周 浪 曾青松 汪傳磊 李玉飛 張 勇 張丹丹

1.中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司對(duì)外合作部3.中國(guó)石油西南油氣田公司物資分公司

0 引言

當(dāng)前，四川盆地相國(guó)寺地下儲(chǔ)氣庫(kù)（以下簡(jiǎn)稱相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)）注采井建井過(guò)程采用了高標(biāo)準(zhǔn)的彈性水泥漿體系，現(xiàn)場(chǎng)固井質(zhì)量檢測(cè)表明注采井油層套管固井水泥環(huán)質(zhì)量合格率普遍在99%左右；但服役后注采井環(huán)空出現(xiàn)了較大比例的異常環(huán)空帶壓現(xiàn)象，其中B環(huán)空異常帶壓占比達(dá)到30.7%?，F(xiàn)場(chǎng)分析結(jié)果表明，淺層氣上竄是導(dǎo)致B環(huán)空異常帶壓的主要原因。

針對(duì)油層套管外固井水泥環(huán)力學(xué)性能及完整性分析，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展過(guò)大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)和理論模型計(jì)算，絕大部分研究都主要從儲(chǔ)層段溫度、壓力、流體特征出發(fā)，評(píng)價(jià)固井水泥環(huán)滿足封隔儲(chǔ)層氣上竄的能力[1-9]。針對(duì)全井筒水泥環(huán)的力學(xué)性能，國(guó)內(nèi)有學(xué)者研究了不同溫度下水泥石抗壓強(qiáng)度、楊氏模量、泊松比受溫度影響的非線性變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同溫度下水泥石水化產(chǎn)物及水化程度不同，會(huì)導(dǎo)致水泥石力學(xué)性能突變[10]。筆者基于已有的研究成果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試水泥環(huán)在不同深度和各種工況下的密封能力，以期厘清B環(huán)空異常帶壓的原因并控制B環(huán)空帶壓的加劇、避免或減少新建注采井B環(huán)空帶壓現(xiàn)象。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法及過(guò)程

選用參數(shù)指標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)一致的彈性水泥漿體系，其儲(chǔ)層溫度下，力學(xué)性能為24.6 MPa，彈性模量3.05 GPa；按照預(yù)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和套次制作水泥環(huán)樣品。為了模擬井筒底部、中部及井口的實(shí)驗(yàn)條件，水泥漿養(yǎng)護(hù)對(duì)應(yīng)溫度為60 ℃、40 ℃及25 ℃，養(yǎng)護(hù)壓力統(tǒng)一為20.7 MPa，養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為72 h。實(shí)驗(yàn)采用水泥環(huán)密封完整性測(cè)試裝置如圖1所示。

由于該設(shè)備工作筒小于實(shí)際井筒尺寸，為了模擬井下實(shí)際環(huán)境，采用水泥環(huán)應(yīng)力等效方法，通過(guò)模型計(jì)算井筒水泥環(huán)在不同作業(yè)工況下的承載情況，根據(jù)第四強(qiáng)度理論，計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)水泥環(huán)的等效應(yīng)力。在設(shè)備上給試驗(yàn)水泥環(huán)加溫、加內(nèi)外壓力，使水泥環(huán)的等效應(yīng)力與現(xiàn)場(chǎng)水泥環(huán)應(yīng)力相等，實(shí)現(xiàn)等效模擬現(xiàn)場(chǎng)井筒工況環(huán)境下水泥環(huán)所受的力學(xué)載荷。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)給水泥環(huán)端面加氣壓，測(cè)試是否發(fā)生氣竄評(píng)估水泥環(huán)密封性能，端面所加氣壓設(shè)置為1 MPa。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

參考相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)的現(xiàn)場(chǎng)工況，將實(shí)驗(yàn)工況分為試壓工況和注采工況。為了體現(xiàn)全井筒工況條件的差異，參照地溫梯度獲取不同井段深度的溫度作為水泥石的養(yǎng)護(hù)溫度；試壓工況下，油套管內(nèi)壓為油套壓+液柱壓力，注采工況下油套管內(nèi)壓參考現(xiàn)場(chǎng)油套管壓力最高取30 MPa。

