深層頁巖氣井全井筒水泥環(huán)密封能力實驗研究

周 浪 向 毅 汪傳磊

(1. 中國石油西南油氣田公司 工程技術研究院， 成都 610007；2. 中國石油西南油氣田公司 川東北氣礦， 四川 達州 635000)

0 前 言

在頁巖氣開發(fā)過程中，實施完井壓裂作業(yè)之后往往會形成環(huán)空異常帶壓，其中部分投產(chǎn)氣井已出現(xiàn)方井內(nèi)套管懸掛附近漏氣的現(xiàn)象。尤其是在深層開發(fā)當中，水平井壓裂、返排階段的環(huán)空壓力有可能隨井口壓力的變化而產(chǎn)生劇烈波動，為頁巖氣井安全作業(yè)帶來了風險?，F(xiàn)場診斷結果表明，環(huán)空異常帶壓主要是由于水泥環(huán)密封失效所致。

國內(nèi)現(xiàn)有關于油層套管外固井水泥環(huán)力學性能及完整性的研究，主要是從儲層段溫度、壓力、流體特征分析等角度評價固井水泥環(huán)滿足封隔儲層氣上竄的能力[1-7]。儲氣庫注采井全井筒水泥環(huán)密封性能測試研究表明，采用相同水泥漿體系的水泥環(huán)在不同井段的密封能力存在很大差異[8]。本次研究將結合已有成果，對深層頁巖氣水泥環(huán)在不同井段試壓、壓裂工況下的密封能力進行實驗測試。

1 實驗設計

1.1 實驗方法

實驗設備采用了西南石油大學自主研發(fā)的水泥環(huán)密封完整性測試裝置，其工作原理如圖1所示。實驗中，通過給水泥環(huán)端面加氣壓的方式測試是否發(fā)生氣竄，然后據(jù)此評估水泥環(huán)的密封能力，端面所加氣壓設定為1 MPa。

為便于模擬井下實際環(huán)境，采用了水泥環(huán)完整性應力等效方法進行測試。首先，采用四川某頁巖氣井現(xiàn)場水泥漿制成水泥石樣品，并測試其在不同候凝溫度下的力學性能；然后，基于測試數(shù)據(jù)，通過理論模型計算實際井筒水泥環(huán)在不同井段、不同作業(yè)工況下的真實承載情況。根據(jù)第4強度理論，給實驗所用水泥環(huán)加溫及內(nèi)外加壓，使模擬水泥環(huán)的等效應力與實際水泥環(huán)的應力相等，從而針對實際井筒工況、井身結構、溫度應力環(huán)境對水泥環(huán)的作用進行等效模擬。

圖1 水泥環(huán)密封完整性測試裝置工作原理圖

1.2 實驗參數(shù)

候凝溫度，取不同深度井段的溫度。為了獲取水泥石的力學性能變化規(guī)律，參照地溫梯度從井口至井底依次取20、40、70、110、140 ℃作為候凝溫度，制作水泥石樣品并測試其力學性能(見圖2)。測試結果顯示：水泥石的抗壓強度隨著候凝溫度的升高呈逐漸增大的趨勢；水泥石的彈性模量，在前面升溫階段(20～110 ℃)呈先增大再減小的變化趨勢，在后面升溫階段(110～140 ℃)則直接呈減小趨勢，這表明該水泥漿體系具有高抗壓強度、低彈性模量的特性；水泥石的泊松比變化不大，這是因為水泥石為脆性體。

圖2 水泥石的力學性能變化

實驗工況分為試壓工況和壓裂工況。在試壓工況下，油層套管內(nèi)壓為油管壓力與液柱壓力之和；在壓裂工況下，油層套管內(nèi)壓為循環(huán)加載，可通過井口泵壓計算不同井段的實際內(nèi)壓。對于油層套管和技術套管之間的水泥環(huán)，應用油層“套管+水泥環(huán)+技術套管”的力學彈塑性模型[9-12]計算井下水泥環(huán)在不同工況條件下所受實際圍壓；對于油層套管和頁巖地層之間的水泥環(huán)，以地層孔隙壓力乘以頁巖等效孔隙壓力系數(shù)所得結果為圍壓。本次研究的深層頁巖氣井4 000 m深處井底儲層段地層壓力為82 MPa，巖石孔隙度為2%～3%。根據(jù)西南石油大學韓林老師的實驗研究成果，巖石孔隙度與等效孔隙壓力系數(shù)的關系如見圖3所示，在此等效孔隙壓力系數(shù)取0.22。計算中所用的井身結構及相關參數(shù)見表1、表2。

