武治強(qiáng) 邢希金 范志利 曹硯峰 樓一珊

(中海油研究總院, 北京 100028)

固井施工結(jié)束后，環(huán)空中頂替到位的水泥漿逐漸凝固成水泥環(huán)，套管、水泥環(huán)和地層形成了一個縱向的封隔系統(tǒng)。良好的層間密封性是油氣井實現(xiàn)有效產(chǎn)能和保證油氣井生產(chǎn)壽命的關(guān)鍵性能。

在鉆井和生產(chǎn)階段，受試壓、壓裂等作業(yè)措施的影響，水泥環(huán)與套管、地層的耦合匹配性逐漸變差，固井耦合系統(tǒng)的封隔完整性遭到破壞，其縱向水力突破阻擋能力變?nèi)?，流體在管外形成竄流環(huán)空帶壓，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致油氣井報廢[1-6]。

為了更好地評價固井封隔系統(tǒng)縱向水力突破能力，需要研究以下幾方面問題：(1)水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度與水力突破的關(guān)系；(2)水泥環(huán)膠結(jié)均勻性與水力突破的關(guān)系；(3)水泥環(huán)有效封隔長度與水力突破的關(guān)系。本次研究將依托水力密封完整性評價裝置，開展相關(guān)評價實驗。根據(jù)水力突破機(jī)理，對水泥石進(jìn)行改性，以改善水泥環(huán)的水力阻擋能力。

1 水力突破能力評價實驗

1.1 水力密封完整性評價裝置

為了探索固井封隔系統(tǒng)阻擋水力突破的能力，設(shè)計一套模擬井下工況環(huán)境下的水力密封完整性評價裝置(見圖1)。

該裝置包括模擬井筒、檢測探頭、流體加壓輸入裝置、壓力檢測計等組塊，可模擬地層流體通過固井封隔系統(tǒng)的實際情況，能夠比較真實地反映固井封隔系統(tǒng)縱向上在井下工況的壓力承載過程，進(jìn)而評價水泥環(huán)水力突破阻擋效果。

圖1 水力密封完整性評價裝置

1.2 CET超聲波水泥評價儀

采用特制的超聲波水泥評價儀。該評價儀在水泥膠結(jié)分析中增加了方位信息，具有圓周分辨力和縱向分辨力。該測試儀可以連接評估軟件，將測定不同方位上的CET聲幅值并生成CET聲幅值云圖，據(jù)此查看水力突破路徑，評價水力作用時的膠結(jié)質(zhì)量。

1.3 介質(zhì)模型制作

建立套管 — 水泥環(huán)模型，將水泥環(huán)頂部、底部用壓環(huán)密封，套管采用內(nèi)徑為121.44 mm的實際套管，模擬試樣高度為500 mm。將不同水泥漿類型注入模擬地層與套管之間的環(huán)空中，并將模擬地層置于水中養(yǎng)護(hù)。注水泥后養(yǎng)護(hù)48 h，再將探頭垂直放置于套管內(nèi)，測量不同高度下的相對聲幅值。

1.4 介質(zhì)模型標(biāo)定

為了便于對比分析，在室內(nèi)建立6類不同膠結(jié)質(zhì)量的套管井模型，分別用于測試6類條件下的相對聲幅值。

根據(jù)6類套管井模型所測CET相對聲幅值及其對應(yīng)的CBL值，建立二者的對應(yīng)關(guān)系(見圖2)。

圖2 CET與CBL對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)CBL與CET的轉(zhuǎn)化關(guān)系，可得：CBL=30%時，CET=29.7%。室內(nèi)測得CET值小于29.7%，說明膠結(jié)質(zhì)量中等。用CET水泥膠結(jié)測井方法，對6組水泥與套管膠結(jié)試樣進(jìn)行標(biāo)定(見表1 )。

表1 膠結(jié)試樣參數(shù)表

CET測井比CBL測井在室內(nèi)評價固井水泥環(huán)密封完整性方面更具優(yōu)勢。在水泥膠結(jié)分析中增加了方位信息，對管外水泥膠結(jié)具有圓周分辨力和縱向分辨力。

運(yùn)用套管井模型進(jìn)行CET相對聲幅值測定，建立其與測井曲線CBL值的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)室內(nèi)測定的CET相對聲幅值來評價固井膠結(jié)質(zhì)量和水力密封完整性。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 水力突破實驗

對6組試樣進(jìn)行了水力密封突破壓力實驗評價，測試結(jié)果見圖3、圖4、圖5。6組水泥試樣分別為1a、1b、2a、2b、3a、3b的最大突破壓力值分別為3.9、3.5、2.6、2.5、2.1、1.9 MPa。

圖3 1a和1b試樣水力密封突破壓力曲線

圖4 2a和2b試樣水力密封突破壓力曲線

圖3所示測試結(jié)果表明：1a試樣水力突破最大壓力為3.9 MPa；1b試樣水力突破最大壓力為3.5 MPa。

圖4所示測試結(jié)果表明：2a試樣水力突破最大壓力為2.6 MPa；2b試樣水力突破最大壓力為2.5 MPa。

圖5所示測試結(jié)果表明：3a試樣水力突破最大壓力2.1 MPa；3b試樣水力突破最大壓力為1.9 MPa。

根據(jù)室內(nèi)評價實驗建立了水力突破壓力與CET測量值的關(guān)系(見圖6)。在一定封隔長度段條件下，固井水泥環(huán)套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面無明顯連通的薄弱路徑或通道且視為均勻膠結(jié)，水泥環(huán)與套管膠結(jié)強(qiáng)度越高，需要突破的壓力就越大。

