CCUS地質封存下水泥環密封完整性失效機理及控制措施

周念濤, 鄧寬海, 陳修平, 林元華*, 晏凱, 梅宗清

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室, 成都 610500; 2.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院,烏魯木齊 830011; 3.四川華宇石油鉆采裝備有限公司, 瀘州 646000)

為了減少大氣中的溫室氣體,通常將CO2注入并封存在地下,不允許泄露到地表或淡水層中。井筒作為CO2逃逸儲層最主要的途徑,保證井筒的完整性防止CO2封存失效顯得尤為重要。然而,在CO2封存井的整個生命過程中,套管-水泥環-地層組合體處于極端服役工況(主要為交變溫度、壓力及其耦合作用)下,極易導致水泥環變形、損傷、泄漏、連通及環空帶壓等完整性問題,嚴重威脅井筒安全,極大降低了CO2封存井安全服役壽命[1-2]。如CO2注入井由于周期性CO2的注入,其周圍壓力發生周期性的改變,最為明顯的就是套管內交變壓力的產生,交變壓力產生附加應力使得套管-水泥環-地層組合體處于交變應力的狀態,水泥環作為套管-水泥環-地層組合體中最為薄弱的環節,其完整性在交變壓力變化過程中可能存在多種失效,造成水泥環界面產生微環隙等,同時水泥環又是CO2在井筒周圍遇到的第一個屏障,在壓力和浮力差的作用下,CO2會通過水泥環界面微環隙進入井筒造成套管環空帶壓[3],或者是沿著這些通道向上運移到地表或上部淡水層中,造成CO2封存失效,嚴重降低CO2的長期封存能力。

如何確保CO2注入井中水泥環的長期完整性,首先需要了解CO2長期封存期間所面臨的極端服役工況下水泥環界面失效機理。中外從理論研究[4-9]、室內模擬實驗[10-13]等方面,研究套管-水泥環-地層組合體完整性的水泥環應力分布以及由此造成的本體破壞,而實際上井下的復雜工況往往導致套管-水泥環-地層處于交變壓力作用的狀態,在這種狀態下,水泥環本體可能并未發生破壞,但由于壓力的循環加-卸載導致水泥環界面失效,破壞水泥環密封完整性。近年來,許多學者逐漸認識到這一問題并結合理論和實驗[14-19]研究了交變內壓下水泥環界面密封完整性失效機理,均一致認為在套管內壓加載過程中,由于水泥環進入塑性產生塑性應變,卸載時套管界面與水泥環界面發生不協調變形,水泥環界面處的徑向拉應力隨著增大,當界面徑向拉應力大于其膠結強度時,水泥環與套管之間形成微環隙。但關于在不同井深下水泥環界面密封完整性失效的風險還存在爭議。沈吉云等[20]研究表明,水泥環密封失效主要發生在淺井段(0～50 m)。Wang等[21]研究發現,水泥環密封失效更可能發生在深層。這主要是因為缺乏從理論上解釋全井段水泥環界面密封完整性失效機理。在相應的控制措施方面,李炎軍等[22]研究發現,地層彈性模量越接近于水泥環彈性模量,越有利于水泥環的長期封隔;文獻[23-25]提出降低水泥環彈性模量可以降低水泥環密封失效的風險,但水泥環彈性模量不可能無限降低,且降低水泥環彈性模量能否百分之百降低水泥環密封完整性失效的風險,在不同井深下水泥環彈性模量和泊松比與水泥環密封完整性失效之間的關系是否一致等,均存在困惑,亟待解決。

為了研究CO2封存井長期封存過程中由于交變壓力導致的水泥環密封完整性失效問題,基于套管-水泥環-地層組合體彈塑性力學模型[13],利用MATLAB進行模擬分析,研究全井段水泥環界面密封完整性失效機理,分析不同井段下水泥環力學性能與水泥環屈服內壓和卸載后水泥環殘余應力的關系,提出不同井段下水泥環界面脫離的預防措施,以期為CO2封存井注CO2設計提供參考。

