摘 要

摘　要：固井水泥環(huán)是封固系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，而了解井下復(fù)雜條件下水泥環(huán)的失效方式對(duì)于預(yù)防其失效具有重要的指導(dǎo)意義。為此，在考慮封固系統(tǒng)初始作用力的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬和室內(nèi)

摘　要：固井水泥環(huán)是封固系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，而了解井下復(fù)雜條件下水泥環(huán)的失效方式對(duì)于預(yù)防其失效具有重要的指導(dǎo)意義。為此，在考慮封固系統(tǒng)初始作用力的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等方法研究了蠕變地應(yīng)力、井下壓力和溫度變化等因素對(duì)封固系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)及界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響，進(jìn)而分析了對(duì)應(yīng)的水泥環(huán)失效方式，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施：①蠕變地應(yīng)力作用下水泥環(huán)的失效方式為屈服破壞，建議使用高楊氏模量和高抗壓強(qiáng)度的水泥環(huán)來(lái)預(yù)防失效；②套管內(nèi)壓力升高時(shí)水泥環(huán)的失效方式為切向拉伸破壞，套管內(nèi)壓力降低時(shí)水泥環(huán)的失效方式為界面擠壓應(yīng)力降低或界面剝離，建議使用低楊氏模量的水泥環(huán)或使用膨脹水泥來(lái)預(yù)防失效；③井下溫度升高時(shí)水泥環(huán)的失效方式為屈服破壞，建議使用低楊氏模量的水泥環(huán)來(lái)預(yù)防失效；④井下溫度降低時(shí)水泥環(huán)的失效方式為界面擠壓應(yīng)力降低或界面剝離，建議使用低楊氏模量的水泥環(huán)或使用膨脹水泥來(lái)預(yù)防失效。

關(guān)鍵詞：水泥環(huán)  蠕變地應(yīng)力  溫度變化  壓力變化  應(yīng)力  界面膠結(jié)強(qiáng)度  失效方式  預(yù)防措施

Modes and prevention of cement sheath failures under complex downhole conditions

Abstract：In order to prevent the failure of cement sheath，a weak part of the isolation system，it is of great importance to study its failure modes under complex downhole conditions．By conducting numerical simulation and lab experiments considering the initial stress of the isolation system，we first studied the effects of the changing creep stress，pressure and temperature on the stress state and the interfacial bonding strength of the isolation system．On this basis，we revealed the failure modes of cement sheath and proposed the corresponding preventive measures as follows．a．The cement sheath is subject to the yielding failure when creep stress acts on the is。lation system；the cement sheath with high Young¢s modulus and high compressive strength is recommended for preventing this failure．b．The cement sheath is prone to the tangential tensile failure when the pressure in the casing increases，and it fails in a manner of interfacial extrusion stress dropping or interface debonding when the pressure in casing drops；the cement sheath with low Young¢s modulus or expansive cement are recommended for preventing these failures．c．The cement sheath is apt to yielding failure when downhole temperature rises，and the cement sheath with low Young¢s modulus is recommended for preventing this failure．d．The cement sheath fails in a manner of extrusion stress dropping or interface debonding when temperature drops，and the cement sheath with low Young¢s modulus or expansive cement is recommended for preventing this failure．

Keywords：cement sheath，creep stress，temperature change，pressure change，stress，interfacial bonding strength，failure mode，prevention

近年來(lái)，隨著固井封固系統(tǒng)失效情況的增多，對(duì)其的研究也逐漸得到重視。根據(jù)導(dǎo)致失效的不同原因可將這些失效情況分為兩類：①因固井質(zhì)量不合格導(dǎo)致的失效；②因井下復(fù)雜條件導(dǎo)致的失效。目前，對(duì)于如何預(yù)防第一類失效情況已進(jìn)行了大量研究，部分成果在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后取得了較好的效果^[1-10]。對(duì)于第2類失效情況，目前研究認(rèn)為除少數(shù)因地層流體腐蝕導(dǎo)致失效的情況外，多數(shù)是由井下環(huán)境條件變化引起的封固系統(tǒng)受力狀態(tài)變化造成的，其中水泥環(huán)是封固系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，水泥環(huán)失效是封固系統(tǒng)的主要失效形式之一^[11-15]。筆者針對(duì)固井水泥環(huán)的失效問(wèn)題，研究井下復(fù)雜條件下水泥環(huán)的失效方式，為有針對(duì)性的采取措施預(yù)防水泥環(huán)失效提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1　固井封固系統(tǒng)初始作用力