圖3 巖石孔隙度與等效孔隙壓力系數(shù)的關系

表1 井身結構

表2 套管與地層巖石材料性能參數(shù)

室內(nèi)模擬裝置的實驗尺寸為：套管內(nèi)徑，50 mm;壁厚,3 mm;水泥環(huán)壁厚,20 mm?，F(xiàn)場工況與實驗工況的水泥環(huán)密封能力對比結果見表3、表4。

表3 試壓工況下的水泥環(huán)密封能力對比

2 實驗結果與分析

2.1 試壓工況下水泥環(huán)密封性能測試

在試壓工況下的水泥環(huán)密封性能測試結果如表5 所示?？梢钥闯觯矎纳现料滤喹h(huán)與套管的膠結密封性能存在較大差異。

在垂深0～1 000 m井段，當井口試壓至70 MPa時水泥環(huán)均沒有出現(xiàn)失效現(xiàn)象，而井口附近出現(xiàn)泄漏，泄壓后彈性恢復，泄漏現(xiàn)象消失。當在井口試壓達90 MPa時：垂深0 m井段水泥環(huán)密封失效，出現(xiàn)軸向貫穿裂縫，發(fā)生破壞(見圖4)；垂深1 000 m井段出現(xiàn)失效現(xiàn)象，水泥環(huán)取出后本體完好，發(fā)生泄漏是因為試壓中產(chǎn)生了微環(huán)隙所致。

在垂深2 000 m井段：當試壓至70 MPa時，未發(fā)生泄漏(見圖5a)；當試壓至90 MPa出現(xiàn)了泄漏，且泄壓后彈性恢復；當試壓至100 MPa時，發(fā)生泄漏且無法恢復，同時水泥環(huán)本體出現(xiàn)未貫穿的小裂縫(圖5b)。

在垂深4 000 m井段，當試壓至100 MPa時水泥環(huán)未失效，但同樣出現(xiàn)了泄漏后彈性恢復密封性的現(xiàn)象，水泥環(huán)本體未被破壞。

表4 壓裂工況下的水泥環(huán)密封能力對比

在壓裂工況下的水泥環(huán)密封性能測試結果如表6所示?？梢钥闯觯舜股? 000 m井段，其他井段水泥環(huán)在循環(huán)載荷下密封失效的情況較嚴重。

在垂深1 000 m以上井段，水泥環(huán)密封失效的主要原因是循環(huán)載荷誘導產(chǎn)生了微環(huán)隙。在垂深2 000 m以上井段，水泥環(huán)循環(huán)不超過3次密封性即失效，且泄漏程度與循環(huán)次數(shù)為正相關。在垂深2 000 m井段，水泥環(huán)密封性失效后均出現(xiàn)了本體非貫穿裂紋，微環(huán)隙和本體破壞的共同作用使其密封性失效。在垂深4 000 m井段，水泥環(huán)在47～100 MPa循環(huán)壓力下循環(huán)13次時密封失效，說明其在高循環(huán)泵壓下密封能力較強。

表5 試壓工況下水泥環(huán)密封能力測試結果

圖4 垂深0 m井段試壓后水泥環(huán)及其密封能力測試結果

圖5 垂深2 000 m井段試壓后水泥環(huán)及其密封能力測試結果

表6 壓裂工況下水泥環(huán)密封能力測試結果

2.3 測試結果分析

在油層套管與地層之間，水泥環(huán)可以滿足深層頁巖氣對儲層段附近封堵的需求。但是，在技術套管和油層套管之間，水泥環(huán)受到圍壓和候凝溫度的雙重影響，其密封性沿井筒由下至上逐漸降低。在試壓過程中，井筒中上部井段水泥環(huán)的密封性易被破壞，使得循環(huán)載荷下水泥環(huán)密封失效的風險大幅增加。在高內(nèi)壓下，導致密封失效的主要原因是水泥環(huán)本體破裂；在較低內(nèi)壓下，密封失效的主要原因是水泥環(huán)與套管間產(chǎn)生了微環(huán)隙。同一水泥漿體系在不同深度井段的密封性表現(xiàn)不同，主要是因為受到溫度、圍壓、交變載荷的不同影響。

