井下環(huán)境固井水泥環(huán)射孔沖擊破壞實驗研究

逄銘玉,許高,唐英才,朱秀星,薛世峰

(1.中國石油大學(xué)(華東),山東青島266580;2.中石化青島安全工程研究院,山東青島266000;3.中海油服油技事業(yè)部,河北廊坊065201)

0 引 言

隨著非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)力度加大,高溫高壓油氣井筒結(jié)構(gòu)完整性失效已成為影響環(huán)境和安全的重大問題[1-2]。聚能射孔是一種被廣泛采用的完井工藝,其作業(yè)過程產(chǎn)生的高壓沖擊載荷會破壞套管-水泥環(huán)-地層結(jié)構(gòu)。聚能射孔彈爆轟產(chǎn)生高溫高壓金屬射流,以5 000～8 000 m/s的速度侵徹套管、水泥環(huán)和地層,形成射孔孔道。在該過程中脆性水泥環(huán)被擊穿或局部粉碎[3-4],同時,在密閉井筒空間產(chǎn)生爆轟壓力波,撞擊套管、水泥環(huán)和地層,在水泥環(huán)中產(chǎn)生拉壓變形或破裂,甚至拆離套管-水泥環(huán)或水泥環(huán)-地層結(jié)構(gòu)界面,產(chǎn)生泄露失效。

固井水泥環(huán)結(jié)構(gòu)失效破壞主要與井筒結(jié)構(gòu)、固井水泥性能、井下壓力溫度環(huán)境、生產(chǎn)作業(yè)強度和地質(zhì)構(gòu)造變動等因素相關(guān),其力學(xué)成因機制復(fù)雜多樣。20世紀(jì)90年代,國內(nèi)外已開展了井筒-水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞機理系列實驗?zāi)M,研究油氣井水泥環(huán)結(jié)構(gòu)密封性、完整性問題。Goodwin等[5]試驗研究了井筒壓力和溫度載荷作用下水泥環(huán)失效破壞模式,認(rèn)為水泥環(huán)失效的主要形式為徑向裂紋擴展。Carpenter等[6]設(shè)計了井筒結(jié)構(gòu)壓剪試驗裝置,研究了套管-水泥固結(jié)性能和質(zhì)量,觀察到壓力或溫度載荷變化造成了水泥環(huán)與套管(第Ⅰ界面)或水泥環(huán)與地層(第Ⅱ界面)間的拆離,形成了滲漏通道。Jackson等[7]采用全尺寸實驗?zāi)Ｐ?研究了壓力循環(huán)導(dǎo)致的氣體泄露問題,得到了安全操作井筒壓力變化范圍。王祥林等[8]設(shè)計了模擬射孔的綜合試驗裝置和水泥材料動態(tài)性能測試裝置,研究探討了大慶油田薄油層開發(fā)中射孔水泥環(huán)損傷破壞機理。BoukeliFa等[9]對水泥混合物的空心圓筒施加膨脹載荷,通過滲透性測量,監(jiān)測環(huán)形水泥在拉伸載荷下的開裂。Kosinowski等[10]設(shè)計了鋼管-水泥環(huán)-有機玻璃實驗?zāi)Ｐ?通過鋼管軸向擠壓模擬井筒溫度循環(huán)載荷,觀察水泥環(huán)內(nèi)平面徑向裂紋和軸向裂紋的發(fā)展。在最近研究中,李寧等[11-12]實驗研究了深井高溫高壓環(huán)境下的油氣井水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞機理,提出了材料配方優(yōu)化、改性增韌的工藝方案。

上述實驗研究工作對深入理解復(fù)雜井況載荷環(huán)境下油氣井筒結(jié)構(gòu)完整性奠定了堅實的力學(xué)基礎(chǔ),主要集中于固井質(zhì)量、生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境(壓力、溫度、圍壓等)、水泥材料配方等因素對套管和水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞的影響,對射孔完井沖擊載荷下水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞研究涉及較少[13-14]。高強度射孔載荷對井筒結(jié)構(gòu)完整性的影響是全壽命完整性評價工作中的重要環(huán)節(jié),相關(guān)的研究涉及到了井筒爆轟、高壓高溫射流侵徹、巖石斷裂損傷等一系列理論難題[15-16]。射孔過程中在水泥環(huán)中產(chǎn)生的形變、破壞或損傷,將在后續(xù)作業(yè)過程中進一步發(fā)展積累,導(dǎo)致嚴(yán)重后果。受實驗條件、監(jiān)測技術(shù)和火工品管制法規(guī)等限制,井下環(huán)境條件下的射孔打靶實驗研究鮮有報導(dǎo)。

