固井水泥环完整性研究进展

固井水泥环完整性研究进展

赵成志*

*收稿日期:2018-11-07修回日期:2018-11-14

作者简介:赵成志（1969-）.男（汉族）.黑龙江呼兰人.T •程师,现从事石油钻井管理T ■作

（大庆钻探工程公司钻井三公司，黑龙江大庆163413）

摘 要：近年来气井环空带压情况频发，解决井口带压的关键技术是保持水泥环完整性，减小地层流 体在井眼整个寿命期间无控制流动的风险，因此需要开展固井水泥环完整性研究。分析了固井水泥 环完整评价技术和应用技术等两项关键技术，并以之为出发点总结了计算模拟和实验模拟等完整性 评价技术的国内外的技术进展，以及韧性水泥和自修复水泥等功能性水泥浆体系的国内外技术进 展，提出了实验模拟装置、增韧防窜水泥浆体系及自修复水泥浆体系、界面密封与冲洗、环空封隔防 窜工具等几个攻关方向，对今后提高固井水泥环完整性具有一定的指导意义： 关键词:水泥环；完整性;评价技术；应用技术

中图分类号:TE256.6文献标识码:A 文章编号:1004-5716（2019）02-0093-04固井的主要目的是在套管和地层之间的环空形成 一个完整的水泥环,与套管、地层组成一个良好的密封 系统，在整个油气井寿命期间及报废之后都能有效地 封隔地层、保护井眼。但随着勘探开发领域的不断拓 展,特别是天然气、非常规、储气库等井型的不断增多, 井下工况和地质条件日益复杂,使得水泥环环空密封 系统要经受复杂多变的物理、化学作用.这就对水泥环 有效、长久的密封完整性提出了更高的要求，水泥环完整性失效会导致环空窜流的发生，严重 的环空窜流不仅会使后续钻井、完井、增产、开采和修 井等作业无法顺利实施，还会影响建井周期、油气的安 全开采以及产能的提高，甚至可能导致全井报废，面临 巨大的经济损失。环空窜流问题在国内外普遍存在, 如美国墨西哥湾、加拿大油田，国内塔里木油田、川渝 地区环空窜流问题都很严重，每年都需花费大量修井 费用，大庆徐深气田在统计已投产的75 口深井中，有 24 口井不同程度地出现了井口带压或漏气情况，比例 高达32%。因此.如何保持水泥环的完整性就成为了 解决环空窜流的关键技术，1固井水泥环完整性研究关键技术1.1固井水泥环完整性评价技术目前实验评价主要通过单轴抗斥强度、抗拉强度、 胶结强度、三轴应力等常规实验方式从不同侧面反映 水泥石的力学性能,评价方法借鉴混凝土、建筑水泥等 材料的力学性能评价方法。因此，需要通过实验装置 模拟各种井下环境和工况对水泥环完整性的影响，直 接正面测试水泥石封隔井眼环空的能力，准确确定水 泥环自身性能与其所受外力间的对应关系，形成对水 泥石力学性能受井下环境影响的规律性认识。1.2固井水泥环完整性应用技术目前，水泥环自身抵御外力破坏的能力有限，因 此,需要在抗窜性、韧性、自修复性能等方面进一步提

高水泥环性能，同时，固井前的界面处理及井下密封 工具等相关固井配套技术也有待完善,从而形成系统 的提高水泥环完整性应用技术。2固井水泥环完整性评价技术研究进展2.1计算模拟评价技术研究进展中石油钻井院通过对套管一水泥环一地层组合进行 力学分析.以水泥环所受最大差应力是否超过水泥石抗 压强度作为判断密封失效的条件,在此基础上提出密封 安全系数法［式（1）］,为水泥环的密封能力评价提供了一 种定量方法。评价分析表明，在保证水泥石强度的前提 下,降低弹性模量可有效提高水泥环密封能力，如果强度 过低,即使弹性模量很低,不能满足水泥环的密封要求,

同时,如果水泥石强度足够高,即使弹性模量较高，也可

满足密封要求，因此，水泥石的密封能力取决于其密封 安全系数，而非单一的强度或是弹性模量指标 因此，提 出以“高强低模”为韧性改造的指导思路"=

，_F1（E,,E r）xAp+F2（E1,E r）xAT

式中:",——密封安全系数,无量纲；

f：—

—水泥石抗压强度,MPa；

E、E-----水泥和套管的弹性模量,GPa；

Ap------压力变化量,Pa；

△—温度变化量,K。

中国石油大学（华东）认为在油气井生产周期的不同作业阶段，水泥环在前一阶段的受力状况会对后续生产阶段的力学响应产生影响，水泥环力学完整性的评价须系统化，通过借鉴隧道开挖工程中支护结构的支撑作用,在弹塑性力学的基础上，引入隧道收敛约束法，建立水泥环力学完整性评价方法（见图1）。结果表明，运用该方法不仅可以直观地描绘出水泥环的破坏形式,还可以对破坏程度进行量化，可用于水泥环完整性的系统化评价和钻井工程设计指导I"。

径向位移 b0径向位移

a.响应曲线1

b.响应曲线2

c.响应曲线3

图1水泥环完整性系统响应评价曲线

（曲线1表明未发生剪切破坏及拉伸破坏.曲线2表明发生剪切破坏且出现径向裂纹，曲线3表明发生剪切和拉伸破坏）

西南石油大学基于常规水泥石力学性能评价和建

筑混凝土性能评价技术,分析了水泥浆从注入到凝固及

后续作业过程中水泥环、套管、地层三者之间的彼此作

用。通过建立水泥环受力模型，建立了水泥环学完整性

损伤指标［式（2）］,可通过数值定量表述水泥环受力

'0,E S>E,

F_f

E"

1-E s

式中:d—水泥环力学完整性损伤指标；

E——水泥环所受应力超过屈服强度后的杨氏模量,GPa；

E.——水泥环受到线性力作用时的杨氏模量，GPa；

E”——水泥环所受应力达到极限后的杨氏模量，GPa。

2.2实验模拟评价技术研究进展

西南石油大学基于近似于等效应力原理，将实际水泥环的应力等效到模拟井筒上，以验窜、CT扫描等手段检测水泥环的失效,从而研制出评价水泥环完整性的实验装置（见图2）。通过该装置可以验证,低应力条件下,水泥环发生张性破坏，产生径向裂纹；高应力条件下,套管与水泥环脱落，胶结界面出现微环隙。该装置可为水泥环评价及水泥材料改性研究提供有力支撑叫

环空

水泥环|

图2水泥环完整性实验装置简图

中石化「程院为研究温度、压力对水泥环密封能力的影响规律，研制了大型全尺寸试验装置（见图3）。该装置可模拟井眼尺寸为215.9mm,相应套管尺寸为0139.7mm,外筒用于模拟井筒外部地层。试验方法为:①根据地层弹性模量、泊松比设计外筒壁厚;②配制水泥浆，浇注模拟井筒;③依据地层温度养护7d；④以0.5〜5MPa气体注入压力测试水泥环突破压力；⑤模拟地层温度压力变化开展水泥环密封能力的破坏试验;⑥实时监测一、二界面气窜流量;⑦实时监测温度压力变化条件下的水泥环应力应变［

「