摘 要

摘　要：水泥漿靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間是固井早期氣竄的主要時(shí)期，但若初凝前發(fā)生較顯著的塑性體積收縮，造成孔隙壓力大幅度下降，井內(nèi)壓力出現(xiàn)較大程度欠平衡，引發(fā)氣竄的可能性仍然很高

摘　要：水泥漿靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間是固井早期氣竄的主要時(shí)期，但若初凝前發(fā)生較顯著的塑性體積收縮，造成孔隙壓力大幅度下降，井內(nèi)壓力出現(xiàn)較大程度欠平衡，引發(fā)氣竄的可能性仍然很高。為此，基于初凝前套管、地層在井下的實(shí)際受力工況，建立了水泥漿凝固過(guò)程中的“套管  水泥漿一地層”物理模型，并求解得到了初凝前水泥漿塑性體積收縮與孔隙壓力下降之間的解析關(guān)系。立足于該關(guān)系，在綜合考慮水泥漿性能、井底溫度、壓力及套管力學(xué)性能等特定工況的前提下，建立了針對(duì)初凝前整個(gè)塑性態(tài)的固井早期氣竄問(wèn)題的氣竄預(yù)測(cè)新方法，即把固井環(huán)空水泥漿初凝前的“有效液柱壓力與啟動(dòng)壓力之和大于地層孔隙壓力，作為判別條件。最后，利用X區(qū)塊2口井的資料進(jìn)行了氣竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析，分析結(jié)果與施工結(jié)果一致。該方法可有效預(yù)測(cè)固井早期環(huán)空氣竄風(fēng)險(xiǎn)，為針對(duì)性地調(diào)整水泥漿體系和措施，避免固井后井口環(huán)空帶壓，保障油氣井固井質(zhì)量和安全提供了分析依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水泥漿  初凝  塑性態(tài)  體積收縮  孔隙壓力  氣竄  預(yù)測(cè)  固井  新方法

A new method of predicting gas channeling at the early stage of cementing

Abstract：The static gel strength transition time of cement slurry is the main period of gas channeling at the early stage of cementing．If significant plastic state volume shrinkage happens to the slurry prior to the initial settin9，pore Pressure will drop dramatically，which triggers severe under balanced pressure in a well，as a result，gas channeling is still more likely to occur．Therefore，based on the actual stress conditions of casing and formations before the initial setting，a physical model of“casing-slurry-formatlon”was es tablished for cement slurry solidification and the analytical relationship was figured out between plastic state shrinkage and pore pressure drop．On this basis，considering the specific conditions of gas wells such as slurry performance，downh01e temperature，down hole pressure，and casing mechanical properties，a new method was developed to predict the early-stage gas channeling in the whole plastic state cementing by a criterion that“effective hydrostatic pressure plus starting pressure is greater than pore Pressure”．Finally，the risk of gas channeling was analyzed and predicted by use of the data of two wells in block X．The result was consistent with that in actual operation．In conclusion，this study provides good references for engineers to adjust the cement slurry system，avoid wellhead annular pressure，and ensure the cementing quality and safety．

Keywords：cement slurry，initial set，plastic-state volume shrinkage，pore pressure，gas channeling，prediction，cementing，new method

環(huán)空氣竄是幾乎所有天然氣井固井都存在的一個(gè)潛在問(wèn)題，輕則導(dǎo)致井口環(huán)空帶壓，重則發(fā)生不可控井噴事故，嚴(yán)重影響油氣井的固井質(zhì)量和安全^[1]。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水泥漿凝結(jié)過(guò)程中的氣竄潛在風(fēng)險(xiǎn)是有效預(yù)防環(huán)空氣竄現(xiàn)象的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)有水泥漿防氣竄能力評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)方法主要考慮了水泥漿失水、膠凝過(guò)渡時(shí)間等性能^[2-8]，對(duì)井下地層、套管等相關(guān)特定工況影響氣竄的考慮較少，因此目前未能很好地解決環(huán)空氣竄問(wèn)題。本文結(jié)合水泥漿塑性體積收縮是導(dǎo)致孔隙壓力下降的本質(zhì)，分析了初凝前塑性態(tài)水泥漿體積收縮與孔隙壓力之間的量化關(guān)系，提出了固井早期氣竄問(wèn)題的氣竄預(yù)測(cè)新方法。該方法較現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式法而言，可更為

準(zhǔn)確、有效預(yù)測(cè)井下多個(gè)氣層的潛在氣竄風(fēng)險(xiǎn)，為防氣竄固井水泥漿的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，有助于降低固井早期氣竄風(fēng)險(xiǎn)，提高固井質(zhì)量。

