管志川, 李 成, 趙效鋒, 張 顥, 王 慶, 閆 炎, 勝亞楠, 張 波

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.山東省深地鉆井過程控制工程技術(shù)研究中心,山東青島 266580;3.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; 4.中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司巴州分公司,新疆庫爾勒 841000; 5.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司,北京 102206; 6.中國石化中原石油工程公司鉆井技術(shù)研究院,河南濮陽 457001; 7.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院,北京 102206)

隨著油氣開發(fā)逐步向著條件更加惡劣的特殊油氣藏發(fā)展[1],所面臨的困難和風(fēng)險(xiǎn)日益增加,套管環(huán)空密封失效就是其中之一[2-6]。環(huán)空中水泥環(huán)破裂和固井界面破壞都會(huì)導(dǎo)致環(huán)空密封失效[7],尤其是在高溫高壓氣井中,環(huán)空帶壓和層間竄流現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重者將導(dǎo)致油氣井報(bào)廢[8-12]。目前對水泥環(huán)的破壞機(jī)制研究非常豐富[2-3,11,13],但針對環(huán)空失封的應(yīng)對措施仍有不足。目前理論研究中的應(yīng)對措施大都局限于工程參數(shù)優(yōu)選及水泥材料研發(fā)[14-15],并未有試驗(yàn)或現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證其工程可行性。而目前現(xiàn)場措施,如擠水泥和化學(xué)堵漏等,也存在成本高、效果差和作業(yè)難度大等問題[16-18]。因此若能從建井之初就采取措施保證環(huán)空密封完整,可以起到防患于未然的作用。筆者基于對氣井水泥環(huán)密封失效的原因分析,設(shè)計(jì)一套新型套管保護(hù)環(huán)空密封完整,并應(yīng)用理論分析和試驗(yàn)方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性,以期對環(huán)空密封完整性的保護(hù)工作提供理論支持。

1 新型套管的設(shè)計(jì)方案和可行性理論驗(yàn)證

1.1 新型套管的基本結(jié)構(gòu)

在單層套管封固井段取一井筒橫截面,在該截面上,套管-水泥環(huán)-地層組合受兩組外載作用:一是套管內(nèi)壓力，該力為均勻的徑向應(yīng)力;二是外邊界承受未受擾動(dòng)的遠(yuǎn)場水平地應(yīng)力,該力可用平均地應(yīng)力σ和偏差地應(yīng)力τ描述[19],

(1)

式中,σH和σh分別為最大和最小水平地應(yīng)力,Pa;σr和τrθ分別為地應(yīng)力分解的正應(yīng)力和剪應(yīng)力,Pa;θ為圓心角,(°);re為模型外邊界半徑,m。根據(jù)圣維南定理可知,外邊界以內(nèi)的地層受井口應(yīng)力集中現(xiàn)象影響。

當(dāng)套管受壓膨脹時(shí),壓力經(jīng)由套管壁傳至固井一界面并施加在水泥環(huán)上,如果套管壓力過高,可能會(huì)壓壞水泥環(huán)[19-21]。因此設(shè)計(jì)一種新型套管來降低和緩沖高套壓下套管對水泥環(huán)的擠壓破壞,該新型套管為抗壓及保護(hù)型套管(compression resistance & protection casing,CRP套管),結(jié)構(gòu)如圖1所示。該套管由上下接箍、套管壁及保護(hù)層組成,其原理是在套管外黏附一層彈性材料作為保護(hù)層,吸收套管內(nèi)壓傳遞的能量,從而保護(hù)環(huán)空密封完整性。保護(hù)層的彈性模量越小,在發(fā)揮緩沖作用時(shí),變形相對越大,傳遞給水泥環(huán)的力就越小[19]。因此CRP套管可以應(yīng)用在油氣井、儲(chǔ)氣庫注入井、CO2埋存注入井等多種井筒中,應(yīng)用范圍較廣。

圖1 CPR套管設(shè)計(jì)方案

1.2 可行性理論驗(yàn)證

1.2.1 水泥環(huán)受力和位移模型的建立

分別將應(yīng)用常規(guī)套管和CRP套管的井筒簡化為3層和4層厚壁圓筒物理模型,并假設(shè)套管、保護(hù)層、水泥環(huán)和地層材質(zhì)均勻,且兩種井筒的固井界面服從位移連續(xù)性原則,不存在相對切向滑移和微環(huán)隙, 常規(guī)套管井筒的連續(xù)性條件為

