套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面水力密封完整性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)研究*

武治強(qiáng) 岳家平 李 強(qiáng) 曹硯鋒 耿亞楠 劉書杰 周建良

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028； 2. 中國(guó)海洋石油有限公司 北京 100010)

良好的固井水力膠結(jié)可以阻止流體通過(guò)固井套管外環(huán)空竄流，同時(shí)減少套管被腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)[1-6]，因此，研究固井套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面水力密封完整性對(duì)于井筒完整性評(píng)價(jià)具有重要意義。

固井施工結(jié)束后，水泥漿逐漸凝固成水泥環(huán)，套管、水泥環(huán)和地層形成了一個(gè)縱向的封隔系統(tǒng)，良好的層間密封是油氣井達(dá)到應(yīng)有產(chǎn)能的關(guān)鍵。長(zhǎng)期以來(lái)，業(yè)內(nèi)學(xué)者僅對(duì)固井質(zhì)量測(cè)井井段水泥環(huán)第一界面的膠結(jié)狀況開展研究，而對(duì)水力密封影響研究較少。筆者將水力突破評(píng)價(jià)裝置和水泥膠結(jié)評(píng)價(jià)測(cè)井技術(shù)相結(jié)合，對(duì)影響套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面水力密封完整性的相關(guān)因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，以期為現(xiàn)場(chǎng)油井全周期完整性壽命設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 水力密封完整性影響因素分析

1.1 整體膠結(jié)質(zhì)量

目前現(xiàn)場(chǎng)主要采用水泥膠結(jié)測(cè)井(Cement Bond Logging,CBL)來(lái)評(píng)價(jià)固井膠結(jié)質(zhì)量，測(cè)井曲線CBL值小于15%為膠結(jié)質(zhì)量為良好，測(cè)井曲線CBL值小于30%為膠結(jié)質(zhì)量中等，測(cè)井曲線CBL值大于30%為膠結(jié)質(zhì)量不合格。套管與水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量對(duì)水力密封完整性起到至關(guān)重要的影響,如果套管和水泥環(huán)膠結(jié)良好，CBL相對(duì)聲幅值越低，水力密封效果好；反之則CBL相對(duì)聲幅值較高，水力密封效果就差[7-10]。

1.2 膠結(jié)局部差異性

套管與水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量局部差異性大，如果水泥漿性能存在不足，會(huì)導(dǎo)致頂替效率不高，進(jìn)而影響膠結(jié)的均質(zhì)性，結(jié)果呈現(xiàn)微間隙、竄槽等膠結(jié)薄弱點(diǎn)[11]，這些潛在的薄弱點(diǎn)具有不可預(yù)見性和非均勻性。相關(guān)研究表明[12-13]，在沒(méi)有內(nèi)部竄流通道的前提下，水泥環(huán)與套管的膠結(jié)強(qiáng)度越大，套管與水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量就越好，水力密封完整性就越高；如果內(nèi)部存在薄弱連通區(qū)域，水力密封完整性就依賴于薄弱連通流道上的最弱膠結(jié)強(qiáng)度。

2 水力密封完整性影響評(píng)價(jià)

2.1 整體膠結(jié)質(zhì)量影響評(píng)價(jià)

圖1 水力密封完整性評(píng)價(jià)裝置Fig .1 Hydraulic seal integrity evaluation device

通過(guò)室內(nèi)開展不同固井質(zhì)量條件下套管與水泥環(huán)水力密封完整性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，建立了不同固井質(zhì)量條件下所測(cè)CBL值與水力密封完整性(水力突破壓差)對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(圖3)。分析認(rèn)為，固井水泥環(huán)在一定封隔長(zhǎng)度段條件下，套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面無(wú)明顯連通的薄弱路徑或通道則視為均勻膠結(jié)，水泥環(huán)與套管膠結(jié)強(qiáng)度越高，即CBL值越小，則需要突破的壓力就越大，因此固井膠結(jié)質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系著套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面的水力密封性能。

2.2 膠結(jié)局部差異性影響評(píng)價(jià)

