鹽巖蠕變對(duì)水泥環(huán)氣密封完整性影響規(guī)律研究

謝關(guān)寶，滕春鳴，柳華杰

（1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 102206；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）

鹽巖主要由鉀、鈉、鈣、鎂的鹵化物及硫酸鹽礦物組成，具有較好的可溶性和可塑性，鉆井過(guò)程中易發(fā)生塑性變形或蠕動(dòng)流動(dòng)，導(dǎo)致井眼不規(guī)則，使套管變形或擠毀；尤其是儲(chǔ)氣庫(kù)等對(duì)井筒密封性的要求比較高，鹽巖層段存在井漏、固井質(zhì)量難以保證等工程技術(shù)難題，對(duì)井筒完整封閉性構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)[1-5]。針對(duì)鹽巖蠕變，Ge Weifeng 等人[6]基于數(shù)值模擬方法，研究了鹽層蠕變對(duì)水平井套管外壓的影響；B.Mota 等人[7]分析了堿和硫酸鈣對(duì)硅酸三鈣水化和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響；B.Schug 等人[8-9]研究認(rèn)為，石膏蠕變的速度與石膏在孔隙流體中的溶解度有很大的關(guān)系；R.Gholami 等人[10-13]研究認(rèn)為，鹽巖蠕變是巖層顆粒直徑、礦物、含水率、深度和應(yīng)變率的函數(shù)，并提出了一種基于損傷力學(xué)的方法，可以確定不同蠕變階段的應(yīng)變率；Wang Tongtao 等人[14-18]研究認(rèn)為，儲(chǔ)氣鹽穴頂板失效的主要原因是不能及時(shí)傳遞鹽穴頂部蓋層上的載荷，導(dǎo)致應(yīng)力集中，進(jìn)而誘發(fā)局部損壞。目前，有關(guān)鹽巖蠕變對(duì)井筒氣密性評(píng)價(jià)及分析的研究較少，也缺少相關(guān)理論依據(jù)與實(shí)踐[19-20]。為此，筆者采用巖石物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了鹽巖地層固井對(duì)一界面、二界面氣密性的影響，并進(jìn)行了實(shí)例分析，以期為研究鹽巖蠕變對(duì)井筒氣密性的影響提供理論依據(jù)。

1 鹽巖蠕變氣密性試驗(yàn)

1.1 一界面氣密性試驗(yàn)

根據(jù)工區(qū)常用的增韌水泥漿配方配制水泥漿，將配制好的水泥漿注入模具中，在90 ℃溫度條件下常壓養(yǎng)護(hù)3 d，待水泥漿凝固后，進(jìn)行氣密性測(cè)試。模具材質(zhì)與P110 套管相同，水泥與模具內(nèi)壁的接觸面為模擬的固井一界面。模具內(nèi)徑為15 mm，外徑為25 mm，高度分別為20，30，40，50，60，70 和80 mm。測(cè)試時(shí)，從模擬套管的一端通氮?dú)馐┘訅毫?，直至氣體從模擬套管另一端突破，此時(shí)的氣體壓力即為套環(huán)-水泥的密封壓力，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 固井一界面氣體密封能力Table 1 Gas sealing ability of the first interface of cementing

從表1可以看出，隨著模擬套管長(zhǎng)度增加，密封壓力整體表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣體均從水泥石端面突破，而不是從界面突破，所以測(cè)試的密封壓力并不能表征一界面對(duì)氣體的具體密封能力值，而是水泥石的瞬間密封能力，其與水泥石的滲透率有關(guān)。試驗(yàn)雖未能直接確定一界面的氣體密封壓力，但可以確定一界面的氣體密封壓力值大于測(cè)量值。因此，可以建立一個(gè)保守的一界面氣體密封能力準(zhǔn)則，即定義一界面的氣體密封壓力是接觸壓力的1.0 倍（試驗(yàn)測(cè)量的一界面氣體密封壓力遠(yuǎn)大于接觸壓力）。

