頁巖油水平井體積壓裂期水泥環失效機理研究*

徐新紐 趙保忠 黃 鴻 魏瑞華 曹光福 楊 虎 周鵬高

(1.中國石油新疆油田分公司勘探事業部2.中國石油大學(北京)克拉瑪依校區3.克拉瑪依職業技術學院)

徐新紐,趙保忠,黃鴻,等.頁巖油水平井體積壓裂期水泥環失效機理研究.石油機械,2022,50(11):73-80.

0 引言

目前,頁巖油開發多采用長段水平井的體積壓裂增產開發方式。在水平井壓裂和返排期間,油層套管內為壓裂液的注排壓力,水泥環承受井周地應力的擠壓作用[1-4]。在壓裂液加壓改造過程中,套管內流體壓力增大,導致套管膨脹,并在射孔周邊產生應力集中現象,易導致水泥環本體壓縮破壞或拉伸破壞,進而引起水泥環喪失封隔地層和套管的作用。壓裂后的液體返排過程中,套管內流體壓力減小,套管收縮,易導致套管-水泥環之間產生微間隙,出現第一、第二界面膠結破壞[4-6]。因此,在分析水泥石應力時考慮壓裂期間井筒溫度和壓力的變化,對于預測水泥環完整性和層間封隔有效性具有重要意義。

1999年,M.BOSMA等[3]首次建立了套管-水泥環-井壁組合體的有限元模型,并結合天然氣儲氣庫固井作業,提出了水泥環拉伸、剪切和界面分離等破壞形式。2005年后,國內學者李軍等[4-5]、陳朝偉等[6]、李子豐等[7]根據厚壁圓筒理論,建立了套管-水泥環-井壁組合體的力學模型,研究了在均勻地應力條件下,水泥環和套管的彈塑性載荷和變形特征。同時,張景富和郭雪利等[1,8]研究了水泥石彈性力學參數和厚度對固井套管載荷及水泥環完整性的影響規律。然而,針對水平井油氣藏,體積壓裂和返排期間的周期載荷作用對水泥環密封性的影響,以及對水泥石力學性能的具體要求尚缺乏深入研究。

借鑒上述研究成果,筆者針對頁巖油水平井壓裂特點和井筒條件,構建了均勻地應力場的套管-水泥環-井壁組合體完整性力學模型。套管中壓力的變化會顯著影響水泥環應力的大小和分布,將水泥環的應力狀態及其力學參數測試數據代入強度破壞準則中,即可判斷水泥環是否失效以及其失效形態。研究結果表明,水平井段水泥環的失效形式包括壓裂期的徑向壓縮或周向拉伸破壞和返排期的微間隙膠結失效。因此,結合吉木薩爾頁巖油的地應力、壓力和溫度參數,開展了典型井油層固井水泥石的力學參數測試,通過力學模擬確定吉木薩爾頁巖油水平段水泥環損壞是以返排期的微間隙膠結失效為主。同時,開展了典型井壓裂-返排期水平段水泥環力學破壞極限模擬,模擬認為水泥環間隙大小主要取決于井筒內外壓差和水泥石的彈性模量。筆者的模擬評價給出了避免水平井段水泥環失效的壓裂作業參數和最佳水泥石力學性能參數,為水泥漿材料合理配比和儲層改造工程參數的優化提供了科學依據。

1 水泥環力學模型

頁巖油水平井大規模體積壓裂期間,地層壓力由原始儲層壓力增大至壓裂注入壓力,返排期間地層壓力隨壓裂液返排而逐漸減小。本文在前人研究成果的基礎上,依據厚壁筒彈性力學理論,建立了水平井均勻地應力場的水泥環力學模型,如圖1所示。圖1中,Ra為套管內半徑,m;Rb為水泥環內表面半徑,m;Rc為水泥環外表面半徑,m;Rd為油氣藏保持原始壓力的泄油氣半徑,m;pc1為套管-水泥環界面壓力,Pa;pc2為水泥環-地層界面壓力,Pa;pi為套管內壓,Pa;pf為油氣藏原始壓力,Pa;Ti為井筒內溫度,K;Tf為地層溫度,K。

