油氣井射孔對(duì)固井水泥環(huán)損傷范圍的試驗(yàn)

閆 炎, 管志川, 王 慶, 許玉強(qiáng), 廖華林

(1.太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030600; 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 3.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司,北京 102206)

射孔作業(yè)作為油氣資源壓裂開發(fā)的核心環(huán)節(jié),是影響儲(chǔ)層最終采收率的關(guān)鍵因素[1-4]。隨著頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)油氣開發(fā)程度逐漸提高,水平井體積壓裂技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展[5]。在壓裂過程中,一旦井筒密封完整性遭到破壞,地層中的流體極易進(jìn)入井筒環(huán)空,誘發(fā)環(huán)空竄流[6-9],進(jìn)而產(chǎn)生環(huán)空帶壓,降低油氣井服役壽命。目前工業(yè)界普遍認(rèn)為水泥環(huán)本體裂縫與固井界面微環(huán)隙是導(dǎo)致壓裂過程中井下環(huán)空竄流形成的主要原因[10-12]。但固井水泥環(huán)埋置在地下數(shù)百米至數(shù)千米深處,其破壞是各種受力變形的綜合反映,油井施工、井下作業(yè)、地層處理、采油等多種因素都會(huì)對(duì)水泥環(huán)破壞產(chǎn)生影響[13]。射孔作為壓裂前的一項(xiàng)必要工藝技術(shù),其對(duì)于水泥環(huán)在壓裂前的破壞并未得到充分的重視[14]。筆者開展了柱形靶的侵徹試驗(yàn),結(jié)果顯示射孔后水泥孔眼周圍不但出現(xiàn)宏觀裂縫,還存在大量微裂縫[15-16]。但目前由于射孔過程的瞬時(shí)性、井筒破壞機(jī)制的復(fù)雜性、柱形靶與環(huán)形靶幾何上存在巨大差異等原因,射孔工況下固井水泥環(huán)的破壞研究仍然缺乏理論與試驗(yàn)依據(jù),嚴(yán)重限制了非常規(guī)油氣及復(fù)雜常規(guī)油氣資源的高效穩(wěn)定開發(fā)?；谏鲜鲈?筆者基于壓裂現(xiàn)場(chǎng)常采用的螺旋射孔方式,選用4種型號(hào)射孔彈、兩種水泥漿配方設(shè)計(jì)并進(jìn)行大型射孔打靶試驗(yàn),模擬井下射孔過程,通過CT掃描的手段對(duì)射孔后水泥環(huán)與一界面的損傷特征進(jìn)行觀察分析,探討射孔彈藥量、射孔密度、射孔方位對(duì)水泥環(huán)損傷范圍的影響,為壓裂過程中射孔參數(shù)的選取提供參考。

1 射孔打靶試驗(yàn)

為確保試驗(yàn)過程中操作人員的安全,靶體半徑應(yīng)大于射孔彈穿深,因此混凝土靶設(shè)計(jì)半徑為1 m。由于射孔槍長度為1.3 m,因此靶體高度同樣設(shè)計(jì)為1.3 m,如圖1所示。靶體制備時(shí),先將外徑139.7 mm、壁厚7.1 mm的套管與厚度0.5 mm鐵皮環(huán)的環(huán)形空間中注入水泥漿。1號(hào)靶水泥漿為無添加劑的純水泥漿,2號(hào)靶水泥漿中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的膠乳,兩種水泥漿的流變參數(shù)、養(yǎng)護(hù)條件如表1所示。而后為盡可能模擬真實(shí)地層情況,將砂灰比為1∶1的混凝土漿澆筑到井筒與外層鐵環(huán)的空間中以用于模擬地層巖石。鐵皮環(huán)的存在便于后期井筒的取出及CT掃描的進(jìn)行。套管與水泥環(huán)外徑分別為139.7和215.9 mm,厚度分別為7.1和38 mm。

表1 水泥漿性能與養(yǎng)護(hù)條件

圖1 試驗(yàn)靶

為保證外部混凝土強(qiáng)度對(duì)水泥環(huán)有足夠的支撐作用,水泥漿與混凝土漿均保持淋水濕潤養(yǎng)護(hù)28 d。由于靶體處于室外環(huán)境,難以進(jìn)行長期高溫養(yǎng)護(hù),故將養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)定在15 ℃。此外,還針對(duì)靶體中用到的固井水泥和混凝土試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)以確定固井水泥石與混凝土的力學(xué)參數(shù)。固井水泥石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量分別為28.2 MPa和12.2 GPa;而混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量分別為43.7 MPa和18.6 GPa。射孔槍布孔方案見表2。