1.2 二界面氣密性試驗(yàn)

為測(cè)試二界面氣密性，采用環(huán)狀鹽巖巖心，內(nèi)部注入水泥漿，巖心與水泥的膠結(jié)面可視為井筒固井二界面，同時(shí)施加不同圍壓及溫度，模擬地層條件。采用氮?dú)膺M(jìn)行二界面突破試驗(yàn)，試驗(yàn)初始時(shí)巖心側(cè)面施加大于底部氮?dú)鈮毫χ档膰鷫?，然后不斷增大巖心底部氮?dú)獾膲毫χ抵敝镣黄疲藭r(shí)的氮?dú)鈮毫χ导礊槎缑娴耐黄茐毫Α?/p>

為了對(duì)比分析鹽巖蠕變對(duì)界面密封性能的影響，設(shè)計(jì)了3 種試驗(yàn)方案：1）方案1，選取3 塊巖心，在溫度90 ℃下養(yǎng)護(hù)3 d 后，測(cè)量氣體突破壓力值；2）方案2，方案1 的巖心完成突破壓力測(cè)量后，對(duì)巖心施加恒定圍壓值，讓鹽巖進(jìn)行蠕變，并在蠕變5 d后，再次測(cè)量氣體突破壓力值；3）方案3，選取2 塊巖心，在溫度90 ℃下養(yǎng)護(hù)3 d 后，施加一定的圍壓使鹽巖蠕變，5 d 后測(cè)試氣體突破壓力。3 個(gè)試驗(yàn)方案共進(jìn)行了5 塊巖樣的測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 固井二界面氣體密封能力Table 2 Gas sealing ability of the second interface in cementing

從表2可以看出，鹽巖在圍壓4.0 MPa 的條件下蠕變5 d 后，能夠使二界面處原有的裂隙閉合，并具有密封0.6 MPa 氮?dú)獾哪芰?；鹽巖在圍壓6.0 MPa 的條件下蠕變5 d 后，能夠使二界面處原有的裂隙閉合，并具有密封2.7 MPa 氮?dú)獾哪芰?；鹽巖在圍壓10.0 MPa 的條件下蠕變5 d 后，能夠使二界面處原有的裂隙閉合，并具有密封5.6 MPa 氮?dú)獾哪芰Α?/p>

二界面處原有的裂隙均為氮?dú)馔黄菩纬傻耐ǖ?，且突破后的氣體流速相差不大，因此可以認(rèn)為這些裂縫的尺寸大致相等。鹽巖的蠕變能夠使一定尺寸的裂縫閉合，并具有一定的密封氮?dú)獾哪芰Α?/p>

從試驗(yàn)獲得的少量數(shù)據(jù)來(lái)看，對(duì)于原本膠結(jié)狀態(tài)良好的二界面，鹽巖在圍壓6.0 MPa 條件下蠕變5 d 后，密封氮?dú)獾哪芰δ軌蜻_(dá)到7.8 MPa，不加圍壓?jiǎn)屋S條件下的鹽巖二界面密封氮?dú)獾哪芰?.0 MPa。對(duì)比這2 組數(shù)據(jù)可知，鹽巖蠕變對(duì)于原本膠結(jié)良好的二界面依舊有增強(qiáng)密封的作用。

對(duì)比一界面的氣密性試驗(yàn)和二界面的氣密性試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥石相對(duì)較高的滲透率并未影響二界面的氣體密封能力，在氣體壓力還未到達(dá)水泥石的瞬時(shí)密封能力前，二界面已經(jīng)被氣體突破，說(shuō)明二界面的氣體密封壓力小于一界面的氣體密封壓力。另外，從表1和表2也可以看出，一界面的氣體密封能力強(qiáng)于二界面的氣體密封能力。