圖1 均勻地應力作用下井筒復合體力學模型Fig.1 Mechanical model of wellbore complex under uniform in-situ stress

1.1 假設條件

套管和頁巖油儲層為均質且各向同性,井筒為圓柱體;壓裂前水泥環與套管和地層的兩界面無間隙,膠結良好;套管水泥環上外載由儲層地應力通過井壁均勻加載[9-12]。

套管-水泥環-井壁呈軸對稱,其力學模型可視為極坐標系下的平面應變問題[13-17](見圖1)。套管內表面載荷為高壓注入的壓裂液產生的徑向應力,井壁巖石表面承受地應力,套管與井壁間的水泥環內、外表面所受載荷在壓裂和返排期存在很大的差異。

1.2 力學模型

根據厚壁筒彈性力學理論,平面應變狀態下厚壁筒徑向應力與周向應力-應變關系式(本構方程)為:

式中:σr為厚壁筒徑向應力,Pa;σθ為厚壁筒周向應力,Pa;εr為厚壁筒徑向應變;εθ為厚壁筒周向應變;α為材料的熱膨脹系數,K-1;E為材料的彈性模量,Pa;T為井底溫度,K;μ為材料的泊松比。

套管、水泥環所受應力由井壁和套管內壓裂液2部分外力綜合作用來產生,是2部分外載分別在水泥環中產生內部應力的矢量和[18-21]。圖2為水平井段水泥環在內、外力作用下沿徑向r和周向θ的應力分布圖。

圖2 在井筒內、外壓力作用下水泥環受力分析Fig.2 Force analysis of cement sheath under internal and external pressure of wellbore

參考水泥環的邊界幾何參數,水泥環的徑向應 力σcrement、周向應力σcθement及最大剪應力τmax如下:

將水泥環邊界應力方程式(2)代入本構方程(1),可得固井套管-水泥環-井壁組合體各邊界的徑向位移。

套管外表面徑向位移δcra=sRinbg:

水泥環內表面徑向位移用δcementr=Rb表示,其計算 公式如下:

水泥環外表面徑向位移用δcementr=Rc表示,其計算 公式如下:

地層內表面徑向位移用δformationr=Rc表示,其計算 公式如下:

式中:r為水泥環任意一點距離井筒中心的距離,m;Es、Ec、Ef分別為套管、水泥石和地層巖石彈性模量,Pa;μs、μc、μf分別為套管、水泥石和地層巖石泊松比;αs、αc、αf分別為套管、水泥石和地層巖石熱膨脹系數,K-1;t為套管厚度,m。

當水泥環內部受力未達到破壞極限或內外界面膠結良好時,套管、水泥環和井壁巖石的徑向位移處于連續狀態,連續位移的關系如下:

然而,當水泥環內部受力達到其破壞極限,或者其徑向位移不滿足式(7)時,水泥環將在不同的外載條件下產生不同的破壞或失效形態。

2 水泥環破壞形式及水泥石應力-應變特征

2.1 水泥環破壞形式分析

通常,水平井油層套管固井后,水泥環外界面承受地應力作用。大規模壓裂時,套管內壓裂液高壓注入導致套管膨脹,易出現水泥環壓縮或拉伸破壞(見圖3a和圖3b)。壓裂液返排時,套管內壓力減小,套管收縮,易出現套管與水泥環的膠結面產生微間隙,導致水泥膠結失效(見圖3c)。

圖3 水平井段固井水泥環在內外壓力作用下的失效形態Fig.3 Failure forms of cement sheath in horizontal interval under internal and external pressure

