水平井固井质量对套管变形影响分析*

2023-10-17王雪刚吴彦先李世平庹钰恒林铁军

石油机械 2023年10期

王雪刚吴彦先李世平庹钰恒于浩林铁军

(1.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院 2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室)

0 引言

水力压裂作为提高油气采收率的重要手段之一，已经被世界各国广泛使用，形成了一种“逢井必压”的局面。然而各大油气田在水力压裂作业过程中，频繁报道套管变形失效的事故。套管的变形失效可能造成后续下入工具遇卡，甚至导致油气井丢段，严重威胁着钻井的进行和整个油气井的正常生产作业。不少学者针对套管变形失效问题进行了研究[1-5]，且有学者在近年提出，固井质量不佳是套管变形失效的主要原因之一。

一方面，深层水平井井下环境较为复杂，地层应力水平较高且各向异性较强；另一方面，水力压裂作业会导致井筒交变载荷、地层中的应力场扰动、温度急剧变化等复杂工况，进一步加剧井筒力学环境的恶劣程度。在多种因素的作用下，固井水泥环可能出现被破坏的情况。ZHAO C.J.等[6]认为水泥环在压裂过程中的高内压以及温度剧烈变化作用下可能发生弹性破坏。ZENG J.等[7]对套管施加持续的压力载荷，得到水泥环复合材料的渗透率与压力的关系，并用其渗透率表示了水泥环密封破坏的程度。WEI S.M.等[8]认为注入压裂液的孔眼周围的固井段水泥环的完整性容易受到破坏，因此建立了流固耦合的数值模拟，研究了压裂施工参数对水泥环破坏的影响，并证明了套管与水泥环界面处的破坏以径向脱黏为主。通过对水泥在三轴循环应力载荷加载，ZHOU S.M.等[9]和杨广国等[10]发现，每次卸载后的水泥中会残留部分应变，并且随循环加载次数增多累积的残余应变随之增多，最终由于水泥的塑性变形不能完全恢复，而造成套管与水泥环接触界面发生胶结破坏。刘奎等[11]认为地层岩石的差异性导致套管水泥环破坏方式的不同，并发现交变载荷作用下水泥环的残余应变会使套管与水泥环胶结界面径向压应力降低甚至变为拉应力，从而发生脱黏形成微间隙。蒋记伟等[12]运用黏聚单元的方法模拟了直井中套管与水泥环之间界面裂缝剥离的过程，并研究了地应力对裂缝损伤演化过程的影响。A.V.VALOV等[13]利用完全耦合的线性热-孔隙-弹性模型，描述了流体压力和非均匀地质应力对套管的力学挤压，以及套管相对于储层温度的加热或冷却对井筒水泥环失效的影响。

固井质量差可能导致水泥环对套管的承载能力具有很明显的影响。宋明、蒋可和于浩等[14-16]运用地层-水泥环-套管力学耦合模型，研究了固井质量差导致套管变形失效的机理。DENG K.H.等[17]采用半解析法导出了应力和位移方程，并根据不同的接触状态得到了套管与水泥环界面处出现脱黏之后的套管应力情况。麦洋等[18]针对大型水力压裂工况下的页岩气水平井开展了水泥环缺失和偏心对套管损坏影响的研究，并发现水泥环缺失会在套管产生较大的应力集中，水泥环偏心距越大，套管上的应力越大。范明涛等[19]运用温度压力耦合模型，分析了不同注液温度时，套管偏心以及水泥环缺失对套管应力的影响。李皋等[20]考虑了页岩的膨胀应变，研究了固井质量与套管变形之间的关系。结果表明，水泥环的缺失或微间隙可以为页岩的膨胀提供空间，在一定程度上降低套管应力。

