)施完井壓裂作業(yè)之后往往會(huì)形成環(huán)空異常帶壓，其中部分投產(chǎn)氣井已出現(xiàn)方井內(nèi)套管懸掛附近漏氣的現(xiàn)象。尤其是在深層開(kāi)發(fā)當(dāng)中，水平井壓裂、返排階段的環(huán)空壓力有可能隨井口壓力的變化而產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，為頁(yè)巖氣井安全作業(yè)帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)診斷結(jié)果表明，環(huán)空異常帶壓主要是由于水泥環(huán)密封失效所致。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有關(guān)于油層套管外固井水泥環(huán)力學(xué)性能及完整性的研究，主要是從儲(chǔ)層段溫度、壓力、流體特征分析等角度評(píng)價(jià)固井水泥環(huán)滿足封隔儲(chǔ)層氣上竄的能力[1-7]。儲(chǔ)氣庫(kù)注采井全井筒水泥環(huán)密封性能測(cè)試研究表明，采用相同水泥漿體系的水泥環(huán)在不同井段的密封能力存在很大差異[8]。本次研究將結(jié)合已有成果，對(duì)深層頁(yè)巖氣水泥環(huán)在不同井段試壓、壓裂工況下的密封能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用了西南石油大學(xué)自主研發(fā)的水泥環(huán)密封完整性測(cè)試裝置，其工作原理如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)給水泥環(huán)端面加氣壓的方式測(cè)試是否發(fā)生氣竄，然后據(jù)此評(píng)估水泥環(huán)的密封能力，端面所加氣壓設(shè)定為1 MPa。

為便于模擬井下實(shí)際環(huán)境，采用了水泥環(huán)完整性應(yīng)力等效方法進(jìn)行測(cè)試。首先，采用四川某頁(yè)巖氣井現(xiàn)場(chǎng)水泥漿制成水泥石樣品，并測(cè)試其在不同候凝溫度下的力學(xué)性能；然后，基于測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)理論模型計(jì)算實(shí)際井筒水泥環(huán)在不同井段、不同作業(yè)工況下的真實(shí)承載情況。根據(jù)第4強(qiáng)度理論，給實(shí)驗(yàn)所用水泥環(huán)加溫及內(nèi)外加壓，使模擬水泥環(huán)的等效應(yīng)力與實(shí)際水泥環(huán)的應(yīng)力相等，從而針對(duì)實(shí)際井筒工況、井身結(jié)構(gòu)、溫度應(yīng)力環(huán)境對(duì)水泥環(huán)的作用進(jìn)行等效模擬。

圖1 水泥環(huán)密封完整性測(cè)試裝置工作原理圖

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

候凝溫度，取不同深度井段的溫度。為了獲取水泥石的力學(xué)性能變化規(guī)律，參照地溫梯度從井口至井底依次取20、40、70、110、140 ℃作為候凝溫度，制作水泥石樣品并測(cè)試其力學(xué)性能(見(jiàn)圖2)。測(cè)試結(jié)果顯示：水泥石的抗壓強(qiáng)度隨著候凝溫度的升高呈逐漸增大的趨勢(shì)；水泥石的彈性模量，在前面升溫階段(20～110 ℃)呈先增大再減小的變化趨勢(shì)，在后面升溫階段(110～140 ℃)則直接呈減小趨勢(shì)，這表明該水泥漿體系具有高抗壓強(qiáng)度、低彈性模量的特性；水泥石的泊松比變化不大，這是因?yàn)樗嗍癁榇嘈泽w。

圖2 水泥石的力學(xué)性能變化

實(shí)驗(yàn)工況分為試壓工況和壓裂工況。在試壓工況下，油層套管內(nèi)壓為油管壓力與液柱壓力之和；在壓裂工況下，油層套管內(nèi)壓為循環(huán)加載，可通過(guò)井口泵壓計(jì)算不同井段的實(shí)際內(nèi)壓。對(duì)于油層套管和技術(shù)套管之間的水泥環(huán)，應(yīng)用油層“套管+水泥環(huán)+技術(shù)套管”的力學(xué)彈塑性模型[9-12]計(jì)算井下水泥環(huán)在不同工況條件下所受實(shí)際圍壓；對(duì)于油層套管和頁(yè)巖地層之間的水泥環(huán)，以地層孔隙壓力乘以頁(yè)巖等效孔隙壓力系數(shù)所得結(jié)果為圍壓。本次研究的深層頁(yè)巖氣井4 000 m深處井底儲(chǔ)層段地層壓力為82 MPa，巖石孔隙度為2%～3%。根據(jù)西南石油大學(xué)韓林老師的實(shí)驗(yàn)研究成果，巖石孔隙度與等效孔隙壓力系數(shù)的關(guān)系如見(jiàn)圖3所示，在此等效孔隙壓力系數(shù)取0.22。計(jì)算中所用的井身結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