2 鹽巖蠕變氣密性數(shù)值模擬

2.1 三維有限元模型的建立

為了模擬鹽巖蠕變過(guò)程中巖心與水泥環(huán)的接觸壓力與氣體密封能力的關(guān)系，利用ABAQUS 有限元軟件建立了鹽巖-水泥環(huán)-套管三維模型，如圖1所示。該模型包括套管、水泥環(huán)和鹽巖等3 部分，中間為水泥環(huán)的四分之一，外徑30 mm；外圍為鹽巖的四分之一，內(nèi)徑30 mm，外徑109 mm。

圖1 鹽巖-水泥環(huán)-套管三維模型Fig.1 Salt rock-cement sheath-casing 3D model

模擬過(guò)程中使用的參數(shù)均為試驗(yàn)測(cè)量所得。套管的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.30；水泥石的彈性模量為9.0 GPa，泊松比為0.20；地層的彈性模量為1.8 GPa，泊松比為0.38。根據(jù)鹽巖單軸和有圍壓狀態(tài)下的三軸蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，確定氣密性試驗(yàn)的鹽巖蠕變參數(shù)。進(jìn)行氣密性模擬試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)單軸蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果確定參數(shù)A、n和m的值。模擬井下真實(shí)地層時(shí)，根據(jù)圍壓條件下的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果確定參數(shù)值（見(jiàn)表3）。

表3 蠕變?cè)囼?yàn)參數(shù)取值Table 3 Parameters of creep experiment

2.2 鹽層地應(yīng)力對(duì)氣密性的影響

利用建立的三維模型，在鹽巖外側(cè)均勻施加地應(yīng)力載荷，模擬鹽巖蠕變對(duì)井筒氣密性的影響，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 地應(yīng)力對(duì)氣體密封能力的影響Fig.2 Influence of in-situ stress on gas sealing ability

從圖2可以看出，在水泥與鹽巖地層膠結(jié)良好的情況下，地應(yīng)力水平越高，鹽巖地層固井二界面對(duì)氣體的密封能力越強(qiáng)，且隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增大。

2.3 蠕變時(shí)間對(duì)氣密性的影響

在鹽巖外側(cè)均勻施加地應(yīng)力載荷，模擬蠕變時(shí)間對(duì)井筒氣密性的影響[20-21]，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著蠕變時(shí)間增長(zhǎng)，鹽巖地層固井二界面對(duì)氣體的密封能力在短時(shí)間內(nèi)迅速增大，1 000 h 后增速變緩；隨著地層深度增大，水平地應(yīng)力增大，鹽巖地層固井二界面對(duì)氣體的密封能力亦隨之增大。

圖3 蠕變時(shí)間對(duì)固井二界面氣體密封能力的影響Fig.3 Effect of creep time on gas sealing ability of the second interface in cementing

2.4 鹽巖所處深度對(duì)氣密性的影響

進(jìn)一步模擬井下鹽巖蠕變一年后不同地層深度處的氣體密封能力，結(jié)果如圖4所示。

圖4 界面氣體密封能力隨地層深度的變化關(guān)系Fig.4 Variation of gas sealing ability of interface with depth of the formation

從圖4可以看出，隨著地層深度的增加，固井一、二界面的氣體密封能力均隨之增大，且固井一界面的氣體密封能力大于固井二界面的氣體密封能力。

2.5 地層封固長(zhǎng)度對(duì)氣密性的影響

界面接觸壓力隨二界面封固長(zhǎng)度的變化關(guān)系如圖5所示，氣體撐開(kāi)界面的壓力隨二界面封固長(zhǎng)度的變化關(guān)系如圖6所示。

從圖5可以看出，界面接觸壓力隨著固井封固長(zhǎng)度的增加而增大；但長(zhǎng)度超過(guò)160 mm 時(shí)，增幅不再明顯。從圖6可以看出，氣體撐開(kāi)界面的壓力隨著界面封隔長(zhǎng)度的增加而增大，其原因是初始界面接觸壓力隨長(zhǎng)度增加而增大；但長(zhǎng)度超過(guò)160 mm時(shí)，氣體撐開(kāi)界面的壓力隨著界面長(zhǎng)度增大不再明顯變化。

