郭辛陽，步玉環(huán)，李 娟，沈忠厚

(中國石油大學石油工程學院，山東青島 266555)

固井封固系統(tǒng)初始作用力及其影響

郭辛陽，步玉環(huán)，李 娟，沈忠厚

(中國石油大學石油工程學院，山東青島 266555)

結合建井過程和水泥漿的水化硬化過程對封固系統(tǒng)初始作用力進行分析。結果表明：固井作業(yè)完成時封固系統(tǒng)受到初始作用力的作用，初始作用力包括井眼附近地層承擔的鉆開井眼后重新分布的地應力、套管內部流體對套管的靜液柱壓力、一界面處水泥環(huán)對套管的擠壓力及其反作用力、二界面處水泥環(huán)對地層的擠壓力及其反作用力，作用在一界面處的初始作用力形成的初始應力稍小于地層孔隙壓力;作用在二界面處的初始作用力形成的初始應力與地層孔隙壓力相等;一、二界面處的初始作用力是水泥漿水化直至形成水泥石的過程中逐漸傳遞地層孔隙壓力的結果?，F(xiàn)場測量數(shù)據驗證了一、二界面處初始作用力的存在。封固系統(tǒng)初始作用力的變化會對封固系統(tǒng)產生重要影響。

固井;封固系統(tǒng);初始作用力

固井封固系統(tǒng)初始作用力是指固井作業(yè)完成后、封固系統(tǒng)剛剛形成時作用于封固系統(tǒng)的外力和封固系統(tǒng)各組成部分之間(套管與水泥環(huán)、水泥環(huán)與地層之間)的作用力。封固系統(tǒng)初始作用力對套管、水泥環(huán)的受力及破壞形式和封固系統(tǒng)的封隔性能及失效形式有重要影響［1-3］。已有的研究均認為封固系統(tǒng)初始作用力包括地應力和套管內流體的靜液柱壓力，除此之外封固系統(tǒng)不受其他外力的作用，套管與水泥環(huán)、水泥環(huán)與地層之間也不存在初始相互作用力(使用膨脹水泥的情況除外)［4-12］。筆者根據封固系統(tǒng)的形成過程和水泥漿的水化過程對封固系統(tǒng)初始作用力進行分析，認為固井作業(yè)完成后剛剛形成的封固系統(tǒng)中，套管與水泥環(huán)、水泥環(huán)與地層之間存在初始相互作用力，并探討初始作用力的形成機制，估算封固系統(tǒng)中兩兩介質間的相互作用力。

1 井眼的形成及地應力的重新分布

在沒有構造運動發(fā)生的情況下，地層處于相對平衡的狀態(tài)。井筒形成之前，地層處于原始受力狀態(tài)，如圖1所示。水平面上的雙向地應力分別為σx和σy，其大小可相同(均勻地應力)或不同(非均勻地應力)。

圖1 地層原始應力狀態(tài)Fig.1 Initial ground stress on formation

鉆頭打開地層后，原有的平衡狀態(tài)被破壞。地應力在以井眼為中心的區(qū)域內重新分布，達到新的平衡狀態(tài)［10］。在鉆進過程中，假設井壁穩(wěn)定，沒有坍塌等復雜情況發(fā)生，井眼附近地層短時間內的變形可忽略不計，井眼橫截面為圓形;對于鉆進時間較長且地層為蠕變地層的情況，為防止卡鉆要定期進行劃眼，所以認為在鉆達目的層進行固井時井眼橫截面形狀也為圓形。因此，在鉆達目的層之后、進行固井作業(yè)之前，井眼、地層及其受力狀態(tài)如圖2所示。井眼為圓形，井眼附近地層承受重新分布的雙向地應力(σ'x，σ'y)的作用，井眼內的鉆井液對井壁施加隨井深增大的靜液柱壓力pc。