表2 射孔槍布孔方案

試驗(yàn)中所用射孔彈共有DP32RDX16、DP36RDX25、DP41RDX32和DP44RDX38四種型號(hào)。射孔彈的錐形角為46°。射孔槍外徑為88.9 mm,槍身長度為1.3 m,主要由接頭、槍身、彈架構(gòu)成,如圖2所示。射孔槍上共布12個(gè)射孔彈,根據(jù)不同射孔彈型號(hào),設(shè)計(jì)階梯狀的彈架使其與射孔彈完全匹配,各彈之間通過導(dǎo)爆索連接。同時(shí)上、下接頭處裝有扶正片,保證射孔槍放入套管內(nèi)一直保持居中狀態(tài)。

圖2 射孔槍結(jié)構(gòu)與裝配

將裝好射孔彈的射孔槍放入套管中,向套管與射孔槍的間隙中注入清水以模擬井液,從而完成靶體與射孔槍的裝配,如圖3(a)所示。然后將導(dǎo)爆索與雷管連接,雷管腳線通過導(dǎo)線與防爆室內(nèi)的起爆器連接,如圖3(b)所示。確認(rèn)靶體周圍無人后,操作人員通過控制裝置進(jìn)行點(diǎn)火射孔。射孔試驗(yàn)結(jié)束后,首先取出射孔槍,然后將混凝土靶破碎并取出由套管、水泥環(huán)組成的模擬井筒以便后續(xù)CT掃描。

圖3 射孔試驗(yàn)流程

2 計(jì)算機(jī)斷層掃描

計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)采用North Star Imaging公司生產(chǎn)的MicroCT-X5000型CT掃描儀。該CT機(jī)采用X射線的高分辨率3D成像系統(tǒng),線陣探測(cè)器最大尺寸為40 cm×40 cm,射線源最大電壓為450 kV,焦點(diǎn)尺寸為5 μm,空間分辨率為240 μm。為確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,本試驗(yàn)中的套管、水泥環(huán)尺寸與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中使用的套管、水泥環(huán)一致。但大尺寸的井筒(Φ215.9 mm×1 300 mm)、較厚的鐵質(zhì)套管給CT三維成像帶來極大的困難。X5000掃描儀的射線艙尺寸為271 cm×203 cm×233 cm,最大承重為227 kg,滿足大尺寸井筒的尺寸限制與精度要求。

將樣品放入旋轉(zhuǎn)盤上后,關(guān)閉艙門,啟動(dòng)X射線觸發(fā)器進(jìn)行掃描。由于平板探測(cè)器的尺寸有限,而靶體長度較長,因此分3次將套管-水泥環(huán)靶體進(jìn)行CT掃描。而后通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行靶體的三維重構(gòu)。通過CT掃描可以實(shí)現(xiàn)對(duì)射孔后水泥環(huán)內(nèi)部損傷的觀察[17-18]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 射孔對(duì)水泥環(huán)本體結(jié)構(gòu)的影響

射孔彈起爆后藥型罩在爆轟波的作用下迅速形成聚能射流,侵徹井筒與地層。在孔道形成的過程中,爆轟波對(duì)于孔道壁面存在一個(gè)持續(xù)的擠壓作用,這將會(huì)導(dǎo)致孔眼周圍水泥環(huán)的破壞。圖4為1號(hào)試驗(yàn)靶、2號(hào)試驗(yàn)靶3#、6#、9#、12#孔道中心截面的CT切片。由圖4可知,射孔后水泥環(huán)內(nèi)形成錐形孔道,且射孔彈內(nèi)炸藥的裝藥量越大,孔道錐度越大。圖4中套管處孔眼周圍存在兩個(gè)弧形高亮區(qū),這是由于聚能射流侵徹套管時(shí),對(duì)附近的套管形成擠壓,密度增大的原因。水泥環(huán)孔眼周圍同樣存在壓縮區(qū),但由于同套管密度相比,水泥環(huán)密度較低,導(dǎo)致圖像中灰度值變化不明顯。此外,由圖4(a)可知,1號(hào)靶水泥環(huán)孔眼周圍均出現(xiàn)了鋸齒狀的微裂縫,且9#、12#孔眼周圍的微裂縫發(fā)育程度明顯大于3#、6#孔眼。這說明射孔彈裝藥量的增加對(duì)于固井水泥環(huán)孔道周圍的破壞程度更大。圖4(b)中2號(hào)靶水泥環(huán)孔眼周圍并未觀察到鋸齒狀的微裂縫,這說明增韌水泥不但可以明顯縮小水泥環(huán)孔眼尺寸,還可以明顯改善水泥環(huán)孔道周圍的破壞程度。值得說明的是,由于CT掃描設(shè)備的精度限制,水泥環(huán)孔眼周圍的壓縮區(qū)寬度低于300 μm的微裂縫難以探測(cè)到,但不能得到此區(qū)域沒有微裂縫存在的結(jié)論。與此同時(shí),CT切片圖中還顯示了水泥環(huán)內(nèi)部其他區(qū)域的裂縫分布情況。圖4(a)中4張截面圖中均存在剪切裂縫,說明1號(hào)靶水泥環(huán)在射孔過程中非射孔區(qū)域主要發(fā)生了剪切破壞。圖4(b)中4張截面圖中均存在清晰的徑向裂縫,說明2號(hào)靶水泥環(huán)在射孔過程中非射孔區(qū)域主要發(fā)生了拉伸破壞。

