保壓候凝對頁巖氣井固井質量的影響及機理分析

譚元銘，曾夏茂，何鑫，岳欣，方仲旗

中國石化西南石油工程有限公司固井分公司（四川德陽 618000）

0 引言

井筒完整性是貫穿頁巖氣水平井鉆完井和壓裂改造的一個核心指標，影響著頁巖氣井開采全壽命周期[1]。頁巖氣固井時套管自身內外壓差可達50 MPa 以上，鄰井進行體積壓裂時所引發(fā)的地層壓力傳導甚至可以致使管內外壓差達到100 MPa 以上。為保障井筒完整性，預防巨大壓差誘發(fā)的套變，現階段主要采取保壓候凝的方式應對這項難題。此措施雖然對減少套變具有幫助，但經過保壓候凝的頁巖氣井，固井聲幅質量在某一垂深附近存在明顯分界現象，分界點以上井段聲幅值高，固井膠結質量較差，存在微間隙；分界點以下井段聲幅值低，固井膠結質量優(yōu)。

國內外大量研究結果表明，固井界面微間隙是造成環(huán)空帶壓及竄流的主要原因之一[2-5]。有研究表明[6-8]，當微間隙超過0.01 mm，高壓氣井就可能形成氣竄通道，輕則環(huán)空帶壓和層間竄流，增加井口檢測與放壓成本、產量降低；嚴重時需要關井，甚至導致井組報廢，對油氣井完整性造成極大傷害。

因此，通過對中石化WY 區(qū)塊頁巖氣井固井情況調研，分析保壓候凝措施對固井質量影響的規(guī)律特征，并結合有關理論研究分析其傷害機理。

1 保壓候凝對固井質量的影響

WY 區(qū)塊頁巖氣是中石化重點部署的頁巖氣產區(qū)，該區(qū)塊開發(fā)所使用的井身結構如圖1 所示。采用三開制井身結構，表層套管使用Φ339.7 mm 套管封沙溪廟組中部；技術套管下入Φ244.5 mm 套管中完于石牛欄組頂部；油層套管使用Φ139.7 mm 套管封固龍馬溪組底部優(yōu)質頁巖段。

圖1 WY區(qū)塊頁巖氣常見井身結構圖

統(tǒng)計分析WY27 平臺、WY28 平臺采取管內保壓候凝措施后，最終的固井質量情況見表1。其中，WY27 平臺有6 口井采取保壓候凝措施，1 口井未保壓候凝；WY28 平臺有9 口井采取保壓候凝措施，1 口井未保壓候凝。體積壓裂改造后，WY27 和WY28 平臺共有5 口井出現油層套管環(huán)空帶壓的情況。

表1 WY27平臺和WY28平臺保壓候凝后的油層套管固井質量

WY27 平臺和WY28 平臺均采用圖1 所示井身結構，A 靶點在4 080±20 m 附近（最大垂深3 800±20 m），水平段段長約1 500～1 600 m。其中，Φ139.7×10.54 mm 套管下深約3 230～3 320 m（垂深約3 215～3 302 m），Φ139.7×12.7 mm 套管下深約5 400～5 600 m（垂深約為3 800±20 m），裸眼平均擴大率約在4%～6%；上層套管Φ244.5×11.05 mm套管下深約2 200 m，Φ244.5×10.03 mm套管下深約3 330～3 420 m。

從表1中可以看出，采取保壓候凝措施的井，固井質量在井深3 800 m 附近存在分界，即3 800 m 以上直井段、定向段固井質量以中、差為主，除WY27-3HF/-4HF，WY28-6HF/-7HF外，剩余井的對應井段固井不合格率全部超過50%；3 800 m 以下井段固井質量以優(yōu)為主，除WY28-10HF 井外，其余井的對應井段固井質量優(yōu)質率均在70%以上；優(yōu)中率則更高，均在90%以上。

WY27-3HF、WY28-6HF 由于沒有采取保壓候凝，3 800 m 以上井段的優(yōu)中率分別為80.1%和82.9%，優(yōu)質率分別為51.1%和42.9%；相比采取保壓候凝措施的井，固井質量明顯高出許多。同時，WY27-4HF 和WY28-7HF 保壓值只有20 MPa，3 800 m 以上井段固井質量優(yōu)中率均超過73%，相比保壓50 MPa 候凝的井，遠高于其28.2%的平均優(yōu)中率，說明保壓值高，不利于該井段的固井質量。