1　研究現(xiàn)狀及依據(jù)

1．1　氣竄預(yù)測(cè)方法研究現(xiàn)狀分析

環(huán)空氣竄現(xiàn)象于20世紀(jì)60年代早期首次發(fā)現(xiàn)于美國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)固井^[9]，研究至今，目前已形成了以水泥漿性能系數(shù)法SPN、潛氣竄因子法GFP等為代表的水泥漿防氣竄能力評(píng)價(jià)方法^[2-8](表1)。由表1可知，日前已有防氣竄能力評(píng)價(jià)方法主要考慮了水泥漿自身的相關(guān)性能，如靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間、API失水、稠化過(guò)渡時(shí)間等因素，而固井環(huán)空氣竄的防止是一個(gè)綜合的系統(tǒng)工程，受水泥漿自身性能，井下地層、套管相關(guān)力學(xué)性質(zhì)，井壁殘余泥餅等多方面因素的綜合影響，因此已有經(jīng)驗(yàn)公式法較少考慮影響環(huán)空氣竄的井下特定工況因素。另一方面，目前所建立的經(jīng)典評(píng)價(jià)方法主要基于膠凝過(guò)渡時(shí)間建立，而研究表明在水泥漿凝結(jié)過(guò)程中，若初凝前發(fā)生較為嚴(yán)重的塑性體積收縮，導(dǎo)致井底負(fù)壓差過(guò)大，秤初凝時(shí)間附近的氣竄可能性仍然很高^[10-11]。因此，由于現(xiàn)有防竄評(píng)價(jià)方法存在上述兩方面的不足，導(dǎo)致其評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際井下情況存在較大偏差，從很大程度上限制了現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用，故僅依靠現(xiàn)有經(jīng)典防竄評(píng)價(jià)公式尚不能從根本上解決固井后環(huán)空氣竄技術(shù)問(wèn)題。

 

研究表明^[10]，水泥漿凝結(jié)過(guò)程中的膠凝失重是引表1水泥漿防氣竄能力評(píng)價(jià)方法特點(diǎn)表起環(huán)空氣竄現(xiàn)象的首要因素，故維持氣層處的壓力平衡是控制和預(yù)測(cè)環(huán)空氣竄的根本所在。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水泥漿膠凝失重進(jìn)行了大量的研究，并設(shè)計(jì)研制了測(cè)量水泥漿孔隙壓力下降的失重裝置^[12-14]。但這些裝置多為模擬由水泥漿／井壁組成的理想化固井二界面，大多數(shù)裝置只能測(cè)試常溫常壓條件下的失重規(guī)律，不能完全模擬井下溫度、壓力等實(shí)際工況，致使現(xiàn)有失重裝置所測(cè)失重規(guī)律與井底實(shí)際壓力變化情況存在偏差，對(duì)固井水泥漿的沒(méi)計(jì)缺乏指導(dǎo)。

1．2　提出氣竄預(yù)測(cè)新方法的依據(jù)

隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，液態(tài)水泥漿逐漸凝固成固態(tài)水泥石需經(jīng)歷液相、膠凝、凝固和硬化等4個(gè)階段^[15](圖1)。液態(tài)水泥漿能夠完全傳遞孔隙壓力，不會(huì)發(fā)生氣竄；膠凝態(tài)水泥漿不斷形成膠凝結(jié)構(gòu)，發(fā)生塑性體積收縮，引起孔隙壓力逐漸降低；初凝后，水泥漿進(jìn)入凝固、硬化階段，表現(xiàn)出固態(tài)特征，滲透率極低，能有效阻止水泥環(huán)本體氣竄^[16-17]。南上述研究分析可知，固井早期氣竄包括兩個(gè)階段：靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間(T1至T2)；靜膠凝強(qiáng)度過(guò)渡時(shí)間結(jié)束時(shí)刻至初凝(T2至初凝)。

 