固井封固系統(tǒng)初始作用力是指固井作業(yè)完成時(shí)封固系統(tǒng)各組成部分之間的相互作用力，以往的研究中多沒(méi)有考慮該初始作用力。本文參考文獻(xiàn)[13]根據(jù)建井過(guò)程和水泥漿水化硬化過(guò)程，研究了封固系統(tǒng)初始作用力，包括：①井眼形成后重新分布的雙向地應(yīng)力，主要作用于井眼附近地層；②地層與水泥環(huán)之間的作用力，其在第二界面處形成的應(yīng)力大小等于地層孔隙壓力；③水泥環(huán)與套管之間的作用力，其在第一界面處形成的應(yīng)力小于地層孔隙壓力；套管內(nèi)部受到井眼內(nèi)流體的壓力，其大小與液體的密度和高度有關(guān)。本文參考文獻(xiàn)[l6]沒(méi)有考慮水泥漿凝固過(guò)程中的表觀體積變化，如果水泥漿凝固后表觀體積膨脹，會(huì)導(dǎo)致地層與水泥環(huán)之間和水泥環(huán)與套管之間的初始作用力增大，反之表觀體積收縮時(shí)則會(huì)導(dǎo)致初始作用力減小。

2　應(yīng)力、壓力、溫度變化下固井水泥環(huán)的失效方式及其預(yù)防措施

2．1　地應(yīng)力變化及水泥環(huán)的失效方式

石油工業(yè)中的地應(yīng)力變化主要指地層的蠕變^[17]。由于蠕變地應(yīng)力通常都大于地層孔隙壓力，蠕變地應(yīng)力作用于封固系統(tǒng)后產(chǎn)生的附加應(yīng)力與初始應(yīng)力疊加會(huì)使一、二界面處的擠壓應(yīng)力增大，有利于提高界面的封固性能。水泥環(huán)和套管都受三向擠壓應(yīng)力的作用，破壞形式主要為屈服破壞^[18]。對(duì)于蠕變地層中的固井設(shè)計(jì)，目前多按上覆巖層壓力設(shè)計(jì)套管強(qiáng)度來(lái)預(yù)防套管被擠壓破壞，但對(duì)水泥環(huán)機(jī)械性能設(shè)計(jì)的研究較少。下面利用數(shù)值模擬方法來(lái)研究蠕變地應(yīng)力對(duì)水泥環(huán)受力的影響,探索改善水泥環(huán)受力和預(yù)防水泥環(huán)破壞的措施。

在以往關(guān)于蠕變地應(yīng)力對(duì)封固系統(tǒng)受力狀態(tài)影響的研究中，建立的封固系統(tǒng)模型通常包括套管、水泥環(huán)和地層3個(gè)部分，將蠕變地應(yīng)力施加于地層外側(cè)^[19-20]。工程實(shí)際中，蠕變地應(yīng)力最終直接作用于水泥環(huán)上^[15]，與上述建立的模型有所差別。本研究根據(jù)工程實(shí)際情況，建立的封固系統(tǒng)模型只包括套管和水泥環(huán)兩部分，將蠕變地應(yīng)力直接施加于水泥環(huán)外側(cè)。井眼直徑取為215.9mm，套管內(nèi)外徑分別取為l57.1mm和177.8mm，套管楊氏模量及泊松比分別取為210GPa和0.26，水泥環(huán)泊松比取為0.19，變化水泥環(huán)楊氏模量分別為3.32GPa(水泥漿密囊1.57g／cm³，無(wú)圍壓，抗壓強(qiáng)度16.4MPa)、7.49GPa(水泥漿密度1.79g／cm³，無(wú)圍壓，抗壓強(qiáng)度21.2MPa)、l2.73GPa(水泥漿密度1.85g／cm³，圍壓5MPa，抗壓強(qiáng)度27.1MPa)、17.45GPa(水泥漿密度1.9g／cm³，圍壓20MPa，抗壓強(qiáng)度34.3MPa)。一界面和二界面處的初始擠壓應(yīng)力分別設(shè)為2MPa和3MPa，蠕變地應(yīng)力取為40MPa。利用ANSYS軟件建模和計(jì)算封同系統(tǒng)中的應(yīng)力，選擇Von Mises準(zhǔn)則汁算得到水泥環(huán)中的最大應(yīng)力(位于水泥環(huán)內(nèi)側(cè))(圖1)。

