趙效鋒，張慶生

（1.中國石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001；2.中國石化中原油田普光分公司，四川 達(dá)州 635000）

0 引言

氣竄引起的套管環(huán)空帶壓一直是高壓氣井面臨的難以解決的問題之一［1-4］。現(xiàn)有的環(huán)空帶壓治理措施，如擠水泥修復(fù)和化學(xué)堵漏等，均存在成本高、效果差和作業(yè)難度大等問題［5-6］。鑒于此，作業(yè)商一般不愿意治理環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}［7］。而氣井一旦出現(xiàn)了此類問題，無論采取何種補(bǔ)救和治理措施，都勢(shì)必會(huì)付出巨大的時(shí)間、人工和經(jīng)濟(jì)成本，極大地降低了氣井開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。

但若能從建井之初采取措施，完全或某種程度上預(yù)防氣井環(huán)空密封失效問題的發(fā)生，避免由此導(dǎo)致的環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}，將會(huì)起到防患未然、事半功倍的作用。本文基于氣井套管環(huán)空密封失效的原因分析，提出了一種套管環(huán)空密封失效預(yù)防措施。通過理論計(jì)算驗(yàn)證其有效性，并對(duì)措施中關(guān)鍵材料性能的影響規(guī)律進(jìn)行分析，以確定其種類，初步制定出室內(nèi)試驗(yàn)方案，并對(duì)試驗(yàn)試樣進(jìn)行試制。

1 方案的提出及理論驗(yàn)證

1.1 方案設(shè)想

固井水泥凝固以后，可能會(huì)因后續(xù)作業(yè)而遭到破壞，導(dǎo)致水泥環(huán)本體產(chǎn)生微裂縫，固井界面出現(xiàn)微環(huán)隙［8-9］。其中：水泥環(huán)本體破壞（如裂縫、破碎）的主要原因是套管內(nèi)溫度、壓力過高［10-11］；而對(duì)于固井界面不但與壓力過高有關(guān)，還與各種工況下套管壓力的交替變化有關(guān)［12］。但無論何種形式破壞，過高的套管壓力總是其直接原因；因此，減小套管壓力對(duì)水泥環(huán)的影響，是預(yù)防套管環(huán)空密封失效的首要措施。

基于以上分析，筆者提出在套管外壁黏附一層彈性材料作為緩沖層，利用緩沖層吸收套管變形能量，來改善套管壓力下水泥環(huán)的受力狀況，以達(dá)到預(yù)防水泥環(huán)破壞而造成套管環(huán)空密封失效的目的。

1.2 理論驗(yàn)證

對(duì)有、無緩沖層2種條件下，不同套管壓力對(duì)水泥環(huán)應(yīng)力分布及失效特征進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算時(shí)，假設(shè)套管和地層為線彈性材料，水泥環(huán)為彈塑性材料，以摩爾-庫倫準(zhǔn)則為破壞準(zhǔn)則，此問題可簡(jiǎn)化為彈塑性厚壁筒的平面應(yīng)變問題。由于計(jì)算公式［13-14］過于復(fù)雜，在此不再贅述。

分析中，假設(shè)套管緩沖層為完全彈性體，彈性模量為3.0 GPa，泊松比為0.25，厚度為4.0 mm。選取套管壓力為15～90 MPa，以15 MPa間隔取值；地應(yīng)力為40 MPa。模型介質(zhì)幾何參數(shù)和材料特性見表1。

表1 模型介質(zhì)幾何參數(shù)和材料特性

由于套管壓力逐漸增大時(shí)，水泥環(huán)塑性破壞最先產(chǎn)生于水泥環(huán)內(nèi)壁［11，13］，因此，選取水泥環(huán)內(nèi)壁的徑向應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變值作為分析對(duì)象。

經(jīng)計(jì)算得出有、無緩沖層條件下水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力隨套管壓力變化情況（見圖1）。從圖1可以看出，相較于無緩沖層，有緩沖層時(shí)，不同套管壓力下水泥環(huán)內(nèi)壁的徑向應(yīng)力均顯著減小，平均減小25%。這說明加入緩沖層可有效減小水泥環(huán)受力，降低套管壓力對(duì)水泥環(huán)的破壞。