研究表明^[18-20]，水泥漿在塑性狀態(tài)(初凝前)下的體積收縮使水泥漿柱的孔隙壓力降低(即膠凝失重)，造成水泥漿氣侵；凝固后的體積收縮則使得水泥環(huán)與地層和套管間膠結(jié)不良，形成微間隙，為氣竄提供通道(圖2)。本文主要考慮固井早期氣竄問(wèn)題的預(yù)測(cè)與防止，不局限于膠凝過(guò)渡時(shí)間，綜合考慮水泥漿膠凝全過(guò)程的氣竄問(wèn)題(即T1至初凝)。以初凝前水泥漿塑性體積收縮導(dǎo)致孔隙壓力下降(膠凝失重)的實(shí)質(zhì)為出發(fā)點(diǎn)，基于高溫高壓水泥漿塑性體積收縮率曲線，建立水泥漿塑性體積收縮與孔隙壓力下降之間的關(guān)系模型，結(jié)合水泥漿性能、井底地層、套管等特定工況及井壁殘余泥餅等影響因素，最終以氣層處壓力平衡工況為判據(jù)，判斷固井早期氣竄的潛在風(fēng)險(xiǎn)，為針對(duì)性技術(shù)措施調(diào)整提供參考依據(jù)。

 

2　塑性體積收縮對(duì)子L隙壓力下降的影響分析

為了建立初凝前水泥漿塑性體積收縮與孔隙壓力下降的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，對(duì)水泥漿所處的復(fù)雜井下環(huán)境及受力狀態(tài)作如下簡(jiǎn)化：①以主力氣層附近的水泥漿柱為研究對(duì)象，分析氣層位置處水泥漿孔隙壓力下降，近似為恒溫問(wèn)題，忽略候凝熱傳導(dǎo)和初凝前的水化放熱；②研究井段井眼為規(guī)則圓形，套管居中度100％；③水泥漿孔隙壓力下降所引起的套管、井壁圍巖變形均為微小變形，故將套管、井壁圍巖考慮為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的理想彈性材料；④膠凝態(tài)水泥漿雖然失去了流動(dòng)能力，但尚具有塑性變形能力，在上覆壓力作用下發(fā)生塑性變形，因此初凝前套管、水泥漿、地層彼此緊密相連，無(wú)微環(huán)隙；⑤由于氣井產(chǎn)層固井均要求水泥漿API失水小于等于50mL，失水量很小，可忽略失水所引起的水泥漿體積變化；⑥僅當(dāng)氣體突破井壁殘余泥餅層，進(jìn)入環(huán)空后才會(huì)沿著環(huán)空水泥漿上竄，因此將井壁泥餅對(duì)氣竄的影響考慮為泥餅氣竄啟動(dòng)壓力，模型建立時(shí)不再考慮泥餅的影響。

考慮套管—水泥漿—井壁圍巖的實(shí)際工況及其幾何特征，可將井下實(shí)際三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱(chēng)平面應(yīng)變問(wèn)題^[21]。塑性態(tài)“套管水泥漿地層”數(shù)學(xué)模型如圖3所示。ri、ro、rw、rf分別為套管內(nèi)斗徑、套管外半徑、井眼半徑和井壁圍巖外半徑。

 

由假?zèng)]④可知，初凝前水泥漿處于塑性狀態(tài)，具有塑性變形能力。因此在壓力作用下不會(huì)出現(xiàn)固井一二界面，即井壁圍巖水泥漿套管三者緊密相連。當(dāng)水泥漿發(fā)生塑性體積收縮時(shí)，孔隙壓力下降，地層巖石和套管由于受到的徑向壓力降低而發(fā)生彈性恢復(fù)變形。因此分析水泥漿塑性體積收縮對(duì)孔隙壓力下降的影響時(shí)可從套管位移變化、井壁圍巖位移變化和孔隙壓降下的水泥漿體積膨脹等3方面進(jìn)行分析。

2．1　套管位移變化分析

套管受力狀態(tài)見(jiàn)圖4，其中qi為候凝時(shí)由套管內(nèi)鉆井液或候凝液產(chǎn)生的均布載荷，qo為候凝時(shí)由環(huán)空水泥漿產(chǎn)生的液柱壓力。

 

顯然，應(yīng)力分布應(yīng)當(dāng)是軸對(duì)稱(chēng)的。套管受力邊界條件為：

 

將邊界條件(1)帶入應(yīng)力分量半定解^[22]，并考慮位移單值條件，套管上同一點(diǎn)不可能有不同的周向位移。因此必須滿足B＝0，求解得：

 

式中A、B、C為軸對(duì)稱(chēng)應(yīng)力下套管的位移解常數(shù)，無(wú)量綱^[22]。

將A、B、C帶入位移分量^[22]，并考慮到水泥漿孔隙壓力下降后，套管所受的外擠壓力qo下降，內(nèi)壓qi不變，令r＝ro，可得固井第一界面處套管徑向位移變化：

 