圖4 兩靶水泥環(huán)不同孔眼CT切片對(duì)比

水泥環(huán)射孔后的損傷特征只有通過量化表征才能為后期壓裂過程中射孔段水泥環(huán)破壞的分析提供基礎(chǔ)。以1號(hào)靶2#孔為例,套管-水泥環(huán)靶體孔眼附近不同位置截面的CT切片如圖5所示。

圖5 1號(hào)靶2#孔眼CT切片

由于受到鐵質(zhì)套管的影響,水泥環(huán)徑向上的灰度值并不一致,且肉眼難以直接觀測(cè)到孔眼周圍灰度值的變化。因此繪制2#孔眼中心截面(截面5)CT切片圖中灰度值分布曲線,如圖6(a)所示,以此來確定射孔孔眼周圍水泥環(huán)的損傷范圍。由圖6(a)可知,水泥環(huán)孔眼中心截面內(nèi),靠近水泥環(huán)孔眼周圍灰度值大于非射孔區(qū)域的,原因在于聚能射流將射孔軸向的材料向兩側(cè)擠壓致使附近水泥環(huán)密度增大。將灰度值異常區(qū)域劃分出來,得到孔眼中心截面內(nèi)水泥環(huán)孔眼周圍損傷區(qū)域,如圖6(b)所示,損傷區(qū)域面積為5.88 cm2。

圖6 水泥環(huán)射孔損傷區(qū)域的確定

3.2 射孔對(duì)固井一界面膠結(jié)的影響

由于試驗(yàn)中固井二界面被鐵皮隔開,因此本文中只對(duì)一界面的脫黏范圍進(jìn)行分析。圖7為以1號(hào)靶體2#孔道軸線為中心,±1.5、±3.2、±5.0 mm位置處的套管-水泥環(huán)CT切片。鑒于微環(huán)隙的尺寸超出了CT識(shí)別精度的限制,因此本文中將套管發(fā)生形變的區(qū)域視為水泥環(huán)一界面的脫黏范圍,即為切片圖上套管外壁上的圓弧。將圖7中截面2、截面3孔道處CT圖片放大,以CT圖片中套管灰度極大值處的厚度作為參考指標(biāo),劃分出紅框內(nèi)孔道附近套管由于聚能射流侵徹形成的套管形變區(qū)。值得說明的是,由于套管形變區(qū)的界面是否全部脫黏還無法直觀證實(shí),因此該方法存在一定的不確定性。由上述分析可知,通過一張CT切片可以得到該井筒軸向位置上固井一界面的脫黏邊界。在以孔眼為中心40 mm長度內(nèi)通過井筒軸線方向上20張CT切片的疊加,最終確定DP36RDX25射孔彈侵徹后水泥環(huán)一界面的三維脫黏范圍如圖8所示。射孔后一界面脫黏區(qū)域的形狀呈馬鞍形,脫黏區(qū)域的面積為27.39 cm2。

圖7 CT切片中套管形變觀測(cè)