圖5 界面接觸壓力隨二界面封固長(zhǎng)度的變化關(guān)系Fig.5 Variation of interface contact pressure with the sealing length of the second interface

圖6 氣體撐開(kāi)界面壓力隨二界面封固長(zhǎng)度的變化關(guān)系Fig.6 Variation of interface pressure against gas expansion with the sealing length of the second interface

2.6 固井二界面氣體密封壓力定量分析

判斷井筒的密封性能，首先要確保固井水泥環(huán)不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度失效，水泥環(huán)一旦發(fā)生強(qiáng)度失效，整個(gè)井筒的密封性能會(huì)急劇下降甚至失去密封能力。

在確保固井水泥環(huán)沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)度失效后，進(jìn)行界面的密封性能求解。對(duì)比前面固井一界面和二界面的氣體密封能力可知，固井一界面的氣體密封能力強(qiáng)于固井二界面，而鹽巖滲透率極低，可認(rèn)為不具備氣體滲透條件，因此鹽巖層的氣體密封能力取決于固井二界面的界面密封能力和水泥石的氣體密封性能。根據(jù)圖3，對(duì)不同深度處固井二界面的氣體密封能力進(jìn)行回歸擬合，得到經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：p為地層密封的氣體壓力，MPa；t為水泥凝固后開(kāi)始計(jì)算的鹽巖蠕變時(shí)間，h；x1是為了使曲線擬合度更高而提取出來(lái)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)；l為界面封固長(zhǎng)度，m；l0為以深度2700 m 處為起點(diǎn)的長(zhǎng)度節(jié)點(diǎn)，m；h為斜率。

3 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

3.1 模擬驗(yàn)證單軸蠕變?cè)囼?yàn)

數(shù)值模擬的鹽巖單軸蠕變情況與蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果如圖7所示。單軸蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)和模擬蠕變結(jié)果基本重合，表明所采用的單軸蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)擬合的參數(shù)具有較高的準(zhǔn)確性。

圖7 鹽巖單軸蠕變?cè)囼?yàn)Fig.7 Uniaxial creep test of salt rock

3.2 模擬驗(yàn)證室內(nèi)氣密性試驗(yàn)

采用模擬方法研究試驗(yàn)方案2 試驗(yàn)過(guò)程中水泥-鹽巖組合體的受力情況。設(shè)定不同裂縫寬度，模擬裂縫寬度對(duì)應(yīng)的接觸壓力，結(jié)果如圖8所示。研究得知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬得出的數(shù)據(jù)吻合度較高。裂縫最大寬度存在差異的原因是，試驗(yàn)時(shí)氣體的突破壓力值不同，突破時(shí)在二界面處撐開(kāi)的裂縫寬度也不同。

圖8 裂縫寬度-接觸壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.8 Relationship between fracture width and contact pressure

4 實(shí)例分析

文23 儲(chǔ)氣庫(kù)地處中原油田，為我國(guó)中東部地區(qū)最大儲(chǔ)氣庫(kù)，地質(zhì)情況復(fù)雜，尤其是儲(chǔ)氣庫(kù)蓋層段鹽膏巖發(fā)育，固井難度大，對(duì)井筒密封性、完整性要求較高，缺少有效的評(píng)價(jià)手段。目前，該儲(chǔ)氣庫(kù)井采用以下分類(lèi)原則：蓋層水泥環(huán)密封能力大于38 MPa為注采井，小于20 MPa 為監(jiān)測(cè)井，其他為單采井。

