海上廢棄井封堵水泥塞長度穩(wěn)定性分析

馬楠 李軍 劉書杰 李軍偉 文敏

（1．中國石油大學 北京 102200；2．中海油研究總院有限責任公司 北京 100029；3．中海油田服務股份有限公司 天津 300459）

封堵井下油氣層是封堵閑置井和廢棄井的主要目標[1]，國內(nèi)外關于海洋廢棄井油氣層的封堵要求存在較大差異，中國海上油田棄置標準[2]規(guī)定：在較長的裸眼井段或射孔層段內(nèi)，需打一個長度在50 m以上的水泥塞來徹底封堵油氣層；英國BP棄置標準[3]規(guī)定：封堵油氣層的初級屏障長度至少為31 m；美國API棄置標準[4]規(guī)定：初級屏障分為主要屏障和次要屏障，主要屏障對產(chǎn)層井段進行封堵，長度在60～65m。

本文以潿洲油田WZ11-4C平臺2c號廢棄井為研究對象，該井位于我國南海北部灣海域，所在海域平均水深42.8 m。儲層孔隙度為17%～20%，滲透率為500～600 MD，儲層厚度為3.5～10.3 m，壓力系數(shù)在1.01～1.05，油藏為正常溫壓系統(tǒng)。WZ11-4C平臺2c號廢棄井原為生產(chǎn)井，井型為水平井。油井斜深為1693m、垂深為989.73m。油井水平位移為841.55m、水平段長度為555.28m。

結合英國BP棄置標準、美國API棄置標準、中國海上油田棄置標準，本文建立了初級屏障有限元分析模型，模擬了南海北部灣海域地應力及儲層壓力狀況，分析了不同長度初級屏障的受力情況，以期為工程設計提供參考。

1 有限元模型的建立

1.1 初級屏障模型的建立

圖1 初級屏障模型受力示意圖

利用ABAQUS軟件建立初級屏障有限元模型，套管外徑為0.1978 m，彈性模量為210 GPa、泊松比為0.3、套管長度為150m；水泥石直徑為0.1778 m，彈性模量為30 GPa、泊松比為0.17，圖1為初級屏障模型的受力示意圖。

1.2 初級屏障模型參數(shù)設置

目前，關于地層壓力的計算方法[5-8]已經(jīng)非常完善。棄置井大多為已開發(fā)多年的老井，地層壓力可通過油氣井生產(chǎn)資料獲得，2c號廢棄井所處的儲層壓力為10.21MPa。

結合潿洲油田WZ11-4C平臺2c號廢棄井生產(chǎn)資料，計算該地區(qū)垂向地應力。對于有全部地層密度測井資料的情況，垂向地應力計算公式如（1）式所示：

H ：計算點的深度，m；

ρ（h）：密度隨深度的變化函數(shù)，g/cm2；

g：重力加速度，m/s2。

對于部分地層密度測井資料缺失的情況，垂向地應力計算公式如（2）式所示：

pw∶海水密度，g/cm3；

Hw：水深，km；

ρo：無密度測井資料層段的平均密度，g/cm3；

Ho∶無密度測井資料的層段厚度，km；

ρi：地層密度值，g/cm3；

ΔΗ：間隔深度，km。

由于本文是對海洋地層求取地應力[9]，因此需結合（1）式和（2）式進行變換

ρw：海水密度，g/cm3，取1.05；

Hw：水深，m，取42.8；

ρi：地層密度，g/cm3；

ΔΗ：間隔深度，m。

在水平地應力計算方面，黃榮樽[10]教授提出的地應力計算模型在現(xiàn)實中應用廣泛，該模型的理論依據(jù)是水平方向地應力包括兩個分量，一部分是上覆巖層壓力造成的水平應力分量，另一部分是構造運動形成的構造應力，且水平構造應力分量和有效上覆巖層壓力呈正相關關系。模型公式如下：

μ：泊松比，取0.25；

α：Biot系數(shù)，取0.96；

PP：地層孔隙壓力，MPa；

γ，β：構造應力系數(shù)。

中國石油大學的葛洪魁[11]教授根據(jù)水力壓裂裂縫的延伸方向提出了一組地應力計算公式（經(jīng)驗公式）。當水力壓裂的裂縫是向水平方向延伸的垂直裂縫時，那么最小水平主應力等于最小主應力。

當水力壓裂的裂縫是向垂直方向延伸的水平裂縫時，那么垂向應力等于最小主應力。

αT：線性膨脹系數(shù)；

H、ΔT：地層深度、地層溫度的變化量；

Kh、KH：最小、最大水平主應力方向的構造系數(shù)，在同一區(qū)塊可視為常數(shù)；

由于“黃榮樽”計算模型能夠有效解釋兩水平方向主應力不等的現(xiàn)象及常見的垂直應力小于最大水平地應力的現(xiàn)象，且模型的計算誤差較小，應用較為廣泛。因此本文采用“黃榮樽”計算模型對水平地應力進行計算。經(jīng)過計算：潿洲油田區(qū)塊的垂向地應力為25.15 MPa、最小水平地應力為30.75MPa、最大水平地應力為51.12MPa。

2 模擬結果及分析

圖2 不同長度水泥石受力情況

圖3 不同長度水泥石應變情況

圖2、圖3分別給出了不同長度條件下，水泥石底部應力和應變情況。由圖可見，隨著長度的增加，水泥石應力和應變總體呈下降趨勢。當長度低于60m時，水泥石應力和應變較大，且減小幅度明顯。當長度超過60m后，水泥石應力和應變則趨于穩(wěn)定，其數(shù)值變化較小。可見，選取水泥石長度為60m較為安全，經(jīng)濟。

在潿洲油田WZ11-4C平臺2c號廢棄井作業(yè)中，為安全起見，將初級屏障水泥石長度設為100m，以確保初級屏障長期有效。

3 結論與認識

本文建立了一種考慮地應力和地層壓力條件的棄置井初級屏障水泥石應力應變計算有限元模型，模擬計算結果表明，在南海海域地應力及儲層壓力條件下，中國海上油田棄置標準和美國API棄置標準較為適用。兩個標準中的初級屏障受到的應力和產(chǎn)生的應變均較小，且具有長度短、成本低、擠注工期短等優(yōu)勢。需要說明的是，不同廢棄井及不同屏障位置所處的壓力條件不同，具體的封堵長度需結合實際地應力狀況進行分析。