射孔水泥环损伤评价及压裂裂缝扩展规律

2021-08-16张晓诚李进韩耀图张启龙刘鹏

钻井液与完井液 2021年2期

张晓诚，李进，韩耀图，张启龙，刘鹏

（1.海洋石油高效开发国家重点实验室，天津 300459；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

水泥环完整性直接影响着油气井的正常生产和井筒安全[1-3]。对需要射孔完井的套管井而言，聚能射孔弹爆炸冲击瞬间会对固井水泥环造成损伤和破坏，从而影响水泥环完整性[4-5]。尤其是对于需要压裂充填完井或水力压裂增产的油气井，对射孔后水泥环完整性要求更高[6-7]。目前，国内外学者针对套管受射孔作业的损伤破坏研究较多[8-10]，缺乏对水泥环完整性受射孔损伤破坏的研究，对射孔后的水泥环在压裂作业过程中的破坏方式及裂缝扩展规律缺乏认识，对于薄、差油层而言更为突出。同时，厚壁圆筒理论是目前用于水泥环完整性研究的主要理论和手段[11-12]，但该研究手段不适用于射孔爆炸冲击对水泥环完整性的破坏影响研究，主要原因在于厚壁圆筒理论模型无法刻画聚能射孔爆炸冲击过程[13-14]，不同于常规静力学加载过程。因此，为了满足射孔井压裂充填或水力压裂作业对水泥环完整性的要求，亟需开展射孔水泥环损伤评价及压裂裂缝扩展规律研究[15-19]。

1 射孔水泥环完整性损伤实验

1.1 实验装置与方案

采用如图1 所示超高温高压射孔实验容器和射孔实验靶开展射孔实验，该实验容器可满足240 ℃、80 MPa 的环境模拟，射孔实验容器升温速度为0.5℃/min。采用φ150 mm×750 mm 砂岩靶模拟地层岩石，采用和套管同钢级、同厚度的钢板模拟套管，实验靶装配时从上到下依次为射孔弹、钢板、水泥环、砂岩靶，实验过程中采用P-T 测试仪器测实验靶温度和压力曲线。

图1 超高温高压射孔实验容器（左）和射孔实验靶装配图（右）

采用渤海油田常用水泥浆体系（密度为1.90 g/cm3、1.50 g/cm3），射孔弹选用大孔径射孔弹（型号为SDP40RDX23-1）和深穿透射孔弹（型号为GH40RDX27-3）进行实验，方案如表1 所示。实验用水泥浆体系的制备参照国标GB/T 19139—2012《油井水泥实验方法》进行制备，实验砂岩靶参照API 19B 制作，水泥环和砂岩靶的力学性能如表2 所示。

表1 射孔打靶实验方案

表2 实验砂岩靶和水泥环力学性能

1.2 结果与讨论

每组实验结束后，将被射孔弹损伤破坏的水泥环取出，用Nano Voxel4000 系列X 射线三维显微镜对射孔后的水泥环进行CT 扫描成像，见图2。可知，通过观察水泥环的裂缝形态、破坏样式等，结合射孔弹类型、水泥浆密度和水泥环厚度分析，得如下结论：①水泥环越薄（1#、2#、5#），射孔冲击作用下越容易产生初始裂纹，发生损伤破坏；②常规密度水泥环（5#、6#、7#、8#）抗冲击韧性较低密度水泥环（1#、2#、3#、4#）更好，在射孔冲击作用下更不容易损伤破坏，完整性更好；③大孔径射孔弹（1#、2#、5#、6#）的使用，水泥环损伤程度更严重，水泥环呈现大裂纹、多裂纹的形态。

图2 射孔水泥靶CT 扫描成像结果

2 射孔水泥环损伤量化评价技术

由于实弹射孔打靶实验受到实验条件、射孔弹管控等因素的限制，能开展的实弹射孔打靶实验有限，须借助数值仿真的手段，开展射孔水泥环损伤破坏机理及规律研究，建立形成射孔水泥环损伤量化评价技术。

2.1 射孔水泥环损伤数值模拟

以射孔过程水泥环损伤实验所用砂岩靶、水泥环和模拟套管力学参数为基础，建立套管—水泥环—地层数值模型和水泥环损伤数值模型，如图3所示。结合实弹射孔打靶实验中采集到的聚能射孔爆炸冲击载荷，分析射孔冲击对水泥环的损伤，并与实验结果对比，验证数值模型的有效性。

图3 套管-水泥环-地层数值模型（左）和水泥环损伤分析数值模型（右）

将图3 所示套管-水泥环-地层数值模型和射流模型相结合，对水泥环损伤分析数值模型进行网格划分，施加实验压力计测试得到的射孔动态冲击载荷，分析射孔炮轰过程中水泥环的损伤情况，并与实验后水泥环CT 扫描成像结果进行对比，结果如图4 所示。

图4 水泥环损伤数值模拟结果

可知，数值分析和实验结果基本一致，所建立水泥环损伤数值模型能很好地反映水泥环损伤情况和裂纹扩展情况。两者唯一的区别在于数值仿真模型采用的均质水泥环模型，而实际上水泥环为非均质体，所以仿真模拟裂纹无法实现裂纹转向的模拟，但不影响对水泥环的破坏损伤程度的评价。

