南海天然氣水合物地層固井二界面膠結(jié)特性模擬

王成文，楊樂，薛毓鋮，陳澤華，王鄂川，陳龍橋，李英杰，曹飛，邸建偉

(1.中國石油大學(xué)(華東)非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島，266580；2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島，266580；3.中國石油長慶油田油氣工藝研究院，陜西西安，710018；4.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京，100028)

目前，建井方式開采天然氣水合物是當(dāng)今國際上的主流方法，而固井是天然氣水合物地層建井過程的重要環(huán)節(jié)，固井質(zhì)量對井筒安全影響重大。神狐海域水合物層未固結(jié)成巖，儲層主要為粉砂、泥質(zhì)粉砂等細(xì)粒沉積物，松軟且固結(jié)弱，難與水泥石形成有效的膠結(jié)。

國內(nèi)外對水合物地層固井質(zhì)量及水泥環(huán)完整性的研究很少，主要考慮水泥水化放熱、體積收縮以及水合物開采等對水泥環(huán)應(yīng)力、儲層穩(wěn)定性的影響。張磊等[1]通過制備天然氣水合物模擬地層研究其力學(xué)特性，探究電阻率等與地層孔隙度和飽和度關(guān)系；LI 等[2-3]制備天然氣水合物填砂地層或巖心，實(shí)驗(yàn)探究了鉆井液循環(huán)溫度、水合物抑制劑、水合物飽和度等對儲層溫度場、產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量等的影響規(guī)律；SALEHABADI等[4-5]通過有限元模擬，研究了水泥環(huán)缺陷、水泥環(huán)熱力學(xué)屬性、水泥石收縮和水泥漿水化放熱等對固井后水泥環(huán)應(yīng)力狀態(tài)和地層穩(wěn)定性的影響；KAKUMOTO 等[6-7]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究日本海槽和木里凍土水合物層固井過程中水泥石收縮、水泥漿侵入等特性。為此，亟需深入研究海域天然氣水合物地層固井界面膠結(jié)特性，厘清水合物地層固井膠結(jié)規(guī)律及界面損傷機(jī)理，為水合物地層固井設(shè)計與作業(yè)提供理論依據(jù)，為海域天然氣水合物地層安全建井提供保障。

本文作者針對天然氣水合物地層固井封固易失效、天然氣水合物地層固井參數(shù)缺乏、界面封隔質(zhì)量評價難等問題，開展界面膠結(jié)質(zhì)量評價實(shí)驗(yàn)，獲取界面力學(xué)參數(shù)及特性，探究界面膠結(jié)質(zhì)量的影響因素，進(jìn)一步結(jié)合雙線性內(nèi)聚力模型評價天然氣水合物地層-水泥環(huán)界面膠結(jié)質(zhì)量，分析固井二界面的損傷及開裂過程，揭示其損傷規(guī)律及影響機(jī)制，為南海天然氣水合物地層固井提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 膠結(jié)強(qiáng)度測量及模擬

1.1 天然氣水合物模擬地層制備材料及方法

1.1.1 模擬地層制備的材料

我國對南海北部神狐海域的水合物儲層進(jìn)行多次鉆探取心，神狐海域天然氣水合物地層主要由方解石、黏土礦物、石英、斜長石和黃鐵礦組成[8]。為模擬南海天然氣水合物地層的組分，選取對應(yīng)配比的方解石、石英砂、伊利石構(gòu)成基本骨架，水泥作為膠結(jié)材料，用水進(jìn)行混合材料。

1.1.2 天然氣水合物地層粒度特征

激光粒度分析發(fā)現(xiàn)黏土、粉砂和細(xì)砂的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別占沉積物組分的26.04%，67.87%和6.09%，平均粒徑中值在8～16 μm[9]，選用對應(yīng)樣品粒徑的材料制作模擬地層。