圖8 水泥環(huán)一界面脫黏范圍

4 損傷區(qū)域影響因素

4.1 射孔彈藥量

試驗(yàn)中采用4種不同型號(hào)的射孔彈,射孔彈對(duì)井筒的破壞程度與射孔彈內(nèi)的炸藥量密切相關(guān)。不同射孔彈藥量、射孔密度下水泥環(huán)損傷區(qū)域面積與一界面脫黏面積見表3。

表3 不同射孔彈藥量與射孔密度下水泥環(huán)損傷區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)

由表3可知,射孔彈裝藥量的增加明顯增大了水泥環(huán)一界面脫黏面積與內(nèi)部損傷面積。射孔彈藥量的增加一方面意味著射孔彈起爆后井筒內(nèi)應(yīng)力波能量的升高,這使套管、水泥環(huán)與地層巖石的形變程度增大。另一方面,大藥量射孔彈增大了孔徑與射穿深度,這樣射孔彈起爆后產(chǎn)生的爆生氣體與水泥環(huán)孔眼有了更大的接觸面積,使水泥環(huán)一界面脫黏面積與水泥環(huán)內(nèi)部損傷面積增加。因此現(xiàn)場(chǎng)在滿足孔徑與射穿深度要求的基礎(chǔ)上應(yīng)盡可能選擇小藥量射孔彈,以減小射孔對(duì)水泥環(huán)的破壞范圍,降低后期儲(chǔ)層改造與油氣開采過程中井筒的失封風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 射孔密度

試驗(yàn)中由于布彈的間距存在差別,因此試驗(yàn)中射孔密度分為8與16彈/m兩種。由表3可知,射孔密度的升高增大了射孔后一界面的脫黏范圍與水泥環(huán)孔眼周圍的損傷區(qū)域,這說明當(dāng)射孔密度較大時(shí)射孔彈對(duì)于套管與水泥環(huán)內(nèi)壁的位移變化有著較強(qiáng)的影響,使固井一界面射孔后的脫黏范圍有所增加。此外,射孔密度增大使水泥環(huán)內(nèi)壁面與水泥環(huán)孔眼內(nèi)壁均承受了較高的壓力,擴(kuò)大了孔眼周圍水泥環(huán)內(nèi)部的損傷面積。但兩種射孔密度下水泥環(huán)內(nèi)部損傷面積與一界面脫黏面積的差異值均小于6%,因此在油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)層開發(fā)需要設(shè)計(jì)射孔密度。

4.3 水泥漿配方

不同類型水泥的力學(xué)性質(zhì)差異顯著[19-20],試驗(yàn)中采用了普通水泥與膠乳水泥(6%)兩種配方,兩種水泥在射孔后的損傷區(qū)域面積如表4所示。對(duì)比兩種水泥射孔后的損傷程度,射孔后膠乳水泥一界面的脫黏區(qū)域相對(duì)較小。原因在于水泥漿中膠乳的加入降低了水泥環(huán)的彈性模量,使水泥環(huán)受到聚能射流沖擊后產(chǎn)生的形變程度降低,故界面的脫黏范圍逐漸縮小。但加入膠乳后水泥環(huán)孔眼周圍的損傷區(qū)域略有增加,原因在于膠乳水泥降低了水泥石的抗壓強(qiáng)度,這在一定程度上使孔眼周圍更大范圍的水泥受到?jīng)_擊損傷,增大了損傷區(qū)域面積。綜上所述,建議現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)固井水泥漿配方,如在水泥漿中加入丁苯膠乳、橡膠、植物纖維等增韌劑,使凝固后的水泥環(huán)具有較好的變形能力,從而縮小射孔后一界面的脫黏范圍。

表4 不同射孔彈藥量與水泥漿配方下水泥環(huán)損傷區(qū)域面積

5 結(jié)束語

通過開展大型砂靶射孔試驗(yàn),借助CT掃描的手段對(duì)射孔后水泥環(huán)內(nèi)部損傷特征與固井一界面脫黏特征進(jìn)行分析與表征。射孔后水泥環(huán)內(nèi)錐形孔道周圍齒狀微裂紋發(fā)展區(qū)域靠近固井二界面?？椎乐車坠芘c水泥環(huán)形變能力的差異形成馬鞍形的一界面脫黏區(qū)域。射孔彈藥量對(duì)水泥環(huán)孔眼周圍的損傷區(qū)域與一界面脫黏范圍影響顯著。降低射孔密度、采用膠乳水泥漿配方可減小水泥環(huán)內(nèi)部損傷范圍與固井界面脫黏區(qū)域,并利于后期壓裂過程中井筒密封性的保持。