固井封固系統(tǒng)初始作用力及其影響分析

于海峰

【摘要】本文以固井封固系統(tǒng)為研究對象，首先簡要分析了固井封固系統(tǒng)所對應(yīng)的初始作用力類型及其表現(xiàn)，在此基礎(chǔ)之上，詳細(xì)研究了固井封固系統(tǒng)初始作用力對封固系統(tǒng)相關(guān)性能發(fā)揮的影響，有待引起同行工作人員的特別關(guān)注與重視。

【關(guān)鍵詞】固井 封固系統(tǒng) 初始作用力 影響 分析

在固井作業(yè)完成之后，直至固井封固系統(tǒng)形成，這一時間段內(nèi)，可以將作用于固井封固系統(tǒng)當(dāng)中的外力、以及由固井封固系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)部件所聯(lián)動產(chǎn)生的作用力統(tǒng)稱為固井封固系統(tǒng)所對應(yīng)的初始作用力。大量的實踐研究結(jié)果證實：固井封固系統(tǒng)所表現(xiàn)出的初始作用力在很大程度上關(guān)系著固井封固系統(tǒng)界面膠結(jié)性能的發(fā)揮以及封固有效性的實現(xiàn)水平，值得特別重視。為此，本文重點研究了固井封固系統(tǒng)所涉及到的初始作用力，及其對固井封固系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行性能的影響關(guān)系，希望能夠為相關(guān)實踐工作的開展提供一定的參考與幫助。

1 固井封固系統(tǒng)初始作用力分析

在水泥漿表現(xiàn)為流體狀態(tài)的情況下，套管內(nèi)所分布的流體為頂替液流體。實踐數(shù)據(jù)證實：在此種狀態(tài)作用之下，固井封固系統(tǒng)套管部件內(nèi)壓與外壓之間的差值在2MPa～3MPa單位范圍之內(nèi)。從這一角度上來說，所鉆開井眼各部分之間的相互作用可簡化為如下圖（見圖1）所示狀態(tài)。在該示意圖當(dāng)中，水泥漿分別作用于套管以及地層，該作用力為靜液柱壓力。與此同時，套管內(nèi)部所流動的頂替液流體也會相對于套管自身施加一定的靜液柱壓力。在此過程當(dāng)中，靜液柱壓力的取之情況與水泥漿在環(huán)空狀態(tài)下的返升高度有極為密切的關(guān)系。圖1 水泥漿流體狀態(tài)下初始作用力示意圖

在水泥漿表現(xiàn)為塑性狀態(tài)的情況下，水泥漿內(nèi)部會自動形成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生與形成可使得水泥漿在膠凝強(qiáng)度方面有所提升。不僅如此，膠凝強(qiáng)度的提高使得上文中所提到的：水泥漿分別作用于套管以及地層的靜液柱壓力，該作用力將逐步降低。通常將這一現(xiàn)象稱之為“水泥漿失重”。也正是在這一過程當(dāng)中，水泥漿開始自流體狀態(tài)發(fā)展變化成為塑性狀態(tài)。在此過程當(dāng)中，所鉆開井眼各組成部分相互之間的作用情況可簡化為如下圖（見圖2）所示。在該示意圖當(dāng)中，一界面位置的套管不但受到了剩余靜液柱壓力的影響。同時，水泥漿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所傳遞的地層孔隙壓力也屬于一界面所需要承擔(dān)的初始作用力。同樣的，對于二界面位置而言，地層在受到剩余靜液柱壓力影響的同時，水泥漿柱通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳遞方式所施加的反作用固—固作用力也需要由二界面位置承擔(dān)。圖2 水泥漿塑性狀態(tài)下初始作用力示意圖