1 模型建立及求解

一般來講CO2注入井多為直井,可以采用均勻外壓下的套管-水泥環-地層組合體彈塑性模型進行分析,假設井筒內固井質量良好,套管居中,結合初緯建立的水泥環組合體彈塑性力學模型[13],利用MATLAB進行模擬分析,研究周期性注CO2下套管-水泥環界面接觸壓力演化特征,進而對CO2封存井長期密封完整性進行評價,并提出控制方法及預防措施。

由于固井后,套管-水泥環-地層在軸向方向的變形受到限制,一般將其簡化成平面應變模型,如圖1所示,套管采用P110套管,外徑為63.5 mm,壁厚4.6 mm,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3;水泥環的彈性模量為7 GPa,泊松比為0.18;地層內徑為77.39 mm,當地層外徑為地層內徑的10倍以上時可忽略近井圍巖壓力的影響,因此地層外徑取773.9 mm,彈性模量為22 GPa,泊松比為0.22,具體參數如表1所示。在套管內施加均勻變化內壓,在地層外表面施加均勻外壓,水泥環屈服準則選擇為Mohr-Coulomb準則,接觸形式設置為粘接。

表1 套管-水泥環-地層組合體基礎數據

r1為套管內半徑,mm;r2為套管外半徑,mm;r3為地層內半徑,mm;r4為地層外半徑,mm;Pc為套管內壓,MPa;P1為套管-水泥環界面接觸應力,MPa;P2為水泥環-地層界面接觸應力,MPa;Pp為彈塑性界面壓力,MPa;Pf為地層壓力,MPa圖1 套管-水泥環-地層組合體彈塑性力學模型Fig.1 Elastic-plastic mechanical model of casing-cement sheath-formation system

2 交變壓力下水泥環密封完整性失效機理

在淺層段(0～50 m),可以忽略地層壓力的影響,即套管-水泥環-地層組合體的所受外壓為0,當套管內壓較大時,水泥環進入塑性產生塑性變形,將水泥環剛進入塑性狀態時的套管內壓定義為水泥環屈服內壓;卸載后水泥環將產生殘余應力,出現“界面應力反轉”的現象,套管-水泥環界面由受壓狀態轉變為受拉狀態,如圖2(a)所示,套管外界面與水泥環內界面出現不協調變形,隨著卸載強度的增大,界面拉應力大于其界面膠結強度時,套管-水泥環界面發生脫離,破壞水泥環密封完整性[24-26]。然而目前CO2封存井往往是深井且存在CO2的周期性注入,深層段當中由于地層壓力的存在導致水泥環的應力-應變與淺層段水泥環應力-應變有所區別,CO2的周期注入又會導致井筒內壓力周期性交替變化。基于此,研究深層段水泥環界面脫離失效的形成過程。

圖2 加-卸載過程中界面接觸應力發展曲線Fig.2 Development curve of interface radial stress during loading and unloading

由圖2(b)可知,隨著井深的增加,地層壓力逐漸增大(Pf> 0),在首次套管內壓加載后,即使水泥環進入了塑性狀態,在首次卸載后不會直接出現“界面應力反轉”的情況,但由于水泥環進入塑性而產生的殘余應變仍會導致卸載后套管-水泥環界面徑向應力降低,而在套管內壓多次加載-卸載后,殘余應變的累積依舊會導致“界面應力反轉”現象出現,當界面徑向拉應力大于其膠結強度時,套管-水泥環界面仍會發生界面脫離。這一結論也可由劉仍光等[14]的實驗研究結果得以證明。