综上可知，目前的研究多集中于水泥环破坏及其对套管变形损坏影响的机理性探究，缺少由于固井质量不佳对于套管应力和强度影响的规律性评价与认识，无法有效对固井质量问题诱发的套管变形损坏情况提出针对性的预防和治理措施。为此，本文针对深井X-1h井中出现的套管变形损坏问题，对比分析了压裂段固井质量与套损位置关系，基于现场数据，建立了套管-水泥环-地层力学耦合模型，分析了套管-水泥环界面胶结失效后形成微间隙的大小、水泥环破坏后的缺失角度以及水泥环缺失方位对套管应力和变形失效的影响。研究结果可为现场固井作业施工提供一定的指导。

1 固井质量问题分析

现场数据显示，X-1h井所在井区共压裂施工10口井，其中7口井出现了套管变形的现象。X-1h井井下出现了工具遇卡的情况，通过洗井放喷等措施后仍无法解卡，后从薄弱点拉断，造成了严重的损失，可见套管变形情况较为严重。

图1为X-1h井部分声幅测井图。由图1可知，遇卡点位于测深4 723～4 740 m，垂深3 592 m的水平段。测试显示该段套管-水泥环界面胶结情况不佳。可以初步推测此处的套管变形损坏可能与固井质量有关。

图1 X-1h井部分声幅测井图Fig.1 Partial acoustic amplitude log of Well X-1h

固井水泥石是一种类岩石的脆性材料[21]，在固井质量差、井下应力场以及压裂工况的共同作用下，水泥环可能出现破坏。水泥环破坏的常见形式有：套管-水泥环界面胶结失效而脱黏形成微间隙；固井作业时，水泥浆替液不充分不完全可能导致第一环空内流体腔的存在，使得水泥环缺失；水泥环受井周应力场作用而被挤毁，形成部分水泥环的缺失。如图2所示。

图2 水泥环破坏的常见形式Fig.2 Common form of cement sheath failure

2 水平段套管-水泥环-地层力学耦合模型建立

X-1h井水平段长1 601 m，油层套管的变形位置采用BG125V钢级ø127.0 mm×11.1 mm的套管固井完井。依据完井管柱井身结构，建立地应力作用下的水平段套管-水泥环-地层力学耦合模型。由于套管和水泥环径向尺寸远小于轴向尺寸，依据弹塑性力学理论，可以将模型简化为平面应变问题进行求解。套管、水泥环及地层材料参数如表1所示。现场测井数据显示，该储层地应力水平较高，套变位置垂向地应力为90 MPa，水平最小地应力为65 MPa，通过边界远场地应力的方式加载，施加35 MPa套管内静水压力。模型载荷施加情况如图3所示。

表1 材料属性参数Table 1 Material property parameters

图3 井身结构与模型载荷施加示意图Fig.3 Schematic diagram for well profile and model load application

形成的水平段套管-水泥环-地层力学耦合简化模型如图4所示，为提高计算精确性，对套管和水泥环位置的网格进行了加密处理。模型采用CPE4 Plane Strain单元类型。

图4 模型建立与网格划分Fig.4 Modelling and grid division

考虑套管-水泥环界面胶结失效脱黏形成的微间隙时，由ABAQUS中的ALE Adaptive Mesh(自适应网格)功能在无应力状态下控制水泥环形态，动态表征套管与水泥环之间微间隙的大小。考虑水泥环部分缺失时，通过取出部分模型来实现不同缺失角度和缺失方位的控制，如图5所示。图5中：θ为水泥环缺失角度，其值代表固井质量差时水泥环缺失或水泥环在井下环境受到破坏后缺失的角度的大小；α为水泥环缺失方位角，其值为缺失位置中心与垂直方向的夹角，它代表水泥环缺失的具体位置。

3 固井质量差对套管应力的影响

3.1 套管-水泥环微间隙的影响

水泥环与套管在井下受到各种载荷、温度以及流体的作用。一方面注入流体进入水泥环与套管之间胶结面，降低其胶结强度；另一方面，套管与水泥环的材料属性决定了其膨胀收缩性能不同。图6为水泥环与套管胶结失效原理。由图6可知，当井筒内压较大时，套管与水泥环同时发生向外的膨胀，而当卸载之后，套管钢材能够弹性收缩，而水泥环材料脆性强，可能出现塑性变形而无法收缩至原始尺寸，进而在套管-水泥环之间形成微间隙。这种微间隙可能会使套管失去水泥环的保护作用，放大井筒内压以及地应力对于套管应力的影响，在极端工况下容易发生套管变形失效[22]。