在水泥漿表現(xiàn)為凝固狀態(tài)的情況下，借助于水泥環(huán)傳遞而施加于套管部件之上的地層孔隙壓力達(dá)到了max數(shù)值狀態(tài)。結(jié)合對鉆開井眼各部分關(guān)系的分析，可將鉆開井眼中各部分之間的相互作用簡化為如下圖（見圖3）所示。在該示意圖當(dāng)中，對于一界面位置而言，水泥環(huán)可相對于套管施加一定程度上的初始作用力，而在二界面位置當(dāng)中，水泥環(huán)則可相對于地層表面施加一定程度上的反作用力。上述兩類初始作用力均屬于固—固作用力。與此同時，形成于一界面位置當(dāng)中的初始作用力數(shù)值略低于形成于二界面位置當(dāng)中的初始作用力數(shù)值。圖3 水泥漿凝固狀態(tài)下初始作用力示意圖2 固井封固系統(tǒng)初始作用力的影響分析

通過上文中有關(guān)固井作業(yè)一般流程的分析，不難總結(jié)得出：相對于固井封固系統(tǒng)而言，所涉及到的初始作用力主要可以歸納為以下幾個方面。首先，鉆井開眼狀態(tài)下實現(xiàn)二次分布的雙向地應(yīng)力。該初始作用力主要作用于鉆開井眼的周邊地層區(qū)域；其次，二界面位置水泥環(huán)與地層相對產(chǎn)生的固—固作用力。該初始作用力的具體數(shù)值等同于地層空隙壓力數(shù)值；再次，一界面位置水泥環(huán)與套管對應(yīng)產(chǎn)生的固—固作用力。該初始作用力的具體數(shù)值相對于地層孔隙壓力數(shù)值而言略小或者是相等。換句話來說，一界面位置水泥環(huán)與套管對應(yīng)產(chǎn)生的固—固作用力數(shù)值≤二界面位置水泥環(huán)與底層對應(yīng)產(chǎn)生的固—固作用力；再次，水泥環(huán)分別受到來自于套管部件以及地層區(qū)域所產(chǎn)生的反作用力。此項初始作用力的具體數(shù)值與前文中所提到的固—固作用力（分別對于二界面以及一界面位置而言）均等；最后，在鉆開井眼內(nèi)部流體作用之下，產(chǎn)生于套管內(nèi)部的靜液柱壓力。該初始作用力的具體取值分別受到了所鉆開井眼內(nèi)部液體密度以及套管深度的影響。

基于上述相關(guān)分析，不難發(fā)現(xiàn)：在固井封固系統(tǒng)所表現(xiàn)出的上述初始作用力當(dāng)中，地層的性質(zhì)直接決定著地應(yīng)力相對于固井封固系統(tǒng)的作用力系數(shù)。實踐研究結(jié)果同時證實：特別是對于長期處于蠕變狀態(tài)下的地層區(qū)域而言，在作用時間不斷延長的過程當(dāng)中，水泥環(huán)以及套管部件所承受的作用力會呈現(xiàn)出由小至大的發(fā)展趨勢，進(jìn)而使得水泥環(huán)以及套管部件的正常運(yùn)行受到嚴(yán)重的損害；與此同時，上文中所提到的一界面位置存在的水泥環(huán)與套管相互作用力、以及二界面位置存在的水泥環(huán)與地層相互作用力，上述兩種類型的作用力均對固井風(fēng)骨系統(tǒng)界面膠結(jié)性能的發(fā)揮以及封固的有效性產(chǎn)生著至關(guān)重要的影響。詳細(xì)來說：無論是對一界面或者是對于二界面位置而言，固—固作用力的存在均有可能在作用力相互擠壓的過程當(dāng)中，導(dǎo)致固井封固系統(tǒng)的界面膠結(jié)出現(xiàn)失效問題；同時，對于水泥環(huán)所承受的反作用力而言，最為顯著的影響在于：能夠使水泥環(huán)的受力形態(tài)始終維持在三向應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)中，提高其作用力強(qiáng)度，能夠保障水泥環(huán)所承受的應(yīng)力作用力更大。而這對于提高固井封固系統(tǒng)的封固性能而言無疑是極為關(guān)鍵的；最后，對于套管部件內(nèi)部所表現(xiàn)出的靜液柱壓力而言，該初始作用力數(shù)值的降低會使得一界面位置以及二界面位置所表現(xiàn)出的擠壓力呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢，由此同樣可能引發(fā)相關(guān)界面的膠結(jié)性能出現(xiàn)失效問題。