3 水泥環力學性能與水泥環密封完整性關系研究

套管-水泥環發生界面脫離主要是因為水泥環在套管內壓加載過程中由于套管內壓過大而進入塑性產生塑性變形,在套管內壓卸載后產生殘余變形,從而與套管界面產生不協調變形,產生“界面應力反轉”現象,當界面拉應力大于其膠結強度時,套管-水泥環界面脫離,破壞水泥環密封完整性。即使在此時提高水泥環界面膠結強度,可以一定程度上避免界面脫離的發生,但在多次套管內壓的加-卸載作用下,水泥環殘余應變累積,“界面應力反轉”現象仍會發生,界面徑向拉應力逐漸增大并超過其膠結強度后,套管-水泥環界面仍會發生脫離。因此,水泥環一旦進入塑性,則在多次套管內壓加-卸載過程中就一定存在有發生界面脫離的風險。水泥環的屈服內壓和殘余應力決定了水泥環界面脫離能否發生以及何時發生。提高水泥環剛進入塑性時的套管內壓,即水泥環的屈服內壓,可以避免或延緩水泥環進入塑性狀態,從而從根源上防止水泥環界面密封完整性的失效;降低卸載后水泥環的殘余應力,可以延緩套管-水泥環“界面應力反轉”的發生,從而延緩甚至避免套管-水泥環界面發生脫離。

基于此,研究全井段水泥環力學性能(彈性模量和泊松比)與水泥環屈服內壓和殘余應力的關系,以通過提高水泥環屈服內壓,降低卸載后水泥環殘余應力,避免水泥環界面發生脫離,保證CO2封存井井筒的長期完整性。

3.1 水泥環力學性能與水泥環屈服內壓的關系

選擇水泥環泊松比0.1～0.3,彈性模量5～15 GPa,其他參數如表1所示,研究全井段水泥環力學性能與水泥環屈服內壓的關系,模擬結果如圖3～圖7所示。

圖3 水泥環力學性能與屈服內壓的關系(Pf=0)Fig.3 Relationship between mechanical properties of cement sheath and yield internal pressure (Pf=0)

由圖3可知,在淺層段,水泥環屈服內壓隨水泥環彈性模量的增加而急劇降低,隨水泥環泊松比的增加而緩慢增加。因此,淺層段水泥環屈服內壓對水泥環彈性模量更加敏感,降低水泥環彈性模量可以有效提高水泥環屈服內壓。隨著井深的增加(圖4～圖7),水泥環屈服內壓對水泥環泊松比的敏感程度逐漸增加,對水泥環彈性模量的敏感程度逐漸降低。同時,由圖6(a)可知,水泥環泊松比為0.1時,水泥環屈服內壓與彈性模量呈正相關,當水泥環泊松比為0.14～0.3時,水泥環屈服內壓與彈性模量呈負相關。結合圖6(b)可知,不同水泥環彈性模量下,水泥環屈服內壓與水泥環泊松比的關系曲線存在一個交點(水泥環泊松比為0.125),在該交點的水泥環泊松比下,水泥環屈服內壓基本不受水泥環彈性模量的影響,并將該交點定義為水泥環泊松比的臨界點。結合圖7可知,地層壓力為40 MPa時,水泥環泊松比臨界點為0.16,在水泥環泊松比臨界點之下,水泥環屈服內壓隨彈性模量的增加而增加,在水泥環泊松比臨界點之上,水泥環屈服內壓隨彈性模量增加而降低。

圖4 水泥環力學性能與屈服內壓的關系(Pf =10 MPa)Fig.4 Relationship between mechanical properties of cement sheath and yield internal pressure (Pf =10 MPa)

圖5 水泥環力學性能與屈服內壓的關系(Pf = 20 MPa)Fig.5 Relationship between mechanical properties of cement sheath and yield internal pressure (Pf = 20 MPa)

圖6 水泥環力學性能與屈服內壓的關系(Pf =30 MPa)Fig.6 Relationship between mechanical properties of cement sheath and yield internal pressure (Pf =30 MPa)

圖7 水泥環力學性能與屈服內壓的關系(Pf =40 MPa)Fig.7 Relationship between mechanical properties of cement sheath and yield internal pressure (Pf =40 MPa)

結合上述可知,不同井深下水泥環屈服內壓與水泥環彈性模量和泊松比的關系有所不同,水泥環泊松比臨界點也有所不同。淺層段降低水泥環彈性模量可提高水泥環密封完整性;深層段則更需要調節水泥環泊松比,以避免水泥環泊松比在臨界點及其附近,再調節水泥環彈性模量以提高屈服內壓,從而提高水泥環密封完整性。因此,水泥環密封完整性與水泥環力學參數密切相關,水泥環彈性模量和泊松比之間相互影響,其合理匹配可顯著提高水泥環密封完整性。

