南海水合物儲(chǔ)層固井過(guò)程高壓氣水反侵臨界條件判別

鄭明明，王曉宇，周珂銳，王凱，吳祖銳，蔣國(guó)盛，孫嘉鑫，曹鑫鑫

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都，610059；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢，430074；3.中國(guó)科學(xué)院天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所)，廣東廣州，510640)

天然氣水合物是由水分子和天然氣分子形成的似冰狀籠型化合物，僅在低溫高壓環(huán)境下穩(wěn)定存在[1]。天然氣水合物自20世紀(jì)在永久凍土層[2]和海洋大陸架[3]中被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，由于其具有儲(chǔ)量大、環(huán)保以及在全球能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題中存在潛在價(jià)值等特點(diǎn)[4]，引起了世界諸多國(guó)家和地區(qū)的密切關(guān)注[5-6]，成為當(dāng)今能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[7-9]。同時(shí)，隨著海洋油氣資源開(kāi)采步伐的加快，常規(guī)油氣固井鉆遇水合物地層的情況日漸較多。固井作業(yè)是油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，在穩(wěn)定井壁、封隔地層、延長(zhǎng)生產(chǎn)井壽命等方面具有重要作用[10-12]，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)“水合物地層固井”等問(wèn)題。近海大陸架地層一般具有低溫高壓的環(huán)境特性，適合水合物穩(wěn)定存在。海洋水合物一般賦存于溫度為2～15 ℃[13]和壓力為13～15 MPa[14]的環(huán)境中。中國(guó)南海神狐海域水合物地層情況較復(fù)雜，地層以粉質(zhì)砂土、黏土居多，骨架力學(xué)強(qiáng)度小，且相平衡狀態(tài)脆弱，溫度稍升高即可能導(dǎo)致水合物連續(xù)大量分解[15]，影響儲(chǔ)層力學(xué)穩(wěn)定。而在海洋油氣固井過(guò)程中，水泥漿水化放熱產(chǎn)生的熱量勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致近井壁水合物地層溫度升高，引發(fā)水合物分解，當(dāng)產(chǎn)生的高壓游離氣水累積到一定程度時(shí)極易反向驅(qū)替和侵入環(huán)空水泥漿中，形成微氣泡、裂隙等問(wèn)題，極大地削弱固井水泥環(huán)力學(xué)強(qiáng)度和密封效果，甚至?xí)l(fā)井壁垮塌、層間流體互竄等一系列問(wèn)題，導(dǎo)致在該地區(qū)油氣固井作業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[16-20]?？梢?jiàn)，防治水合物分解產(chǎn)生的高壓游離氣水反侵環(huán)空對(duì)保障固井質(zhì)量極其必要，而在不同工藝和地質(zhì)條件下，判別反侵行為發(fā)生的臨界條件是關(guān)鍵，可為后續(xù)固井工藝優(yōu)化和參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。固井水泥漿對(duì)近井壁水合物地層的影響主要涉及傳質(zhì)和傳熱2個(gè)過(guò)程。與傳質(zhì)傳熱相關(guān)的研究主要涉及水合物儲(chǔ)層開(kāi)采、鉆井液侵入和固井等。KAMATH 等[21]通過(guò)觀察水合物在熱鹽水注入下的分解過(guò)程，發(fā)現(xiàn)鹽度對(duì)注熱分解影響明顯。唐良廣等[22]采用注熱鹽水法對(duì)水合物的開(kāi)采進(jìn)行了研究，得出了壓力、溫度、氣水產(chǎn)出速率等隨時(shí)間的變化規(guī)律。萬(wàn)麗華等[23]對(duì)注熱鹽水水合物分解進(jìn)行了研究，將全過(guò)程分為自由氣產(chǎn)出、水合物分解、水合物分解后常規(guī)氣藏產(chǎn)氣3個(gè)階段。李淑霞等[24]通過(guò)數(shù)值方法模擬了注熱鹽水水合物分解過(guò)程，研究了相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)水合物分解速率的影響，并找出了影響能量效率的敏感參數(shù)。在熱采過(guò)程中，熱水使地層溫度升高，從而引發(fā)水合物分解。涂運(yùn)中等[25]通過(guò)研究多孔介質(zhì)孔隙中水合物的分解確定過(guò)程中的主要影響因素，并提出一種新的鉆井液侵入模型。鄭明明等[26]通過(guò)觀察鉆井液侵入人工合成巖心的過(guò)程，得出了地層溫壓及電阻率變化趨勢(shì)，并定量地給出了水合物分解深度隨時(shí)間的變化規(guī)律。鉆井液侵入時(shí)除了傳質(zhì)外，還會(huì)使溫壓及孔隙水鹽度發(fā)生變化，溫壓的變化極有可能破壞水合物相平衡，而在不同鹽度下，水合物相平衡曲線會(huì)受到影響，從而產(chǎn)生偏移[1]。以上研究對(duì)揭示固井過(guò)程中儲(chǔ)層物性的響應(yīng)規(guī)律具有重要指導(dǎo)作用。然而，相對(duì)于加熱開(kāi)采和鉆井液侵入，固井過(guò)程所涉及的問(wèn)題更復(fù)雜，主要在于水泥漿侵入地層過(guò)程中邊運(yùn)移邊水化放熱，且水化放熱速率隨時(shí)間不斷變化，環(huán)空水泥漿靜液壓力不斷減小，凝結(jié)強(qiáng)度逐漸增加，與地層孔隙壓力的差值不斷變化等。對(duì)此，本文作者選取中國(guó)南海神狐海域GMGS-1 水合物鉆探工程，以其中成果豐富、資料詳盡的SH2 站位勘探井為研究對(duì)象，研究固井過(guò)程中水泥漿與近井壁地層中水合物的互饋耦合作用。在原位地層溫度壓力等條件下，選取水泥漿放熱速率和固井壓差這2個(gè)關(guān)鍵固井工藝參數(shù)分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，對(duì)固井過(guò)程中水合物分解產(chǎn)生的高壓氣水反侵環(huán)空水泥漿的臨界條件判別進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