 

由圖l可以看出，水泥環(huán)中的最大Von Mises應(yīng)力隨水泥環(huán)楊氏模量的增大而減小，這與將蠕變地應(yīng)力施加于地層外側(cè)時(shí)的研究結(jié)果相反^[21]；最大von Mises應(yīng)力在35.8～37.6MPa的范圍內(nèi)，大于水泥環(huán)的抗壓強(qiáng)度。因此水泥環(huán)會(huì)發(fā)生屈服破壞。為了預(yù)防水泥的屈服破壞，需要增大水泥環(huán)的楊氏模量以降低水泥環(huán)中的最大Von Mises應(yīng)力，且確保水泥環(huán)的抗壓強(qiáng)度大于最大Von Mises應(yīng)力。

2．2　井下壓力變化及水泥環(huán)的失效方式

生產(chǎn)及后續(xù)作業(yè)必然會(huì)引起井下壓力的變化，主要表現(xiàn)為套管內(nèi)壓力變化^[22]和地層孔隙壓力變化。地層孔隙壓力變化對(duì)封固系統(tǒng)的影響較小。因此重點(diǎn)研究套管內(nèi)壓力變化的影響。

套管內(nèi)壓力升高時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)力與初始應(yīng)力疊加會(huì)使一、二界面處的擠壓應(yīng)力增大，有利于提高界面的封固性能。水泥環(huán)在徑向上受到的擠壓應(yīng)力增大，在切向上受到附加拉伸應(yīng)力的作用，由于水泥環(huán)的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，所以水泥環(huán)主要以切向拉伸破壞的方式失效。套管內(nèi)壓力降低時(shí)，套管與水泥環(huán)之間和水泥環(huán)與地層之間的界面擠壓應(yīng)力降低，甚至使一、二界面剝離，由于一、二界面的剝離強(qiáng)度僅為10kPa至幾十千帕的范圍內(nèi)，比套管和水泥環(huán)的抗拉強(qiáng)度要小得多比”，所以水泥環(huán)主要以界面擠壓應(yīng)力降低后地層流體突破界面和界面膠結(jié)剝離的方式失效。

上述只是定性分析了套管內(nèi)壓力變化時(shí)水泥環(huán)的失效方式，下面利用數(shù)值模擬方法來(lái)定量研究套管內(nèi)壓力變化時(shí)在封固系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生的附加應(yīng)力，利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)來(lái)定性研究套管內(nèi)壓力變化對(duì)界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響，然后結(jié)合封固系統(tǒng)初始受力狀態(tài)，分析上述失效方式出現(xiàn)的可能性。

2．2．1數(shù)值模擬及結(jié)果分析

將固井封固系統(tǒng)簡(jiǎn)化為平面模型，井眼及套管的尺寸和機(jī)械性能同2.1中數(shù)據(jù)，地層的尺寸為鉆頭直徑的5倍，地層的楊氏模量及泊松比分別取為21GPa和0.17。一界面和二界面處的初始擠壓應(yīng)力仍分別取為2MPa和3MPa，套管內(nèi)壓力升高或降低20MPa。套管內(nèi)壓力升高時(shí)，計(jì)算水泥環(huán)內(nèi)的最大附加切向應(yīng)力(位于水泥環(huán)內(nèi)側(cè))，并將其與初始作用力疊加，疊加前后水泥環(huán)中的最大切向應(yīng)力見(jiàn)圖2-a。套管內(nèi)壓力降低時(shí)，假設(shè)一、二界面膠結(jié)未被破壞，計(jì)算在一、二界面處產(chǎn)生的附加徑向應(yīng)力，并將其與初始作用力疊加，疊加前后一、二界面處的徑向應(yīng)力見(jiàn)圖2-b(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù))。

 