圖3 巖石孔隙度與等效孔隙壓力系數(shù)的關(guān)系

表1 井身結(jié)構(gòu)

表2 套管與地層巖石材料性能參數(shù)

室內(nèi)模擬裝置的實(shí)驗(yàn)尺寸為：套管內(nèi)徑，50 mm;壁厚,3 mm;水泥環(huán)壁厚,20 mm?，F(xiàn)場(chǎng)工況與實(shí)驗(yàn)工況的水泥環(huán)密封能力對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 試壓工況下的水泥環(huán)密封能力對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試壓工況下水泥環(huán)密封性能測(cè)試

在試壓工況下的水泥環(huán)密封性能測(cè)試結(jié)果如表5 所示?？梢钥闯觯矎纳现料滤喹h(huán)與套管的膠結(jié)密封性能存在較大差異。

在垂深0～1 000 m井段，當(dāng)井口試壓至70 MPa時(shí)水泥環(huán)均沒(méi)有出現(xiàn)失效現(xiàn)象，而井口附近出現(xiàn)泄漏，泄壓后彈性恢復(fù)，泄漏現(xiàn)象消失。當(dāng)在井口試壓達(dá)90 MPa時(shí)：垂深0 m井段水泥環(huán)密封失效，出現(xiàn)軸向貫穿裂縫，發(fā)生破壞(見(jiàn)圖4)；垂深1 000 m井段出現(xiàn)失效現(xiàn)象，水泥環(huán)取出后本體完好，發(fā)生泄漏是因?yàn)樵噳褐挟a(chǎn)生了微環(huán)隙所致。

在垂深2 000 m井段：當(dāng)試壓至70 MPa時(shí)，未發(fā)生泄漏(見(jiàn)圖5a)；當(dāng)試壓至90 MPa出現(xiàn)了泄漏，且泄壓后彈性恢復(fù)；當(dāng)試壓至100 MPa時(shí)，發(fā)生泄漏且無(wú)法恢復(fù)，同時(shí)水泥環(huán)本體出現(xiàn)未貫穿的小裂縫(圖5b)。

在垂深4 000 m井段，當(dāng)試壓至100 MPa時(shí)水泥環(huán)未失效，但同樣出現(xiàn)了泄漏后彈性恢復(fù)密封性的現(xiàn)象，水泥環(huán)本體未被破壞。

表4 壓裂工況下的水泥環(huán)密封能力對(duì)比

在壓裂工況下的水泥環(huán)密封性能測(cè)試結(jié)果如表6所示。可以看出，除了垂深4 000 m井段，其他井段水泥環(huán)在循環(huán)載荷下密封失效的情況較嚴(yán)重。

在垂深1 000 m以上井段，水泥環(huán)密封失效的主要原因是循環(huán)載荷誘導(dǎo)產(chǎn)生了微環(huán)隙。在垂深2 000 m以上井段，水泥環(huán)循環(huán)不超過(guò)3次密封性即失效，且泄漏程度與循環(huán)次數(shù)為正相關(guān)。在垂深2 000 m井段，水泥環(huán)密封性失效后均出現(xiàn)了本體非貫穿裂紋，微環(huán)隙和本體破壞的共同作用使其密封性失效。在垂深4 000 m井段，水泥環(huán)在47～100 MPa循環(huán)壓力下循環(huán)13次時(shí)密封失效，說(shuō)明其在高循環(huán)泵壓下密封能力較強(qiáng)。

表5 試壓工況下水泥環(huán)密封能力測(cè)試結(jié)果

圖4 垂深0 m井段試壓后水泥環(huán)及其密封能力測(cè)試結(jié)果

圖5 垂深2 000 m井段試壓后水泥環(huán)及其密封能力測(cè)試結(jié)果

表6 壓裂工況下水泥環(huán)密封能力測(cè)試結(jié)果

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

在油層套管與地層之間，水泥環(huán)可以滿足深層頁(yè)巖氣對(duì)儲(chǔ)層段附近封堵的需求。但是，在技術(shù)套管和油層套管之間，水泥環(huán)受到圍壓和候凝溫度的雙重影響，其密封性沿井筒由下至上逐漸降低。在試壓過(guò)程中，井筒中上部井段水泥環(huán)的密封性易被破壞，使得循環(huán)載荷下水泥環(huán)密封失效的風(fēng)險(xiǎn)大幅增加。在高內(nèi)壓下，導(dǎo)致密封失效的主要原因是水泥環(huán)本體破裂；在較低內(nèi)壓下，密封失效的主要原因是水泥環(huán)與套管間產(chǎn)生了微環(huán)隙。同一水泥漿體系在不同深度井段的密封性表現(xiàn)不同，主要是因?yàn)槭艿綔囟?、圍壓、交變載荷的不同影響。