圖2 完鉆時井眼和地層的受力狀態(tài)Fig.2 Forces on borehole and formation in drilled well

2 固井作業(yè)過程及初始作用力的形成

完鉆之后進行固井作業(yè)，固井作業(yè)過程依次包括下套管、注水泥和候凝3個作業(yè)階段。固井作業(yè)時間相對較短，可以認為該過程中地應力不發(fā)生變化。在固井作業(yè)的3個階段中，下套管和注水泥作業(yè)是動態(tài)過程，可能會對套管本身的受力狀態(tài)產生很大的影響，也會在一定程度上影響井壁的受力情況，但作用力的大小和方向隨著井的不同而不同。因此，可以先分析候凝作業(yè)過程對封固系統(tǒng)受力狀態(tài)的影響，然后根據不同井的具體情況，將下套管和注水泥作業(yè)對套管和井壁受力的影響疊加到固井作業(yè)完成時的套管和井壁受力狀態(tài)之上。

候凝作業(yè)過程中，水泥漿由流體狀態(tài)逐漸轉變?yōu)樗苄誀顟B(tài)直至最后凝固形成水泥石，這種狀態(tài)的急劇變化對套管、地層及水泥漿(或水泥石)本身的受力都有重要影響，決定了作用于封固系統(tǒng)的初始作用力。

2.1 水泥漿為流體狀態(tài)時井眼中各部分的相互作用

候凝開始時，水泥漿以流體狀態(tài)存在于套管和地層之間的環(huán)形空間，套管內為頂替液流體，一般情況下套管內外壓差為2～3 MPa。因此，水泥漿為流體狀態(tài)時，井眼中各部分之間的相互作用可簡化為圖3(以井眼軸線為對稱軸，只畫出一側的情況)所示的情形。其中，水泥漿和套管內的頂替液處于流體狀態(tài)，水泥漿分別對地層和套管施加大小為pc的靜液柱壓力，套管內頂替液對套管施加大小為pd的靜液柱壓力。pc和pd值與水泥漿在環(huán)空中的返升高度有關。

圖3 水泥漿為流體狀態(tài)時井眼中各部分的相互作用Fig.3 Interaction among components in borehole while slurry in fluid state

2.2 水泥漿為塑性狀態(tài)時井眼中各部分的相互作用

隨著候凝時間的增長，環(huán)空中的水泥漿不斷水化，在水泥漿內部形成網絡結構，使水泥漿具有一定的膠凝強度，導致水泥漿柱對套管和地層的靜液柱壓力逐漸降低，通常稱之為水泥漿失重。在這個過程中，水泥漿也逐漸由流體狀態(tài)轉變?yōu)樗苄誀顟B(tài)。之后，隨著水泥漿水化的進一步進行，其內部的網絡結構也不斷形成、密集和增強，當網絡結構發(fā)展到具有一定密度和強度時就能夠承受和傳遞力的作用。此時，地層孔隙壓力可通過這種網絡結構部分傳遞給套管，對套管施加一定壓力。隨著網絡結構強度的不斷增大，塑性狀態(tài)的水泥漿傳遞的地層孔隙壓力也逐漸增大。在候凝過程中，套管內部承受的頂替液的靜液柱壓力不變，仍為pd。因此，水泥漿為塑性狀態(tài)時，井眼中各組成部分的相互作用可簡化為圖4(以井眼軸線為對稱軸，只畫出一側的情況)的形式。

圖4 水泥漿為塑性狀態(tài)時井眼中各組成部分的相互作用Fig.4 Interaction among components in borehole while slurry in plastic state

在一界面(套管與塑性水泥漿之間的界面)處，套管除了受到水泥漿柱失重后剩余的靜液柱壓力p作用外，還受到水泥漿內部形成的網絡結構傳遞的地層孔隙壓力F1的作用，F(xiàn)1為固體與固體間的作用力。在二界面(塑性水泥漿和地層之間的界面)處，地層也會受到水泥漿柱失重后剩余的靜液柱壓力p的作用，同時水泥漿內部形成的網絡結構在傳遞地層孔隙壓力的同時也會對地層施加一個反作用力F2，F(xiàn)2也為固體與固體間的作用力。由于水泥漿中的網絡結構本身也承受了一定的作用力，所以F2＞F1。

