井內壓力變化對水泥環(huán)密封完整性的影響及對策

劉洋 嚴海兵 余鑫 馮予淇 范偉華

中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司

水泥環(huán)密封完整性是指在油氣井服役期間水泥環(huán)保持良好的結構完整性和功能完整性。套管試壓，高壓氣井鉆井液密度大幅度降低，地下儲氣庫注采氣產生的交變壓力，頁巖氣井體積壓裂，都可能導致水泥環(huán)密封失效，引起環(huán)空帶壓［1－6］。川渝氣區(qū)數口頁巖氣井（N209、N210、N203等）在壓裂后，油層套管與技術套管環(huán)空帶壓6～24.5MPa；川中地區(qū)高壓氣井監(jiān)177.8mm尾管固井后，下一次開鉆鉆井液密度大幅度降低，造成G2井、M8井、M9井氣竄；相國寺地下儲氣庫運行壓力在11.7～28MPa，長期注采作業(yè)中，水泥石受周期性交變壓力容易疲勞破壞。分析井內壓力變化對水泥環(huán)密封完整性破壞的原因，并采取針對性措施，對降低環(huán)空帶壓風險，保證油氣井安全生產具有重要意義。

1 水泥環(huán)應力計算

水泥環(huán)應力分布及一界面處水泥環(huán)位移計算公式：

式中σr、σθ分別表示水泥環(huán)徑向應力、周向應力，Pa；pc1、pc2分別表示第一、二界面處接觸應力，Pa；pi、pf分別表示套管內壓力和水平地應力，Pa；Es、Ec、Ef分別表示套管、水泥環(huán)、地層巖石楊氏模量，Pa；μs、μc、μf分別表示套管、水泥環(huán)、巖石泊松比；a、b、rm、ts、c、d 分別表示套管內徑、外徑、內外徑平均值，套管壁厚，井眼直徑、地層邊界距離（7倍套管直徑），m。

水泥環(huán)初始應力狀態(tài)為：①水泥石體積收縮，則第二界面處接觸應力等于地層孔隙壓力；②水泥石體積不收縮，則第二界面處接觸應力等于平均水平地應力。

2 井內壓力變化影響水泥環(huán)密封完整性

2.1 頁巖氣井套管柱試壓及壓裂作業(yè)

該作業(yè)使作用在井內套管的內壓力大幅度升高。四川盆地頁巖氣井監(jiān)139.7mm油層套管固井后（套管壁厚9.17mm，井眼尺寸215.9mm）對套管柱試壓及壓裂作業(yè)，井口壓力高達60MPa。N203井等井固井質量優(yōu)質率100%，但試壓或光套管壓裂作業(yè)后均出現(xiàn)環(huán)空帶壓。該區(qū)塊水泥石楊氏模量10GPa，泊松比0.19，其余計算條件及結果如表1所示，由公式（1）和（2），試壓或壓裂作業(yè)后，套管壁處水泥環(huán)周向應力均超過抗拉強度，發(fā)生拉伸破壞，導致水泥環(huán)密封失效。

2.2 高壓天然氣井鉆井液密度大幅度降低

川中地區(qū)高壓天然氣井因監(jiān)177.8mm尾管固井后，采用較低密度鉆井液替換井內鉆井液鉆開目的層而使作用在井內套管的內壓力大幅度降低。該區(qū)塊監(jiān)177.8mm尾管固井時鉆井液密度約為2.20g／cm3，而下一次開鉆鉆進時，鉆井液密度降至1.35g／cm3左右。M8、G2、M9井監(jiān)177.8mm尾管固井，氣層封固質量優(yōu)良，候凝過程未發(fā)生氣竄，但井內壓力大幅度下降后，喇叭口竄氣。該區(qū)塊水泥石楊氏模量10GPa，泊松比0.19，其余計算條件及結果如表2所示。以套管壁處水泥環(huán)徑向拉應力達到抗拉強度為形成微環(huán)隙的臨界條件［7－8］，由公式（3），計算出井內壓力下降幅度超過40MPa后，3口井形成寬度13.09～20.24μm的微環(huán)隙，密封能力顯著降低。

表1 套管試壓及壓裂作業(yè)時套管外壁處水泥環(huán)應力表

表2 井內壓力降低時套管外壁處水泥石微環(huán)隙表

2.3 地下儲氣庫井交變載荷

地下儲氣庫井天然氣注入和采出的作業(yè)使作用在井內套管的內壓力交替變化。這種交變壓力可能引起水泥石內部固有的微裂紋緩慢擴展、連通，導致水泥石疲勞破壞［9－11］。以井深2 107m 的儲氣庫井為例，水平地應力30MPa，井徑215.9mm，套管直徑177.8 mm，壁厚11.51mm，運行壓力12～28MPa，水泥石楊氏模量10GPa，泊松比0.19，根據水泥石疲勞破壞方程［12］計算出交變壓力作用下普通水泥石疲勞破壞周期如表3所示。儲氣庫井注采氣過程中運行壓力越高，普通水泥環(huán)越易疲勞破壞。當達到最大運行壓力時，只需數十次注采周期，水泥環(huán)即發(fā)生疲勞破壞。