1 數(shù)值模型

1.1 模擬方法

TOUGH+HYDRATE數(shù)值模擬軟件是在數(shù)值模擬軟件TOUGH2 基礎(chǔ)上結(jié)合水合物狀態(tài)方程編寫(xiě)而成，用于解決水合物滲流相關(guān)問(wèn)題[27]，其適用于各種體系下的水合物形成、分解模擬以及多種地層環(huán)境下的水合物鉆井、固井與開(kāi)采模擬，同時(shí)可與其他軟件耦合模擬水合物鉆采過(guò)程中地層與井壁的力學(xué)問(wèn)題。軟件中含有水合物分解、形成的靜態(tài)平衡模式和動(dòng)力學(xué)模式，考慮了相態(tài)及其組分的轉(zhuǎn)變，所涉及的相態(tài)包含氣相、液相、冰相、水合物相，組分包含水合物、水、甲烷、抑制劑。固井過(guò)程模擬采用動(dòng)力學(xué)模式[27]。使用的主要計(jì)算模型如下。

相對(duì)滲透率模型[28]：

式中：krA為液相相對(duì)滲透率；krG為氣相相對(duì)滲透率；krH為水合物相相對(duì)滲透率；SA為液相飽和度；SG為氣相飽和度；SirA為束縛水飽和度，取值為0.12；SirG為束縛氣飽和度，取0.02；n=3.0；nG=3.0。

毛細(xì)管壓力計(jì)算模型[29]：

式中：Pcap為毛細(xì)管壓力，Pa；P0為初始?jí)毫?，Pa，取為1.25×104Pa；Pmax為Pcap的限制參數(shù)，Pa，取為1×106Pa；SmxA為最大液相飽和度，取為1.0；SirA取為0.11；λ取為0.45。

地層綜合導(dǎo)熱系數(shù)λc計(jì)算式為[30]