(2)

(3)

CRP套管井筒的位移連續(xù)性條件為

(4)

(5)

(6)

式中,u和v分別為徑向和切向位移,m;下角ca、pr、ce、f分別代表套管、保護(hù)層、水泥環(huán)和地層;rcei和rceo分別為水泥環(huán)的內(nèi)、外半徑,m;rpri為保護(hù)層內(nèi)半徑,m。

隨著套管內(nèi)壓增大,水泥環(huán)塑性失效最先產(chǎn)生于內(nèi)壁,因此選取內(nèi)壁最大徑向應(yīng)力和位移作為分析對象。由于地應(yīng)力非均勻,為簡便計(jì)算,將井筒外載分解為均勻外載和非均勻外載,如圖2所示。因此邊界條件分為均勻受力環(huán)境和非均勻受力環(huán)境兩部分。

圖2 井筒外載分解

均勻受力環(huán)境為

(7)

(8)

非均勻受力環(huán)境為

(9)

(10)

式中,rin為套管內(nèi)半徑,m。

分別計(jì)算均勻外載和非均勻外載下水泥環(huán)的受力和位移,最后將結(jié)果疊加即可[19]。均勻外載情況可以應(yīng)用文獻(xiàn)[19]、[22]、[23]中的方法計(jì)算;非均勻外載情況可以根據(jù)彈塑性理論[22]進(jìn)行求解,

(11)

(12)

式中,有保護(hù)層時(shí),x為ca、pr、ce、f;無保護(hù)層時(shí),x為ca、ce、f;Ex和νx分別為各部分的彈性模量和泊松比;mjx和njx(j=1～4)為待求系數(shù),可以根據(jù)式(2)～(10)所示的位移連續(xù)性條件和邊界條件求出;當(dāng)x=f時(shí),m3f=0;n3f=0。最終,將rcei帶入其中,即可求出水泥環(huán)內(nèi)壁上的最大徑向應(yīng)力和位移。

1.2.2 可行性計(jì)算

某高壓氣井井深3 240 m,井底壓力為73 MPa,選取某深度處井筒橫截面為研究對象,在該截面上僅有油層套管和水泥環(huán),且最大水平地應(yīng)力為80 MPa,最小水平主應(yīng)力為60 MPa。應(yīng)用趙效鋒等[15]研究確定的材料及其特性參數(shù),設(shè)保護(hù)層材料為丁腈橡膠(NBR),其彈性模量為0.007 8 GPa,泊松比為0.47,厚度為4 mm,其他參數(shù)見表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)參數(shù)

如圖3所示,CRP套管對水泥環(huán)內(nèi)壁的最大徑向應(yīng)力和位移的緩解程度較高。在套管內(nèi)壓從10 MPa增大到100 MPa過程中,最大徑向應(yīng)力平均降低了20%～27%,而內(nèi)壁最大徑向位移的降幅變化較大,內(nèi)壓為10 MPa時(shí)位移降幅最小,為33.3%,而內(nèi)壓100 MPa時(shí),降幅達(dá)到76.8%。出現(xiàn)以上結(jié)果是由于在低套管壓力時(shí),CRP套管保護(hù)和緩沖的功能未完全發(fā)揮,隨著壓力增加,該功能發(fā)揮程度逐漸增大。因此本研究設(shè)計(jì)的CRP套管對水泥環(huán)密封完整性的保護(hù)功能在理論上是有效、可行的。

圖3 不同套管內(nèi)壓條件下CRP套管對水泥環(huán)受力和位移的緩沖效果

2 可行性試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)設(shè)備的建立及原理

根據(jù)本文中的設(shè)計(jì)方案,建立一套環(huán)空密封完整性試驗(yàn)裝置驗(yàn)證CRP套管的功能可行性。該裝置通過對套管內(nèi)、水泥環(huán)環(huán)空以及井筒裝置外圍施壓,模擬井筒的套管內(nèi)壓、驗(yàn)竄壓力及地層圍壓,從而可以測出水泥環(huán)破裂時(shí)套管內(nèi)壓以及竄流發(fā)展?fàn)顩r。井筒完整性試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成如圖4所示,主機(jī)溫壓控制器包含驗(yàn)竄裝置和起重吊機(jī)。模擬井筒可以模擬Φ152.4 mm井眼和Φ114.3 mm套管的固井作業(yè)。同時(shí),設(shè)備可以支撐的井筒內(nèi)最高溫度為160 ℃,最高套管內(nèi)壓力為70 MPa,圍壓最高為35 MPa。