本文基于中石化勝利油田測井公司高溫高壓射孔效能實驗平臺,設(shè)計了柱狀套管-水泥環(huán)-砂巖靶,考慮圍壓與溫度、水泥環(huán)材質(zhì)類型與厚度、射孔彈型號等因素,開展了井下環(huán)境射孔打靶實驗,通過實驗?zāi)M,分析了射孔沖擊載荷下水泥環(huán)破壞形式,探討了水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞失效的力學(xué)機制。

1 實驗方案

1.1 柱狀套管-水泥環(huán)-砂巖靶射孔裝置

在射孔沖擊載荷(壓力)和地應(yīng)力(圍壓)作用下的井筒結(jié)構(gòu)(套管-水泥環(huán)-地層)模型見圖1,井筒封閉充滿液體。

圖1 套管-水泥環(huán)-地層結(jié)構(gòu)模型

參考5 in(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同(外徑127 mm,壁厚9.19 mm)N80套管性能和尺寸,本文設(shè)計了套管-水泥環(huán)射孔靶試樣(柱狀套管-水泥環(huán)-砂巖靶)。柱狀砂巖靶直徑150 mm,長度750 mm,密封膠皮隔離圍壓與孔隙壓力,通過外圍透水鋼套可以對實驗靶施加圍壓。

勝利測井公司高溫高壓射孔效能實驗平臺可以對柱狀砂巖靶施加靜/動態(tài)圍壓和溫度載荷,實驗?zāi)M單發(fā)射孔作業(yè)。采用超深穿透和大孔徑2種型號射孔彈,炸藥為黑索金(RDX),裝藥量分別為23、25 g和27 g。設(shè)計9組試驗靶,分別考慮水泥環(huán)材質(zhì)(密度)、射孔彈型號、裝藥量、水泥環(huán)厚度等因素。其中,第9組試樣添加泡沫模擬水泥環(huán)結(jié)構(gòu)不連續(xù)缺陷,以檢驗固井質(zhì)量對射孔沖擊的敏感程度。試驗靶參數(shù)見表1。

表1 砂巖靶體射孔實驗參數(shù)

1.2 柱狀套管-水泥環(huán)-砂巖靶物理/力學(xué)性能

參照API 19B實驗射孔靶制作、GB/T 19139—2012水泥漿配制和強度測試標(biāo)準(zhǔn),制備了水泥環(huán)和砂巖靶力學(xué)性能測試標(biāo)準(zhǔn)試樣,分別進行抗壓強度、滲透率及孔隙度等物理/力學(xué)性能參數(shù)測試,水泥環(huán)和砂巖靶部位材料性能見表2。

表2 水泥環(huán)和砂巖靶物理力學(xué)性能

*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4μm2,下同。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 井筒壓力變化與砂巖靶穿深

參考渤海油田某區(qū)塊資料,圍壓設(shè)計為30 MPa,溫度范圍60～80 ℃,不考慮孔隙壓力,對9組柱狀套管-水泥環(huán)-砂巖靶射孔實驗,采用高精度PT儀,同步記錄實驗過程中溫度、壓力參數(shù)變化。圖2所示為射孔過程中套管承受的峰值壓力,其中,2號砂巖靶數(shù)據(jù)記錄缺失;圖3為砂巖靶射孔穿深數(shù)據(jù)。

圖2中峰值壓力相當(dāng)于射孔過程中井筒爆轟壓力最大值,作用在井筒套管內(nèi)壁上。3號砂巖靶的最高壓力數(shù)值明顯高出其他試樣。圖3射孔穿深數(shù)據(jù)反眏了大孔徑射孔彈(GH40RDX23-3)和超深穿透射孔彈(SDP40RDX23-1)在射孔方面的差異,與隨后討論的水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞形式和程度有著密切關(guān)系。

圖2 柱狀水泥環(huán)砂巖靶峰值壓力

圖3 砂巖靶射孔深度

2.2 水泥環(huán)結(jié)構(gòu)損傷破裂CT掃描成像分析

用NanoVoxel4000系列X射線三維顯微鏡,對8組射孔水泥環(huán)試樣CT掃描成像,觀察水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞樣式、形態(tài)與裂縫發(fā)育。水泥環(huán)CT三維切片按3個平面(X-Y、X-Z、Y-Z)方位展示。圖4給出了射孔水泥環(huán)部分試樣的CT掃描圖像。

