頁巖膨脹應變及固井質量對套管變形的影響研究

李 皋，李 澤，簡 旭，李紅濤，于 浩，王 濤

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500； 2.中國石油川慶鉆探工程有限公司，重慶 401147； 3. 西南石油大學，四川 成都 610500)

0 引 言

威榮區塊頁巖氣儲量豐富，但該區塊套管變形問題突出，嚴重影響了該區域頁巖氣資源的高效開發。相關學者針對套管變形機理及解決措施開展了大量研究。套管變形類型以剪切破壞為主，并認為斷層的滑移是導致套管變形的主要因素[1]。同時，壓裂區域分布不均引起的非均勻應力場[2]、壓裂過程中的力-熱耦合作用造成的套管應力上升[3]等因素也引起了相關學者的關注。在固井質量對套管變形的影響方面，前人針對水泥環缺失等因素開展了大量研究，指出水泥環缺失將導致套管內壁產生顯著的應力集中現象，對套管安全性產生較明顯的影響[4-8]。上述研究大多未考慮威榮地區頁巖本身巖石性質，且普遍將提高固井質量視為減少套管變形的重要措施。然而現場實踐表明，威榮地區套管變形和固井質量的相關性不明顯[9]。因此，基于頁巖理化性質，分析了頁巖膨脹應變對套管變形的影響，并探討了考慮頁巖膨脹應變情況下的固井質量對套管變形的影響，提出了威榮地區套管變形的相應解決措施。

1 頁巖膨脹應變對套管變形的影響

威榮地區頁巖呈層理狀分布，液相作用下層理縫間形成水分子，造成層間膨脹，從而導致頁巖的膨脹變形[10]。由于威榮地區頁巖不含水敏性黏土礦物，水化膨脹能力低，因此，該區域頁巖的膨脹變形較弱。利用泥頁巖應力應變儀對威榮地區頁巖開展膨脹應變測試，24 h后，測試巖樣的膨脹應變為0.1%～0.4%。衍射實驗結果表明，威榮地區頁巖中石英含量較高，測試巖樣中平均石英含量為44%，巖樣在高石英含量條件下，表現為硬脆性，且水化對巖石強度的影響較低。水化前后威榮地區頁巖三軸壓縮實驗結果顯示：工作液體系及浸泡時間對威榮地區頁巖力學性能影響規律不明顯，巖樣抗壓強度普遍高于150 MPa；水化前頁巖彈性模量為18 537.8 MPa，水化后頁巖彈性模量為17 133.8 MPa，頁巖水化前后彈性模量均保持較高的數值，并未出現明顯降低。

利用有限元軟件COMSOL Multiphysics研究頁巖膨脹應變對套管Von Mises應力的影響，相應的計算參數為：頁巖彈性模量為30 GPa，泊松比為0.23，最大、最小水平主應力及垂向應力分別為100、80、90 MPa；泵壓為90 MPa，井眼尺寸為215.9 mm，套管尺寸為139.7 mm，套管壁厚為12.7 mm；套管彈性模量為210 GPa，泊松比為0.30，屈服強度為758 MPa，水泥石彈性模量為10 GPa，泊松比為0.18。為模擬頁巖微膨脹，將膨脹應變設置為0.1%～0.4%。數值模擬結果如圖1所示。

圖1 膨脹應變對套管Von Mises應力的影響

由圖1可知：未考慮膨脹應變時套管Von Mises應力峰值約為500 MPa，低于套管屈服強度；頁巖膨脹對套管應力影響較明顯，其膨脹應力通過水泥環作用于套管，套管應力隨頁巖膨脹率的增加而上升，當膨脹應變為0.4%時，Von Mises應力達到1 100 MPa，此時超過套管屈服強度，套管將發生變形現象。

2 基于頁巖膨脹應變的套管應力與固井質量的相關性分析

現場統計資料表明，套管變形位置處合格及優質的固井質量占總數的60%，威榮地區的套變發生率與固井質量相關性不明顯。

2.1 水泥環月牙狀缺失

水泥環缺失存在月牙狀缺失、弧形缺失等情況。在將頁巖膨脹應變設定為0.2%的基礎上，在模型中部設置水泥環月牙狀缺失，其余區域水泥膠結形態完好，計算不同月牙狀水泥缺失深度條件下套管內壁環形路徑上的套管Von Mises應力，同時計算水泥段缺失段直線路徑上的套管Von Mises應力，研究水泥環月牙缺失及其缺失深度對套管變形的影響。模型參數如上文所述，計算結果如圖2所示。

圖2 水泥環月牙狀缺失對套管應力的影響

由圖2a可知：水泥環存在月牙狀缺失時，套管應力上升，且表現為水泥環缺失深度越大，套管應力越高，而未缺失處的套管應力變化較小，即缺失深度越大，應力差越大，越容易發生套管變形。由圖2b可知：發生膨脹后未出現水泥環缺失井段的套管應力與水泥整段無缺失時基本相同，但均高于未膨脹情況。因此，在頁巖膨脹及固井質量綜合作用下，套管更容易產生屈服。