式中Ducase為固井第一界面處套管位移變化，m；Ecase為套管的彈性模量，Pa；mcase為套管的泊松比。

2．2　井壁圍巖位移變化分析

“地層  井眼”模型如圖5。地層可看作是半徑無(wú)窮大的圓，由圣維南原理^[22]可知：無(wú)窮大地層半徑遠(yuǎn)大于井眼半徑，因此由井壁應(yīng)力對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)處的總應(yīng)力擾動(dòng)是很小的，可以不計(jì)。由于水泥漿未凝固，故井壁僅受水泥漿液柱壓力(qo)的內(nèi)壓作用。

 

同理，在套管位移分析的基礎(chǔ)上，取ri＝rw、ro＝rf®∞、qi＝qo、qo＝0可得：

 

將A、B、C帶入位移分量，并考慮到孔隙壓力下降，并令r＝rw，可得固井第二界面處井壁巖石徑向位移變化：

 

式中Duf為固井第二界面處井壁巖石位移變化，m；Ef為地層巖石的彈性模量，Pa；mf為地層巖石的泊松比。

2．3　孔隙壓降下的體積膨脹分析

水泥漿具備一定的可壓縮性，因孔隙壓力變化引起的水泥漿自身體積膨脹量為^[10，23]：

 

式中Duc為水泥漿自身體積膨脹量，m³；Ccem為水泥漿等溫壓縮系數(shù)，Mpa^-1；Dh為水泥漿柱長(zhǎng)度，m。

計(jì)算水泥漿等溫壓縮系數(shù)時(shí)，認(rèn)為水泥漿中固相顆粒不可壓縮，而水相可以壓縮。首先根據(jù)BrillBeggs提出的經(jīng)典模型，計(jì)算高溫高壓下水的等溫壓縮系數(shù)：

 

式中Cw為水的等溫壓縮系數(shù)，Mpa^-1；P為地層壓力，MPa；T為地層溫度，℃。

然后根據(jù)等溫壓縮系數(shù)定義，得

 

初凝前水泥水化程度低，忽略水泥水化對(duì)固相含量的影響，令水固比等于w／s，根據(jù)水相體積uw。與水泥漿體積對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到水泥漿等溫壓縮系數(shù)：

 

2．4　水泥漿孔隙壓力下降分析

由于水泥漿與地層間隔有致密的泥餅(就算采用沖洗液也無(wú)法完全清除，即井壁泥餅客觀存在)，所以水泥漿透過(guò)濾餅滲透進(jìn)地層介質(zhì)中的量微乎其微。因此在模型建立時(shí)沒(méi)有考慮二者的滲濾影響，故沒(méi)有采用耦合方式求解。此處主要依據(jù)位移連續(xù)條件求解。

根據(jù)模型假設(shè)④套管、水泥漿、地層緊密相連無(wú)間隙，且結(jié)合假設(shè)①忽略熱膨脹效應(yīng)可得，水泥漿總體積變化量應(yīng)等于套管和井壁圍巖體積恢復(fù)膨脹量，即

Dush+Duc＝Ducase+Duf    (10)

式中Dush為水泥漿塑性體積收縮量，m³；Ducase為套管膨脹恢復(fù)體積，m³；Duf為巖石膨脹恢復(fù)體積，m³。

聯(lián)立式(3)、(5)、(6)和(10)可求解得：

 

故水泥漿塑性體積收縮率g為：

 

結(jié)合式(11)和式(12)，即得初凝前水泥漿孔隙壓力下降與塑性體積收縮率的解析關(guān)系：

 

由上式可知，如果已知初凝前水泥漿塑性體積收縮率大小，將實(shí)際井下工況相關(guān)參數(shù)代入公式(13)，便可計(jì)算獲得初凝前水泥漿孔隙壓力下降規(guī)律。

3　基于水泥漿塑性體積收縮率測(cè)量的氣竄預(yù)測(cè)方法

根據(jù)模型假設(shè)⑥，認(rèn)為氣竄啟動(dòng)壓力僅存在于井壁泥餅處，結(jié)合西南石油大學(xué)固井實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)80年代提出的氣竄啟動(dòng)壓力(氣侵阻力)的概念^[24]，可得環(huán)空氣竄的壓力平衡條件：水泥漿有效液柱壓力+啟動(dòng)壓力小于氣層壓力。為了準(zhǔn)確判斷井下壓力平衡工況，首先必須測(cè)量泥餅的氣竄啟動(dòng)壓力。