式中：λc為地層綜合導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；λHs為只含水合物的沉積地層熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；λs為水飽和沉積地層熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；λI為冰的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；φ為孔隙度；SH為水合物飽和度；SI為冰相飽和度，在模擬過(guò)程中，由于設(shè)定溫度高于0 ℃，故無(wú)冰出現(xiàn)，SI取為0。

環(huán)空壓力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為

式中：Pf為泥漿壓力，MPa；ρf為泥漿密度，kg/m3；Patm為大氣壓，MPa，取0.101 325 MPa；h為水深，m；z為海底沉積物距海底的深度，m；g為重力加速度；ρsw為平均海水密度，kg/m3，為水深、溫度和鹽度的函數(shù)，神狐海域海水密度取1 019 kg/m3[31]。

水合物相平衡模型(Lw-H-V三相平衡時(shí)溫度和壓力擬合關(guān)系式)為[32]

式中：Pe為水合物相平衡壓力，MPa；Te為相平衡溫度，K。

1.2 模擬參數(shù)

中國(guó)南海神狐海域水合物資源豐富，是近些年勘探開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)區(qū)域[33-36]，2007年我國(guó)在該海域進(jìn)行了天然氣水合物鉆探工程GMGS-1 施工，該工程包含8 個(gè)科學(xué)鉆探鉆位，在SH2，SH3 和SH7鉆位獲取了很好的儲(chǔ)層樣品[37-38]。2020年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在南海神狐海域開(kāi)展了最新一輪水合物試開(kāi)采，并連續(xù)產(chǎn)氣30 d，創(chuàng)造了日均產(chǎn)氣2.87×104m3以及總產(chǎn)氣量8.61×105m3兩項(xiàng)新的世界紀(jì)錄，標(biāo)志著我國(guó)水合物開(kāi)采技術(shù)進(jìn)入“試驗(yàn)性試采”階段[39]?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料豐富，巖心質(zhì)量高，有助于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究，如2020年ZHU 等[40]采用該站位數(shù)據(jù)模擬預(yù)測(cè)了海洋沉積物中甲烷氣體形成水合物的積累過(guò)程。本文同樣選用SH2 站位(地理位置如圖1所示[41])數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬研究。該點(diǎn)水深約為1 235 m，水合物藏賦存于海底面以下185～229 m的地層之中，儲(chǔ)層厚度約為44 m，孔隙度約為0.40，海底溫度約為4℃，地溫梯度約為47 ℃/km；水合物飽和度較高，最高達(dá)0.47[33,42]。

圖1 南海神狐海域GMGS-1工程位置圖[41]Fig.1 Location map of GMGS-1 project in Shenhu area of South China Sea[41]

以海底面以下200 m處儲(chǔ)層為目標(biāo)層位進(jìn)行模擬。根據(jù)已有測(cè)井和鉆探取芯資料[33,42]，該處地層主要為粉質(zhì)黏土，沉積地層骨架密度為2 600 kg/m3，孔隙度為0.4，滲透率為1.0×10-14m2，溫度約為13.4 ℃，孔隙壓力為14.5 MPa?？紫吨写嬖诮柡退衔锖退衔镲柡投葹?3%，游離氣飽和度為1.00%～1.20%。為了獲得更清晰的模擬結(jié)果，對(duì)儲(chǔ)層原有氣相物質(zhì)忽略不計(jì)?？紫端}度與上覆海水的鹽度基本一致，為3.05%。地層地質(zhì)參數(shù)與模型參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)南海深水區(qū)油氣井鉆遇含水合物地層的固井技術(shù)方案[43-45]，目標(biāo)站位井水合物層潛在固井方案應(yīng)選擇低熱低密度水泥漿，且固井壓差不能過(guò)高以防止壓裂地層。海洋鉆探常用低密度固井水泥漿密度范圍為1.0～1.6 g/cm3，取水泥漿密度為1.05 g/cm3，水化熱放熱速率為0.07～0.35 J·g-1·s-1。水合物層位水泥漿初始溫度取值較地層溫度稍高，為14.4℃。假定井內(nèi)環(huán)空壓力為此處海水和環(huán)空水泥漿產(chǎn)生的靜液柱壓力，由式(8)計(jì)算得出，為14.8 MPa。目標(biāo)地層所能承受的最大固井壓差約為3 MPa。所選用的水泥漿凝結(jié)強(qiáng)度y(單位為kPa)與時(shí)間t(單位為min)關(guān)系為y=115.84+0.69exp(t/97.8)。

