武治強 岳家平 李 強 曹硯鋒 耿亞楠 劉書杰 周建良

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028； 2. 中國海洋石油有限公司 北京 100010)

良好的固井水力膠結(jié)可以阻止流體通過固井套管外環(huán)空竄流，同時減少套管被腐蝕的風(fēng)險[1-6]，因此，研究固井套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面水力密封完整性對于井筒完整性評價具有重要意義。

固井施工結(jié)束后，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)，良好的層間密封是油氣井達到應(yīng)有產(chǎn)能的關(guān)鍵。長期以來，業(yè)內(nèi)學(xué)者僅對固井質(zhì)量測井井段水泥環(huán)第一界面的膠結(jié)狀況開展研究，而對水力密封影響研究較少。筆者將水力突破評價裝置和水泥膠結(jié)評價測井技術(shù)相結(jié)合，對影響套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面水力密封完整性的相關(guān)因素進行實驗分析，以期為現(xiàn)場油井全周期完整性壽命設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 水力密封完整性影響因素分析

1.1 整體膠結(jié)質(zhì)量

目前現(xiàn)場主要采用水泥膠結(jié)測井(Cement Bond Logging,CBL)來評價固井膠結(jié)質(zhì)量，測井曲線CBL值小于15%為膠結(jié)質(zhì)量為良好，測井曲線CBL值小于30%為膠結(jié)質(zhì)量中等，測井曲線CBL值大于30%為膠結(jié)質(zhì)量不合格。套管與水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量對水力密封完整性起到至關(guān)重要的影響,如果套管和水泥環(huán)膠結(jié)良好，CBL相對聲幅值越低，水力密封效果好；反之則CBL相對聲幅值較高，水力密封效果就差[7-10]。

1.2 膠結(jié)局部差異性

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[11]，這些潛在的薄弱點具有不可預(yù)見性和非均勻性。相關(guān)研究表明[12-13]，在沒有內(nèi)部竄流通道的前提下，水泥環(huán)與套管的膠結(jié)強度越大，套管與水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量就越好，水力密封完整性就越高；如果內(nèi)部存在薄弱連通區(qū)域，水力密封完整性就依賴于薄弱連通流道上的最弱膠結(jié)強度。

2 水力密封完整性影響評價

2.1 整體膠結(jié)質(zhì)量影響評價

圖1 水力密封完整性評價裝置Fig .1 Hydraulic seal integrity evaluation device

通過室內(nèi)開展不同固井質(zhì)量條件下套管與水泥環(huán)水力密封完整性評價實驗，建立了不同固井質(zhì)量條件下所測CBL值與水力密封完整性(水力突破壓差)對應(yīng)關(guān)系曲線(圖3)。分析認(rèn)為，固井水泥環(huán)在一定封隔長度段條件下，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則視為均勻膠結(jié)，水泥環(huán)與套管膠結(jié)強度越高，即CBL值越小，則需要突破的壓力就越大，因此固井膠結(jié)質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系著套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面的水力密封性能。

2.2 膠結(jié)局部差異性影響評價

應(yīng)用CBL測井對水泥環(huán)進行膠結(jié)質(zhì)量評價，實質(zhì)上是對水泥環(huán)環(huán)向360°水泥膠結(jié)狀況的平均物理響應(yīng)，不能探測水泥溝槽或薄弱通道，并且目前對于局部的、微觀的膠結(jié)質(zhì)量尚不能解釋清楚。相比較CBL而言，水泥膠結(jié)評價測井能夠顯示出繞套管一周的水泥膠結(jié)分布情況，測出隨高度、方位角變化時水泥膠結(jié)狀況的好壞，可以相對清晰地看到水流通道路徑(圖4)。如果套管與水泥環(huán)界面膠結(jié)存在差異性，在水力突破力的作用下，水流會沿著膠結(jié)差的地方流動，水流通過的路徑會形成水力突破通道。

圖2 8塊試樣所測CBL值Fig .2 CBL value of 8 samples

圖3 水力突破壓差與CBL的關(guān)系Fig .3 Relationship between hydraulic breakdown pressure and CBL

圖4 流道圓柱示意圖Fig .4 Flow channel cylinder diagram

2.2.1局部水力通道

室內(nèi)采用水泥膠結(jié)評價測井儀開展了水力突破路徑評價實驗，流道通道評價結(jié)果如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，水力突破路徑主要表現(xiàn)為縱向上直接突破、弧型斜向上及迂回突破等方式：圖5a試樣1水力突破路徑?jīng)]有采取縱向上直接突破方式，而是采用4段式迂回突破方式；圖5b試樣2水力突破路徑是采取縱向上直接突破方式；圖5c試樣3水力突破路徑?jīng)]有采取縱向上直接突破方式，而是采用弧型斜向上突破方式；圖5d試樣4水力突破路徑?jīng)]有采取縱向上直接突破方式，而是采用4段式迂回突破方式；圖5e試樣5水力突破路徑?jīng)]有采取縱向上直接突破方式，而是采用3段式迂回突破方式；圖5f試樣6水力突破路徑?jīng)]有直接縱向上采取突破，而是采用2段式迂回突破方式。

通過分析認(rèn)為，由于水泥膠結(jié)存在不確定性，受限于當(dāng)時的固井工藝和固井環(huán)境，不同膠結(jié)試樣水力流動通道不盡相同，存在巨大的差異性，竄流通道主要是在固井施工后水泥石與套管膠結(jié)薄弱區(qū)域的一個線性表現(xiàn)。