3．1　井壁泥餅氣竄啟動(dòng)壓力測(cè)量

井壁殘余泥餅與固井環(huán)空氣竄關(guān)系密切，嚴(yán)重影響著固井質(zhì)量。初凝前，殘余泥餅是固井早期氣竄的第一道屏障，產(chǎn)層高壓氣體首先必須透過(guò)附著在井壁的殘余泥餅，才能沿著膠凝態(tài)水泥漿本體發(fā)生竄流；初凝后，水泥漿逐漸凝固、硬化成水泥石，由于井壁殘余泥餅無(wú)法固化膠結(jié)，使得崮井二界面膠結(jié)質(zhì)最差，為固井后期氣竄提供通道。

初凝前，井壁殘余泥餅厚度一定，因此可認(rèn)為井擘泥餅在水泥漿塑性階段所具備的氣竄啟動(dòng)壓力為一定值。目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)有關(guān)泥餅啟動(dòng)壓力測(cè)量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶒?yàn)方法，本文采用以下簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)方法對(duì)井壁泥餅啟動(dòng)壓力進(jìn)行測(cè)量：①在模擬實(shí)際井底溫度工況下，采用高溫高壓失水儀對(duì)鉆井液進(jìn)行API濾失實(shí)驗(yàn)，形成泥餅；②APl濾失實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，卸掉鉆井液頂部氣壓，打開(kāi)失水筒頂蓋，倒掉泥餅上部鉆井液；③擰緊失水筒上端部頂蓋，重新連接氣源，將失水筒底部濾液出口浸泡在盛滿水的燒杯內(nèi)；④打開(kāi)氣源，緩慢地逐漸向失水筒內(nèi)加壓，觀察燒杯內(nèi)液面下的濾液出口，當(dāng)開(kāi)始冒泡或者快速濾失時(shí)，記錄下對(duì)應(yīng)的氣壓值；⑤為了測(cè)量更準(zhǔn)確，反復(fù)卸壓、加壓2～3次，記錄下對(duì)應(yīng)的氣壓值，求取幾次實(shí)驗(yàn)的平均氣壓，并將該氣壓值作為泥餅的氣竄啟動(dòng)壓力；⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)束，拆卸實(shí)驗(yàn)，清洗裝置。

該簡(jiǎn)易方法可在模擬與模型理論求解的相同溫度條件下測(cè)試泥餅啟動(dòng)壓力，所測(cè)結(jié)果為水泥漿塑性體積收縮實(shí)驗(yàn)同溫度工況下的啟動(dòng)壓力值，二者模擬實(shí)驗(yàn)條件吻合，所測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

3．2　基于水泥漿塑性體積收縮率測(cè)量的氣竄預(yù)測(cè)方法

基于上述分析，結(jié)合初凝前水泥漿塑性體積收縮率測(cè)量結(jié)果，通過(guò)初凝前塑性體積收縮對(duì)孔隙壓力下降的影響關(guān)系(式13)計(jì)算獲得井底溫度壓力條件下的孔隙壓力下降規(guī)律，考慮到水泥漿初始孔隙壓力和初凝時(shí)刻對(duì)應(yīng)的氣竄啟動(dòng)壓力，根據(jù)固井早期氣竄發(fā)生的壓力平衡工況，判斷氣竄發(fā)生的可能性，具體預(yù)測(cè)步驟見(jiàn)圖6。若初凝前一直滿足“有效液柱壓力+啟動(dòng)壓力>地層壓力”條件，則在水泥漿凝結(jié)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生固井早期氣竄，如圖1中的曲線Ⅰ；反之，若初凝前出現(xiàn)滿足條件“有效液柱壓力+啟動(dòng)壓力<地層壓力”的點(diǎn)，并隨著水泥漿進(jìn)一步凝固，在初凝附近形成較大負(fù)壓差，則氣竄潛在風(fēng)險(xiǎn)高，如圖1中的曲線Ⅱ。該方法可針對(duì)井下多個(gè)主力氣層進(jìn)行固井早期氣竄潛在風(fēng)險(xiǎn)的有效預(yù)測(cè)，對(duì)于氣竄較為危險(xiǎn)的井，可通過(guò)各類(lèi)膨脹劑改善水泥漿的塑性體積收縮性能，從而使預(yù)測(cè)結(jié)果滿足曲線Ⅱ的情況，降低氣竄風(fēng)險(xiǎn)。