圖4 試驗(yàn)設(shè)備

圖5為試驗(yàn)設(shè)備示意圖,即對系統(tǒng)功能的直觀描述。該試驗(yàn)系統(tǒng)分為4部分。

圖5 試驗(yàn)設(shè)備示意圖

(1)模擬井筒,包含井筒和安置桶兩部分。組裝井筒并向套管和井壁之間注入水泥漿,將井筒放入安置桶內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),油由下高壓接頭流入套管,從上高壓接頭流出,并在其循環(huán)流動(dòng)過程中提供給系統(tǒng)需要的壓力和溫度。

(2)紅色實(shí)線和加熱棒組成圍壓環(huán)溫度和壓力控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由加熱棒、油罐、液體增壓泵組成。圍壓環(huán)內(nèi)用油填充,由加熱棒和液體增壓泵分別提供相應(yīng)的壓力和溫度,以此來模擬實(shí)際地層圍壓和溫度。

(3)藍(lán)色點(diǎn)直線表示套管內(nèi)溫度和壓力控制系統(tǒng),該系統(tǒng)包括加熱罐、油罐、液體增壓泵。油從上高壓接頭流出并流入加熱罐,然后再從下高壓接頭流入套管內(nèi)。期間,套管的溫度壓力由加熱罐和液體增壓泵分別提供和控制。

(4)洋紅色虛線代表驗(yàn)竄系統(tǒng),該系統(tǒng)包括氮?dú)庠?、氣體增壓泵、密封水罐和數(shù)據(jù)接收器。由氮?dú)庠春蜌怏w增壓泵聯(lián)合從水泥環(huán)上端提供帶壓氣體。當(dāng)水泥環(huán)產(chǎn)生裂縫或微環(huán)隙,氣體會(huì)沿這些縫隙流至底端,從連接管線流入密封水罐,將里面的水?dāng)D壓流出,流出水的質(zhì)量可由連接在數(shù)據(jù)接收器上的天平實(shí)時(shí)測量。

2.2 試驗(yàn)方案和結(jié)果分析

CRP套管的保護(hù)層材料確定為丁腈橡膠[15]。制作兩組套管如圖6所示。試驗(yàn)樣品為CRP套管和常規(guī)套管,均為N80鋼,套管外徑為114.3 mm,壁厚為7.37 mm,長度為1 000 mm,CRP套管保護(hù)層厚度為4 mm。

圖6 試驗(yàn)樣品

組裝好井筒并配置水泥漿灌注環(huán)空,開始進(jìn)行水泥環(huán)養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時(shí)間定為48 h。兩組試驗(yàn)的養(yǎng)護(hù)溫度和試驗(yàn)溫度均為70 ℃,驗(yàn)竄壓力為10 MPa,圍壓為35 MPa。

養(yǎng)護(hù)結(jié)束后開始驗(yàn)竄,如無竄流發(fā)生說明固井質(zhì)量良好。試驗(yàn)中,壓力從20 MPa開始每次所加壓力比上次加壓高10 MPa,且每次加壓后都將壓力卸至0 MPa,另外,每一次加卸壓都有一段等待時(shí)間。試驗(yàn)中,發(fā)生竄流說明水泥環(huán)破壞,應(yīng)記錄當(dāng)前套管壓力,隨后卸壓至上一次加載的壓力;隨著壓力減小,當(dāng)竄流停止時(shí)記錄套管壓力,并再次加壓;當(dāng)竄流重新出現(xiàn)時(shí),記錄下此時(shí)的套管壓力。停止試驗(yàn)后,拆開模擬井筒觀察水泥環(huán)破壞形式,并將兩組試驗(yàn)進(jìn)行對比。

