環空加壓固井對雙層套管水泥環界面徑向應力的影響

丁士東， 劉 奎， 劉小剛， 周仕明， 陶 謙， 李鵬程

（1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點試驗室，北京 102206；2.中國石化石油工程技術研究院，北京 102206）

油氣井水泥環密封失效問題已經成為致密氣、頁巖氣等生產和儲氣庫運行的主要安全隱患。鉆井、完井及注采過程中套管內壓力的變化會造成水泥環界面密封失效，產生嚴重的環空帶壓問題[1–6]。隨著體積壓裂技術在非常規油氣井中的使用，環空帶壓井數量急劇增加。涪陵頁巖氣田環空帶壓井占比曾高達75.8%，而威榮頁巖氣田同樣出現了嚴重的環空帶壓問題。

提高水泥環密封能力、解決環空帶壓問題成為新的研究熱點。在水泥環密封失效機理及控制方法方面，前人已取得了很多的研究成果[7–13]。初緯和姚曉等人[14–15]計算了套管內加卸載引起的水泥環塑性變形及相應界面徑向應力的變化；劉洋和許紅林等人[16–17]利用力學模型，分析了井內試壓和壓裂等完井作業造成的水泥環周向拉伸破壞；趙效鋒等人[18]認為水泥環內壁較大的周向應力和徑向應力是造成水泥環強度降低的主要因素；李早元等人[19–20]的研究表明，循環加卸載與高套管內壓均能降低水泥環的密封能力，加入分散性纖維可增強水泥環的韌性，提高水泥環的完整性；劉碩瓊和步玉環等人[21–22]計算了全井段的水泥環應力，發現水泥環內外界面徑向應力在淺部地層中為拉應力，而在深部地層中則為壓應力；劉奎等人[23–24]認為頁巖氣井水泥環徑向應力過大造成的塑性變形是頁巖氣井環空密封失效的主因；……