應(yīng)用CBL測(cè)井對(duì)水泥環(huán)進(jìn)行膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)，實(shí)質(zhì)上是對(duì)水泥環(huán)環(huán)向360°水泥膠結(jié)狀況的平均物理響應(yīng)，不能探測(cè)水泥溝槽或薄弱通道，并且目前對(duì)于局部的、微觀的膠結(jié)質(zhì)量尚不能解釋清楚。相比較CBL而言，水泥膠結(jié)評(píng)價(jià)測(cè)井能夠顯示出繞套管一周的水泥膠結(jié)分布情況，測(cè)出隨高度、方位角變化時(shí)水泥膠結(jié)狀況的好壞，可以相對(duì)清晰地看到水流通道路徑(圖4)。如果套管與水泥環(huán)界面膠結(jié)存在差異性，在水力突破力的作用下，水流會(huì)沿著膠結(jié)差的地方流動(dòng)，水流通過(guò)的路徑會(huì)形成水力突破通道。

圖2 8塊試樣所測(cè)CBL值Fig .2 CBL value of 8 samples

圖3 水力突破壓差與CBL的關(guān)系Fig .3 Relationship between hydraulic breakdown pressure and CBL

圖4 流道圓柱示意圖Fig .4 Flow channel cylinder diagram

2.2.1局部水力通道

室內(nèi)采用水泥膠結(jié)評(píng)價(jià)測(cè)井儀開展了水力突破路徑評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，流道通道評(píng)價(jià)結(jié)果如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，水力突破路徑主要表現(xiàn)為縱向上直接突破、弧型斜向上及迂回突破等方式：圖5a試樣1水力突破路徑?jīng)]有采取縱向上直接突破方式，而是采用4段式迂回突破方式；圖5b試樣2水力突破路徑是采取縱向上直接突破方式；圖5c試樣3水力突破路徑?jīng)]有采取縱向上直接突破方式，而是采用弧型斜向上突破方式；圖5d試樣4水力突破路徑?jīng)]有采取縱向上直接突破方式，而是采用4段式迂回突破方式；圖5e試樣5水力突破路徑?jīng)]有采取縱向上直接突破方式，而是采用3段式迂回突破方式；圖5f試樣6水力突破路徑?jīng)]有直接縱向上采取突破，而是采用2段式迂回突破方式。

通過(guò)分析認(rèn)為，由于水泥膠結(jié)存在不確定性，受限于當(dāng)時(shí)的固井工藝和固井環(huán)境，不同膠結(jié)試樣水力流動(dòng)通道不盡相同，存在巨大的差異性，竄流通道主要是在固井施工后水泥石與套管膠結(jié)薄弱區(qū)域的一個(gè)線性表現(xiàn)。

圖5 6塊試樣水力流動(dòng)疑似路徑Fig .5 Suspected path of hydraulic flow of 6 samples

2.2.2有效封隔長(zhǎng)度

1) 水力流道對(duì)有效封隔長(zhǎng)度的影響。

將水力突破流道實(shí)際軌跡定義為絕對(duì)路徑，將縱向上垂直最大位移定義為相對(duì)路徑，對(duì)本文實(shí)驗(yàn)中6塊試樣的水力通道路徑長(zhǎng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。由表1可以看出，相對(duì)路徑之間差值較小，更接近于突破壓力的波動(dòng)，因此可以將相對(duì)路徑長(zhǎng)度等同于有效封隔長(zhǎng)度。

(2)按城市地下管線測(cè)量技術(shù)要求，管線探測(cè)精度如下：隱蔽管線點(diǎn)的探測(cè)精度，高程中誤差(指測(cè)點(diǎn)相對(duì)鄰近高程控制點(diǎn))不大于±2 cm。水平位置限差不大于±(5+0.05h)，當(dāng)測(cè)區(qū)較大又缺少四等以上水準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，埋深限差不大于±(5+0.07h)(h為地下管線的中心埋深，以cm為單位。按i級(jí)精度要求)。

表1 水力流道路徑長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of hydraulic flow path length

根據(jù)固井質(zhì)量評(píng)價(jià)常規(guī)認(rèn)識(shí)，水力密封突破壓力與有效封隔長(zhǎng)度有關(guān)。通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定封隔長(zhǎng)度和等同膠結(jié)質(zhì)量的條件下，水力突破壓力與絕對(duì)路徑也有相關(guān)關(guān)系，即使水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度足夠高，若膠結(jié)良好的完整水泥環(huán)縱向長(zhǎng)度太短，也難以承受作業(yè)期間產(chǎn)生的壓差，所以有效的水力密封必須依賴于足夠的有效膠結(jié)長(zhǎng)度。

