摘　要：川渝氣區(qū)的部分井因井內(nèi)壓力大幅度改變，導(dǎo)致水泥環(huán)密封完整性失效而發(fā)生氣竄，引起環(huán)空帶壓。為此，考慮水泥環(huán)初始應(yīng)力狀態(tài)及井內(nèi)壓力變化特點(diǎn)，建立了水泥環(huán)力學(xué)模型，論述了頁(yè)巖氣井管柱試壓和大型體積壓裂、川中高壓氣井固井后大幅度降低鉆井液密度、地下儲(chǔ)氣庫(kù)井周期性注采作業(yè)等典型工況下水泥環(huán)密封完整性可能破壞的形式。研究結(jié)果表明：試壓和壓裂可能導(dǎo)致水泥環(huán)周向拉伸破壞，形成徑向裂縫；井內(nèi)壓力大幅度降低，使套管壁處水泥環(huán)承受的徑向拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度，破壞界面膠結(jié)，形成微環(huán)隙；周期性交變載荷可能引起水泥環(huán)疲勞破壞。相應(yīng)的針對(duì)性技術(shù)對(duì)策為：根據(jù)后期作業(yè)井內(nèi)壓力變化，選用力學(xué)性能匹配的彈性水泥漿或柔性自應(yīng)力水泥漿；常規(guī)套管固井在碰壓后立即進(jìn)行管柱試壓；固井后井內(nèi)壓力大幅度下降的井，應(yīng)用徑向預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)和封隔器防止氣竄。

關(guān)鍵詞：水泥環(huán)  完整性  頁(yè)巖氣  高壓氣井  地下儲(chǔ)氣庫(kù)  彈性水泥  柔性自應(yīng)力水泥

Negative impacts of borehole pressure change on cement sheath sealing integrity and countermeasures

Abstract：Due to the cement sheath integrity failures by a sharp borehole pressure change，gas channeling easily occurred in some wells of Sichuan and Chongqing oil and gas fields．To this end，considering the initial stress of cement sheath and the characteristics of downhole pressure change，a cement sheath mechanical model was established．And the possible cement sheath integrity failures were also discussed under several typical working conditions，including string pressure test and large fracturing of shale gas wells，Drecipitous decline of drilling fluid density of high pressure gas wells in eastern Sichuan Basin，periodic injection and production of underground gas storage wells．The study results showed that(1)circumferential tensile fracture may occur on cement sheath caused by Dressure test and fracturing，which induces radial cracking；(2)an interface bond may be damaged by a precipitous decline of borehole pressure which makes the radial tensile stress borne by cement sheath at casing exceed tensile strength，inducing microcir culation；and(3)the cement sheath fatigue failure may appear due to a periodic alternating load．Therefore，countermeasures were Dresented as follows：to choose elastic cement or flexible self stressing cement with proper mechanical properties according to borehole pressure change at the later stage；to perform the drill stem test(DST)as soon as the common casing cementing is upon the completion of bump pressure；and to adopt the packer and radial pre-stress cementing technology to prevent gas channeling for such wells with a sharp pressure drop after cementing．

Keywords：cement sheath，integrity，shale gas，high pressure gas well，underground natural gas storage，elastic cement，flexible self stressing cement

水泥環(huán)密封完整性是指在油氣井服役期間水泥環(huán)保持良好的結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性。套管試壓，高壓氣井鉆井液密度大幅度降低，地下儲(chǔ)氣庫(kù)注采氣產(chǎn)生的交變壓力，頁(yè)巖氣井體積壓裂，都可能導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效，引起環(huán)空帶壓^[1-6]。川渝氣區(qū)數(shù)口頁(yè)巖氣井(N209、N210、N203等)在壓裂后，油層套管與技術(shù)套管環(huán)空帶壓6～24.5MPa；川中地區(qū)高壓氣井Æl77.8 mm尾管固井后，下一次開(kāi)鉆鉆井液密度大幅度降低，造成G2井、M8井、M9井氣竄；相國(guó)寺地下儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行壓力在11.7～28MPa，長(zhǎng)期注采作業(yè)中，水泥石受周期性交變壓力容易疲勞破壞。分析井內(nèi)壓力變化對(duì)水泥環(huán)密封完整性破壞的原因，并采取針對(duì)性措施，對(duì)降低環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)，保證油氣井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1　水泥環(huán)應(yīng)力計(jì)算

水泥環(huán)應(yīng)力分布及一界面處水泥環(huán)位移計(jì)算公式：

式中sr、sq分別表示水泥環(huán)徑向應(yīng)力、周向應(yīng)力，Pa；pc1、pc2分別表示第一、二界面處接觸應(yīng)力，Pa；pi，、pf分別表示套管內(nèi)壓力和水平地應(yīng)力，Pa；Es、Ec、Ef分別表示套管、水泥環(huán)、地層巖石楊氏模量，Pa；ms、mc、mf分別表示套管、水泥環(huán)、巖石泊松比；a、b、rm、ts、c、d分別表示套管內(nèi)徑、外徑、內(nèi)外徑平均值，套管壁厚，井眼直徑、地層邊界距離(7倍套管直徑)，m。