2.2 水泥弧形缺失

2.2.1 第一膠結面缺失

將模型中部設置為第一膠結面水泥環缺失，并將缺失深度固定為10 mm，僅改變水泥環的缺失角度，計算不同缺失角度情況下水泥環缺失段直線路徑上的套管Von Mises應力。其余參數如前文所示，計算結果如圖3所示。

由圖3可知，在水泥環缺失深度固定情況下，套管應力隨缺失角度的增加呈現出先增大后減小的趨勢，在缺失角度為45 °時套管應力最大。值得注意的是當缺失角度為90 °時，其套管應力大幅度減小，且其應力分布趨勢與其余角度不同。分析缺失角為45 °及90 °的套管軸向剖面應力云圖(圖4)可知：缺失角為45 °時，水泥環的缺失導致套管內壁出現了明顯的應力集中現象；而當缺失角為90 °時，應力未明顯集中于水泥環的缺失邊，表明水泥環的缺失為應力的釋放提供了空間。

圖3 第一膠結面水泥缺失對套管應力的影響

圖4 特定缺失角度情況下的套管應力云圖

2.2.2 第二膠結面缺失

在模型參數不變的情況下，研究第二膠結面缺失對套管應力的影響，固定第二膠結面水泥環的缺失深度，同樣僅改變缺失角度，應力計算結果如圖5所示。

由圖5可知：第二膠結面對套管應力的影響趨勢與第一膠結面缺失時類似，均表現為套管應力隨缺失角度的增加先增大后減小；當水泥環缺失角度達到90 °時，頁巖膨脹產生的膨脹應力得到釋放，套管應力大幅下降。上述結果表明，水泥環的缺失足夠大時，將起到應力釋放的效果，套管應力反而降低。然而當水泥環的缺失不足以滿足應力釋放條件時，應盡量保證井筒組合體結構的完整性，以降低套管應力。

圖5 水泥環第二膠結面缺失對套管應力的影響

2.3 微環隙

微環隙是造成固井質量差的因素之一，考慮第一膠結面及第二膠結面存在微環隙時的套管應力，計算不同微環隙間距對套管應力的影響，計算結果如圖6所示。由圖6可知：當水泥環與套管或地層間存在微環隙時，微環隙為應力的釋放提供了空間，導致套管應力大幅下降，遠低于未存在微環隙區域的套管應力。

圖6 微環隙對套管應力的影響

綜上所述，考慮頁巖膨脹情況下的套管應力未呈現隨固井質量的變差而增大的趨勢，當水泥環與套管或地層間存在足夠的釋放空間時，頁巖產生的膨脹應力將得到有效釋放，套管應力降低。因此，亟需尋求合理的工程措施來釋放膨脹應力，防止套管變形。

3 高密度射孔對套管應力的釋放作用

通過上述分析可知，頁巖膨脹情況下的膨脹應力在存在釋放空間時能得到有效釋放，從而降低套管應力。通過分析威榮氣田現場數據可知，射孔位置處均未發生套管變形，因此，開展高密度射孔對套管應力釋放研究，探討射孔產生的應力釋放效果。模型中孔眼相位角為60 °，孔距為100 mm，孔徑為10 mm，頁巖膨脹率設定為0.2%，高密度射孔條件下的套管應力分布情況如圖7所示。由圖7可知，高密度射孔后在孔眼附近出現了較明顯的應力集中現象，但孔眼之間套管應力與未射孔相比有所降低，結合現場數據發現，射孔造成的局部應力集中及套管強度下降并不會直接導致套管發生變形[11]。圖8為高密度射孔下不同孔徑對套管應力的影響。由圖8可知：孔徑越大，套管應力的下降程度越高，高密度射孔對膨脹應力的釋放效果更顯著；但當孔徑及孔密過大時，對套管強度存在影響，因此，后續還應開展射孔設計優化，選取合理的射孔參數。

圖7 射孔前后應力云圖分布

圖8 高密度射孔后套管應力Fig.8 The casing stress after high-density perforation

4 結論與建議

(1) 威榮地區頁巖呈硬脆性，力學強度高，水化后降低不明顯。液相作用下，層理縫的層間膨脹導致頁巖膨脹變形，其膨脹應力對套管應力有較明顯的影響。

(2) 綜合考慮頁巖膨脹應變及固井質量對套管應力有明顯影響。當微環隙或水泥環缺失等情況對膨脹應力的釋放作用大于其造成的應力集中時，套管應力反而降低。建議尋求合理的工程措施達到應力釋放效果。

(3) 高密度射孔能有效釋放膨脹應力，合理的射孔參數對套管應力的降低具有積極效果。