圖4 部分射孔水泥環(huán)結(jié)構(gòu)損傷破裂CT圖像

在射孔沖擊載荷作用下,水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞形式主要分為2類:①產(chǎn)生于孔眼局部區(qū)域的高應(yīng)變率塑性損傷、碎裂,射孔孔眼局部塑性流動和細(xì)微裂紋發(fā)育特征明顯;②產(chǎn)生于孔眼周圍的數(shù)目不等的宏觀徑向裂紋,分布密度和數(shù)量具有一定隨機性。2類破壞形式和程度受射孔參數(shù)、水泥環(huán)材質(zhì)、厚度和射孔彈型號等影響。

強度較弱的A類材質(zhì)(圖4中的1號和2號水泥環(huán)試樣),產(chǎn)生了宏觀徑向裂紋,2號試樣徑向裂紋條數(shù)多于1號試樣;強度較高的B類材質(zhì)(6號、7號、8號水泥環(huán))均未產(chǎn)生明顯的徑向裂紋,主要以孔眼局部區(qū)域的細(xì)密徑向裂紋為主,說明水泥材質(zhì)對抗射孔沖擊起主要作用。

2.3 水泥環(huán)射孔實驗結(jié)果分析

2.3.1水泥環(huán)材質(zhì)類型、初始缺陷影響

實驗采用了A類(密度1.5 g/cm3)與B類(密度為1.9 g/cm3)2種材質(zhì)的水泥環(huán)。B類材料抗壓強度見表2。比較A類1、2、3號與B類6、7、8號2組材料組織結(jié)構(gòu)與破壞形式:B類材質(zhì)結(jié)構(gòu)致密,顆粒均勻,無大尺度徑向裂紋產(chǎn)生,其破壞形式呈現(xiàn)孔眼局部塑性流動、損傷等特征;A類材質(zhì)顆粒粗化嚴(yán)重,內(nèi)部細(xì)微缺陷隨機分布,其破壞以數(shù)目不等的徑向大尺度貫穿型裂紋形式為主。低強度A類材質(zhì)水泥環(huán)結(jié)構(gòu)承受射孔沖擊載荷能力較差。射孔沖擊產(chǎn)生的宏觀尺度裂紋往往導(dǎo)致水泥環(huán)結(jié)構(gòu)密封性失效。因此,水泥環(huán)材料顆粒細(xì)化、組織均勻?qū)箾_擊能力至關(guān)重要。9號射孔水泥環(huán)中添加了初始泡沫缺陷,在井筒射孔載荷沖擊作用下,水泥環(huán)受套管和地層雙向擠壓,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)碎裂,與1～8號射孔水泥環(huán)結(jié)構(gòu)保持相對完整相比,9號水泥環(huán)初始缺陷對射孔沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)完整性影響顯著,凸顯了固井質(zhì)量在井筒結(jié)構(gòu)完整性中的重要作用。

2.3.2水泥環(huán)厚度影響

在同類材質(zhì)中,隨水泥環(huán)厚度增加宏觀裂紋數(shù)目減少。低強度A類材質(zhì)的3號水泥環(huán)試樣厚度為40 mm,射孔沖擊后未出現(xiàn)大尺度徑向裂紋,在孔眼周圍產(chǎn)生了高應(yīng)變剪切流動花紋[見圖4(c)]。高強度B類材質(zhì)5號水泥環(huán)試樣,其厚度為20 mm,射孔沖擊后產(chǎn)生了大尺度徑向裂紋。由此可見,增加水泥環(huán)厚度對提高結(jié)構(gòu)抗射孔沖擊載荷效果較為明顯。受井筒與套管環(huán)空尺寸限制,水泥環(huán)厚度調(diào)整范圍有限,但對套管偏心導(dǎo)致的水泥環(huán)厚度損失問題應(yīng)給予高度重視。