固井水泥漿侵入模型如圖2所示，侵入過(guò)程主要行為與水合物相平衡情況如圖3所示，據(jù)此建立數(shù)值模型。使用軸對(duì)稱的二維圓柱狀坐標(biāo)系，井眼直徑取280 mm，固井用套管選用外徑為240 mm、厚度為6 mm 的API 5CT J55/K55 BTC 石油套管，套管外壁與地層間隙為20 mm。結(jié)合該情況下水泥對(duì)地層的影響范圍[43]，儲(chǔ)層模型半徑取5 m。模型中水合物地層水平向均勻分布，因此，可在儲(chǔ)層中沿徑向選取一定厚度(本文取0.1 m)薄層為研究對(duì)象，將模型簡(jiǎn)化為一維。將其沿徑向劃分為近井壁處密集、遠(yuǎn)處稀疏的113 個(gè)單元格，環(huán)空水泥漿和套管分別為1個(gè)單元格，套管單元設(shè)置為恒壓?jiǎn)卧?，水泥漿單元格為時(shí)變單元，在地層中緊鄰二界面的區(qū)域選取5個(gè)單元進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別設(shè)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)A，B，C，D和E，它們距二界面距離分別為1.5，5.5，10.5，16.5和21.7 mm。整個(gè)數(shù)值模型如圖4所示。

圖2 固井水泥漿侵入含水合物地層示意圖Fig.2 Schematic diagrams of cement slurry invading into hydrate reservoir

圖3 固井水泥漿侵入過(guò)程主要行為與水合物相平衡情況[26]Fig.3 Main behavior of cement slurry penetration and phase equilibrium of hydrate

圖4 固井水泥侵入水合物地層數(shù)值模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of numerical model of cement slurry penetrate into gas hydrate formation

在固井作業(yè)中，為改善二界面膠結(jié)強(qiáng)度和密封性能，目標(biāo)層位環(huán)狀空間水泥漿壓力通常大于儲(chǔ)層孔隙壓力，且碰壓后，通常會(huì)使環(huán)空水泥漿在安全壓力窗口內(nèi)保壓一段時(shí)間使水泥漿少量擠入地層。而SH2 站位井地層多呈弱膠結(jié)與未膠結(jié)狀態(tài)，安全壓力窗口較窄，短時(shí)間低壓保壓更安全。模擬中取保壓時(shí)間為4 min，所設(shè)計(jì)的固井壓差均在地層破裂壓力范圍內(nèi)。

在固井過(guò)程中，“動(dòng)態(tài)熱源”問(wèn)題涉及水泥漿前緣位置與放熱速率的不斷變化，為了充分還原這一過(guò)程，采用連續(xù)分段模擬的方式，在保壓階段，將水泥漿單元格設(shè)為恒壓?jiǎn)卧⒈３炙钑r(shí)間(本文取4 min)。然后，將其變?yōu)闀r(shí)變單元，之后以一定時(shí)間步長(zhǎng)(可根據(jù)精度要求自由設(shè)置，本文取2 min)進(jìn)行分段模擬直至水泥漿初凝，整個(gè)模擬持續(xù)28 min。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄每段結(jié)束時(shí)的水泥漿侵入量，并計(jì)算下一段模擬開(kāi)始時(shí)水泥漿的初始位置，據(jù)此設(shè)置放熱單元位置，同時(shí)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整水化放熱速率，從而可準(zhǔn)確地還原水泥漿侵入過(guò)程。

為了探明固井過(guò)程中水合物分解產(chǎn)生的高壓氣水反侵入環(huán)空水泥漿的臨界條件，根據(jù)目標(biāo)水合物層位的原位地質(zhì)條件與固井工藝條件[34-36]建立數(shù)值模型并確定施加邊界條件，通過(guò)控制變量法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究固井工藝參數(shù)水泥漿放熱速率和固井壓差對(duì)氣水反侵現(xiàn)象的影響規(guī)律，從而建立臨界判別條件，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 2 Experimental design