4　實(shí)例分析

已知X區(qū)塊兩口天然氣井Xl和X2。XJ井：Æ177.8mm(內(nèi)徑157.1mm)油層尾管下深5085m，井眼直徑215.9mm，鉆井液密度為2.30g／cm³，采用高密度(2.35g／cm³)水泥漿固井，水固比0.263，封固井段4400～5085m，水泥漿實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度為110℃；X2井：Æ127mm油層尾管懸掛固井，井眼直徑149.2mm，鉆井液密度為2.10g／cm³，采用密度為2.13g／cm³水泥漿固井，水固比0.364，封固井段4862～5731m，水泥漿實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度為120℃。已知該區(qū)地層壓力梯度為0.0225MPa／m，油層套管彈性模量為206.9GPa、泊松比0.3，地層巖石彈性模量為13.84GPa、泊松比0.287。X1、X2兩井水泥漿基本工程性能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求(表2)。

 

為獲得初凝前水泥漿塑性體積收縮率大小，采用高溫高壓體積收縮儀進(jìn)行體積收縮實(shí)驗(yàn)(圖7)。從圖7中可知，根據(jù)水化反應(yīng)放熱規(guī)律可確定Xl、X2兩井水泥漿初凝時(shí)間分別為317min、378min，對(duì)應(yīng)的水泥漿塑性體積收縮率大小分別為0.43％、0.15％。根據(jù)本文泥餅氣竄啟動(dòng)壓力測(cè)量方法測(cè)得泥餅的氣竄啟動(dòng)壓力分別為4.13MPa、5.83MPa(表3)。結(jié)合初凝前水泥漿塑性體積收縮率測(cè)試結(jié)果和泥餅氣竄啟動(dòng)壓力測(cè)試結(jié)果，得出初凝前井底壓力變化圖(圖8)。

 

 

由圖8可知，初凝前隨著水泥漿逐漸水化發(fā)生塑性體積收縮，水泥漿孔隙壓力逐漸下降，X1井初凝前B1點(diǎn)處開(kāi)始滿足氣竄條件(屬于曲線Ⅱ的情況)：水泥漿有效液柱壓力+啟動(dòng)壓力<地層壓力，因此B1點(diǎn)處為塑性態(tài)水泥漿氣竄危險(xiǎn)點(diǎn)，B1點(diǎn)以后直至初凝，水泥漿孔隙壓力進(jìn)一步下降，井底負(fù)壓差逐漸增大，固固井發(fā)生早期氣竄的風(fēng)險(xiǎn)高。同理，X2井初凝前孔隙壓力變化屬于曲線工的情況，固井發(fā)生早期氣竄的風(fēng)險(xiǎn)較低。從施工結(jié)果來(lái)看，X1井封固段4400～5080m固井質(zhì)量非常差，綜合解釋結(jié)果合格的井段僅占8％，并在固井后數(shù)天檢測(cè)到了套壓異常，表明發(fā)生較嚴(yán)重氣竄現(xiàn)象；同時(shí)，X2井封固段4862～573lm固井質(zhì)量綜合解釋結(jié)果合格的井段占93％，候凝過(guò)程中未發(fā)生氣竄現(xiàn)象。因此，這與本文采用的固井早期氣竄問(wèn)題的氣竄預(yù)測(cè)方法評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

5　結(jié)論與建議

1)本文基于彈性力學(xué)中的軸對(duì)稱(chēng)應(yīng)力問(wèn)題，建立了水泥漿初凝前的“套管—水泥漿—地層”物理模型和初凝前水泥漿塑性體積收縮與孔隙壓力間的數(shù)學(xué)模型，并求解得到了水泥漿塑性體積收縮對(duì)孔隙壓力下降影響的解析關(guān)系。

2)立足于初凝前塑性體積收縮與孔隙壓力之間的關(guān)系，在綜合考慮水泥漿性能、井底溫度、壓力及套管力學(xué)性能等特定工況的前提下，建立針對(duì)初凝前整個(gè)塑性態(tài)的固井早期氣竄問(wèn)題的氣竄預(yù)測(cè)新方法。

3)應(yīng)用表明，該方法可有效預(yù)測(cè)初凝前的固井早期氣竄問(wèn)題，為針對(duì)性地調(diào)整水泥漿體系和措施，避免固井后井口環(huán)空帶壓，保障油氣井固井質(zhì)量和安全提供了分析依據(jù)。

4)本文模型求解主要依據(jù)彈性力學(xué)中的邊界位移連續(xù)條件，沒(méi)有采用耦合方式求解，建議下一步研究考慮采用耦合方式求解。

 

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本文作者：李早元  李進(jìn)  郭小陽(yáng)  李寧  董廣超

作者單位：“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

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