通過比較還可以發(fā)現，保壓過程套管內壓力反復變化也會導致固井質量變差。WY27-7HF/-8HF兩口井先是保壓20 MPa,持續(xù)43 d，后加壓至50 MPa后再分別保壓54 d 和58 d，3 800 m 以上井段不合格率分別為86.8%和91.5%。而WY27-1HF/-2HF 則采取連續(xù)保壓（50 MPa）63 d 和69 d，3 800 m 以上井段不合格率分別為51.1%和67.5%，說明候凝期間，套管內的壓力再次變化會破壞原來的套管-水泥環(huán)膠結界面的質量。

除此之外，通過比對聲幅-變密度測井曲線，發(fā)現具有圖2、圖3 中的分界特征。3 800 m 以上井段聲幅曲線位置偏高，幅值主要集中在30%～60%；變密度測井曲線可見清晰明暗相間的套管波，不見明顯的地層波，說明該井段套管-水泥環(huán)的聲耦合不佳，影響了第二界面的聲波傳播，是典型的固井第一界面存在微間隙的聲學特征。

圖2 3 800 m以上井段部分聲幅-變密度測井曲線

圖3 3 800 m以下井段部分聲幅-變密度測井曲線

綜上所述可知，采取保壓候凝措施的井，管內壓力釋放后，部分井段在套管-水泥環(huán)之間（固井第一界面）會產生微間隙，影響測井聲波耦合，導致固井膠結質量出現明顯質量分界。在體積壓裂后，重疊段、定向段也更容易通過微間隙形成氣竄通道，從而引起后期油層套管環(huán)空帶壓的狀況。

2 保壓候凝引起的套管-水泥環(huán)間隙計算

為了方便研究管內保壓候凝到泄壓后形成微間隙的趨勢情況，將套管-水泥環(huán)系統(tǒng)受力情況簡化為彈性模型[9-11]，即套管、水泥環(huán)在泄壓后均發(fā)生彈性變形，加載壓力釋放后，套管-水泥環(huán)和水泥環(huán)-地層的界面是位移連續(xù)的。

2.1 套管-水泥環(huán)力學模型

根據彈性力學厚壁筒理論，套管-水泥環(huán)在地層中受到均勻載荷可以轉換為平面應力模型[12-14]（圖4），利用界面上徑向變形相等的連續(xù)條件推導出套管和水泥環(huán)界面處的作用力P1和套管內壓P0、圍巖壓力P2之間的關系，其表達式見式（1）。

圖4 均勻水泥環(huán)受均勻載荷模型

其中：

式中：R0為套管內半徑，mm；r1為套管外半徑，mm；r2為水泥環(huán)外半徑，mm；Es、Ec分別為套管的彈性模量和水泥環(huán)的彈性模量GPa；μs、μc分別為套管泊松比和水泥環(huán)泊松比。

微間隙：

其中，泄壓后套管收縮的徑向位移量

圍壓導致水泥環(huán)變形

2.2 套管-水泥環(huán)微間隙計算

水泥石的泊松比變化一般為0.2～0.26，模型中水泥環(huán)的泊松比設定為常量，取值0.23；套管的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.30。領漿采用膨脹防氣竄水泥漿，彈性模量取值15 GPa，尾漿為加砂彈韌性防氣竄水泥漿，彈性模量取值6 GPa。重疊段由于有上層套管保護，圍壓較小；裸眼段為巖石，圍壓隨著深度增加[15-17]。以WY27 平臺、WY28 平臺井身結構計算，井眼直徑222.4 mm/228.85 mm，套管外徑139.7 mm，壁厚10.54 mm/12.70 mm，重疊段圍壓設置為0～10 MPa，裸眼段圍壓設置為12～18 MPa，保壓50 MPa候凝。保壓候凝套管-水泥環(huán)間隙模擬計算結果見表2。

表2 保壓候凝套管-水泥環(huán)間隙模擬計算

不難看出，從管內保壓候凝至泄壓后，隨著垂深的增加，由于圍壓與管內壓力共同作用，套管-水泥環(huán)之間的間隙先增大后減小。當垂深到達一定深度時，由于圍壓作用導致的水泥環(huán)徑向的形變量大于內壓變化引起的套管收縮量，微間隙大小表現為負值，這表明水泥環(huán)在套管和地層之間被壓實。由于套管、水泥環(huán)、地層巖石三者的密度差異要比環(huán)空中的液體密度差異更小，因此更有利于聲波在三者之間的傳導，也有利于固井質量檢測。