套管-水泥环界面微间隙形成之后，水泥环在地应力的作用下被推向套管，环空流体压力作用于套管之上[23]。同时套管内壁还受到来自井筒内部的流体压力，使得套管受到地应力、环空流体压力以及套管内压共同作用的局部载荷。由于地应力载荷非均匀且多种载荷耦合作用的解析计算较为复杂，所以借助于有限元模拟的方法进行计算求解。

为研究套管-水泥环间微间隙对套管应力的影响，本文通过自适应网格控制微间隙大小为0～0.5 mm，提取出地应力场作用下35 MPa井筒内压时的套管应力分布，如图7所示。

由图7可以看出，当微间隙小于0.3 mm时，套管上最大Mises应力均出现于与最小主应力作用一致的方向上的套管内壁；当微间隙大于0.3 mm时，套管最大Mises应力出现于最大主应力方向的套管内壁；当水泥环与套管之间胶结未失效，即不存在微间隙的时候，套管上应力水平最高，最大Mises应力为364.64 MPa。而随微间隙增大，套管上的应力水平出现了先降低后增大的趋势。这是由于微间隙较小时，来自地层的非均匀地应力载荷无法有效的传递到套管上，套管更多受到的是来自于环空流体压力的均匀载荷。而较大微间隙会使得套管拥有足够的空间受井筒内压作用发生鼓胀再与水泥环接触，所以套管应力水平有所升高且最大应力位置发生改变。然而总体应力水平低于BG125V套管钢材的最小屈服强度862 MPa，因此套管-水泥环界面的微间隙不是原始地应力作用下套管变形失效的主要原因。

在水平井多级压裂作业时，为了提高压裂缝网的复杂程度，提高产量，高压力大排量的压裂工艺必不可少。多级压裂过程中压裂液反复加压，井筒内压反复变化。为了研究井筒内压变化和套管-水泥环界面微间隙共同作用时套管的应力响应，在有限元模型中控制套管内压在35～100 MPa之间变化，并获取了不同井筒内压工况下，套管上最大Mises应力随微间隙大小的变化曲线，如图8所示。

图8 套管应力随界面微间隙变化关系曲线Fig.8 Variation of casing stress with interface microgap

由图8可知，不同井筒内压工况下，套管最大Mises应力都随微间隙增大先减小后增大。减小阶段，套管主要受到地应力和环空流体压力的作用。上升阶段，套管主要受井筒内压的作用。井筒内压越大，上升阶段越提前，当井筒压力达到100 MPa时，甚至没有下降阶段。不论微间隙的大小，井筒内压都是套管所受的主要作用力。当井筒内压为100 MPa，微间隙大小为0.50 mm时，套管应力集中位置的最大Mises应力达到了632.33 MPa，虽然没有达到套管材料的最小屈服强度，但在多级压裂的反复加压施压过程中，套管钢材可能出现疲劳损伤失效的问题。因此固井作业时保障良好的固井质量，使套管-水泥环界面胶结强度更高，是避免套管出现变形失效的重要操作。

3.2 水泥环缺失角度的影响

水泥环缺失的程度通过水泥环缺失角度表示。存在缺失的水泥环在地应力的非均匀作用下会出现周向上向缺口挤拢的趋势，使水泥环出现非均匀的变形，如图9所示。图9a为缺失水泥环的接触压力矢量云图，可以看出水泥环受载的非均匀性；图9b为水泥环的位移矢量云图，可以看出其变形的非均匀性。水泥环这种非均匀的受挤压变形会使套管受到极强的局部载荷[24]，在很大程度上提高套管外载荷的非均匀性，增大套管在外挤作用下的变形失效风险。