將溫度、壓力、竄流液體質(zhì)量等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為與各自上限值的百分比,如圖7所示。圖7(a)中,套管在第3次加壓至50 MPa的過程中,當(dāng)壓力達(dá)到42.7 MPa時(shí)出現(xiàn)竄流。在此之前,水泥環(huán)可能在高套管交變內(nèi)壓影響下已產(chǎn)生一定的塑性形變,由于保護(hù)層的低彈性模量允許其產(chǎn)生較大的彈性變形,因此受制于保護(hù)層和水泥環(huán)之間黏結(jié)力的限制,兩者并未脫離而產(chǎn)生微環(huán)隙。圖7(b)中顯示的是常規(guī)套管組試驗(yàn)的記錄數(shù)據(jù)。與CRP套管組結(jié)果相對比,常規(guī)套管組的水泥環(huán)更容易被破壞,第一次加壓時(shí),當(dāng)套管內(nèi)壓達(dá)到23.3 MPa時(shí)即出現(xiàn)竄流。兩者相比,CRP套管能夠使水泥環(huán)多承受19.4 MPa的套管壓力。

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

紅線框圈出的是兩組試驗(yàn)中破壞時(shí)段的壓力和竄流量變化。兩組試驗(yàn)中,當(dāng)竄流出現(xiàn)后開始調(diào)小壓力,當(dāng)CRP套管試驗(yàn)組和常規(guī)套管試驗(yàn)組的套管壓力分別下降至39.5和18 MPa時(shí),竄流停止,然而重新開始加壓,當(dāng)兩組的套管壓力分別升至41.6和20.9 MPa時(shí),竄流重新開始且流速更快。第二次竄流壓力要低于第一次,這可能是因?yàn)閮纱渭訅盒秹菏贡緛砭褪У乃喹h(huán)破壞更加嚴(yán)重,從而導(dǎo)致竄流更容易發(fā)生。

取出模擬井筒觀察水泥環(huán)破壞情況,如圖8所示。圖8(a)中水泥環(huán)破壞情況嚴(yán)重,多條大裂縫交錯(cuò)出現(xiàn),且在清除水泥環(huán)時(shí)較為方便;反觀圖8(b)中的水泥環(huán)僅只有一條軸向裂縫,且不如圖8(a)中裂縫明顯,清除水泥環(huán)時(shí)非常費(fèi)力。由此可見,雖然CRP套管能夠較好地保護(hù)水泥環(huán),然而一旦達(dá)到破壞條件時(shí),其破壞程度也較為嚴(yán)重。探究其原因發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)設(shè)備中環(huán)空間隙為19 mm,而保護(hù)層厚度為4 mm,導(dǎo)致水泥環(huán)厚度較之常規(guī)套管組較薄。

圖8 水泥環(huán)破壞狀況

設(shè)計(jì)的CRP套管能夠有效保護(hù)水泥環(huán)密封完整性。試驗(yàn)中,套管保護(hù)層應(yīng)用的NBR材料在常規(guī)井中具有良好的硬度、彈性和耐磨性,然而目前油氣開發(fā)向著深地、高溫高壓等特殊儲(chǔ)層發(fā)展,溫度往往超過了NBR的最高承受溫度120 ℃。另外在儲(chǔ)層壓裂過程中,壓裂液所引起的溫度和應(yīng)力變化較為劇烈,這些問題對NBR材料均有較大影響。針對提高NBR材料耐溫壓能力的問題,目前很多研究提出了解決方法,例如提高NBR中丙烯腈的含量[24];應(yīng)用材料改性技術(shù),向NBR中添加一定材料來提高其耐溫壓性[25];使用氫化丁腈橡膠[26]并提高其的飽和度[27]等。應(yīng)用這些技術(shù),既能夠保留NBR材料良好的硬度、彈性和耐磨性,又能提高材料的耐溫壓能力。

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)彈塑性力學(xué)的基本理論,將井筒的平面應(yīng)變問題簡化為厚壁圓筒模型。應(yīng)用CRP套管井筒的水泥環(huán)內(nèi)表面最大徑向應(yīng)力較之常規(guī)套管低20.75%～26.66%,最大徑向位移低33.3%～76.8%, CRP套管在理論上能夠較好地保護(hù)水泥環(huán)的密封完整性。

(2)CRP套管組中的水泥環(huán)最終破壞時(shí)所承受的套管壓力比常規(guī)套管組高19.4 MPa,對環(huán)空密封完整性起到了良好的保護(hù)作用。

(3)由于應(yīng)用CRP套管的井筒中水泥環(huán)較薄,因此雖然該井筒中水泥環(huán)能夠承受更高的套管壓力,然而一旦破壞,其破壞狀態(tài)將更加嚴(yán)重。