圖2-a可以看出，與初始應(yīng)力疊加前，水泥環(huán)受到的最大切向應(yīng)力介于0.3～5.3MPa，與水泥環(huán)的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，當(dāng)切向應(yīng)力大于水泥環(huán)抗拉強(qiáng)度時(shí)會(huì)導(dǎo)致水泥環(huán)破壞；與初始作用力疊加后，最大切向應(yīng)力顯著降低，在-1.7～3.3MPa范圍內(nèi)，降低了水泥環(huán)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。圖2-b可以看出，與初始應(yīng)力疊加前，一、二界面處的徑向應(yīng)力在3.4～7MPa，遠(yuǎn)大于一、二界面膠結(jié)的抗拉強(qiáng)度，會(huì)破壞一、二界面的膠結(jié)；與初始應(yīng)力疊加后，徑向應(yīng)力顯著降低，在0.4～4MPa范圍內(nèi)，降低了一、二界面膠結(jié)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于套管內(nèi)壓力升高和降低的情況，最大切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力都隨水泥環(huán)楊氏模量的減小而減小，且增大初始應(yīng)力可以降低水泥環(huán)切向拉伸破壞和界面剝離破壞的風(fēng)險(xiǎn)，所以，建議在套管內(nèi)壓力變化幅度較大的井采用較低楊氏模量的水泥環(huán)或使用膨脹水泥。

2．2．2室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

按照本文參考文獻(xiàn)[20]的方法制作固井封固系統(tǒng)模型，測(cè)試套管內(nèi)壓力變化對(duì)界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度的影響。模型l制作完成后，模擬套管內(nèi)壓力不變的情況；模型2制作完成后，模擬套管內(nèi)壓力降低10MPa的情況；模型3制作完成后，模擬套管內(nèi)壓力循環(huán)變化的情況，變化幅度為l0MPa。測(cè)量并計(jì)算上述封固系統(tǒng)模型的一界面膠結(jié)強(qiáng)度，并分別以套管內(nèi)壓力不變時(shí)的一組模型的界面膠結(jié)強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算分析套管內(nèi)壓力變化時(shí)的一界面膠結(jié)強(qiáng)度變化(圖3)。

 

從圖3可以看出，套管內(nèi)壓力變化導(dǎo)致一界面膠結(jié)強(qiáng)度降低；套管內(nèi)壓力循環(huán)變化比壓力只變化一次時(shí)界面膠結(jié)強(qiáng)度降低幅度更大。分析認(rèn)為，套管內(nèi)壓力變化在界面處產(chǎn)生的附加應(yīng)力不僅會(huì)改變界面處的擠壓應(yīng)力，還會(huì)破壞界面膠結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致界面膠結(jié)強(qiáng)度的降低；壓力循環(huán)變化時(shí)附加應(yīng)力會(huì)多次破壞界面膠結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)，界面膠結(jié)強(qiáng)度的降低幅度更大。所以，套管內(nèi)壓力變化幅度較小時(shí)雖不會(huì)導(dǎo)致水泥石破壞，但會(huì)導(dǎo)致界面擠壓應(yīng)力降低和破壞界面膠結(jié)微觀結(jié)構(gòu)。

2．3　井下溫度變化及水泥環(huán)的失效方式

井下溫度升高時(shí)，地層、水泥環(huán)和套管都發(fā)生熱膨脹，使一、二界面處的擠壓應(yīng)力增大，有利于提高界面的封固性能；水泥環(huán)受三向擠壓應(yīng)力的作用，主要以屈服的形式失效。井下溫度降低時(shí)，地層、水泥環(huán)和套管都發(fā)生熱收縮，在三者內(nèi)部及之間產(chǎn)生三向附加拉伸應(yīng)力，由于一、二界而的膠結(jié)強(qiáng)度比水泥石的抗壓、抗拉強(qiáng)度和套管的強(qiáng)度低得多，因此界面膠結(jié)是封固系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。分別利用數(shù)值模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)定量研究套管溫度變化時(shí)在封固系統(tǒng)中產(chǎn)生的附加應(yīng)力和對(duì)界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響，驗(yàn)證上述失效方式出現(xiàn)的可能性。

