李奇璇, 連 威, 嚴(yán) 攀, 孟英鋒, 吳利華

(1油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學(xué) 2中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦 3中國石油大學(xué)·北京 4華北油田第三采油廠監(jiān)測大隊)

多級水力壓裂造成井底水泥環(huán)應(yīng)力、溫度呈周期性變化，容易引起水泥環(huán)的密封失效，造成井下油氣水竄甚至是環(huán)空帶壓的出現(xiàn)，給井口安全帶來嚴(yán)重影響[1-2]。水泥環(huán)作為衡量井筒密封完整性的主要影響因素，結(jié)合水力壓裂的特點分析其在壓裂過程中的完整性具有重要意義。對此，國內(nèi)外專家進行了大量研究。范明濤[3]、Yin F.[4]等人分析了熱交變壓力下水泥環(huán)界面微間隙產(chǎn)生的機理，認(rèn)為水泥環(huán)的塑性變形是導(dǎo)致微間隙產(chǎn)生的主要原因；席巖等[5]分析了溫度-壓力耦合條件下水泥環(huán)應(yīng)力狀態(tài)隨時間的變化規(guī)律，并對影響因素進行了分析；沈吉云等[6]分析了大壓差條件下水泥環(huán)的密封完整性失效機理，認(rèn)為壓裂或者生產(chǎn)過程中的大壓差工況是水泥環(huán)密封失效的主要原因。劉洋等[7]在考慮水泥環(huán)初始狀態(tài)以及井內(nèi)壓力變化的特點上，對水泥環(huán)密封失效的原因進行了分析，結(jié)果表明試壓和壓裂可能導(dǎo)致水泥環(huán)產(chǎn)生周向拉伸破壞和微環(huán)隙；Zhou S.M.等[8]對水泥石進行了循環(huán)應(yīng)力加載實驗，基于實驗結(jié)果建立了循環(huán)加載條件下水泥石的本構(gòu)方程，并對不同井深位置處水泥環(huán)的完整性進行了分析；李勇等[9]對壓裂條件下水泥環(huán)界面裂縫擴展規(guī)律進行了分析，明確了壓裂液作用下膠接面裂縫擴展長度的影響因素。陶謙[10]基于自主建立的水泥環(huán)密封完整性檢測裝置，分析了不同套管內(nèi)壓對水泥環(huán)密封性的影響。

以上研究對明確壓裂過程中水泥環(huán)的密封失效機理具有重要意義，但是忽略了水泥環(huán)自身力學(xué)性質(zhì)變化對其完整性的影響。多級壓裂過程中，大排量壓裂液持續(xù)泵入井底會使水泥環(huán)溫度呈周期性變化，而溫度交變對水泥石力學(xué)參數(shù)如彈性模量、泊松比的變化規(guī)律則研究較少。

一、水泥石的動態(tài)彈性模量與動態(tài)泊松比

考慮到水泥石靜態(tài)力學(xué)參數(shù)的測量需要使用巖石試驗壓縮機，成本較高且需要破壞試樣，因而本文采用動態(tài)力學(xué)參數(shù)的方法對水泥石的力學(xué)參數(shù)進行測量，動態(tài)力學(xué)參數(shù)指利用波速測定設(shè)備測量聲波在介質(zhì)中的縱、橫波速度，基于動態(tài)力學(xué)參數(shù)和聲波速度之間的關(guān)系，計算動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊松比，具有測量方法簡單，成本低且可重復(fù)的特點。

動態(tài)彈性模量Ed與動態(tài)泊松比μd計算方法如下[11]：

(1)

(2)

式中:Ed—動態(tài)彈性模量，GPa；

μd—動態(tài)泊松比，無因次；

vp—縱波速度，m/s；

vs—橫波速度，m/s；

ρ—水泥石密度，g/cm3。

二、試驗概況

1.試驗樣品

本試驗采用頁巖氣井中常用的乳膠水泥漿體系，配方如下：夾江G級硫酸鹽型油井水泥(500 g)+4%降失水劑BS100L(20 g)+5%懸浮穩(wěn)定劑WG(25 g)+0.75%分散劑SXY-2(3.75 g)+2%膨脹劑BS500(10 g)+2%膠乳JR(10 g)+0.5%消泡劑XPC502(2.5 g)+水(210 g)。攪拌均勻后在模具中澆筑并養(yǎng)護，形成標(biāo)準(zhǔn)試樣(直徑25 mm×高50 mm)。