2 結(jié)果分析

2.1 固井水泥漿侵入過(guò)程儲(chǔ)層物性響應(yīng)分析

分析水合物分解產(chǎn)生的高壓游離氣水反侵入環(huán)狀間隙前，首先要明確水泥漿侵入過(guò)程中儲(chǔ)層主要物性的變化特征以及這一過(guò)程中水合物相平衡情況。固井過(guò)程中水泥漿侵入深度隨時(shí)間的變化如圖5所示，儲(chǔ)層物性參數(shù)變化特點(diǎn)如圖6所示。碰壓時(shí)刻為模擬零點(diǎn)，保壓240 s 后使壓力自然回落，在整個(gè)過(guò)程中觀察儲(chǔ)層及水泥漿物性變化，整個(gè)過(guò)程持續(xù)1 680 s。由圖5可知：保壓期間，水泥漿近乎勻速地侵入地層孔隙，且壓差越大，侵入速率越快。保壓結(jié)束后，水泥漿侵入速率迅速變緩并趨于停滯，可知水泥漿對(duì)地層的侵入幾乎只發(fā)生在保壓期間，且壓差越大，侵入越深。

圖5 不同壓差下水泥漿最大侵入深度隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of cement slurry penetration depth with time under different pressure differences

在固井壓差為3 MPa，水化放熱速率為0.35 J·g-1·s-1時(shí)，水泥漿侵入過(guò)程中儲(chǔ)層主要物性變化規(guī)律如圖6所示，其中r=0處界面為固井二界面。地層主要物性的變化體現(xiàn)在孔隙壓力和溫度上。由圖6可知：孔隙壓力的傳遞速率明顯高于溫度的傳遞速率。從圖6(a)可以看出：240 s 時(shí)儲(chǔ)層近井壁處壓力升高明顯，這是由于在保壓期間，水泥漿在壓力差的影響下迅速擠入地層并驅(qū)替孔隙中原有物質(zhì)運(yùn)移，其所帶來(lái)的高壓力使近井壁地層孔隙壓力顯著升高。根據(jù)各時(shí)間點(diǎn)儲(chǔ)層壓力情況可知，隨著時(shí)間推移，近井壁處壓力不斷降低，儲(chǔ)層深處壓力微升，說(shuō)明高壓流體逐漸向地層深處消散。由圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)：在水泥侵入范圍內(nèi)溫度升高明顯，且越靠近井壁處溫度越高，而在該范圍外溫度無(wú)明顯變化。這是因?yàn)闊釋?duì)流傳熱速率遠(yuǎn)高于熱傳導(dǎo)傳熱速率，即在侵入范圍內(nèi)，孔隙流體的驅(qū)替對(duì)流效應(yīng)遠(yuǎn)大于侵入范圍外地層與熱源無(wú)直接接觸的傳導(dǎo)效應(yīng)。另外，水合物分解過(guò)程會(huì)吸收熱量，阻礙溫度升高，越靠近井壁處，水合物完全分解越早，由此產(chǎn)生的時(shí)間差也導(dǎo)致溫升滯后。

圖6 水泥漿侵入過(guò)程中不同時(shí)刻儲(chǔ)層主要物性變化規(guī)律Fig.6 Variation of main physical properties of reservoir at different time in process of cement slurry penetration