1.1.3 模擬地層制備方法

根據(jù)南海天然氣水合物地層的礦物組成和粒度分布特征，優(yōu)選模擬地層由方解石、石英砂、黏土礦物和水泥配置，水的添加量為黏土礦物與水泥質(zhì)量之和的50%，以神狐海域天然氣水合物地層采出樣品的力學(xué)參數(shù)為指導(dǎo)，制備出與南海天然氣水合物儲層力學(xué)性能相同的模擬地層，其抗壓強(qiáng)度為1.39～2.61 MPa，孔隙度為30%～39%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)國內(nèi)外剪切膠結(jié)強(qiáng)度測試原理與方法，自行設(shè)計了天然氣水合物模擬地層固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度測試裝置，實(shí)物圖如圖1(a)所示，用剪切推出法測量膠結(jié)強(qiáng)度[10]，原理如圖1(b)所示。

1.3 膠結(jié)強(qiáng)度測試流程

固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度測試主要有模擬地層制備、水泥漿注入和強(qiáng)度測量3個步驟。

1.3.1 模擬地層制備

1)稱取一定比例的重鈣粉、伊利石、石英砂和水泥，攪拌均勻，取水加入固體材料當(dāng)中，混合拌勻；

2)模擬實(shí)際天然氣水合物地層所處低溫高壓的壓實(shí)環(huán)境，將模擬地層裝入模具中，整體于壓實(shí)儀中加壓并維持一段時間；

3)取出模具，整體置于90 ℃水浴養(yǎng)護(hù)36 h，加快水泥水化過程，使地層骨架快速達(dá)到所需力學(xué)性能。

1.3.2 水泥漿注入

1)為模擬天然氣水合物地層鉆井形成的井眼，組裝模具過程中使用預(yù)置件作為模擬井眼的預(yù)留空間；

2)配制鉆井液，注入預(yù)留空間，靜置5 h，模擬水合物層段鉆井液循環(huán)過程；

3)模擬鉆井后的沖洗過程，吸出鉆井液并沖洗井壁浮泥餅；

4)模擬注水泥過程，配制水泥漿后室溫稠化20 min，注入沖洗過的井眼空間，模具整體水浴養(yǎng)護(hù)。

1.3.3 強(qiáng)度測量

1)水浴結(jié)束后拆除模具，測量天然氣水合物模擬地層-水泥環(huán)界面最大剪切力；

2)測得最大剪切力后，繼續(xù)緩慢加壓取出水泥柱，多次測量水泥柱直徑及高度；

3)打磨水泥柱端面，測量水泥柱抗壓強(qiáng)度。

2 天然氣水合物地層固井過程數(shù)值模擬

2.1 假設(shè)

考慮深水天然氣水合物地層鉆完井過程，基本假設(shè)如下：

1)套管為線彈性材料，水泥環(huán)為各向同性彈性材料，地層符合莫爾-庫侖本構(gòu)模型的理想彈塑性體；

2)套管-水泥環(huán)界面緊密接觸；

3)水泥環(huán)無裂縫，不考慮水泥石收縮。

2.2 固井二界面膠結(jié)的模擬

采用雙線性內(nèi)聚力模型評價天然氣水合物地層-水泥環(huán)界面膠結(jié)質(zhì)量，在雙線性內(nèi)聚力模型中，依據(jù)Traction-separation 準(zhǔn)則來描述界面的破壞行為。Traction-separation準(zhǔn)則的單元損傷機(jī)制如圖2所示[11]。

界面破壞的過程可分為線彈性變形、裂紋起裂、裂紋擴(kuò)展和完全失效4個階段。

1)線彈性階段。

在線彈性階段Ⅰ，界面單元作為應(yīng)力傳遞介質(zhì)保持實(shí)體單元之間的變形連續(xù)協(xié)調(diào)，界面單元的力與位移關(guān)系有[12]