2.3 水泥漿凝固后井眼中各部分的相互作用

候凝作業(yè)完成后，水泥漿凝固形成水泥石，可看作水泥漿塑性狀態(tài)發(fā)展的極限。因此，水泥漿凝固后，通過水泥環(huán)傳遞而施加到套管上的地層孔隙壓力達到最大值。根據以上水泥漿為塑性狀態(tài)時井眼中各部分的相互作用分析，可以得出水泥漿凝固后封固系統(tǒng)各組成部分間的相互作用，如圖5(以井眼軸線為對稱軸，只畫出一側的情況)所示。

在一界面處，水泥環(huán)對套管施加大小為F'1的壓力，在二界面處水泥環(huán)對地層施加大小為F'2的反作用力，F(xiàn)'1和F'2都是固體與固體間的作用力，F(xiàn)'1在一界面處形成的應力稍小于地層孔隙壓力，F(xiàn)'2在二界面處形成的應力等于地層孔隙壓力。由于水泥環(huán)在凝固的過程中本身能夠承受一定的作用力，所以F'2＞F'1，水泥環(huán)本體承受了F'2－F'1的作用力。

圖5 水泥漿凝固后井眼中各組成部分的相互作用Fig.5 Interaction among components in borehole after slurry setting

3 封固系統(tǒng)初始作用力的現(xiàn)場測量

地應力和套管內流體的靜液柱壓力已證明是存在的［9-12］。本文中主要基于現(xiàn)場測量結果，分析一、二界面處存在初始作用力。

測量井固井使用的水泥漿體系為常規(guī)硅酸鹽水泥漿體系，實驗室測定的稠化時間約為3.5 h，在該井套管柱外部表面安裝傳感器并隨套管下入井內，測量注水泥、候凝及后續(xù)作業(yè)過程中的井眼溫度和套管應變，將信號通過電纜傳輸?shù)降孛娌⒂涗洠?3-14］。其中，套管徑向應變反映了套管受到的徑向作用力的大小，轉換后可得套管所受的徑向作用力。

底部測量點(3.145 km)處的套管平均徑向應變如圖6所示(壓應變?yōu)檎?，拉應變?yōu)樨?。其中，0 min對應下套管完畢;0～345 min循環(huán)鉆井液;490 min開始注水泥漿;650～695 min第一次嘗試打開套管外封隔器失敗;700～810 min第二次嘗試打開套管外封隔器成功;960 min注水泥漿完畢，開始敞壓候凝;1545 min候凝完畢，安裝井口。

由圖6可以看出，注水泥漿開始前(435 min左右)徑向應變突然增大，即套管所受的外擠壓力突然變大，但此時地面并沒有采取工程措施，認為可能是外界干擾的結果。碰壓后兩次嘗試打開管外封隔器時套管徑向應變都大大降低，這是因為打開封隔器的過程中套管內壓力顯著增大，套管外部壓力不變，套管內外壓差降低，使得套管受壓變形減小。注水泥漿作業(yè)結束后，隨著時間延長，徑向應變先減小后又增大，候凝完畢后穩(wěn)定在0.08左右，說明套管仍受到較大的徑向壓力，證明一、二界面處存在初始作用力。此作用力最大可達幾個到十幾個兆帕，對界面封隔性能有著重要影響，不可忽略。本測量中候凝完畢時套管應變與注水泥漿結束時相等，即兩時刻套管所受的外擠壓力相同，這是一個特殊情況。對于使用膨脹水泥漿體系和控制壓力候凝的情況，還要考慮疊加而產生的額外作用力的影響。