(1) 溫度的影響。候凝溫度對(duì)水泥石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量影響巨大。同時(shí)，不同的養(yǎng)護(hù)溫度會(huì)使水泥石水化產(chǎn)物、水化程度存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致水泥石凝固后機(jī)械性能發(fā)生顯著變化[8]。本次研究中采集的水泥漿樣品來(lái)源于四川深層頁(yè)巖氣井開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，單井井底溫度達(dá)到了146 ℃，地面溫度為20 ℃，現(xiàn)場(chǎng)固井候凝時(shí)間一般為72 d。從井口到井底的溫度差異，導(dǎo)致水泥環(huán)密封性沿井筒從上而下逐漸降低。

(2) 圍壓的影響。在圍壓作用下，會(huì)顯著地強(qiáng)化水泥石的塑性，使水泥石的軸向強(qiáng)度隨著圍壓加大而成倍提高[13]。頁(yè)巖氣井筒從上至下受到的圍壓逐漸加大，儲(chǔ)層段的圍壓主要來(lái)源于地層壓力，因此在儲(chǔ)層段水泥環(huán)的力學(xué)性能最佳。在技術(shù)套管和油層套管之間的水泥環(huán)未受到內(nèi)壓時(shí)，套管自身的剛性使水泥環(huán)不受圍壓的影響。當(dāng)向井筒施加內(nèi)壓時(shí)，技術(shù)套管對(duì)水泥環(huán)的反作用力產(chǎn)生對(duì)水泥環(huán)的圍壓。在相同大小的井口壓力下，井筒內(nèi)不同井段受到的絕對(duì)內(nèi)壓從上至下逐漸加大，因此水泥環(huán)的密封性沿著井筒從上至下逐漸增強(qiáng)。

(3) 交變載荷的影響。每次加載、卸載后，水泥石均會(huì)存在殘余應(yīng)變，在交變載荷下隨著循環(huán)加載次數(shù)增多這種殘余應(yīng)變會(huì)不斷累積。造成這種現(xiàn)象的原因有二：一是，水泥石在受到載荷變形時(shí)會(huì)先處于壓實(shí)階段，然后才會(huì)進(jìn)入彈性變形階段[13]；二是，在水泥環(huán)壓實(shí)和循環(huán)載荷的影響下，水泥環(huán)內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的微裂紋，這些微裂紋竄通后會(huì)改變水泥環(huán)的機(jī)械性能，導(dǎo)致水泥環(huán)不斷累積損傷和殘余應(yīng)變。

因此，在頁(yè)巖氣大型分段體積壓裂工況下，水泥環(huán)的密封性能顯著下降，尤其是技術(shù)套管和油層套管之間的水泥環(huán)密封失效風(fēng)險(xiǎn)更大。這就導(dǎo)致了頁(yè)巖氣井在完井投產(chǎn)后出現(xiàn)了B環(huán)空帶壓和井口竄氣現(xiàn)象。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)油層套管外水泥環(huán)密封能力的實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

(1) 從井底到井口，水泥漿候凝溫度和水泥環(huán)承受的圍壓必然存在較大差異，這導(dǎo)致不同井段水泥環(huán)的密封能力也不相同。同時(shí)，壓裂帶來(lái)的交變載荷使得水泥石不斷產(chǎn)生累積損傷和殘余應(yīng)變，一步步降低了水泥環(huán)的密封能力。

(2) 當(dāng)前深層頁(yè)巖氣采用的彈性水泥漿體系基本能夠滿足頁(yè)巖儲(chǔ)層段有效封堵的需求。但是，試壓過(guò)程中容易破壞井筒中上部井段水泥環(huán)的密封性，且在壓裂工況下技術(shù)套管和油層套管之間的水泥環(huán)密封失效現(xiàn)象多有發(fā)生。

(3) 在高內(nèi)壓下，密封失效的主要原因是水泥環(huán)本體破裂；在較低內(nèi)壓下，密封失效的主要原因是水泥環(huán)與套管間產(chǎn)生了微環(huán)隙。

(4) 為了確保井筒全井段水泥環(huán)密封能力，應(yīng)根據(jù)井筒上下部實(shí)際工況條件，采用不同性能的水泥漿體系分段固井, 適時(shí)控制試壓值的大小，避免全井筒采用清水試壓。