儲(chǔ)層溫壓的變化是導(dǎo)致水合物相態(tài)變化的主要因素，結(jié)合圖6(a)、圖6(b)和圖3可以看出：300 s 后，水泥漿侵入范圍內(nèi)的儲(chǔ)層溫壓條件已不足以維持水合物相平衡穩(wěn)定，且該趨勢(shì)將隨時(shí)間不斷加強(qiáng)；而在侵入范圍外，由于溫度無(wú)明顯變化，同時(shí)，壓力比地層初始?jí)毫Ω?，水合物相平衡穩(wěn)定程度反而更高。結(jié)合圖6(c)、圖6(d)和6(e)可以得出：300 s時(shí)，侵入范圍內(nèi)水合物開(kāi)始分解，之后分解程度不斷提高，范圍逐漸擴(kuò)大，最終的分解范圍與侵入范圍基本相同。而水合物分解后，在壓力差驅(qū)替下，分解產(chǎn)生的游離甲烷和水向地層更深處運(yùn)移，當(dāng)移動(dòng)到侵入?yún)^(qū)外時(shí)，由于溫度驟降，重新達(dá)到相穩(wěn)定狀態(tài)，從而生成“二次水合物”。

2.2 高壓游離氣水反侵環(huán)空機(jī)理分析

高壓游離氣水的產(chǎn)生與運(yùn)移可通過(guò)儲(chǔ)層主要物性參數(shù)監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)時(shí)反饋。在儲(chǔ)層近井壁處設(shè)置若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)(具體位置見(jiàn)圖4)并觀察其主要物性的變化規(guī)律，分析高壓流體移動(dòng)情況并判斷其是否以及何時(shí)反侵入水泥環(huán)中。水泥漿侵入過(guò)程中環(huán)空與儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要物性變化規(guī)律見(jiàn)圖7。由圖7(a)可以看出：保壓階段孔隙壓力急劇升高至保壓值，固井壓力卸去后，孔隙壓力經(jīng)歷了短暫的極速下落，緊接著降速轉(zhuǎn)緩，這是因?yàn)樗衔锏姆纸鈳?lái)高壓氣水，抵消了部分壓降，在Q點(diǎn)之后，儲(chǔ)層孔隙壓力開(kāi)始高于環(huán)空壓力。同時(shí)，水合物分解吸收了相當(dāng)一部分水化熱，導(dǎo)致水泥漿水化放熱帶來(lái)的溫度增速變緩，如圖7(b)所示。結(jié)合圖7(c)、圖7(d)和圖7(e)可知：水合物在250 s左右開(kāi)始大量分解，這是先前的溫升和卸壓共同作用所致；同時(shí)，由于水合物分解區(qū)局部壓力升高，使得高壓氣水向兩側(cè)運(yùn)移，高壓氣水區(qū)域在不斷形成過(guò)程中也逐漸驅(qū)替水泥漿后退，當(dāng)近井壁地層孔隙壓力與環(huán)空水泥漿靜液壓力差大于其膠凝強(qiáng)度時(shí)，高壓氣水反侵環(huán)空現(xiàn)象發(fā)生。由圖7(e)可知：約780 s 時(shí)環(huán)空水泥漿中出現(xiàn)甲烷氣體，證明

圖7 水泥漿侵入過(guò)程中環(huán)空與儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要物性變化規(guī)律Fig.7 Variation of main physical properties of annulus and reservoir monitoring points in process of cement slurry penetration

高壓氣水反侵現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)，在反侵現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程中，高壓氣水形成速度并不能決定壓差，而主要與水泥漿膠凝強(qiáng)度即時(shí)間相關(guān)。

2.3 不同水泥漿水化放熱速率對(duì)反侵行為的影響

由上述分析可知，可以通過(guò)環(huán)空中甲烷氣體的最早出現(xiàn)時(shí)間(反侵起始時(shí)間)和飽和度作為研究反侵行為的主要指標(biāo)。圖8所示為不同固井壓差下，水泥漿平均放熱速率對(duì)地層高壓氣水反侵入水泥漿的影響規(guī)律。從圖8可以看出：水泥漿放熱速率越小，反侵起始時(shí)間越推后，最終反侵氣體飽和度也越??；當(dāng)水泥漿放熱速率小于某一值(如取最小值0.07 J·g-1·s-1)時(shí)，無(wú)反侵行為發(fā)生。這是因?yàn)樗酀{放熱速率直接影響到儲(chǔ)層溫升的速度以及傳熱量，溫升越快，水合物相平衡被打破得越快，反侵越容易發(fā)生。傳熱量越大，水合物分解量越大，所形成的高壓氣水強(qiáng)度越高，從而反侵烈度也越強(qiáng)。因此，在現(xiàn)場(chǎng)固井施工作業(yè)中，在保證水泥漿/石主要性能的前提下，應(yīng)盡可能選擇水化熱更低的水泥漿體系，以最大化降低水合物分解對(duì)固井質(zhì)量的影響。