3 理論模擬計算與實際現象對比分析

為了更清晰地比對理論計算的微間隙與測井聲幅值之間的關系，以WY28-1HF 和WY27-2HF 這兩口井的固井結果為例，統(tǒng)計測井聲幅值，并以折線圖形式反映其整體變化趨勢，與理論計算的微間隙大小進行關系比較，如圖5所示。

圖5 理論計算微間隙與實際聲幅值的關系

由圖5 可以看出，井深在3 800 m 以后聲幅值出現明顯降低，幾乎全部都在20%以內，以10%左右聲幅值為主；微間隙計算值也由正值變?yōu)樨撝怠?/p>

通過比較兩個平臺所有測井聲幅-變密度曲線，發(fā)現采取了保壓候凝措施的井具有圖2、圖3 和圖5 的趨勢特征，即表現出4 100 m 以下井段固井質量整體較好，無明顯劇烈波動，甚至呈現全段優(yōu)質（聲幅值10%以內）的情況；3 700 m 以上井段，特別是重疊段間隙明顯，聲幅值很高；3 700～4 100 m 聲幅值則以由低轉高過渡狀態(tài)或突變狀態(tài)為主，變密度曲線可見清晰的套管波、地層波，并伴有部分套管波缺失。

原因就是采取保壓候凝措施，當管內泄壓后套管發(fā)生彈性收縮，由于重疊段受上層套管保護，圍壓較小，水泥漿環(huán)的彈性形變量彌補不了套管-水泥環(huán)的微間隙大小；并且重疊段所使用水泥漿為非彈性體系，水泥環(huán)實際在井下高溫、高壓條件下發(fā)生的是塑性變形而不是假想的彈性變形。因此水泥石與套管之間的間隙只會比模擬計算的更大，對固井質量的影響更顯著。水平段則因為受到的圍壓大，固井界面被壓得更緊實，并且尾漿使用的水泥漿體系是彈性水泥漿體系，使得水平段的水泥環(huán)具有更好的彈韌性，不易破損，反而起到利于聲波傳播和防氣竄的效果。

在高壓氣井中，當微間隙小于0.01 mm 時，對油氣水等液體而言，不足以形成液體通道造成油氣水竄，但能夠使聲幅波的聲耦合率大大降低，使聲幅值增高、聲幅值失真[18-19]。WY27 平臺和WY28 平臺油氣顯示井段均在3 600 m 以下，對應井段固井質量受保壓候凝措施影響小。微間隙井段集中在3 800 m 以上井段，即使重疊段存在氣竄通道，由于分界點以下形成的微間隙小，且水平段候凝期間固井界面被壓實，膠結質量格外好，因此保壓結束后未出現氣竄的情況。但是在經過同平臺和鄰井平臺體積壓裂改造后，水平段的水泥環(huán)逐步被破壞，重疊段、裸眼段的環(huán)空逐漸連通，間隙逐漸增大，因此出現了油層套管環(huán)空帶壓的現象。

4 結論與建議

通過對中石化WY 區(qū)塊兩個平臺保壓候凝后固井質量情況的調研分析和微間隙模型計算，發(fā)現為了預防套變所采取的保壓候凝措施會限制預應力固井技術在促進固井界面膠結方面的作用，不利于重疊段固井質量的提高，給后期井口防竄帶來隱患。因此，在套管滿足抗外擠條件下，不建議候凝期間采取管內保壓措施。

如果必須采取保壓候凝措施，建議可采用以下措施減小質量損失：

1）在固井液方面，可采取低彈性模量的彈性水泥漿體系、自愈合水泥漿體系、強膠結樹脂水泥漿體系進行防范或補救。通過改善水泥石與套管界面的膠結質量，減小保壓候凝措施產生的微間隙大小。

2）在固井工藝方面，可通過控制保壓值大小（不大于采氣時的井口最小壓力)，降低保壓所產生的微間隙影響，亦或者在重疊段關鍵位置使用遇烴遇水自膨脹管外封隔器封堵氣竄通道。