圖5 3a和3b試樣水力密封突破壓力曲線

圖6 水力突破壓力與CET測量值的關(guān)系

2.2 微觀流道路徑分析

由水流特性可知，水流在膠結(jié)面流動時首選膠結(jié)薄弱的地方。對6塊試樣進(jìn)行CET水力突破路徑評價，分析其水力突破通道(見圖7、圖8、圖9)。

由圖7可以看出，1a試樣水力突破路徑?jīng)]有在縱向上直接突破，而是采用迂回突破的方式；1b試樣水力突破路徑是采取縱向上直接突破的方式。兩者實際最大突破壓力相近，但是實際流體突破路徑不相同。

圖8 2a和2b試樣水力突破通道

由圖8可以看出，2a試樣水力突破路徑是采取弧型縱向上突破的方式；2b試樣水力突破路徑是采取先橫向移動再縱向上突破的方式。兩者實際最大突破壓力相近，但是實際流體突破路徑不近相同。

由圖9可以看出，3a水力突破路徑?jīng)]有直接縱向上直接突破，而是采用迂回突破的方式；3b試樣水力突破路徑是采取先橫向移動再縱向突破的方式。兩者實際最大突破壓力相近，但是實際流體突破路徑差異較大。

圖9 3a和3b試樣水力突破通道

3 水力封隔評價認(rèn)識

3.1 水力封隔主要影響因素

(1) 水泥膠結(jié)強(qiáng)度。固井封隔系統(tǒng)的質(zhì)量優(yōu)劣關(guān)鍵在于水泥環(huán)的膠結(jié)強(qiáng)度。相關(guān)研究表明[7-8]，水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度越大，說明固井質(zhì)量越好，阻擋水力突破的能力越強(qiáng)。良好的水力封隔能力依賴于良好的固井質(zhì)量。

(2) 有效封隔長度。固井封隔系統(tǒng)對固井質(zhì)量有要求，同時還需要一定長度的水泥環(huán)有效段，即水泥環(huán)有效封隔長度。即使水泥膠結(jié)強(qiáng)度足夠高，若水泥環(huán)縱向長度太短，也難以承受測試和油氣生產(chǎn)期間的層間壓差。有效的水力封隔也依賴于足夠的“有效封隔長度”。

(3) 壓差。 一般情況下，封隔長度和界面膠結(jié)強(qiáng)度可通過測井手段來確定，在封隔長度和水泥強(qiáng)度給定的情況下，水泥環(huán)水力封隔效果還受壓差的影響。如果水泥環(huán)層間間隔不足，當(dāng)壓差達(dá)到某一數(shù)值時，流體將快速突破水泥環(huán)的阻隔而沿著水力通道竄流。

3.2 水力封隔影響因素不確定性

(1) 水泥膠結(jié)的不確定性。套管與水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量局部差異性大，如果水泥漿性能存在不足，會導(dǎo)致頂替效率不高，進(jìn)而影響膠結(jié)的均質(zhì)性，結(jié)果呈現(xiàn)微間隙、竄槽等膠結(jié)薄弱點。這些潛在的薄弱點具有不可預(yù)見性和非均勻性。

(2) 套管和水泥環(huán)受腐蝕的不確定性。長期在腐蝕性環(huán)境中，套管和水泥環(huán)都可能受到腐蝕，導(dǎo)致水泥強(qiáng)度衰退，水泥環(huán)滲透率增大甚至形成層間流體通道。特別是水泥膠結(jié)差井段的套管和水泥受腐蝕程度更嚴(yán)重。

(3) 套管和水泥環(huán)應(yīng)力破壞不確定性。套管試壓過高將引起水泥環(huán)應(yīng)力破壞，導(dǎo)致水泥環(huán)喪失密封性能。在水力地應(yīng)力存在較大差異的地方，水泥環(huán)可能發(fā)生破裂甚至套管被擠變形、破裂，導(dǎo)致層間竄流[9-11]。

3.3 水力封隔評價難點

目前現(xiàn)場固井質(zhì)量測井的探測能力有限。固井水泥環(huán)第2界面膠結(jié)狀況探測能力落后于第1界面的綜合評價，只能進(jìn)行定性評價，不能進(jìn)行定量評價，評價結(jié)果帶有一定的不確定性和誤差。

針對室內(nèi)實驗評價和現(xiàn)場實際測井評價結(jié)果不匹配，難以建立測井與室內(nèi)固井的綜合實驗手段的有效聯(lián)系。對此，目前只能建立水泥強(qiáng)度、第1界面缺陷、水泥溝槽與測井響應(yīng)之間的關(guān)系，無法建立反映給定壓差下水泥環(huán)封隔能力的主要參數(shù)與測井手段的關(guān)系。

4 結(jié) 語

通過室內(nèi)開展固井封隔系統(tǒng)水力突破評價實驗，以流體打壓驗竄方式評價固井耦合系統(tǒng)縱向阻擋水力突破效果，建立了CET值與最大突破壓力的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，在一定封隔長度段下，固井質(zhì)量越好，需要突破的壓力就越大。

運(yùn)用水泥膠結(jié)評價測井手段，開展了水力突破路徑評價實驗，初步了解了水力突破規(guī)律。認(rèn)為流體在固井封隔系統(tǒng)縱向上流動時首選薄弱點進(jìn)行突破，突破路徑是無序的。 這主要是由于水泥膠結(jié)的不均勻性所致。

通過研究可知，水力突破壓力與水泥環(huán)的膠結(jié)強(qiáng)度、膠結(jié)均勻性和有效封隔長度有關(guān)，水泥膠結(jié)、套管水泥環(huán)腐蝕、應(yīng)力破壞等的不確定性，決定了固井封隔系統(tǒng)水力突破評價的復(fù)雜性。

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