WX4-3 井為文23 儲(chǔ)氣庫(kù)的一口井，蓋層段發(fā)育大量鹽巖，鹽巖層段2 305.00～2 755.00 m。其中2 305.00～2 588.00 m 井段平均聲波幅度為中低值、局部高值，變密度測(cè)井顯示大部分井段套管波缺失或較弱，局部套管波較強(qiáng)，八扇區(qū)以黑色和深灰色為主，局部中灰色，少量淺灰色，故一界面、二界面固井質(zhì)量均以膠結(jié)好為主，局部膠結(jié)中等，少量膠結(jié)差；2 588.00～2 755.00 m 井段平均聲波幅度值較高，變密度測(cè)井顯示套管波較強(qiáng)，局部套管波較弱，八扇區(qū)以深灰色和中灰色為主，局部黑色，少量淺灰色，故一界面以膠結(jié)中和差為主，局部膠結(jié)好，二界面以膠結(jié)差為主，局部膠結(jié)好和中，如圖9所示。

圖9 WX4-3 井固井質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.9 Comprehensive evaluation result of cementing quality of WX4-3 Well

利用構(gòu)建的二界面氣體密封壓力定量分析方法，計(jì)算得到地層不同深度的二界面密封壓力（見(jiàn)表4），結(jié)合水泥石的密封能力和井身結(jié)構(gòu)完整性，綜合判定該井可作為注采井。

表4 WX4-3 井鹽巖層段固井二界面密封壓力Table 4 Sealing pressure of the second interface in cementing for the salt rock interval of Well WX4-3

文23 儲(chǔ)氣庫(kù)WX7-7 井鹽巖段為2 278.00～2 839.00 m，為進(jìn)一步分析與驗(yàn)證鹽巖蠕變對(duì)水泥環(huán)氣密封完整性的影響，分別于固井后3，32 和47 d進(jìn)行固井質(zhì)量測(cè)井，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 WX7-7 井鹽巖層段固井質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Cementing quality evaluation results of salt rock interval of Well WX7-7

從表5可以看出，一界面膠結(jié)質(zhì)量好和中的比例由7.4%提高至42.8%，二界面膠結(jié)質(zhì)量好和中的比例由0.7%提高至27.8%，鹽層固井優(yōu)質(zhì)段累計(jì)達(dá)50 m 以上。由此可知，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，固井膠結(jié)質(zhì)量呈明顯變好的趨勢(shì)，且從變化時(shí)間上看，與2.3 節(jié)模擬的1 000 h（41.7 d）也具有較好的對(duì)應(yīng)性。

5 結(jié)論與建議

1）固井一界面對(duì)氣體的密封能力強(qiáng)于水泥石本身的氣密性，鹽巖蠕變可增強(qiáng)固井二界面的氣體密封能力。

2）在水泥與鹽巖膠結(jié)良好的情況下，地應(yīng)力水平越高，鹽巖地層固井二界面對(duì)氣體的密封能力越強(qiáng)；隨著蠕變時(shí)間增長(zhǎng)，鹽巖地層固井二界面對(duì)氣體的密封能力在短時(shí)間內(nèi)迅速增大，1000 h 后增速變緩。

3）在井下圍壓條件下，水泥環(huán)很難發(fā)生剪切失效，因此鹽巖層氣體密封能力主要取決于固井二界面的界面密封能力和水泥石自身的密封能力。

4）氣體密封能力與界面接觸壓力有關(guān)，如果氣體壓力升高到可以克服界面接觸壓力而撐開(kāi)界面時(shí)，氣體突破界面的壓力并不會(huì)隨著封固長(zhǎng)度的增加而增大；但是界面接觸壓力隨著封固長(zhǎng)度的增加而增大，并存在臨界值；對(duì)不同深度處固井二界面接觸壓力進(jìn)行回歸擬合，得到固井二界面接觸壓力隨封固長(zhǎng)度變化的模型。需要注意的是，氣體密封能力受多種因素的影響，在其他地區(qū)使用時(shí)需要綜合考慮各種因素。