2.3.3射孔彈型號影響

射孔彈型號對水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞有重要影響,2類射孔彈穿深如圖3所示。由圖4可見,大孔徑射孔彈(GH40RDX23-3)開孔孔徑較大,白色射流侵徹分布密度高,水泥環(huán)結(jié)構(gòu)局部碎裂相對嚴(yán)重,如2號、6號、8號試樣,其大尺度徑向宏觀裂紋和孔眼局部細(xì)密微裂紋發(fā)育,明顯高于超深穿透射孔彈(SDP40RDX23-1),這是由2類射孔彈在射孔動能與爆轟能量的不同分配比例以及射流動力學(xué)參數(shù)所確定的[17-18]。圖4中水泥環(huán)CT圖像中白色射流侵徹分布與射流動能在孔徑和深度方向的分配一致。

2.3.4動態(tài)負(fù)壓射孔影響

7號試樣實驗參數(shù)按動態(tài)負(fù)壓射孔設(shè)計,其射孔槍空腔容積達到了2 000 mL(見表1)。在624 ms持續(xù)時間內(nèi)產(chǎn)生了19.6 MPa壓力脈動。無論是壓力脈動時間還是爆轟壓力變化幅度都遠(yuǎn)高于其他8塊試樣。

在持續(xù)長時間高脈動壓力作用下,水泥環(huán)內(nèi)產(chǎn)生數(shù)條環(huán)向拆離界面[見圖4(f)],與Jackson等[7]實驗研究壓力升降變化導(dǎo)致的水泥環(huán)密封泄露結(jié)果類似,但環(huán)形拆離面未發(fā)生在第Ⅰ界面(套管-水泥環(huán))或第Ⅱ界面(水泥環(huán)-地層),而是位于水泥環(huán)內(nèi)部,尚需做進一步的試驗研究。

3 射孔水泥環(huán)破壞機理

根據(jù)射孔沖擊物理實驗?zāi)M數(shù)據(jù),聚能射孔彈爆轟所產(chǎn)生的能量由裝藥量決定,分為彈殼-射流動能、井筒燃爆氣體壓縮能和井筒熱能3部分。射孔彈起爆后約20 μs完成爆轟,產(chǎn)生2種不同強度和持續(xù)時間的動態(tài)沖擊載荷[18-19],即高溫高壓射流侵徹壓力波和井筒爆轟壓力波。

3.1 高溫高壓射流侵徹壓力波

金屬射流以5 000～8 000 m/s的動能速度,在200～300 μs的時間內(nèi),在目標(biāo)靶體內(nèi)“開坑”和“侵徹”,穿透套管和水泥環(huán)形成孔道,射流碰撞靶體壓力瞬時高達1011Pa量級,按爆炸力學(xué)理論屬高速沖擊載荷。射孔侵徹壓力載荷作用于井筒射孔孔眼局部,局部承受高壓、高溫和高應(yīng)變率沖擊載荷,產(chǎn)生塑性流動、壓實、碎裂損傷與細(xì)小裂紋[20-21],圖4所示水泥環(huán)結(jié)構(gòu)CT圖像證實了該類局部破壞形式,即高爆沖載荷作用產(chǎn)生的小尺度多重破裂問題。這種局部小尺度損傷隨著井筒環(huán)境和生產(chǎn)作業(yè)載荷變化漸進發(fā)展,如壓力和溫度波動、水力壓裂等,形成宏觀尺度的裂紋,導(dǎo)致水泥環(huán)結(jié)構(gòu)性斷裂失效。