采用油層套管+水泥環(huán)+地層（或技術(shù)套管）的力學(xué)彈塑性模型[11-14]計(jì)算井下水泥環(huán)在不同工況條件下所受實(shí)際圍壓，計(jì)算取值如下：油層套管外徑為177.8 mm，套管壁厚為11.51 mm，套管楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3，鋼級(jí)為TP95S；水泥石楊氏模量為3.05 GPa，水泥石泊松比為0.22；技術(shù)套管外徑為244.5 mm，壁厚為11.99 mm，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3，鋼級(jí)為TP95S；巖石的楊氏模量為25 GPa，巖石的泊松比0.2。

室內(nèi)模擬裝置尺寸為：套管內(nèi)徑50 mm，壁厚3 mm，水泥環(huán)壁厚為20 mm，基于物理近似的方法最終確定實(shí)驗(yàn)條件下的內(nèi)壓與圍壓值如表1所示。

圖1 完整性實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理圖

表1 水泥環(huán)密封能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 井底水泥環(huán)密封性能測(cè)試

假設(shè)按照套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度系數(shù)的0.8倍（51.6 MPa）進(jìn)行清水試壓，考慮井的垂深2 000 m，井底儲(chǔ)層段附近水泥環(huán)受到內(nèi)壓71.6 MPa，分析該工況下對(duì)水泥環(huán)完整性的影響?；诘刃г韺?shí)驗(yàn)內(nèi)壓為60.6 MPa，圍壓為9.1 MPa。實(shí)驗(yàn)升壓至60.6 MPa后，穩(wěn)壓30 min后卸壓。流量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明未監(jiān)測(cè)到氣體竄出，說(shuō)明在工況下，水泥環(huán)密封較好，滿足該試壓工況。

采用試壓71.6 MPa工況進(jìn)行測(cè)試后，直接在此基礎(chǔ)上反復(fù)加載與卸載。實(shí)驗(yàn)循環(huán)內(nèi)壓載荷介于1.0～13.6 MPa，在經(jīng)過(guò)30個(gè)循環(huán)周期后未監(jiān)測(cè)到氣體泄漏，如圖2-a所示，表明在該注采工況下水泥環(huán)密封性良好，其后采用實(shí)驗(yàn)循環(huán)內(nèi)壓載荷介于1.0～22.1 MPa經(jīng)30個(gè)循環(huán)周期過(guò)程中監(jiān)測(cè)到不連續(xù)的氣體竄漏，如圖2-b所示，表明在該注采工況下水泥環(huán)密封已經(jīng)存在削弱，但還沒有完全竄通。

2.2 中部井段水泥環(huán)密封性能測(cè)試

圖2 不同循環(huán)內(nèi)壓載荷下井底水泥環(huán)密封性測(cè)試結(jié)果圖

為了分析井筒試壓對(duì)井筒中部水泥環(huán)密封性的影響，選取井筒中部1 000 m井深處工況環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)試壓工況下內(nèi)壓為45 MPa，等效實(shí)驗(yàn)內(nèi)壓為35.1 MPa，圍壓4.1 MPa。當(dāng)內(nèi)壓加載至35.1 MPa，穩(wěn)壓30 min后卸載，流量計(jì)未監(jiān)測(cè)到竄出的氣體；然后按照1.0～22.1 MPa實(shí)驗(yàn)循環(huán)內(nèi)壓加載，在循環(huán)至第2個(gè)周期時(shí)即開始監(jiān)測(cè)到大量氣體從環(huán)空竄出（圖3）。