图9 带缺失水泥环的受载与变形矢量云图Fig.9 Vector cloud chart for load and deformation of cement sheath with missing angle

缺失角度的不同会使水泥环非均匀变形的情况不同，进而导致套管应力出现差异。因此，通过有限元方法，控制水泥环缺失方位角α为90°，改变缺失角度为0°～75°，提取出了套管内壁周向上的Mises应力分布，如图10所示。由图10可以看出，水泥环缺失位置的应力出现了明显的应力集中，且随着缺失角度的增大，应力集中现象先增大而再小幅减小。当缺失角度为45°时，应力集中现象最为明显。此规律出现的原因是当缺失角度较小时，套管所受载荷的非均匀性随缺失角度的增大而增大；而当缺失角度较大后，水泥环不能完全传递来自地层的地应力载荷，因此套管的应力有小幅的减小。在水泥环缺口周向的两侧也存在应力集中，且随缺失角度的增大呈现先减小再增大的趋势。这种现象出现的原因是当缺失角度较小时，水泥环周向缺口挤拢的现象不明显，更多的应力集中于缺口中心；而当缺失角度较大后，缺口两边位置受极大的外载荷，使得套管在此位置应力集中加剧。

图10 水泥环不同缺失角度情况下套管内壁周向Mises应力分布曲线Fig.10 Circumferential Mises stress distribution curve of casing inwall under different missing angles of cement sheath

提取出水泥环不同缺失角度θ时套管上的最大Mises应力，绘制出其关系曲线如图11所示。当水泥环缺失角度为30°时，套管上的最大Mises应力就已经达到了BG125V套管材料的最小屈服应力，出现变形失效。当水泥环缺失角度在45°～60°区间时，套管Mises应力达到最大，超过956.70 MPa，套管受外挤载荷出现严重的塑性失效。水泥环缺失角度超过60°后，套管应力有小幅减小。

图11 套管最大Mises应力随水泥环缺失角度的变化关系Fig.11 Variation of maximum Mises stress of casing with missing angle of cement sheath

因此，固井质量的好坏对套管应力与变形失效有极大的影响。固井作业时，应该注意水泥浆替液效率，避免或减小水泥环缺失的出现；优化压裂作业参数，避免水泥环在循环加载中的破坏。

3.3 水泥环缺失方位的影响

水泥环缺失的方位使用缺口中心与垂直方向的夹角α表示。由于井筒受到的地应力作用不均匀，所以水泥环缺失的方位也与由水泥环传递到套管上的载荷有关系。控制水泥环缺失角度为30°，改变其方位角为90°～270°，提取出套管内壁周向上的Mises应力分布，如图12所示。

图12 水泥环不同缺失方位情况下套管内壁周向Mises应力分布曲线Fig.12 Circumferential Mises stress distribution curve of casing inwall under different missing azimuths of cement sheath

由图12可知，套管内壁应力集中最高位置仍然发生于水泥环缺失的缺口位置。而水泥环缺失方位与井周主应力作用方向一致时，套管的应力水平更高。而当水泥环缺失方位与井周最小主应力即水平最小地应力的作用方向一致时，套管Mises应力达到最大。

用同样的方法提取出水泥环缺失方位不同时，套管所受的最大Mises应力，绘制出关系曲线如图13所示。由图13可以看出，当水泥环缺失方位与井周最小主应力方向一致时，套管应力集中最明显，最大Mises应力达到了862.50 MPa，已经小幅超过了BG125V钢级套管材料的最小屈服强度，套管会发生塑性变形失效。因此，固井作业时，应该最大程度保障井筒主应力方向上的固井质量，确保水泥浆替液效率，避免主应力作用方向上出现流体腔而形成水泥缺失；调整压裂施工工艺，避免主应力方向上的水泥环被破坏而形成缺失，减小套管变形失效的风险。