式中：σn，σs和σt分別為界面在法向和相互正交的2 個切向上的應(yīng)力，MPa，下標(biāo)n 表示內(nèi)聚力單元法向，對應(yīng)于Ⅰ型斷裂，下標(biāo)s和t表示內(nèi)聚力單元的2個切線方向，對應(yīng)于Ⅱ型和Ⅲ型斷裂；Knn，Kss和Ktt分別為界面在法向和2 個切向上的剛度，MPa。δn0，δs0和δt0分別為界面在法向和2個切向上軟化時的位移，m；δnf，δsf和δtf分別為界面在法向和2個切向上完全失效時的位移，m。在計算過程中，為了簡便，不考慮法向與切向力學(xué)響應(yīng)的耦合，3個剛度相互獨(dú)立，并認(rèn)為Kss=Ktt。

2)裂紋起裂階段。

在裂紋起裂點(diǎn)Ⅱ，考慮多種裂紋模式的組合，定義二次應(yīng)力準(zhǔn)則作為裂紋的起裂準(zhǔn)則[13]：

式中：Nmax，Smax和Tmax分別為法向峰值強(qiáng)度及2 個切向的峰值強(qiáng)度，分別對應(yīng)σn，σs和σt的最大值，MPa；＜＞為Macaulay 符號，用于避免法向壓縮力對初始損傷的影響。滿足式(2)時，天然氣水合物地層-水泥環(huán)界面開始出現(xiàn)損傷。

界面脫黏過程中法向所耗散的能量

式中：Γn為法向耗散能，J/m2。

B-K斷裂能準(zhǔn)則為[14]

式中：Gcn為法向斷裂韌度，J/m2；Gcs為切向斷裂韌度，J/m2；GcT為復(fù)合斷裂韌度，J/m2；GS為切向能量釋放率，J/m2；GT為總能量釋放率J/m2。η為Cohesive性能參數(shù)。

3)裂紋擴(kuò)展階段。

在裂紋擴(kuò)展階段Ⅲ，由于材料剛度發(fā)生折減，σ開始變小，隨著裂紋的逐漸擴(kuò)展，σ減至為0，材料在該內(nèi)聚力區(qū)域已經(jīng)完全失效，以法向?yàn)槔治龃藭r有

式中：Dn為復(fù)合斷裂能損傷因子。Dn能夠描述界面在Ⅲ階段的損傷程度，當(dāng)Dn=0 時，界面沒有損傷；當(dāng)Dn=1時，界面發(fā)生完全損傷。

4)完全失效階段。

在完全失效階段Ⅳ，以法向?yàn)槔?，?dāng)δnf＜δn，內(nèi)聚力區(qū)域形成2個新表面，此時σn=0。

另外，在線彈性變形、裂紋起裂、裂紋擴(kuò)展和裂紋完全失效過程中界面損傷的應(yīng)力與界面軟化剛度之間存在式(6)和(7)的關(guān)系。

同理，可得2 個切向應(yīng)力、損傷因子及斷裂能。

2.3 固井過程有限元建模

固井過程有限元模擬參考我國第二輪天然氣水合物試采區(qū)，以試采井先導(dǎo)孔的地質(zhì)及工程參數(shù)為指導(dǎo)[15]，在混合層水平段建立模型，分析水合物地層固井界面處的力學(xué)行為。為方便計算，取1/4井筒進(jìn)行研究，模型頂部位置水深為1 225.23 m，鉆臺高度為27.3 m，上覆巖層厚度為260 m，上覆巖層壓力為17.21 MPa，最大水平主應(yīng)力為15.82 MPa，最小水平主應(yīng)力為15.30 MPa，泥線溫度為3.6 ℃，地溫梯度為0.054 ℃/m，井底初始溫度17.64 ℃[15-16]。