圖1 水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力隨套管壓力變化情況

圖2為有、無緩沖層條件下水泥環(huán)內(nèi)壁等效塑性應(yīng)變隨套管壓力的變化情況。

圖2 水泥環(huán)內(nèi)壁等效塑性應(yīng)變隨套管壓力變化情況

由圖2可以看出：無緩沖層的情況下，當(dāng)套管壓力為45 MPa時(shí)，水泥環(huán)內(nèi)壁出現(xiàn)塑性變形，且隨著套管壓力的進(jìn)一步增大，水泥環(huán)塑性破壞程度越來越嚴(yán)重；有緩沖層的情況下，套管壓力增至90 MPa時(shí)，水泥環(huán)內(nèi)壁才出現(xiàn)塑性變形，且等效塑性應(yīng)變值遠(yuǎn)小于無緩沖層時(shí)。由此說明，加入緩沖層確實(shí)可以有效保護(hù)水泥環(huán)，避免其被過早破壞。

通過以上分析，從理論上驗(yàn)證了該措施的有效性。也就是說，通過在套管外壁黏附特定厚度和力學(xué)性質(zhì)的緩沖層，可以完全或某種程度上避免水泥環(huán)的破壞，這種預(yù)防因水泥環(huán)破壞而造成氣井環(huán)空密封失效的措施，在理論上是可行的。

2 緩沖材料力學(xué)特性分析

緩沖層的作用是吸收套管變形的能量，需具備特定力學(xué)性質(zhì)。筆者通過對(duì)緩沖層彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，優(yōu)選出了其合理取值范圍。

2.1 彈性模量的影響

對(duì)不同套管壓力下，緩沖層彈性模量對(duì)水泥環(huán)內(nèi)壁等效塑性應(yīng)變和徑向應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析。假設(shè)緩沖層厚度為4.0 mm，泊松比為0.25，選取100.0，50.0，25.0 GPa等11種緩沖層彈性模量（其余參數(shù)不變）。不同彈性模量緩沖層下水泥環(huán)內(nèi)壁等效塑性應(yīng)變情況見圖3。

圖3 緩沖層彈性模量對(duì)水泥環(huán)等效塑性應(yīng)變的影響

從圖3可看出：緩沖層彈性模量減小，可降低水泥環(huán)等效塑性應(yīng)變；當(dāng)緩沖層彈性模量降到足夠低（小于10.0GPa）時(shí)，便可完全避免水泥環(huán)出現(xiàn)塑性破壞。

圖4為套管壓力15 MPa時(shí)，水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力隨緩沖層彈性模量的變化情況。

圖4 水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力隨緩沖層彈性模量變化情況

從圖4可以看出，緩沖層彈性模量降低可減小水泥環(huán)內(nèi)壁受力。其中：較高（A區(qū)，大于等于10.0 GPa）與較低（C區(qū)，小于等于10.0 MPa）的彈性模量范圍內(nèi)，彈性模量對(duì)水泥環(huán)徑向應(yīng)力影響的敏感性較低。在此范圍內(nèi)選取不同的緩沖層彈性模量，水泥環(huán)所受徑向應(yīng)力差別不大。當(dāng)緩沖層彈性模量處于中間水平（B區(qū)，介于10.0 MPa和10.0GPa）時(shí)，水泥環(huán)徑向應(yīng)力對(duì)彈性模量的變化比較敏感。在此范圍內(nèi)，不同緩沖層彈性模量下水泥環(huán)所受徑向應(yīng)力差別較大。鑒于對(duì)水泥環(huán)的保護(hù)效果，建議緩沖層彈性模量應(yīng)小于10.0 MPa。

2.2 泊松比的影響

對(duì)不同套管壓力下，緩沖層泊松比對(duì)水泥環(huán)內(nèi)壁等效塑性應(yīng)變和徑向應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析。假設(shè)緩沖層厚度為4.0mm，彈性模量為1.0GPa，選取0.10，0.20，0.30，0.40，0.50等 5種泊松比（其余參數(shù)不變）。計(jì)算結(jié)果見圖5、圖6。從圖5可以看出，較低的緩沖層泊松比有利于避免水泥環(huán)出現(xiàn)塑性破壞，從而保護(hù)水泥環(huán)。從圖6（套管壓力15 MPa下）可以看出：隨著緩沖層泊松比的降低，水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力呈減小趨勢(shì)；當(dāng)泊松比足夠小（0.20）時(shí)，對(duì)水泥環(huán)徑向應(yīng)力的減弱作用已達(dá)到極限，即使再減小泊松比，也無法進(jìn)一步降低水泥環(huán)徑向應(yīng)力。因此，優(yōu)選出緩沖層泊松比在0.20～0.50。