圖3 中部井段水泥環(huán)密封性測(cè)試結(jié)果圖

2.3 井口附近水泥環(huán)密封性能測(cè)試

井口附近水泥環(huán)（長(zhǎng)度100 m）在清水試壓過(guò)程中受到內(nèi)壓30 MPa左右，圍壓7.1 MPa，分析該工況下對(duì)水泥環(huán)完整性的影響?；诘刃г韺?shí)驗(yàn)內(nèi)壓在22.1 MPa，圍壓為2.5 MPa條件下進(jìn)行模擬，穩(wěn)壓30 min后泄壓，流量計(jì)監(jiān)測(cè)到環(huán)空氣體竄出，如圖4-a所示，說(shuō)明在該試壓工況下，水泥環(huán)密封性失效。降低清水試壓值至20 MPa，圍壓為4.8 MPa，基于等效原理實(shí)驗(yàn)在內(nèi)壓為13.6 MPa，圍壓為2.0 MPa條件下進(jìn)行模擬，穩(wěn)壓30 min后泄壓，流量計(jì)未有檢測(cè)到環(huán)空發(fā)生泄漏。

圖4 井口附近水泥環(huán)密封性測(cè)試結(jié)果圖

采用循環(huán)內(nèi)壓載荷10 MPa、20 MPa、30 MPa對(duì)井口附近的水泥環(huán)進(jìn)行密封性測(cè)試，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)循環(huán)內(nèi)壓載荷最大值分別為8.1 MPa、13.6 MPa、22.1 MPa。測(cè)試表明，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，循環(huán)內(nèi)壓載荷8.1 MPa，實(shí)驗(yàn)圍壓1 MPa時(shí)，水泥環(huán)沒有發(fā)生泄漏；在循環(huán)內(nèi)壓載荷13.6 MPa，實(shí)驗(yàn)圍壓2 MPa時(shí)，在第23個(gè)循環(huán)周期開始監(jiān)測(cè)到氣體竄漏，如圖4-b所示。在循環(huán)內(nèi)壓載荷22.1 MPa時(shí)，在第22個(gè)循環(huán)周期時(shí)也監(jiān)測(cè)到大量氣體竄漏。

2.4 結(jié)果分析

同一水泥漿體系在不同深度井段體現(xiàn)出不同的密封能力，主要是由于3個(gè)方面的原因?qū)е隆?/p>

2.4.1 溫度的影響

艾正青通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明，不同的養(yǎng)護(hù)溫度會(huì)導(dǎo)致水泥石水化產(chǎn)物及水化程度的不同，相同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下，水泥石在60 ℃及80 ℃條件下，機(jī)械性能存在突變區(qū)間，在60 ℃以前，水泥石抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著養(yǎng)護(hù)溫度增加而顯著增加，60～80℃存在機(jī)械性能突變區(qū)，超過(guò)80 ℃，機(jī)械性能沒有顯著地變化[10]。

相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采井地層溫度在60 ℃左右，地面溫度最高不超過(guò)20 ℃。固井候凝時(shí)間一般在72 h，溫度的差異會(huì)導(dǎo)致沿井筒不同深度水泥漿凝固后機(jī)械性能從井口到井底逐漸降低，這導(dǎo)致水泥環(huán)密封性能沿井筒從上至下逐漸降低。

2.4.2 圍壓的影響

研究結(jié)果表明，圍壓對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響非常顯著，在其作用下，水泥石會(huì)出現(xiàn)顯著地塑性強(qiáng)化，水泥石的軸向強(qiáng)度隨著圍壓增加成倍增加[15]。

在井底儲(chǔ)層段，相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)注采井注氣前地層壓力介于2～3 MPa，考慮試壓工況71.6 MPa時(shí)地層巖石束縛給水泥環(huán)的理論圍壓在16 MPa；在注采階段，地層壓力在13～28 MPa波動(dòng)，而地層巖石束縛給水泥環(huán)的理論圍壓在7 MPa左右，遠(yuǎn)低于地層壓力。因此，本實(shí)驗(yàn)在儲(chǔ)層段附近水泥環(huán)密封測(cè)試選取了較為極端的測(cè)試工況條件，但水泥環(huán)密封性能依然可以滿足生產(chǎn)需要，也證實(shí)了現(xiàn)有彈性水泥漿體系的可靠性。