分析认为，水泥环在射孔作用下的损伤破坏主要以剪切压实损伤为主，受射孔弹类型、射孔参数、水泥密度、厚度及力学性质的综合影响，结构损伤破坏形式主要分为2 类：①在射孔孔眼局部因高应变率产生的塑性破坏和损伤，裂纹形态以细裂纹发育为主；②在射孔孔眼周围产生径向宏观裂纹，其分布形式和数量具有随机性。此外，常规密度水泥环主要以射孔孔眼附件局部区域的细密裂纹为主，低密度水泥环更容易产生宏观径向裂纹。

2.2 射孔水泥环损伤评价模型

射孔爆轰波为高应变率载荷，在射孔冲击作用下无需考虑水泥石弹性破坏，主要考虑塑性破坏，同时冲击载荷作用局部范围内往往是高压区、偏应力很小，因此水泥石以剪切压实损伤为主。类比岩石和混凝土材料，水泥石损伤演化主要由累计塑性应变率˙P 控制[15-17]，其表达式见式（1）。

稳定损伤过程中的损伤能量释放的表达式如式（4）所示。

式中，YII为稳定损伤过程中的损伤能量释放率，MPa；E 为弹性模量，MPa；µ为泊松比，无量纲；σm为平均应力，MPa；σeq为切向应力，MPa。

由实验确定的发生断裂时对应的损伤能量释放率如式（5）所示。

式中，YIIc为断裂时的损伤能量释放率，MPa；σb为断裂时的应力，MPa。

脆性损伤由于无可测量的累计塑性应变，通常假设损伤不稳定判据和断裂（失效）判据相同：

2.3 射孔水泥环损伤程度评价

结合射孔实验结论和水泥环损伤数值模拟结果，可采用累计塑性应变率和偏应力作为评价水泥石射孔冲击损伤的关键指标，采用数值模拟获得射孔水泥环的累计塑性应变率和最大偏应力数值，同时通过室内实验获取水泥环的塑性应变极限和偏应力极限，通过对比二者大小评价水泥环的损伤情况。

1）若水泥环偏向应力小于极限值，且累计塑性应变小于极限值，则水泥环不会发生损伤破坏。

2）若水泥环偏向应力大于极限值，而累计塑性应变小于极限值，则水泥环不会发生损伤破坏，但是处于危险状态。

3）若水泥环偏向应力大于极限值，且累计塑性应变大于极限值，则水泥环发生损伤破坏。

结合上述水泥环损伤程度评价方法，对实弹射孔打靶的8 个水泥环进行评价，如表3 所示。由表3 可以看出，水泥环损伤评价结果和实际实验结果十分吻合，说明该射孔水泥环损伤程度评价方法能有效评价射孔冲击对水泥环的破坏影响。

表3 射孔水泥环损伤评价结果

3 射孔水泥环压裂裂缝扩展规律研究

3.1 水泥环压裂扩展分析模型

基于流固耦合理论和压裂裂缝扩展力学模型，结合泊肃叶定律、流体连续性方程和边界条件，借助有限元数值仿真软件[18-19]，建立非均值特性水泥环压裂裂缝延展分析数值模型，如图5 所示。由图5 可知看出，模拟渤海油田177.8 mm 尾管固井压裂情况，模拟套管弹性模型210 GPa、泊松比0.25，取射孔相位60°/12°、射孔孔密12 孔/米、水泥环弹性模量为40 GPa、泊松比0.22，模型长度为500 mm。采用如图5 所示分析模型，分析在实弹射孔打靶水泥环损伤初始裂纹条件下，压裂过程中的水泥环裂纹扩展和延伸规律。

图5 水泥环压裂裂缝扩展分析数值模型

由实弹射孔打靶实验结论可知，射孔后,水泥环初始裂纹呈4 种状态：射孔孔眼周围无明显裂缝、射孔孔眼有环向主裂缝、射孔孔眼有纵向主裂缝、射孔孔眼周围有分布较集中的细小裂缝。

3.2 压裂水泥环裂缝扩展规律

采用如图5 所示数值分析模型，针对4 种射孔水泥环初始裂纹状态，依次仿真分析水压10 MPa、30 和50 MPa 下的水泥裂裂缝长度、裂缝延展、裂缝转向等规律及情况，如表4 所示。由表4 可知，射孔后的水泥环初始裂纹状态直接决定压裂过程中水泥环的损伤破坏情况和程度，因此要保障压裂过程中的水泥环完整性，首先需要降低射孔对水泥环的损伤，让射孔水泥环孔眼周围保持无明显裂缝的状态。通过上述4 种射孔水泥环初始裂纹状态下的压裂水泥环裂缝扩展规律分析，得如下结论：水泥环孔眼周围初始裂缝诱导作用很明显，压裂过程中的水泥环裂缝先按照初始裂缝路径延展；水泥环裂缝延展以纵向延展为主；受水泥环应力状态、裂缝干扰的作用，横向初始裂缝延展过程中会发生转向，且相邻裂缝会汇聚成一条主裂缝；受水泥环材质非均匀性、固井质量、射孔曝轰载荷等因素影响，水泥环裂缝具有明显非均匀性，造成裂缝延展的路径比较复杂。