天然氣水合物地層固井模型由套管、水泥環(huán)和天然氣水合物地層3 個部件組成，如圖3所示，地層骨架變形場邊界條件如下。

圖3 天然氣水合物地層-水泥環(huán)-套管組合體模型Fig.3 NGH formation-cement-casing assembly model

1)應(yīng)力邊界：外邊界分別作用垂向地應(yīng)力和最大有效水平地應(yīng)力，井筒內(nèi)壁為井底有效井眼液柱壓力；

2)位移邊界：X方向?qū)ΨQ約束，Y方向?qū)ΨQ約束；

3)初始條件：天然氣水合物地層施加平衡后的初始溫度場及地應(yīng)力場。

材料參數(shù)如表1所示，因需考慮組合體二界面膠結(jié)的變化，認(rèn)為套管-水泥環(huán)膠結(jié)良好為整體、水泥環(huán)-地層黏結(jié)接觸。Cohesive 單元參數(shù)取值主要來自上述的膠結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和郭炳亮[17]的深水淺部弱膠結(jié)地層拉伸膠結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，膠結(jié)界面的力學(xué)參數(shù)接近相互膠結(jié)材料中較小值，二界面剛度由天然氣水合物地層彈性模量計算得到[18-19]，二界面剛度取0.344 GPa，法相拉伸峰值強(qiáng)度取0.062 MPa，切向剪切峰值強(qiáng)度取0.606 MPa，斷裂能參考文獻(xiàn)[20]，取100 J/m2。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

天然氣水合物地層固井過程有限元模擬研究時，首先，進(jìn)行井筒鉆井液液柱壓力與地應(yīng)力共同作用下的地應(yīng)力平衡，同時計算鉆井過程中的地層溫度場；其次，進(jìn)行固井階段的水泥環(huán)組件導(dǎo)入，同時完成上步計算得到的地應(yīng)力和溫度場加載；最后，添加相應(yīng)載荷和水泥水化溫度場，開始進(jìn)行固井階段的溫度應(yīng)力耦合計算，使用黏性接觸模擬二界面膠結(jié)，探究固井二界面起裂過程。

3 膠結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 砂巖模擬地層

南海天然氣水合物地層屬黏土質(zhì)粉砂巖，與日本Nankai 海槽的天然氣水合物地層滲透率差異較大，因此，制作砂巖模擬地層對比研究地層類型差異對界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響。砂巖模擬地層制備采用河沙和黏土作為骨架材料，水泥為膠結(jié)材料，具體為8.5%河砂(粒徑為0.050～0.125 mm)+68.1%河砂(粒徑為0.200～0.315 mm)+8.5%黏土+6.4%水泥+8.51%水(數(shù)據(jù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)[21-22]。采用4%膨潤土漿模擬鉆井液，水泥漿采用常規(guī)密度水泥漿(G級油井水泥+1.2%降失水劑+0.4%減阻劑+0.3%消泡劑+44%水，密度為1.90 g/cm3)，膠結(jié)強(qiáng)度測量結(jié)果如圖4(a)所示。1～7 d養(yǎng)護(hù)時，砂巖模擬地層-水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度在2.391～3.211 MPa之間，二界面膠結(jié)強(qiáng)度在1 d 時就達(dá)到一個較高值，之后增長趨勢較平緩，28 d后達(dá)到3.523 MPa。這說明砂巖地層與水泥環(huán)之間的界面膠結(jié)性能好，二界面膠結(jié)強(qiáng)度較高，受水泥石本身的抗壓強(qiáng)度影響較小。

3.2 水合物模擬地層

按照天然氣水合物模擬地層制備方法制成模擬地層，注鉆井液、水泥漿之后測試分析膠結(jié)強(qiáng)度的變化，結(jié)果如圖4(b)所示。相比于砂巖模擬地層-水泥環(huán)界面，水合物模擬地層-水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度并未在極短時間內(nèi)就達(dá)到一個較高值，二界面膠結(jié)性能差，界面膠結(jié)強(qiáng)度較低，1 d 時的界面膠結(jié)強(qiáng)度為0.606 MPa，只有砂巖模擬地層界面膠結(jié)強(qiáng)度的1/4，約為水泥石抗壓強(qiáng)度的1/10；另外，相比于砂巖模擬地層-水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度增長平緩的特點(diǎn)，水合物模擬地層-水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度受水泥石本身強(qiáng)度影響較大，隨著水泥石本身強(qiáng)度增加，二界面膠結(jié)強(qiáng)度也不斷增大。