表3 交變壓力下水泥環(huán)疲勞破壞周期表

3 水泥環(huán)長期密封完整性保護技術措施

普通油氣井服役時間超過30a，而儲氣庫服役時間超過5 0a，水泥環(huán)需保持長期密封完整性?；诖耍此喹h(huán)密封失效方式，從水泥漿、工藝技術、工具等多方面入手，提出較系統(tǒng)的水泥環(huán)密封完整性保護技術。

3.1 水泥石力學性能改善

水泥石力學性能改善是指在保證水泥石常規(guī)工程性能滿足施工要求基礎上，降低水泥石楊氏模量，提高抗拉強度，使水泥石具備較好的彈性形變能力，或提高膨脹能力。主要包括彈性水泥漿和柔性自應力水泥漿。

彈性水泥石具備了低楊氏模量、彈性變形能力強的特點，能與套管、井壁協(xié)調變形，有效卸載，大幅度降低微裂隙及微環(huán)隙形成的可能性。由公式（1）、（2）計算出當井內壓力變化時，為避免水泥環(huán)破壞，需將水泥石楊氏模量降至適當范圍（表4）。以斯倫貝謝為代表的典型彈性水泥石，楊氏模量在3.5～5.5GPa，泊松比約為0.22，抗拉強度在2.2～2.5MPa，在儲氣庫得到成功應用，固井質量優(yōu)質，在經過試壓及下一次開鉆鉆進井內壓力變化后，固井質量依然良好，未出現(xiàn)氣竄。

表4 井內壓力變化對水泥石力學性能要求表

井下作業(yè)公司柔性自應力水泥石能在高圍壓條件下膨脹，產生0.5～3.0MPa膨脹壓應力，楊氏模量在5～7GPa，泊松比約為0.19，抗拉強度在2.5～3.5 MPa。當固井后井內壓力增加時，通過釋放壓縮應力，減小水泥環(huán)周向拉應力，避免拉伸破壞，同時外觀體積微膨脹，可阻止微環(huán)隙形成。由公式（1）、（2）計算出表5所示不同井內壓力變化情況下柔性膨脹水泥石體積膨脹要求。該水泥漿體系在相國寺儲氣庫井技術套管、頁巖氣井的油層套管固井中得到了成功應用，固井質量優(yōu)質，在經過試壓、大型體積壓裂作業(yè)后，環(huán)空封固質量好，未發(fā)生氣竄。

3.2 工藝技術措施

保證水泥環(huán)長期密封完整性的工藝技術措施主要包括了改變試壓工藝和采用徑向預應力固井技術。該項技術在四川的長寧、金秋、富順區(qū)塊的數十口頁巖氣井固井中得到應用。

表5 井內壓力變化對柔性膨脹水泥石性能要求表

為防止試壓對水泥石的破壞作用，常規(guī)套管固井可在碰壓后繼續(xù)增壓完成套管試壓。試壓值應為原設計壓力與管內外靜壓差之和，但最高壓力不應超過套管柱抗內壓強度的80%，同時也應保證水泥頭、管線、附件在安全工作壓力范圍內。

徑向預應力固井技術是指固井施工時通過增大管內外壓差，使套管預壓縮，具備較強回彈變形能力，提高界面膠結質量，防止微環(huán)隙產生的一種固井工藝。針對直徑在127.0～196.8mm套管固井，根據水泥環(huán)位移公式（3）計算，采用徑向預應力固井時，若固井漏失風險小，建議管內外負壓差增至10～30MPa，同時環(huán)空憋壓5～10MPa候凝，不僅可有效補償25～60 μm的微環(huán)隙，且可在井壁形成致密濾餅，阻止氣竄。

3.3 封隔器阻止氣竄

對于氣層活躍，后期作業(yè)井內壓力變化較大，氣竄風險高的井，建議采用封隔器阻止氣竄，消除水泥環(huán)密封完整性破壞后帶來的井控風險。川中地區(qū)高壓氣井應用監(jiān)177.8mm封隔式尾管懸掛器固井20余井次，成功解決了該區(qū)塊喇叭口竄氣問題。相國寺儲氣庫井在技術套管底部及儲層頂部安放裸眼封隔器。

4 結論與建議

1）套管柱試壓及增產作業(yè)使水泥石承受較大周向拉應力，形成徑向微裂隙，造成密封失效；井內壓力大幅度降低后，套管壁處水泥環(huán)承受的徑向拉應力超過抗拉強度，可能形成微環(huán)隙；儲氣庫井注采氣引起的交變載荷變化幅度越大，水泥石越易疲勞破壞。

2）為保證水泥環(huán)密封完整性，建議采取以下措施：根據固井后井內壓力變化，選用力學性能匹配的彈性水泥漿或柔性自應力水泥漿；套管固井在碰壓后立即進行管柱試壓；對固井后井內壓力大幅度下降的井，應用徑向預應力固井技術和封隔器防止氣竄。

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