(1) 溫度的影響。候凝溫度對水泥石的抗壓強度、彈性模量影響巨大。同時，不同的養(yǎng)護溫度會使水泥石水化產(chǎn)物、水化程度存在差異，進而導致水泥石凝固后機械性能發(fā)生顯著變化[8]。本次研究中采集的水泥漿樣品來源于四川深層頁巖氣井開發(fā)現(xiàn)場，單井井底溫度達到了146 ℃，地面溫度為20 ℃，現(xiàn)場固井候凝時間一般為72 d。從井口到井底的溫度差異，導致水泥環(huán)密封性沿井筒從上而下逐漸降低。

(2) 圍壓的影響。在圍壓作用下，會顯著地強化水泥石的塑性，使水泥石的軸向強度隨著圍壓加大而成倍提高[13]。頁巖氣井筒從上至下受到的圍壓逐漸加大，儲層段的圍壓主要來源于地層壓力，因此在儲層段水泥環(huán)的力學性能最佳。在技術套管和油層套管之間的水泥環(huán)未受到內(nèi)壓時，套管自身的剛性使水泥環(huán)不受圍壓的影響。當向井筒施加內(nèi)壓時，技術套管對水泥環(huán)的反作用力產(chǎn)生對水泥環(huán)的圍壓。在相同大小的井口壓力下，井筒內(nèi)不同井段受到的絕對內(nèi)壓從上至下逐漸加大，因此水泥環(huán)的密封性沿著井筒從上至下逐漸增強。

(3) 交變載荷的影響。每次加載、卸載后，水泥石均會存在殘余應變，在交變載荷下隨著循環(huán)加載次數(shù)增多這種殘余應變會不斷累積。造成這種現(xiàn)象的原因有二：一是，水泥石在受到載荷變形時會先處于壓實階段，然后才會進入彈性變形階段[13]；二是，在水泥環(huán)壓實和循環(huán)載荷的影響下，水泥環(huán)內(nèi)部會出現(xiàn)越來越多的微裂紋，這些微裂紋竄通后會改變水泥環(huán)的機械性能，導致水泥環(huán)不斷累積損傷和殘余應變。

因此，在頁巖氣大型分段體積壓裂工況下，水泥環(huán)的密封性能顯著下降，尤其是技術套管和油層套管之間的水泥環(huán)密封失效風險更大。這就導致了頁巖氣井在完井投產(chǎn)后出現(xiàn)了B環(huán)空帶壓和井口竄氣現(xiàn)象。

3 結 語

通過對油層套管外水泥環(huán)密封能力的實驗研究，得到以下結論：

(1) 從井底到井口，水泥漿候凝溫度和水泥環(huán)承受的圍壓必然存在較大差異，這導致不同井段水泥環(huán)的密封能力也不相同。同時，壓裂帶來的交變載荷使得水泥石不斷產(chǎn)生累積損傷和殘余應變，一步步降低了水泥環(huán)的密封能力。

(2) 當前深層頁巖氣采用的彈性水泥漿體系基本能夠滿足頁巖儲層段有效封堵的需求。但是，試壓過程中容易破壞井筒中上部井段水泥環(huán)的密封性，且在壓裂工況下技術套管和油層套管之間的水泥環(huán)密封失效現(xiàn)象多有發(fā)生。

(3) 在高內(nèi)壓下，密封失效的主要原因是水泥環(huán)本體破裂；在較低內(nèi)壓下，密封失效的主要原因是水泥環(huán)與套管間產(chǎn)生了微環(huán)隙。

(4) 為了確保井筒全井段水泥環(huán)密封能力，應根據(jù)井筒上下部實際工況條件，采用不同性能的水泥漿體系分段固井, 適時控制試壓值的大小，避免全井筒采用清水試壓。