水平井在壓裂作業時,依據套管-水泥環-井壁組合體的力學模型(式(2)),將水泥石力學測試數據代入Mohr-Coulomb準則和拉伸破壞準則,可判斷水泥環的失效形態。水平井壓裂返排期間,依據水泥環邊界位移方程(式(3)～式(6))求取水泥環在各邊界徑向位移,依據式(7)可判斷水泥環的第一或第二膠結面是否出現膠結失效[20-21]及其微間隙的數值。

2.2 水泥石應力-應變特征

油井水泥石為一種典型的混合材料彈塑性體,其微觀結構存在各類微缺陷,包括微裂縫-孔隙和非晶體混合物[12,22]。水泥石的微觀結構和組成與大多數巖石相似,其受外載后的破壞形式及微觀結構演變符合巖石力學中的相關破壞規律和破壞準則[23-26]。因此,有必要對固井凝固后的水泥石進行力學性能測試。同時,水泥石的力學性能與水泥漿的配方密切相關,需針對目標井的壓裂作業和排采作業條件,開展特定配方水泥石的應力-應變測試,其強度與彈性參數是開展水泥環完整性評價的基礎。

采集吉木薩爾頁巖油水平井油層套管固井的同一配方水泥漿,制備6塊密度為1.6 g/cm3的水泥石樣品(見圖4)。

圖4 吉木薩爾頁巖油油層固井水泥石力學測試照片Fig.4 Mechanical test photos of cementing cement in Jimsar shale oil reservoir

分別采用單軸和三軸抗壓強度測試裝置,繪制其應力-應變曲線(見圖5),可獲得的力學參數包括:單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、內聚力及內摩擦角等,如表1和表2所示。

表1 吉木薩爾頁巖油油層固井水泥石樣品單軸應力測試結果Table 1 Uniaxial stress test results of cement samples in Jimsar shale oil reservoir

表2 吉木薩爾頁巖油油層固井水泥石樣品三軸應力測試結果Table 2 Triaxial stress test results of cement samples in Jimsar shale oil reservoir

圖5 吉木薩爾頁巖油水泥石樣品應力-應變測試曲線Fig.5 Stress-strain test curve of Jimsar shale oil cement samples

3 實例分析

吉木薩爾陸相頁巖油地質認識和工程技術攻關走過了勘探發現、先導性試驗和開發試驗3個階段,經歷了“認識-實踐-再認識-再實踐”的過程。為了給儲層改造和后期生產提供優質的井筒條件[27-28],本文以吉木薩爾頁巖油JHW00421井為例,開展水平井封固段壓裂和返排期間油層套管水泥環力學完整性評價。

同時,研究水泥環完整性的影響因素,主要針對水泥石強度參數進行敏感性分析,尋找最佳參數組合和技術對策。

3.1 典型井基本參數

JHW00421井為吉木薩爾頁巖油典型的超長水平段水平井,其井身結構如圖6所示。該井水平段長3 100 m,儲層為二疊系蘆草溝組(P2l22-2),終靶點垂深為2 747.1 m,井口偏移距為174.0 m,水平井眼方位為260°,井斜角為84°～87°。為實現3 100 m水平段安全鉆井,該井采用三開井身結構:一開采用?444.5 mm鉆頭鉆進,?339.7 mm表層套管下深500.0 m,采用內管注水泥固井,水泥漿返至地面,封隔地面疏松地層;二開采用?311.2 mm鉆頭鉆至燒房溝組底界中完,下入?244.5 mm技術套管,水泥返至1 500.0 m,封固梧桐溝組可能油氣水層及其上部不穩定地層,為水平段安全快速鉆進創造條件;三開采用?215.9 mm鉆頭鉆至完鉆井深,下入?139.7 mm P110級油層套管固井,水泥漿返至2 550.0 m。油層套管彈性模量為206 GPa,泊松比0.3。壓裂時管內流體注入壓力為70～85 MPa,水泥環第一和第二膠結面的膠結強度為2.6 MPa,水泥環抗拉強度為3.0 MPa。