在井筒中部和上部區(qū)域，水泥環(huán)處于油層套管和技術(shù)套管之間，由于套管本體的強(qiáng)度和剛性，地層帶來(lái)的圍壓對(duì)水泥環(huán)影響極小，水泥環(huán)實(shí)際受到的圍壓取決于油層套管內(nèi)受到的內(nèi)壓傳遞給技術(shù)套管后對(duì)水泥環(huán)的反作用力。理論計(jì)算表明，水泥環(huán)受到的實(shí)際圍壓遠(yuǎn)低于井底，在井口附近，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試壓30 MPa工況下，圍壓最高為7.1 MPa。實(shí)際測(cè)試也表明，中上部井段水泥環(huán)密封能力顯著低于井底儲(chǔ)層段附近水泥環(huán)。

2.4.3 交變載荷的影響

對(duì)該水泥漿體系在交變載荷下水泥石三軸力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，如圖5所示，測(cè)試條件為養(yǎng)護(hù)溫度60 ℃，養(yǎng)護(hù)溫度20.7 MPa，循環(huán)載荷15 MPa，且水泥石處于彈性應(yīng)變的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。

圖5 循環(huán)載荷下水泥石應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

由圖5可知，水泥石每次加載卸載后，均存在殘余應(yīng)變，且隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加這種殘余應(yīng)變會(huì)不斷累積，但殘余應(yīng)變的增加幅度隨著加載次數(shù)增加在不斷減小。造成這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè)：水泥石在受到載荷會(huì)首先處于壓實(shí)階段，然后才會(huì)進(jìn)入彈性變形階段[15]；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)越多的微裂紋當(dāng)微裂紋逐漸竄通，會(huì)降低水泥石整體力學(xué)性能，導(dǎo)致水泥石存在不斷累積的損傷和殘余應(yīng)變。

實(shí)驗(yàn)采用的彈性水泥漿體系可以滿足儲(chǔ)氣庫(kù)注采井對(duì)儲(chǔ)層段附近封堵需求，即使在允許最大的試壓工況和注采交變載荷下，依然可以保證對(duì)儲(chǔ)層段的有效屏障；井筒中部水泥環(huán)在當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)井口試壓35 MPa（水泥環(huán)內(nèi)壓45 MPa）工況下，能保持水泥環(huán)密封性，但在承受最高30 MPa交變載荷時(shí)，發(fā)生了密封失效；井口附近水泥環(huán)需要將試壓壓力降低至20 MPa時(shí)，才能夠保持水泥環(huán)密封性。在承受交變載荷時(shí)，內(nèi)壓超過(guò)20 MPa后水泥環(huán)密封性失效。

3 結(jié)論與建議

1）同一種水泥漿體系在實(shí)際固井凝固后沿井筒深度具有不同的力學(xué)性能，導(dǎo)致不同井段水泥環(huán)的密封性能存在較大差異。

2）交變載荷會(huì)導(dǎo)致水泥石產(chǎn)生累積的損傷和殘余應(yīng)變，對(duì)水泥環(huán)的密封能力有顯著的影響。

3）當(dāng)前相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)采用的彈性水泥漿體系是滿足注采井儲(chǔ)層段有效封堵的，但在井筒中部（B環(huán)空），注采工況下有發(fā)生水泥環(huán)密封失效的風(fēng)險(xiǎn)；在井口附近井段，試壓和注采工況均可能破壞水泥環(huán)的密封性。

4）為了確保井筒全井段水泥環(huán)密封能力，建議從3個(gè)方面著手：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；避免全井筒清水試壓或控制試壓值大?。淮_保完井管柱施工質(zhì)量，避免A環(huán)空帶壓，降低封隔器以上油層套管受到交變載荷的影響。