2.試驗過程

尹虎等[12]對水力壓裂過程中水平段水泥環(huán)的溫度變化規(guī)律進行了分析，計算結(jié)果認(rèn)為：壓裂過程中壓裂液和套管-水泥環(huán)-地層組合體之間進行熱交換，導(dǎo)致水泥環(huán)溫度迅速下降，壓裂后則逐漸恢復(fù)至初始溫度；溫度降低幅度和排量具有顯著關(guān)系，排量越大，溫度變化幅度越大?；诖耍疚牟捎孟群銣丶訜岷罄鋮s的方式模擬溫度變化過程，并通過不同的冷卻方式模擬不同排量工況，最終模擬壓裂液排量大小對水泥環(huán)動態(tài)彈性參數(shù)的影響。

試驗冷卻方式及模擬工況如表1所示。

表1 試驗條件

三、結(jié)果分析

1.水泥石形態(tài)變化規(guī)律

熱交變后水泥石表面會出現(xiàn)微裂紋，且微裂紋的數(shù)量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加。這是因為水泥石內(nèi)部組成顆粒的熱力學(xué)參數(shù)不同，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，由于顆粒間熱膨脹系數(shù)的不同，導(dǎo)致水泥石內(nèi)部產(chǎn)生非均勻膨脹從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，水泥石內(nèi)部的初始孔隙在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋擴展。

2.縱橫波速與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

對試樣1、2和試樣3、4的試驗數(shù)據(jù)平均化處理，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果可以得到縱波速度、橫波速度以及縱橫波波速比與熱交變循環(huán)次數(shù)之間的統(tǒng)計關(guān)系曲線，如圖1～圖3所示。

圖1 縱波速度隨熱交變循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖2 橫波速度隨熱交變循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖3 縱、橫波波速比隨熱交變循環(huán)次數(shù)變化曲線

從圖1～圖2可以看出，縱波速度和橫波速度隨著熱交變循環(huán)次數(shù)的增加，均呈現(xiàn)先降低后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。這是因為水泥石裂紋的產(chǎn)生導(dǎo)致聲波傳播路徑變長，縱波和橫波傳播速度降低，但在熱交變循環(huán)16次以后，裂紋不再明顯增加，縱橫波速基本保持不變。同時，由圖3可知，縱、橫波波速比隨著熱交變循環(huán)次數(shù)增加呈指數(shù)增加的趨勢，與自然冷卻相比，在冷水浴冷卻條件下，水泥石縱橫波波速比增幅更大。

3.動態(tài)彈性參數(shù)與熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和式(1)、式(2)可以得到動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊松比與熱交變循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線，如圖4、圖5所示。

圖4 動態(tài)彈性模量隨熱交變循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖5 動態(tài)泊松比隨熱交變循環(huán)次數(shù)變化曲線

從圖4中看出，動態(tài)彈性模量隨著熱交變循環(huán)次數(shù)的增加，呈先降低后趨于穩(wěn)定的趨勢,經(jīng)過20次熱交變循環(huán)后，在自然冷卻和冷水浴冷卻兩種冷卻方式下，水泥石的動態(tài)彈性模量降幅分別為：19.0%、16.8%，從損傷力學(xué)的角度而言，彈性模量的降低意味著水泥石的損傷，顯然不利于水泥環(huán)的密封完整性。由圖5，水泥石動態(tài)泊松比的變化規(guī)律與縱橫波速比的變化規(guī)律相類似，動態(tài)泊松比隨熱交變循環(huán)次數(shù)的增加而增加，經(jīng)過20次熱交變循環(huán)后，自然冷卻和冷水浴冷卻方式下動態(tài)泊松比的增加幅度分別為6.2%和11.2%，與自然冷卻相比，冷水浴冷卻條件下水泥石動態(tài)泊松比增幅更大。

四、結(jié)論

(1)熱交變循環(huán)條件下，水泥石的縱、橫波波速隨著循環(huán)次數(shù)的增加先降低后趨于穩(wěn)定，而縱、橫波波速比呈指數(shù)增加，水泥石表面裂紋數(shù)量不斷增加。

(2)水泥石動態(tài)彈性模量隨著熱交變次數(shù)的增加呈先降低后穩(wěn)定的趨勢，動態(tài)泊松比則隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增加；相比于自然冷卻條件，冷水浴冷卻條件對水泥石動態(tài)彈性參數(shù)的影響更大。