圖6 JHW00421井井身結構圖Fig.6 Wellbore structure of Well JHW00421

3.2 壓裂時水泥環應力與失效分析

圖7為JHW00421井壓裂期間水泥環的徑向與周向應力分布圖。

圖7 JHW00421井壓裂時水泥環徑向與周向應力分布Fig.7 Radial and circumferential stress distribution of cement sheath during fracturing of Well JHW00421

圖7中St1和St2分別為水泥環第一、第二膠結面強度。該井壓裂時水泥環所受徑向應力為壓縮力,周向應力為拉應力。靠近套管一側徑向和周向應力絕對值大,靠近井壁一側徑向和周向應力絕對值小,徑向壓應力為2.1～3.7 MPa,周向拉應力不超過2.0 MPa,遠小于水泥環的抗壓強度和抗拉強度。根據徑向應力、周向應力、水泥石的抗壓強度及抗拉強度的對比分析,認為水泥環不會發生壓縮破壞和拉伸破壞。以水泥環內表面和外表面為考察對象,根據內、外表面上的正應力與切應力繪制莫爾應力圓,發現應力圓位于庫倫應力破壞包絡線之下。這說明吉木薩爾頁巖油在固井質量合格的條件下,水平井段壓裂期間水泥環不會發生壓縮破壞。

3.3 返排期水泥環微間隙失效分析

根據水泥環的微間隙理論模型,返排期井筒降壓時,水泥環出現微間隙的主要影響因素為井筒內外壓差、水泥石的彈性模量、抗壓強度及泊松比等。圖8為壓裂液返排期水平段水泥環微間隙隨各因素的變化曲線。由圖8可知,該井壓裂后返排期間,水泥石的抗壓強度和泊松比對水泥環間隙的影響程度不大。而在井筒內外壓差為20 MPa時,水泥環間隙隨彈性模量變化出現臺階式的變化,當彈性模量大于6 GPa時水泥環出現膠結失效,微間隙達30μm。在水泥石力學性能確定的前提下,水泥環間隙與井筒內外壓差近似呈正比。

圖8 水泥環微間隙隨各因素的變化曲線Fig.8 Variation of cement sheath micro-annulus with various influencing factors

假設壓裂液返排期水泥環間隙大于30μm視為水泥環膠結失效。研究認為,壓裂液返排期出現微間隙失效時的井筒內外臨界壓差與水泥石彈性模量呈反比,如圖9所示。該井水泥石彈性模量為3.5～4.1 GPa,返排的井筒內外臨界壓差應小于25 MPa。

圖9 微間隙失效時井筒內外臨界壓差與水泥石彈性模量關系曲線Fig.9 Relationship between critical pressure difference inside and outside wellbore and elastic modulus of cement during micro-annulus failure

4 結論

(1)頁巖油開發多采用水平井多級或體積壓裂的方式,水平井段壓裂過程中套管內流體壓力增大,套管膨脹,可能導致水泥環壓縮破壞或拉伸破壞。壓裂液返排過程中,套管內流體壓力減小,套管收縮,可能導致套管-水泥環之間產生微間隙。水平井段固井水泥環的主要失效形式為壓裂期的徑向壓縮或周向拉伸破壞,以及返排期的微間隙膠結失效。

(2)吉木薩爾頁巖油開發層為蘆草溝組,埋深2 000～4 000 m。隨著埋深增加其破裂壓力不斷增大,但均未超過100 MPa。在固井質量合格的條件下,吉木薩爾頁巖油水平井壓裂期間水泥環不會發生失效。固井頂替效率對水泥石強度影響較大,壓裂射孔段設計應避開固井水泥的混漿帶位置。

(3)返排期水泥環微間隙膠結失效的主要影響因素為井筒內外壓差和水泥石的彈性模量。壓裂液返排期出現微間隙失效時的井筒內外臨界壓差與水泥石彈性模量呈反比。因此,需優化固井水泥漿配方,加入一定比例的韌性材料降低水泥石彈性模量,同時適當控制井口回壓和返排液量,減小井筒內外壓差,防止水泥環界面膠結失效。