3.2 井筒爆轟壓力波

炸藥爆炸產(chǎn)生的燃爆氣體在充滿液體的井筒密閉空間激蕩,形成以聲速傳播的井筒爆轟壓力波,最高壓力可達108Pa量級。在本文實驗單發(fā)射孔工況下,實驗實測值為40～60 MPa,波動時間約200 ms。與射流侵徹壓力波比較,井筒爆轟壓力波持續(xù)時間高一個數(shù)量級,屬于準(zhǔn)靜態(tài)低頻載荷,易于產(chǎn)生徑向裂紋,發(fā)生宏觀脆性斷裂破壞[22-23]。為了與實驗結(jié)果相對比,應(yīng)用有限元數(shù)值分析方法研究井筒爆轟壓力載荷下水泥環(huán)的斷裂損傷狀態(tài)。與圖1實驗?zāi)Ｐ鸵恢?采用1/4套管-水泥環(huán)-地層平面應(yīng)變數(shù)值模型。設(shè)垂向應(yīng)力為23 MPa,最小、最大水平主應(yīng)力分別為16 MPa和20 MPa。設(shè)計模型尺寸為3 m×3 m,其中,套管內(nèi)徑rw=0.1 m,厚度ds=10 mm,彈性模量E=210 GPa,泊松比ν=0.3。水泥環(huán)厚度見表1,彈性模量E=8 GPa,泊松比ν=0.17,地層彈性模量E=22 GPa,泊松比ν=0.23,套管射孔壓力按實驗測試數(shù)據(jù)設(shè)置。設(shè)水泥環(huán)模型第Ⅰ、第Ⅱ膠結(jié)面完整無缺陷,采用綁定約束。采用有限元數(shù)值分析得到了8組射孔水泥環(huán)試樣的徑向和環(huán)向應(yīng)力分布(見圖5和圖6),橫軸r/rw為任意點徑向坐標(biāo)r與套管內(nèi)徑rw的比值,表示該點徑向相對位置。與圖4所對應(yīng)的CT斷裂破壞圖像對比發(fā)現(xiàn):①在井筒高爆轟壓力作用下,水泥環(huán)應(yīng)力分布以高強度徑向擠壓與低強度環(huán)向擠壓為特點,徑向與環(huán)向應(yīng)力非均勻擠壓以及沿徑向位置的梯度變化,決定了水泥環(huán)結(jié)構(gòu)變形破壞的復(fù)雜性。②水泥環(huán)第Ⅰ界面處的環(huán)向應(yīng)力遠(yuǎn)低于第Ⅱ界面處,而徑向應(yīng)力則相反,第Ⅰ界面徑向應(yīng)力遠(yuǎn)高于第Ⅱ界面。因此,第Ⅰ界面位置為相對拉張應(yīng)力狀態(tài),首先產(chǎn)生徑向裂紋。③徑向擠壓應(yīng)力對控制宏觀徑向裂紋發(fā)展有重要作用。圖5中1號、3號試樣在第Ⅰ膠結(jié)面處環(huán)向應(yīng)力數(shù)值相近,但1號試樣的徑向擠壓應(yīng)力高于3號試樣,產(chǎn)生了單條宏觀徑向裂紋,而3號試樣僅產(chǎn)生孔眼局部塑性損傷[見圖4(a)和圖4(c)]。B類材質(zhì)的5號和8號試樣也存在著類似的現(xiàn)象。④承受射孔沖擊載荷的水泥環(huán)產(chǎn)生裂紋或局部塑性形變損傷,主要由第Ⅰ膠結(jié)面環(huán)向應(yīng)力與徑向擠壓應(yīng)力控制,即較低的環(huán)向應(yīng)力與較高的徑向擠壓應(yīng)力分布格局產(chǎn)生徑向宏觀裂紋,徑向擠壓應(yīng)力增加會進一步促進宏觀徑向裂紋發(fā)展。圖5、圖6中徑向和環(huán)向應(yīng)力分布與圖4所示水泥環(huán)試樣破壞形式具有較好的一致性。因此,可將水泥環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力作為其射孔設(shè)計與安全管理的控制參數(shù),綜合表征套管-水泥環(huán)-地層結(jié)構(gòu)、射孔爆轟壓力、水泥環(huán)材料與厚度等因素的影響。

圖5 A類材質(zhì)水泥環(huán)試樣應(yīng)力分布

圖6 B類材質(zhì)水泥環(huán)試樣應(yīng)力分布

4 結(jié) 論

(1)固井缺陷、水泥環(huán)厚度、材料類型、射孔彈型號等因素對水泥環(huán)結(jié)構(gòu)損傷、破壞有重要影響。固井缺陷、水泥環(huán)材料組織結(jié)構(gòu)、大孔徑射孔彈等因素對水泥環(huán)結(jié)構(gòu)完整性影響需給予重點關(guān)注。

(2)射孔水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞機制為射流侵徹壓力載荷下的孔眼局部塑性流動損傷、碎裂與井筒爆轟壓力載荷下的結(jié)構(gòu)宏觀斷裂。2類載荷破壞機理模式的統(tǒng)一性和時間繼承性,是深入理解射孔水泥環(huán)結(jié)構(gòu)破壞機制的關(guān)鍵。

(3)從井筒結(jié)構(gòu)完整性評價的角度,應(yīng)優(yōu)先控制爆轟壓力所產(chǎn)生的水泥環(huán)結(jié)構(gòu)徑向斷裂。因此,在射孔工藝實踐中,建議將水泥環(huán)徑向/環(huán)向應(yīng)力參數(shù)作為控制水泥環(huán)結(jié)構(gòu)斷裂破壞或失效的基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)。