3.3 低密度水泥漿體系

我國南海天然氣水合物試采地層壓力為15～17 MPa[15]，地層壓力低，鉆井、固井過程中易發(fā)生漏失。參考水合物試采現(xiàn)場作業(yè)情況，室內(nèi)設(shè)計了低密度早強(qiáng)水泥漿(G級油井水泥+15%中空微珠+10%微硅+2%降失水劑MT-L+3%氯化鉀+1%減阻劑+0.3%消泡劑+57%水，密度為1.40 g/cm3)進(jìn)行固井界面膠結(jié)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4(c)所示。低密度水泥石1～28 d的抗壓強(qiáng)度為3.86～12.12 MPa，水泥石強(qiáng)度發(fā)展慢且強(qiáng)度較低，二界面膠結(jié)強(qiáng)度與水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展過程緊密相關(guān)，這就導(dǎo)致低密度水泥石與水合物地層間1～28 d 界面膠結(jié)強(qiáng)度只有0.502～1.376 MPa。相比之下，低溫、低密度聯(lián)合影響下水合物模擬地層-水泥環(huán)的界面膠結(jié)強(qiáng)度會顯著降低，界面膠結(jié)質(zhì)量更差。

圖4 水泥石-模擬地層界面膠結(jié)強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律Fig.4 Development law of cement stone-simulated formation interface cementing strength

4 數(shù)值模擬結(jié)果

為了形成穩(wěn)定的天然氣水合物地層-水泥環(huán)界面，需要在常規(guī)油氣井固井實(shí)踐的基礎(chǔ)上，深入研究天然氣水合物地層固井二界面的發(fā)育過程。目前海域天然氣水合物實(shí)際開采次數(shù)較少、缺乏現(xiàn)場的相關(guān)參數(shù)，導(dǎo)致復(fù)雜條件下的天然氣水合物地層-水泥環(huán)界面發(fā)育和損傷過程研究比較困難。本文作者在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上(見表2)，進(jìn)一步考慮水泥水化過程、界面膠結(jié)質(zhì)量等影響，采用內(nèi)聚力模型分析水合物地層固井二界面的發(fā)育及界面起裂過程，為水合物地層固井水泥環(huán)的完整性評價提供指導(dǎo)。

表2 常規(guī)水泥及低密度水泥界面膠結(jié)強(qiáng)度Table 2 Interfacial bonding strength of conventional cement and low density cement

4.1 固井中界面損傷模擬結(jié)果

本文中的損傷因子D表示階段Ⅲ中界面發(fā)生損傷開始之后的界面受損程度，模型考慮的載荷為地應(yīng)力、井筒液柱壓力和溫度變化引起的組合體熱應(yīng)力，由于熱應(yīng)力變化幅度較小，界面受到的牽引力變化較小，未超過二次應(yīng)力準(zhǔn)則中的界面切向峰值強(qiáng)度，界面損傷未發(fā)生，界面不存在損傷因子D超過1的區(qū)域。本文采用ABAQUS中的C(CSQUADSCRT 值)評價界面起裂程度，C為界面應(yīng)力與界面強(qiáng)度比值的平方和，用來評估天然氣水合物地層-水泥環(huán)接觸處是否滿足二次應(yīng)力損傷起始準(zhǔn)則，C越低，界面越不易起裂。

對天然氣水合物地層固井注水泥過程進(jìn)行模擬，得到固井完成后的C分布如圖5所示。同時，以井眼中心為原點(diǎn)，最大水平地應(yīng)力方向和上覆巖層壓力方向分別為X軸和Y軸，建立直角坐標(biāo)系進(jìn)行分析。