圖5 6塊試樣水力流動疑似路徑Fig .5 Suspected path of hydraulic flow of 6 samples

2.2.2有效封隔長度

1) 水力流道對有效封隔長度的影響。

將水力突破流道實際軌跡定義為絕對路徑，將縱向上垂直最大位移定義為相對路徑，對本文實驗中6塊試樣的水力通道路徑長度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。由表1可以看出，相對路徑之間差值較小，更接近于突破壓力的波動，因此可以將相對路徑長度等同于有效封隔長度。

(2)按城市地下管線測量技術(shù)要求，管線探測精度如下：隱蔽管線點的探測精度，高程中誤差(指測點相對鄰近高程控制點)不大于±2 cm。水平位置限差不大于±(5+0.05h)，當(dāng)測區(qū)較大又缺少四等以上水準(zhǔn)點時，埋深限差不大于±(5+0.07h)(h為地下管線的中心埋深，以cm為單位。按i級精度要求)。

表1 水力流道路徑長度統(tǒng)計Table 1 Statistics of hydraulic flow path length

根據(jù)固井質(zhì)量評價常規(guī)認(rèn)識，水力密封突破壓力與有效封隔長度有關(guān)。通過本次實驗發(fā)現(xiàn)，在一定封隔長度和等同膠結(jié)質(zhì)量的條件下，水力突破壓力與絕對路徑也有相關(guān)關(guān)系，即使水泥環(huán)膠結(jié)強度足夠高，若膠結(jié)良好的完整水泥環(huán)縱向長度太短，也難以承受作業(yè)期間產(chǎn)生的壓差，所以有效的水力密封必須依賴于足夠的有效膠結(jié)長度。

2) 套管尺寸對有效封隔長度的影響。

國內(nèi)外固井研究人員從工程的角度出發(fā)，研究了常規(guī)密度水泥固井驗竄實驗，分析發(fā)現(xiàn)水泥環(huán)的水力密封完整性依賴于水泥石的膠結(jié)質(zhì)量和水泥環(huán)的最小有效封隔長度，其中最小有效封隔長度與套管尺寸有關(guān)聯(lián)關(guān)系，如圖6所示[7，14]。

由圖6可以看出，在一定水泥膠結(jié)條件下，套管尺寸越大，層間最小有效封隔長度就越大，即套管尺寸越大，需要完整性的水泥環(huán)段就越長，才能保證水力密封完整性。針對壓裂井來說，考慮到壓裂作業(yè)對水泥環(huán)水力密封完整性要求較高，因此水力壓裂要求的水泥環(huán)層間縱向封隔長度是通常封隔長度的3倍[15]。

圖6 常規(guī)井套管尺寸與最小封隔長度關(guān)系[7,14]Fig .6 Relationship between the size of casing and the minimum seal length[7,14]

基于上述分析結(jié)果，套管尺寸對水泥環(huán)水力密封完整性有一定的影響，在相同有效封隔長度下，套管尺寸越大，水泥環(huán)密封完整性越差。

3 研究展望

套管與水泥環(huán)整體膠結(jié)質(zhì)量和局部差異性對水力密封完整性評價都有直接影響。水力密封完整性評價的通常做法是：①讀取和識別局部井段CBL值；②讀取封隔長度，求取膠結(jié)強度，評價膠結(jié)質(zhì)量；③判斷水力密封完整性。常規(guī)做法是從工程角度出發(fā)，考慮套管水泥環(huán)整體膠結(jié)質(zhì)量，忽略局部膠結(jié)差異性，以達到現(xiàn)場的快速定性評價，而實現(xiàn)定量化評價則存在較大難度。為了更好地評價水力密封完整性，亟需進行水力密封完整性定量化評價研究，建議從以下幾點開展研究工作。

1) 提高固井質(zhì)量測井的探測能力，特別是對局部差異性探測。通過分析認(rèn)為，套管與水泥環(huán)界面膠結(jié)強度、膠結(jié)缺陷、有效路徑等因素對水力密封完整性均有較大的影響，從整體膠結(jié)質(zhì)量出發(fā)評價，僅能做到定性，不能做到定量。

2) 加強因微裂縫、流體侵入和鉆井液污染引起的膠結(jié)缺陷的探測方法研究。實際測井過程中，這些缺陷不能夠被現(xiàn)有的測井手段準(zhǔn)確識別出來。

3) 進一步研發(fā)新的水力密封完整性研究手段，提高水力密封完整性評價能力，探索一套統(tǒng)一的評價方法和標(biāo)準(zhǔn)。

總之，水力密封完整性評價需要基于系統(tǒng)的理論研究和實驗研究，通過大量的現(xiàn)場評價試驗，建立一套定量和定性相結(jié)合的評價方法。

4 結(jié)論

1) 通過開展水力密封完整性評價室內(nèi)實驗，建立了CBL值與最大突破壓力的對應(yīng)圖版，進行了套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面水力密封完整性評價，結(jié)果表明：在一定封隔長度段下，套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面膠結(jié)強度越大，需要突破的壓力就越大。

2) 運用水泥膠結(jié)評價測井手段，開展了水力流動路徑評價實驗，初步認(rèn)清了水力突破路徑規(guī)律，測定了水力流動絕對路徑和相對路徑，獲得了水泥環(huán)有效膠結(jié)長度與水力密封的關(guān)系。

3) 通過分析認(rèn)為，套管與水泥環(huán)整體膠結(jié)質(zhì)量、局部差異性和套管尺寸對水泥環(huán)水力密封完整性評價都有直接影響。目前針對水力密封完整性定量評價仍存在較多困難，需要開展大量的理論和實驗研究，建立一套定量與定性相結(jié)合的評價方法。