圖8 不同固井壓差下，水泥漿平均放熱速率對(duì)地層高壓氣水反侵入水泥漿的影響Fig.8 Influence of cement slurry heat release rate on high pressure gas and water reverse penetration into cement slurry under different cementing pressure differences

圖9同時(shí)顯示了不同固井壓差對(duì)地層高壓氣水反侵行為的影響。從圖9可知：當(dāng)加壓小于2 MPa時(shí)，壓差越高，地層高壓氣水反侵行為發(fā)生越早，最終的侵入量也越大?？梢越忉尀殡S著壓差增大，水泥漿侵入加深，水化放熱過(guò)程中導(dǎo)致地層水合物在更大范圍內(nèi)發(fā)生分解，形成高壓游離氣水，而此時(shí)壓差依然較低，驅(qū)替進(jìn)入地層的水泥漿無(wú)法對(duì)高壓游離氣水形成有效封堵和驅(qū)替，且侵入的深度較小，高壓氣水驅(qū)替水泥漿的緩沖帶較窄，從而反侵行為更容易發(fā)生。而當(dāng)固井壓差高于2 MPa時(shí)，隨著壓差升高，侵入行為發(fā)生時(shí)間推遲，最終的侵入量也較少。這是因?yàn)榍秩氲貙拥乃酀{能起到良好的封堵作用，雖然深處水合物的分解量也增多，但近井壁處的壓力要高于地層深處的壓力，使得高壓氣水更多地向地層深處擴(kuò)散，同時(shí)，緩沖帶隨著水泥漿侵入加深而變寬，能很好地阻止高壓氣水反侵入環(huán)空。因此，當(dāng)固井壓差較小時(shí)，壓差越大，反侵行為越容易發(fā)生。當(dāng)固井壓差大于某一臨界值時(shí)，固井壓差越大，防止反侵發(fā)生的效果越好，但同時(shí)需要兼顧地層破碎壓力、設(shè)備性能等。因此，在現(xiàn)場(chǎng)固井作業(yè)中，應(yīng)在地層破裂壓力范圍內(nèi)選擇較高的固井壓差。

圖9 不同水泥漿平均放熱速率下，固井壓差對(duì)地層高壓氣水反侵入水泥漿的影響Fig.9 Influence of cementing pressure difference on high pressure gas and water penetrate into cement slurry under different cement slurry heat release rates

3 討論

在固井過(guò)程中，水泥漿平均放熱速率和固井壓差都對(duì)近井壁地層中水合物的穩(wěn)定性有重要影響，同時(shí)，對(duì)形成的高壓氣水的反侵行為發(fā)生與否起至關(guān)重要的作用，對(duì)兩者進(jìn)行定量控制對(duì)提升固井質(zhì)量具有重要的工程意義和價(jià)值。由上述分析可知，水泥漿放熱速率對(duì)氣水反侵現(xiàn)象的影響比較明顯，放熱速率越高，氣水反侵越早發(fā)生，且侵入量越大。而固井壓差對(duì)氣水反侵的影響較復(fù)雜，隨著壓差從零開(kāi)始增大，最初氣水反侵更加容易發(fā)生，到達(dá)臨界點(diǎn)后，繼續(xù)增大壓差時(shí)，反侵行為不容易發(fā)生。為了探明兩參數(shù)協(xié)同作用下高壓氣水反侵的臨界條件，進(jìn)行交叉試驗(yàn)，并對(duì)每組實(shí)驗(yàn)反侵發(fā)生與否進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出：較高的固井壓差和較低的放熱速率有助于防止反侵現(xiàn)象的發(fā)生，且圖10中反侵與無(wú)反侵實(shí)驗(yàn)案例存在1 條清晰的分界線，即在不同水泥漿放熱速率和固井壓差條件下，高壓氣水反侵的臨界條件也是判斷所取固井工藝參數(shù)是否會(huì)發(fā)生反侵的判別曲線，對(duì)曲線進(jìn)行定量表征可得到高壓氣水反侵的臨界條件判別方程，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)固井工藝設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)選提供參考和借鑒作用。

