氣井套管環(huán)空密封失效預防措施初探

趙效鋒，張慶生

（1.中國石化中原油田分公司石油工程技術研究院，河南 濮陽 457001；2.中國石化中原油田普光分公司，四川 達州 635000）

0 引言

氣竄引起的套管環(huán)空帶壓一直是高壓氣井面臨的難以解決的問題之一［1-4］。現(xiàn)有的環(huán)空帶壓治理措施，如擠水泥修復和化學堵漏等，均存在成本高、效果差和作業(yè)難度大等問題［5-6］。鑒于此，作業(yè)商一般不愿意治理環(huán)空帶壓問題［7］。而氣井一旦出現(xiàn)了此類問題，無論采取何種補救和治理措施，都勢必會付出巨大的時間、人工和經濟成本，極大地降低了氣井開發(fā)的經濟效益。

但若能從建井之初采取措施，完全或某種程度上預防氣井環(huán)空密封失效問題的發(fā)生，避免由此導致的環(huán)空帶壓問題，將會起到防患未然、事半功倍的作用。本文基于氣井套管環(huán)空密封失效的原因分析，提出了一種套管環(huán)空密封失效預防措施。通過理論計算驗證其有效性，并對措施中關鍵材料性能的影響規(guī)律進行分析，以確定其種類，初步制定出室內試驗方案，并對試驗試樣進行試制。

1 方案的提出及理論驗證

1.1 方案設想

固井水泥凝固以后，可能會因后續(xù)作業(yè)而遭到破壞，導致水泥環(huán)本體產生微裂縫，固井界面出現(xiàn)微環(huán)隙［8-9］。其中：水泥環(huán)本體破壞（如裂縫、破碎）的主要原因是套管內溫度、壓力過高［10-11］；而對于固井界面不但與壓力過高有關，還與各種工況下套管壓力的交替變化有關［12］。但無論何種形式破壞，過高的套管壓力總是其直接原因；因此，減小套管壓力對水泥環(huán)的影響，是預防套管環(huán)空密封失效的首要措施。

基于以上分析，筆者提出在套管外壁黏附一層彈性材料作為緩沖層，利用緩沖層吸收套管變形能量，來改善套管壓力下水泥環(huán)的受力狀況，以達到預防水泥環(huán)破壞而造成套管環(huán)空密封失效的目的。

1.2 理論驗證

對有、無緩沖層2種條件下，不同套管壓力對水泥環(huán)應力分布及失效特征進行計算，并對結果進行對比分析。計算時，假設套管和地層為線彈性材料，水泥環(huán)為彈塑性材料，以摩爾-庫倫準則為破壞準則，此問題可簡化為彈塑性厚壁筒的平面應變問題。由于計算公式［13-14］過于復雜，在此不再贅述。

分析中，假設套管緩沖層為完全彈性體，彈性模量為3.0 GPa，泊松比為0.25，厚度為4.0 mm。選取套管壓力為15～90 MPa，以15 MPa間隔取值；地應力為40 MPa。模型介質幾何參數(shù)和材料特性見表1。

表1 模型介質幾何參數(shù)和材料特性

由于套管壓力逐漸增大時，水泥環(huán)塑性破壞最先產生于水泥環(huán)內壁［11，13］，因此，選取水泥環(huán)內壁的徑向應力和等效塑性應變值作為分析對象。

經計算得出有、無緩沖層條件下水泥環(huán)內壁徑向應力隨套管壓力變化情況（見圖1）。從圖1可以看出，相較于無緩沖層，有緩沖層時，不同套管壓力下水泥環(huán)內壁的徑向應力均顯著減小，平均減小25%。這說明加入緩沖層可有效減小水泥環(huán)受力，降低套管壓力對水泥環(huán)的破壞。

圖1 水泥環(huán)內壁徑向應力隨套管壓力變化情況

圖2為有、無緩沖層條件下水泥環(huán)內壁等效塑性應變隨套管壓力的變化情況。

圖2 水泥環(huán)內壁等效塑性應變隨套管壓力變化情況

由圖2可以看出：無緩沖層的情況下，當套管壓力為45 MPa時，水泥環(huán)內壁出現(xiàn)塑性變形，且隨著套管壓力的進一步增大，水泥環(huán)塑性破壞程度越來越嚴重；有緩沖層的情況下，套管壓力增至90 MPa時，水泥環(huán)內壁才出現(xiàn)塑性變形，且等效塑性應變值遠小于無緩沖層時。由此說明，加入緩沖層確實可以有效保護水泥環(huán)，避免其被過早破壞。

通過以上分析，從理論上驗證了該措施的有效性。也就是說，通過在套管外壁黏附特定厚度和力學性質的緩沖層，可以完全或某種程度上避免水泥環(huán)的破壞，這種預防因水泥環(huán)破壞而造成氣井環(huán)空密封失效的措施，在理論上是可行的。

2 緩沖材料力學特性分析

緩沖層的作用是吸收套管變形的能量，需具備特定力學性質。筆者通過對緩沖層彈性模量、泊松比等力學參數(shù)進行分析，優(yōu)選出了其合理取值范圍。

2.1 彈性模量的影響

對不同套管壓力下，緩沖層彈性模量對水泥環(huán)內壁等效塑性應變和徑向應力的影響進行了分析。假設緩沖層厚度為4.0 mm，泊松比為0.25，選取100.0，50.0，25.0 GPa等11種緩沖層彈性模量（其余參數(shù)不變）。不同彈性模量緩沖層下水泥環(huán)內壁等效塑性應變情況見圖3。