從圖5可知：井壁不同位置的C略有差異，在0°～90°的方向上先增后減，C最大的位置出現(xiàn)在45°方向上，但未超過1，未達(dá)到破壞。

圖5 固井后的二界面C分布Fig.5 C distribution at the second interface after cementing

4.2 膠結(jié)強(qiáng)度變化對界面起裂的影響

常規(guī)密度水泥漿及低密度水泥漿注水泥完成后，不同養(yǎng)護(hù)時間下二界面C分布如圖6所示。

由圖6(a)可知：隨著養(yǎng)護(hù)時間增加，水泥石強(qiáng)度增加，二界面膠結(jié)強(qiáng)度隨之增加，界面峰值強(qiáng)度Nmax，Smax和Tmax也逐漸增大，通過二次應(yīng)力準(zhǔn)則計算出的界面的C更小，固井二界面膠結(jié)更緊密，增強(qiáng)了固井封隔能力；常規(guī)水泥漿固井二界面C在3 d 時發(fā)生較大幅度變化，減小了27%，結(jié)合表2和圖4中常規(guī)水泥石3 d 時強(qiáng)度增加60%、二界面膠結(jié)強(qiáng)度增加91%，說明天然氣水合物地層固井二界面膠結(jié)性能與水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展速度緊密相關(guān)，低溫下水泥石強(qiáng)度發(fā)展快、強(qiáng)度高，有利于增強(qiáng)二界面膠結(jié)，提高固井封隔能力。

由圖6(b)可知：相比于常規(guī)水泥漿，低密度水泥漿固井二界面C整體較大，表明二界面膠結(jié)性能較弱，在應(yīng)力等作用下固井二界面處易發(fā)生起裂破壞等，導(dǎo)致固井封隔失效；低密度水泥漿固井二界面C在3 d 時也大幅度降低，減小了57%，但是由于低溫下低密度水泥石強(qiáng)度發(fā)展慢、強(qiáng)度低，導(dǎo)致其二界面C較大，高于同條件下常規(guī)水泥固井情況，此時二界面膠結(jié)性能仍較弱，沒有達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，容易發(fā)生破壞。因此，針對南海天然氣水合物泥質(zhì)粉砂地層，水泥石在低溫下強(qiáng)度發(fā)展快而且強(qiáng)度高，對于提高水合物地層固井封隔能力有重要影響。

圖6 不同水泥漿下固井二界面C的分布Fig.6 Distribution of C at the second interface of cementing under different cement slurries

5 結(jié)論

1)南海天然氣水合物泥質(zhì)粉砂地層松軟且固結(jié)弱，難與水泥石形成有效的界面膠結(jié)，常規(guī)水泥固井1 d 的二界面膠結(jié)強(qiáng)度低，為0.606 MPa，僅為砂巖模擬地層1/4，3 d后二界面膠結(jié)強(qiáng)度才會有顯著提高，但二界面膠結(jié)強(qiáng)度仍整體偏低。

2)南海天然氣水合物地層低溫條件下低密度水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢，低溫、低密度聯(lián)合作用對固井二界面膠結(jié)性能非常不利，其養(yǎng)護(hù)1 d的二界面膠結(jié)強(qiáng)度僅為砂巖模擬地層1/5，養(yǎng)護(hù)3 d的二界面C仍較高，固井二界面膠結(jié)性能仍較弱，存在較高的封隔破壞失效風(fēng)險。

3)南海天然氣水合物地層在模擬固井養(yǎng)護(hù)3 d后，水泥石的強(qiáng)度、二界面膠結(jié)強(qiáng)度才會發(fā)生顯著增加，表征二界面起裂程度的C也迅速降低，固井封隔能力大幅提升，這說明固井候凝時間對固井封隔性能及井筒安全性的影響較大。