圖5 緩沖層泊松比對(duì)水泥環(huán)等效塑性應(yīng)變的影響

圖6 水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力隨緩沖層泊松比變化情況

3 緩沖層厚度分析

對(duì)不同厚度緩沖層下水泥環(huán)等效塑性應(yīng)變和徑向應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了分析。假設(shè)緩沖層彈性模量為1.0 GPa，泊松比為0.25，選取1.0～7.0 mm的7種緩沖層厚度（其余參數(shù)不變）。不同厚度緩沖層下水泥環(huán)內(nèi)壁等效塑性應(yīng)變變化情況見圖7。

圖7 緩沖層厚度對(duì)水泥環(huán)內(nèi)壁等效塑性應(yīng)變的影響

從圖7可以看出，隨著緩沖層厚度增加，套管壓力對(duì)水泥環(huán)內(nèi)壁等效塑性應(yīng)變的影響減小趨勢(shì)明顯，而當(dāng)緩沖層足夠厚（本例為7.0 mm）時(shí)，則可完全避免水泥環(huán)出現(xiàn)塑性變形。

而從套管壓力15 MPa下水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力隨緩沖層厚度變化情況（見圖8）來看，緩沖層厚度對(duì)水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力的影響并非線性關(guān)系。整體上看，隨著緩沖層厚度的增加，水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，但緩沖層厚度達(dá)到一定程度后，其對(duì)水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力的降低作用逐步減弱。因此，優(yōu)選出的緩沖層厚度需大于4.0 mm。由于緩沖層會(huì)侵占一部分環(huán)空空間，致使水泥環(huán)變薄，所以，緩沖層并非越厚越好。

圖8 水泥環(huán)內(nèi)壁徑向應(yīng)力隨緩沖層厚度變化情況

4 緩沖材料確定及試樣試制

根據(jù)緩沖材料力學(xué)性能的分析結(jié)果，對(duì)滿足條件的緩沖材料進(jìn)行了篩選。最終基于工藝和成本方面的考慮，確定緩沖材料種類為橡膠（常見橡膠的彈性模量為7.8 MPa，泊松比為0.47）。通過對(duì)不同配方的橡膠試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，優(yōu)選出了具有特定硬度、彈性，具有耐熱、耐磨、耐油特性的丁腈橡膠用于室內(nèi)試驗(yàn)的試樣試制。配合室內(nèi)試驗(yàn)試制了有、無緩沖層φ114.3 mm套管2種試樣（見圖9）。有緩沖層試樣試制過程表明，該措施具有成本低、工藝簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖9 有、無緩沖層φ114.3 mm套管試樣

室內(nèi)試驗(yàn)采用水泥環(huán)應(yīng)變/溫變破壞模擬裝置。該裝置可模擬φ152.4 mm井眼、φ114.3 mm套管固井作業(yè)，對(duì)不同套管內(nèi)壓力（最高70 MPa）、溫度（最高160℃）和不同圍壓（最高35 MPa）條件下的水泥環(huán)氣竄狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，定量評(píng)判是否發(fā)生套管環(huán)空密封失效。

5 結(jié)論

1）通過在套管外壁黏附緩沖層來消除或減弱套管壓力對(duì)水泥環(huán)的應(yīng)力破壞，以預(yù)防環(huán)空帶壓等導(dǎo)致的氣井套管環(huán)空密封失效，該措施在理論上是可行的。

2）緩沖層應(yīng)具備較低的彈性模量、泊松比及足夠的厚度。本文優(yōu)選出的緩沖層彈性模量應(yīng)小于10.0 MPa，泊松比 0.20～0.50，厚度大于 4.0 mm。

3）初步確定緩沖材料為橡膠，并對(duì)試樣進(jìn)行了試制。試樣試制過程表明，該措施具有成本低、工藝簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。