水泥環(huán)初始應(yīng)力狀態(tài)為：①水泥石體積收縮，則第二界面處接觸應(yīng)力等于地層孔隙壓力；②水泥石體積不收縮，則第二界面處接觸應(yīng)力等于平均水平地應(yīng)力。

2　井內(nèi)壓力變化影響水泥環(huán)密封完整性

2．1　頁(yè)巖氣井套管柱試壓及壓裂作業(yè)

該作業(yè)使作用在井內(nèi)套管的內(nèi)壓力大幅度升高。四川盆地頁(yè)巖氣井Æl39.7mm油層套管固井后(套管壁厚9.17mm，井眼尺寸215.9mm)對(duì)套管柱試壓及壓裂作業(yè)，井口壓力高達(dá)60MPa。N203井等井固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)率100％，但試壓或光套管壓裂作業(yè)后均出現(xiàn)環(huán)空帶壓。該區(qū)塊水泥石楊氏模量l0GPa，泊松比0.19，其余計(jì)算條件及結(jié)果如表l所示，由公式(1)和(2)，試壓或壓裂作業(yè)后，套管壁處水泥環(huán)周向應(yīng)力均超過(guò)抗拉強(qiáng)度，發(fā)生拉伸破壞，導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效。

2．2　高壓天然氣井鉆井液密度大幅度降低

川中地區(qū)高壓天然氣井因Æl77.8mm尾管固井后，采用較低密度鉆井液替換井內(nèi)鉆井液鉆開(kāi)目的層而使作用在井內(nèi)套管的內(nèi)壓力大幅度降低。該區(qū)塊Æ177.8mm尾管固井時(shí)鉆井液密度約為2.20g／cm³，而下一次開(kāi)鉆鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液密度降至1.35g／cm³左右。M8、G2、M9井Æl77.8mm尾管固井，氣層封固質(zhì)量?jī)?yōu)良，候凝過(guò)程未發(fā)生氣竄，但井內(nèi)壓力大幅度下降后，喇叭口竄氣。該區(qū)塊水泥石楊氏模量10GPa，泊松比0.19，其余計(jì)算條件及結(jié)果如表2所示。以套管壁處水泥環(huán)徑向拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度為形成微環(huán)隙的臨界條件^[7-8]，由公式(3)，計(jì)算出井內(nèi)壓力下降幅度超過(guò)40MPa后，3口井形成寬度l3.09～20.24mm的微環(huán)隙，密封能力顯著降低。

2．3　地下儲(chǔ)氣庫(kù)井交變載荷

地下儲(chǔ)氣庫(kù)井天然氣注入和采出的作業(yè)使作用在井內(nèi)套管的內(nèi)壓力交替變化。這種交變壓力可能引起水泥石內(nèi)部固有的微裂紋緩慢擴(kuò)展、連通，導(dǎo)致水泥石疲勞破壞^[9-11]。以井深2107m的儲(chǔ)氣庫(kù)井為例，水平地應(yīng)力30MPa，井徑215.9mm，套管直徑l77.8mm，壁厚11.51mm，運(yùn)行壓力12～28MPa，水泥石楊氏模量l0GPa，泊松比0.19，根據(jù)水泥石疲勞破壞方程^[12]計(jì)算出交變壓力作用下普通水泥石疲勞破壞周期如表3所示。儲(chǔ)氣庫(kù)井注采氣過(guò)程中運(yùn)行壓力越高，普通水泥環(huán)越易疲勞破壞。當(dāng)達(dá)到最大運(yùn)行壓力時(shí)，只需數(shù)十次注采周期，水泥環(huán)即發(fā)生疲勞破壞。

3　水泥環(huán)長(zhǎng)期密封完整性保護(hù)技術(shù)措施

普通油氣井服役時(shí)間超過(guò)30a，而儲(chǔ)氣庫(kù)服役時(shí)間超過(guò)50a，水泥環(huán)需保持長(zhǎng)期密封完整性?；诖耍此喹h(huán)密封失效方式，從水泥漿、工藝技術(shù)、工具等多方面入手，提出較系統(tǒng)的水泥環(huán)密封完整性保護(hù)技術(shù)。

3．1　水泥石力學(xué)性能改善

水泥石力學(xué)性能改善是指在保證水泥石常規(guī)工程性能滿(mǎn)足施工要求基礎(chǔ)上，降低水泥石楊氏模量，提高抗拉強(qiáng)度，使水泥石具備較好的彈性形變能力，或提高膨脹能力。主要包括彈性水泥漿和柔性自應(yīng)力水泥漿。