圖10 水泥漿放熱速率和固井壓差對(duì)氣水反侵的綜合影響散點(diǎn)圖Fig.10 Scatter diagram of comprehensive influence of cement slurry heat release rate and cementing pressure difference on gas and water invasion

近年來(lái)，隨著固井工藝的不斷發(fā)展[46-48]和水合物資源開(kāi)采步伐的加快，固井工藝將由深水油氣固井鉆遇水合物地層逐漸向水合物儲(chǔ)層采收過(guò)程中使用。結(jié)合以上結(jié)果可知，在埋深較淺的水合物地層中，地層破裂壓力較小，此時(shí)，增大壓差會(huì)破壞地層完整性，影響固井質(zhì)量，因此，可以主要采用低熱水泥進(jìn)行固井；當(dāng)埋深較大或地層為凍土地層時(shí)，地層破裂壓力較高，此時(shí)，可采用高固井壓差與低熱水泥聯(lián)合固井，即采用“淺低熱，深壓差”的指導(dǎo)原則。在對(duì)固井工藝參數(shù)取值時(shí)，可采用高壓氣水反侵臨界判別條件得到不同地層條件下的氣水反侵行為臨界條件，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和安全性。

4 結(jié)論

1)在保壓過(guò)程中，水泥在壓差下擠入地層孔隙并不斷水化放熱，地層孔隙壓力和溫度都逐漸升高。保壓階段壓差越大，侵入速率越大，則侵入深度越大。

2)保壓結(jié)束后，水泥漿侵入深度基本不再增加。隨著水泥漿持續(xù)水化，其所處范圍內(nèi)的地層溫度逐漸升高，水合物相平衡被破壞并分解產(chǎn)生游離氣和水，導(dǎo)致局部壓力升高。高壓氣水不斷向深處運(yùn)移，當(dāng)溫壓條件適宜時(shí)便再次生成水合物即“二次水合物”，從而形成高飽和度的環(huán)形水合物地帶。隨著水合物分解不斷進(jìn)行，地層壓力逐漸驅(qū)替水泥漿后退，當(dāng)?shù)貙涌紫秹毫εc環(huán)空靜液壓力差大于水泥膠凝強(qiáng)度時(shí)，高壓氣水反侵入環(huán)空水泥漿中。

3)水泥漿放熱速率越小，則反侵行為發(fā)生得越遲，反侵的氣體量也越少。當(dāng)放熱量足夠小時(shí)，可避免反侵現(xiàn)象的發(fā)生。固井壓差越大，水泥漿侵入地層越深。在侵入距離較小時(shí)，水泥漿不足以提供有利的防護(hù)，此時(shí)，壓差越大，侵入深度越深，熱量交換越多，水合物分解量越大，反侵越容易發(fā)生。當(dāng)固井壓差大于一定值時(shí)，水泥漿侵入逐漸可以提供有效的防護(hù)和緩沖，此時(shí)，加壓越大，反侵發(fā)生的可能性越小。當(dāng)加壓足夠大時(shí)可以避免反侵，但需控制在地層破裂壓力范圍內(nèi)。

4)使用數(shù)值方法模擬研究固井過(guò)程，為探究高壓氣水反侵臨界條件和水合物分解對(duì)固井質(zhì)量的影響提供了新的方法。采用該方法可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)固井工藝設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)選進(jìn)行指導(dǎo)，并可有效節(jié)約時(shí)間和降低經(jīng)濟(jì)成本。在對(duì)固井工藝參數(shù)取值時(shí)，可采用高壓氣水反侵臨界判別條件得到不同地層條件下的氣水反侵行為臨界條件和數(shù)學(xué)方程，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和安全性。