2．3．1數(shù)值模擬及結(jié)果分析

將封固系統(tǒng)簡(jiǎn)化為平面模型，套管、水泥環(huán)及地層的尺寸和機(jī)械性能參數(shù)同2.1，套管、水泥環(huán)和地層的膨脹系數(shù)分別為1.21×10^-5／℃、1.05×10^-5／℃、1.13×10^-5／℃，比熱容分別為465、870、1020J／(kg·K)、導(dǎo)熱系數(shù)分別為44、0.86、2.56W／(m·K)^[19]。一界面和二界面處的初始擠壓應(yīng)力仍分別取為2MPa和3MPa，溫度的變化分別為升高50℃和降低50℃。井下溫度升高時(shí)，計(jì)算水泥環(huán)中的最大Von Mises應(yīng)力(圖4-a)。井下溫度降低時(shí)，計(jì)算一、二界面處的徑向拉伸應(yīng)力圖(圖4-b)。拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

 

由圖4-a圖看出，水泥環(huán)內(nèi)的最大Von Miscs應(yīng)力隨水泥環(huán)楊氏模量的增大而增大；與初始應(yīng)力替加后，Von Mises應(yīng)力增大為4.4～8.0MPa，小于普通水泥環(huán)的屈服強(qiáng)度。所以，當(dāng)溫度變化幅度不大時(shí)，水泥環(huán)通常不會(huì)發(fā)生屈服破壞，但溫度升高幅度較大時(shí)水泥環(huán)可能會(huì)發(fā)生屈服破壞。因此，對(duì)熱采井等應(yīng)避免使用膨脹水泥漿，且應(yīng)使用低楊氏模量的水泥環(huán)。由圖4-b可以看出，與初始應(yīng)力疊加前，一、二界面在徑向上受拉伸應(yīng)力的作用且應(yīng)力隨水泥環(huán)的楊氏模量增大而增大，為4.4～8.0MPa，遠(yuǎn)大于一、二界面膠結(jié)的抗拉強(qiáng)度，會(huì)破壞一、二界面膠結(jié)；與初始應(yīng)力疊加后，徑向應(yīng)力顯著降低至1.4～6.0MPa，降低了一、二界面膠結(jié)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，通過(guò)降低水泥環(huán)楊氏模量和增大初始應(yīng)力都可以降低界面膠結(jié)破壞的風(fēng)險(xiǎn)，建議采用較低楊氏模量的水泥環(huán)或使用膨脹水泥來(lái)預(yù)防失效。

2．3．2室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本文參考文獻(xiàn)[24]已經(jīng)介紹了關(guān)于井下溫度變化對(duì)界面膠結(jié)強(qiáng)度影響的研究成果，表明溫度變化導(dǎo)致一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度降低；溫度變化幅度越大，界面膠結(jié)強(qiáng)度的降低幅度越大；溫度循環(huán)變化時(shí)界面膠結(jié)強(qiáng)度的降低幅度比單次變化時(shí)大；水泥石的熱膨脹性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)與巖石的這些性質(zhì)越相近，溫度變化時(shí)界面膠結(jié)強(qiáng)度的降低幅度越小。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明，井下溫度變化幅度較小時(shí)雖不會(huì)破壞水泥石，但會(huì)導(dǎo)致界面擠壓應(yīng)力的降低和界面膠結(jié)微觀結(jié)構(gòu)的破壞。

3　結(jié)論

筆者在考慮封固系統(tǒng)初始作用力的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了蠕變地應(yīng)力、井下壓力和溫度變化等條件下固井水泥環(huán)的失效方式，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。蠕變地應(yīng)力作用下水泥環(huán)的失效方式為屈服破壞．建議使用高楊氏模量和高抗壓強(qiáng)度的水泥環(huán)；套管內(nèi)壓力升高時(shí)水泥環(huán)的失效方式為切向拉伸破壞，套管內(nèi)壓力降低時(shí)水泥環(huán)的失效方式為界面擠壓應(yīng)力降低或界面剝離，建議使用低楊氏模量的水泥環(huán)或使用膨脹水泥；井下溫度升高時(shí)水泥環(huán)的失效方式為屈服破壞，建議使用低楊氏模量的水泥環(huán)；井下溫度降低時(shí)水泥環(huán)的失效方式為界面擠壓應(yīng)力降低或界面剝離，建議使用低楊氏模量的水泥環(huán)或使用膨脹水泥。

 

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本文作者：郭辛陽(yáng)  步玉環(huán)  李娟  李強(qiáng)

作者單位：中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院

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