彈性水泥石具備了低楊氏模量、彈性變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能與套管、井壁協(xié)調(diào)變形，有效卸載，大幅度降低微裂隙及微環(huán)隙形成的可能性。由公式(1)、(2)計(jì)算出當(dāng)井內(nèi)壓力變化時(shí)，為避免水泥環(huán)破壞，需將水泥石楊氏模量降至適當(dāng)范圍(表4)。以斯倫貝謝為代表的典型彈性水泥石，楊氏模量在3.5～5.5GPa，泊松比約為0.22，抗拉強(qiáng)度在2.2～2.5MPa，在儲(chǔ)氣庫(kù)得到成功應(yīng)用，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，在經(jīng)過(guò)試壓及下一次開(kāi)鉆鉆進(jìn)井內(nèi)壓力變化后，固井質(zhì)量依然良好，未出現(xiàn)氣竄。

井下作業(yè)公司柔性自應(yīng)力水泥石能在高圍壓條件下膨脹，產(chǎn)生0.5～3.0MPa膨脹壓應(yīng)力，楊氏模量在5～7GPa，泊松比約為0.19，抗拉強(qiáng)度在2.5～3.5MPa。當(dāng)固井后井內(nèi)壓力增加時(shí)，通過(guò)釋放壓縮應(yīng)力，減小水泥環(huán)周向拉應(yīng)力，避免拉伸破壞，同時(shí)外觀體積微膨脹，可阻止微環(huán)隙形成。由公式(1)、(2)計(jì)算出表5所示不同井內(nèi)壓力變化情況下柔性膨脹水泥石體積膨脹要求。該水泥漿體系在相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)井技術(shù)套管、頁(yè)巖氣井的油層套管固井中得到了成功應(yīng)用，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，在經(jīng)過(guò)試壓、大型體積壓裂作業(yè)后，環(huán)空封固質(zhì)量好，未發(fā)生氣竄。

3．2　工藝技術(shù)措施

保證水泥環(huán)長(zhǎng)期密封完整性的工藝技術(shù)措施主要包括了改變?cè)噳汗に嚭筒捎脧较蝾A(yù)應(yīng)力固井技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)在四川的長(zhǎng)寧、金秋、富順區(qū)塊的數(shù)十口頁(yè)巖氣井固井中得到應(yīng)用。

為防止試壓對(duì)水泥石的破壞作用，常規(guī)套管固井可在碰壓后繼續(xù)增壓完成套管試壓。試壓值應(yīng)為原設(shè)計(jì)壓力與管內(nèi)外靜壓差之和，但最高壓力不應(yīng)超過(guò)套管柱抗內(nèi)壓強(qiáng)度的80％，同時(shí)也應(yīng)保證水泥頭、管線、附件在安全工作壓力范圍內(nèi)。

徑向預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)是指固井施工時(shí)通過(guò)增大管內(nèi)外壓差，使套管預(yù)壓縮，具備較強(qiáng)回彈變形能力，提高界面膠結(jié)質(zhì)量，防止微環(huán)隙產(chǎn)生的一種固井工藝。針對(duì)直徑在127.0～196.8mm套管固井，根據(jù)水泥環(huán)位移公式(3)計(jì)算，采用徑向預(yù)應(yīng)力固井時(shí)，若固井漏失風(fēng)險(xiǎn)小，建議管內(nèi)外負(fù)壓差增至10～30MPa，同時(shí)環(huán)空憋壓5～10MPa候凝，不僅可有效補(bǔ)償25～60m的微環(huán)隙，且可在井壁形成致密濾餅，阻止氣竄。

3．3　封隔器阻止氣竄

對(duì)于氣層活躍，后期作業(yè)井內(nèi)壓力變化較大，氣竄風(fēng)險(xiǎn)高的井，建議采用封隔器阻止氣竄，消除水泥環(huán)密封完整性破壞后帶來(lái)的井控風(fēng)險(xiǎn)。川中地區(qū)高壓氣井應(yīng)用Æ177.8mm封隔式尾管懸掛器固井20余井次，成功解決了該區(qū)塊喇叭口竄氣問(wèn)題。相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)井在技術(shù)套管底部及儲(chǔ)層頂部安放裸眼封隔器。

4　結(jié)論與建議

1)套管柱試壓及增產(chǎn)作業(yè)使水泥石承受較大周向拉應(yīng)力，形成徑向微裂隙，造成密封失效；井內(nèi)壓力大幅度降低后，套管壁處水泥環(huán)承受的徑向拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度，可能形成微環(huán)隙；儲(chǔ)氣庫(kù)井注采氣引起的交變載荷變化幅度越大，水泥石越易疲勞破壞。

2)為保證水泥環(huán)密封完整性，建議采取以下措施：根據(jù)固井后井內(nèi)壓力變化，選用力學(xué)性能匹配的彈性水泥漿或柔性自應(yīng)力水泥漿；套管固井在碰壓后立即進(jìn)行管柱試壓；對(duì)固井后井內(nèi)壓力大幅度下降的井，應(yīng)用徑向預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)和封隔器防止氣竄。

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本文作者：劉洋  嚴(yán)海兵  余鑫  馮予淇  范偉華

作者單位：中國(guó)石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司