圖6 底部測量點處套管平均徑向應變Fig.6 Average radial strain at bottom measuring point

4 封固系統(tǒng)初始作用力的影響

通過對鉆井及固井作業(yè)過程的分析，得出封固系統(tǒng)初始作用力主要包括：①鉆開井眼后重新分布的雙向地應力σ'x和σ'y，主要作用于井眼附近地層;②二界面處地層與水泥環(huán)之間的固－固作用力F'2，其值等于地層孔隙壓力;③一界面處水泥環(huán)與套管之間的固－固作用力F'1，其值稍小于或等于地層孔隙壓力;④水泥環(huán)受到地層和套管的反作用力，其大小分別為F'2和F'1;⑤套管內部受到井眼內流體的靜液柱壓力，其大小與井眼內液體的密度和套管所處的深度有關。

在封固系統(tǒng)的初始作用力中，地應力對封固系統(tǒng)的影響取決于地層的性質，尤其是在蠕變地層中，作用于水泥環(huán)和套管上的地應力會隨著時間的延長而增大，可能會導致水泥環(huán)和套管損壞;一界面處套管－水泥環(huán)之間的相互擠壓力和二界面處水泥環(huán)－地層之間的相互擠壓力對維持界面膠結和封隔性能有著重要影響，界面處相互擠壓作用力的降低導致界面膠結失效甚至形成微環(huán)空;水泥環(huán)所受的初始擠壓作用力使其處于三向應力狀態(tài)，強度增加，能夠承受更大的應力作用，有利于維持封固系統(tǒng)的封隔性能;套管內流體靜液柱壓力的降低會導致一、二界面擠壓力降低，可能會導致界面膠結失效甚至形成微環(huán)空，套管內流體的靜液柱壓力升高會導致一、二界面擠壓力增大，有利于維持界面處的膠結和封隔性能，但可能會導致水泥環(huán)的破壞。

封固系統(tǒng)的初始作用力對封固系統(tǒng)的封固性能有著重要影響，也是進行生產過程中封固系統(tǒng)受力狀態(tài)分析的基礎，之后生產及后續(xù)作業(yè)的影響都可以疊加到封固系統(tǒng)的初始受力之上。

5 結論

(1)固井作業(yè)完成時封固系統(tǒng)受到初始作用力的作用。

(2)封固系統(tǒng)初始作用力包括井眼附近地層承擔的鉆開井眼后重新分布的地應力、套管內部流體對套管的靜液柱壓力、一界面處水泥環(huán)對套管的擠壓力及其反作用力和二界面處水泥環(huán)對地層的擠壓力及其反作用力。一、二界面處初始作用力的形成是水泥漿水化直至形成水泥石的過程中逐漸傳遞地層孔隙壓力的結果。

(3)初始作用力中，地應力的增大可能會導致套管和水泥環(huán)損壞;一、二界面處相互擠壓力和套管內液柱壓力降低時可能會導致在界面處形成微環(huán)空，增大時可能會導致水泥環(huán)發(fā)生破壞。

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Initial forces on cementing isolation system and its effect on isolation system

GUO Xin-yang，BU Yu-huan，LI Juan，SHEN Zhong-hou
(College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

The initial forces on isolation system were determined and analyzed by researching the well construction and hydrating and hardening process of slurry.It is indicated that there are initial forces on isolation system while cementing operation is completed.The initial forces include：The ground stress，formed by redistribution of ground stress after drilled，acts on formation near borehole.The hydrostatic pressure of fluid in casing acts on casing.The cement sheath applies compressive force on casing and undertakes reacting force at cement-casing interface，which is less than pore pressure of formation at cement-casing interface.The cement sheath also applies compressive force on formation and endures reacting force at cementformation interface，which is equal to pore pressure of formation at cement-formation interface.The initial forces at cementcasing interface and cement-formation interface are formed by gradually transferred pore pressure through slurry on hardening process of slurry.The field data proves the initial forces at cement-casing interface and cement-formation interface.The change of initial forces can seriously influence the isolation ability of isolation system.

cementing;isolation system;initial force

TE 256

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.03.016

1673-5005(2011)03-0079-05

2010－09－13

國家“863”高技術研究發(fā)展計劃項目(2006AA09Z340)

郭辛陽(1983－)，男(漢族)，山東日照人，博士研究生，主要從事固、完井技術研究。

(編輯 李志芬)