2) 套管尺寸對(duì)有效封隔長(zhǎng)度的影響。

國(guó)內(nèi)外固井研究人員從工程的角度出發(fā)，研究了常規(guī)密度水泥固井驗(yàn)竄實(shí)驗(yàn)，分析發(fā)現(xiàn)水泥環(huán)的水力密封完整性依賴于水泥石的膠結(jié)質(zhì)量和水泥環(huán)的最小有效封隔長(zhǎng)度，其中最小有效封隔長(zhǎng)度與套管尺寸有關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖6所示[7，14]。

由圖6可以看出，在一定水泥膠結(jié)條件下，套管尺寸越大，層間最小有效封隔長(zhǎng)度就越大，即套管尺寸越大，需要完整性的水泥環(huán)段就越長(zhǎng)，才能保證水力密封完整性。針對(duì)壓裂井來(lái)說(shuō)，考慮到壓裂作業(yè)對(duì)水泥環(huán)水力密封完整性要求較高，因此水力壓裂要求的水泥環(huán)層間縱向封隔長(zhǎng)度是通常封隔長(zhǎng)度的3倍[15]。

圖6 常規(guī)井套管尺寸與最小封隔長(zhǎng)度關(guān)系[7,14]Fig .6 Relationship between the size of casing and the minimum seal length[7,14]

基于上述分析結(jié)果，套管尺寸對(duì)水泥環(huán)水力密封完整性有一定的影響，在相同有效封隔長(zhǎng)度下，套管尺寸越大，水泥環(huán)密封完整性越差。

3 研究展望

套管與水泥環(huán)整體膠結(jié)質(zhì)量和局部差異性對(duì)水力密封完整性評(píng)價(jià)都有直接影響。水力密封完整性評(píng)價(jià)的通常做法是：①讀取和識(shí)別局部井段CBL值；②讀取封隔長(zhǎng)度，求取膠結(jié)強(qiáng)度，評(píng)價(jià)膠結(jié)質(zhì)量；③判斷水力密封完整性。常規(guī)做法是從工程角度出發(fā)，考慮套管水泥環(huán)整體膠結(jié)質(zhì)量，忽略局部膠結(jié)差異性，以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)的快速定性評(píng)價(jià)，而實(shí)現(xiàn)定量化評(píng)價(jià)則存在較大難度。為了更好地評(píng)價(jià)水力密封完整性，亟需進(jìn)行水力密封完整性定量化評(píng)價(jià)研究，建議從以下幾點(diǎn)開展研究工作。

1) 提高固井質(zhì)量測(cè)井的探測(cè)能力，特別是對(duì)局部差異性探測(cè)。通過(guò)分析認(rèn)為，套管與水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度、膠結(jié)缺陷、有效路徑等因素對(duì)水力密封完整性均有較大的影響，從整體膠結(jié)質(zhì)量出發(fā)評(píng)價(jià)，僅能做到定性，不能做到定量。

2) 加強(qiáng)因微裂縫、流體侵入和鉆井液污染引起的膠結(jié)缺陷的探測(cè)方法研究。實(shí)際測(cè)井過(guò)程中，這些缺陷不能夠被現(xiàn)有的測(cè)井手段準(zhǔn)確識(shí)別出來(lái)。

3) 進(jìn)一步研發(fā)新的水力密封完整性研究手段，提高水力密封完整性評(píng)價(jià)能力，探索一套統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。

總之，水力密封完整性評(píng)價(jià)需要基于系統(tǒng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，建立一套定量和定性相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法。

4 結(jié)論

1) 通過(guò)開展水力密封完整性評(píng)價(jià)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，建立了CBL值與最大突破壓力的對(duì)應(yīng)圖版，進(jìn)行了套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面水力密封完整性評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：在一定封隔長(zhǎng)度段下，套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面膠結(jié)強(qiáng)度越大，需要突破的壓力就越大。

2) 運(yùn)用水泥膠結(jié)評(píng)價(jià)測(cè)井手段，開展了水力流動(dòng)路徑評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，初步認(rèn)清了水力突破路徑規(guī)律，測(cè)定了水力流動(dòng)絕對(duì)路徑和相對(duì)路徑，獲得了水泥環(huán)有效膠結(jié)長(zhǎng)度與水力密封的關(guān)系。

3) 通過(guò)分析認(rèn)為，套管與水泥環(huán)整體膠結(jié)質(zhì)量、局部差異性和套管尺寸對(duì)水泥環(huán)水力密封完整性評(píng)價(jià)都有直接影響。目前針對(duì)水力密封完整性定量評(píng)價(jià)仍存在較多困難，需要開展大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，建立一套定量與定性相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法。