圖3 緩沖層彈性模量對水泥環(huán)等效塑性應變的影響

從圖3可看出：緩沖層彈性模量減小，可降低水泥環(huán)等效塑性應變；當緩沖層彈性模量降到足夠低（小于10.0GPa）時，便可完全避免水泥環(huán)出現(xiàn)塑性破壞。

圖4為套管壓力15 MPa時，水泥環(huán)內壁徑向應力隨緩沖層彈性模量的變化情況。

圖4 水泥環(huán)內壁徑向應力隨緩沖層彈性模量變化情況

從圖4可以看出，緩沖層彈性模量降低可減小水泥環(huán)內壁受力。其中：較高（A區(qū)，大于等于10.0 GPa）與較低（C區(qū)，小于等于10.0 MPa）的彈性模量范圍內，彈性模量對水泥環(huán)徑向應力影響的敏感性較低。在此范圍內選取不同的緩沖層彈性模量，水泥環(huán)所受徑向應力差別不大。當緩沖層彈性模量處于中間水平（B區(qū)，介于10.0 MPa和10.0GPa）時，水泥環(huán)徑向應力對彈性模量的變化比較敏感。在此范圍內，不同緩沖層彈性模量下水泥環(huán)所受徑向應力差別較大。鑒于對水泥環(huán)的保護效果，建議緩沖層彈性模量應小于10.0 MPa。

2.2 泊松比的影響

對不同套管壓力下，緩沖層泊松比對水泥環(huán)內壁等效塑性應變和徑向應力的影響進行了分析。假設緩沖層厚度為4.0mm，彈性模量為1.0GPa，選取0.10，0.20，0.30，0.40，0.50等 5種泊松比（其余參數(shù)不變）。計算結果見圖5、圖6。從圖5可以看出，較低的緩沖層泊松比有利于避免水泥環(huán)出現(xiàn)塑性破壞，從而保護水泥環(huán)。從圖6（套管壓力15 MPa下）可以看出：隨著緩沖層泊松比的降低，水泥環(huán)內壁徑向應力呈減小趨勢；當泊松比足夠?。?.20）時，對水泥環(huán)徑向應力的減弱作用已達到極限，即使再減小泊松比，也無法進一步降低水泥環(huán)徑向應力。因此，優(yōu)選出緩沖層泊松比在0.20～0.50。

圖5 緩沖層泊松比對水泥環(huán)等效塑性應變的影響

圖6 水泥環(huán)內壁徑向應力隨緩沖層泊松比變化情況

3 緩沖層厚度分析

對不同厚度緩沖層下水泥環(huán)等效塑性應變和徑向應力分布規(guī)律進行了分析。假設緩沖層彈性模量為1.0 GPa，泊松比為0.25，選取1.0～7.0 mm的7種緩沖層厚度（其余參數(shù)不變）。不同厚度緩沖層下水泥環(huán)內壁等效塑性應變變化情況見圖7。

圖7 緩沖層厚度對水泥環(huán)內壁等效塑性應變的影響

從圖7可以看出，隨著緩沖層厚度增加，套管壓力對水泥環(huán)內壁等效塑性應變的影響減小趨勢明顯，而當緩沖層足夠厚（本例為7.0 mm）時，則可完全避免水泥環(huán)出現(xiàn)塑性變形。

而從套管壓力15 MPa下水泥環(huán)內壁徑向應力隨緩沖層厚度變化情況（見圖8）來看，緩沖層厚度對水泥環(huán)內壁徑向應力的影響并非線性關系。整體上看，隨著緩沖層厚度的增加，水泥環(huán)內壁徑向應力呈下降趨勢，但緩沖層厚度達到一定程度后，其對水泥環(huán)內壁徑向應力的降低作用逐步減弱。因此，優(yōu)選出的緩沖層厚度需大于4.0 mm。由于緩沖層會侵占一部分環(huán)空空間，致使水泥環(huán)變薄，所以，緩沖層并非越厚越好。

圖8 水泥環(huán)內壁徑向應力隨緩沖層厚度變化情況

4 緩沖材料確定及試樣試制

根據緩沖材料力學性能的分析結果，對滿足條件的緩沖材料進行了篩選。最終基于工藝和成本方面的考慮，確定緩沖材料種類為橡膠（常見橡膠的彈性模量為7.8 MPa，泊松比為0.47）。通過對不同配方的橡膠試樣進行力學性能試驗，優(yōu)選出了具有特定硬度、彈性，具有耐熱、耐磨、耐油特性的丁腈橡膠用于室內試驗的試樣試制。配合室內試驗試制了有、無緩沖層φ114.3 mm套管2種試樣（見圖9）。有緩沖層試樣試制過程表明，該措施具有成本低、工藝簡便、可操作性強等特點。

圖9 有、無緩沖層φ114.3 mm套管試樣

室內試驗采用水泥環(huán)應變/溫變破壞模擬裝置。該裝置可模擬φ152.4 mm井眼、φ114.3 mm套管固井作業(yè)，對不同套管內壓力（最高70 MPa）、溫度（最高160℃）和不同圍壓（最高35 MPa）條件下的水泥環(huán)氣竄狀況進行監(jiān)測，定量評判是否發(fā)生套管環(huán)空密封失效。

5 結論

1）通過在套管外壁黏附緩沖層來消除或減弱套管壓力對水泥環(huán)的應力破壞，以預防環(huán)空帶壓等導致的氣井套管環(huán)空密封失效，該措施在理論上是可行的。

2）緩沖層應具備較低的彈性模量、泊松比及足夠的厚度。本文優(yōu)選出的緩沖層彈性模量應小于10.0 MPa，泊松比 0.20～0.50，厚度大于 4.0 mm。

3）初步確定緩沖材料為橡膠，并對試樣進行了試制。試樣試制過程表明，該措施具有成本低、工藝簡便、可操作性強等特點。