3.2 水泥環力學性能與殘余應力的關系

在進行注氣作業時,當套管內壓過大,無法避免水泥環進入塑性狀態,此時應盡量降低卸載后水泥環殘余應力,以避免或延緩水泥環界面發生脫離。基于此,選擇水泥環泊松比0.1～0.3,彈性模量5～15 GPa,其他參數如表1所示,研究全井段水泥環力學性能與卸載后水泥環的殘余應力的關系,模擬結果如圖8～圖12所示。

圖8 水泥環力學性能與殘余應力的關系(Pf =0)Fig.8 Relationship between mechanical properties of cement sheath and residual stress (Pf =0)

由圖8可知,淺層段低彈性模量水泥環可以有效降低卸載后水泥環的殘余應力,而水泥環泊松比的改變對卸載后水泥環的殘余應力幾乎沒有影響。隨著井深增加(圖9～圖12),卸載后水泥環的殘余應力對水泥環彈性模量的敏感度逐漸降低,對水泥環泊松比的敏感度逐漸增加,均呈現殘余應力隨水泥環彈性模量的增加而增加,隨水泥環泊松比的增加而降低。綜合上述可知,整體上,低彈性模量和高泊松比的水泥環有助于降低卸載后水泥環的殘余應力,延緩水泥環界面發生脫離。

圖9 水泥環力學性能與殘余應力的關系(Pf =10 MPa)Fig.9 Relationship between mechanical properties of cement sheath and residual stress (Pf =10 MPa)

圖10 水泥環力學性能與殘余應力的關系(Pf = 20 MPa)Fig.10 Relationship between mechanical properties of cement sheath and residual stress (Pf = 20 MPa)

圖11 水泥環力學性能與殘余應力的關系(Pf =30 MPa)Fig.11 Relationship between mechanical properties of cement sheath and residual stress (Pf =30 MPa)

圖12 水泥環力學性能與殘余應力的關系(Pf =40 MPa)Fig.12 Relationship between mechanical properties of cement sheath and residual stress (Pf =40 MPa)

因此,在預防水泥環界面脫離方面,應優先提高水泥環的屈服內壓,以防止水泥環進入塑性狀態。在不同井深下,水泥環彈性模量和泊松比與水泥環屈服內壓和殘余應力的關系有所不同,水泥環彈性模量和泊松比的合理匹配可以顯著提高水泥環屈服內壓,降低水泥環殘余應力,保證水泥環的密封完整性。

4 結論

(1)基于已建立的水泥環組合體彈塑性模型對交變壓力下水泥環完整性進行模擬分析,探討全井段界面密封完整性失效機理。結果表明,“界面應力發轉”是導致水泥環密封完整性失效的直接因素;無論是在淺層段還是深層段,水泥環一旦進入塑性,在多次交變內壓的作用下,就有發生“界面應力反轉”的風險,從而導致界面發生脫離。

(2)提高水泥環屈服內壓可以避免水泥環產生塑性變形從而避免“界面應力反轉”的發生。結果表明,在淺層段和深層段,水泥環泊松比和彈性模量與水泥環屈服內壓的關系有所差別,水泥環泊松比和彈性模量兩者之間存在相互影響,通過合理調整水泥環泊松比和彈性模量可顯著提高水泥環屈服內壓,防止“界面應力反轉”的發生,保證CO2封存井井筒的長期完整性。

(3)研究了不同井深下水泥環力學性能與卸載后水泥環殘余應力的關系。結果表明,低彈性模量和高泊松比水泥環可以降低卸載后水泥環殘余應力,從而延緩“界面應力反轉”現象的發生,提高CO2封存井井筒的長期完整性。

(4)水泥環密封完整性與水泥環彈性模量和泊松比息息相關,而不同的井深條件下,水泥環彈性模量和泊松比對水泥環密封完整性的影響程度有所不同,水泥環彈性模量和泊松比之間的合理匹配可以顯著提高水泥環密封完整性。