固井封固系统初始作用力及其影响

郭辛阳，步玉环，李 娟，沈忠厚

(中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266555)

固井封固系统初始作用力及其影响

郭辛阳，步玉环，李 娟，沈忠厚

(中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266555)

结合建井过程和水泥浆的水化硬化过程对封固系统初始作用力进行分析。结果表明：固井作业完成时封固系统受到初始作用力的作用，初始作用力包括井眼附近地层承担的钻开井眼后重新分布的地应力、套管内部流体对套管的静液柱压力、一界面处水泥环对套管的挤压力及其反作用力、二界面处水泥环对地层的挤压力及其反作用力，作用在一界面处的初始作用力形成的初始应力稍小于地层孔隙压力;作用在二界面处的初始作用力形成的初始应力与地层孔隙压力相等;一、二界面处的初始作用力是水泥浆水化直至形成水泥石的过程中逐渐传递地层孔隙压力的结果。现场测量数据验证了一、二界面处初始作用力的存在。封固系统初始作用力的变化会对封固系统产生重要影响。

固井;封固系统;初始作用力

固井封固系统初始作用力是指固井作业完成后、封固系统刚刚形成时作用于封固系统的外力和封固系统各组成部分之间(套管与水泥环、水泥环与地层之间)的作用力。封固系统初始作用力对套管、水泥环的受力及破坏形式和封固系统的封隔性能及失效形式有重要影响［1-3］。已有的研究均认为封固系统初始作用力包括地应力和套管内流体的静液柱压力，除此之外封固系统不受其他外力的作用，套管与水泥环、水泥环与地层之间也不存在初始相互作用力(使用膨胀水泥的情况除外)［4-12］。笔者根据封固系统的形成过程和水泥浆的水化过程对封固系统初始作用力进行分析，认为固井作业完成后刚刚形成的封固系统中，套管与水泥环、水泥环与地层之间存在初始相互作用力，并探讨初始作用力的形成机制，估算封固系统中两两介质间的相互作用力。

1 井眼的形成及地应力的重新分布

在没有构造运动发生的情况下，地层处于相对平衡的状态。井筒形成之前，地层处于原始受力状态，如图1所示。水平面上的双向地应力分别为σx和σy，其大小可相同(均匀地应力)或不同(非均匀地应力)。

图1 地层原始应力状态Fig.1 Initial ground stress on formation

钻头打开地层后，原有的平衡状态被破坏。地应力在以井眼为中心的区域内重新分布，达到新的平衡状态［10］。在钻进过程中，假设井壁稳定，没有坍塌等复杂情况发生，井眼附近地层短时间内的变形可忽略不计，井眼横截面为圆形;对于钻进时间较长且地层为蠕变地层的情况，为防止卡钻要定期进行划眼，所以认为在钻达目的层进行固井时井眼横截面形状也为圆形。因此，在钻达目的层之后、进行固井作业之前，井眼、地层及其受力状态如图2所示。井眼为圆形，井眼附近地层承受重新分布的双向地应力(σ'x，σ'y)的作用，井眼内的钻井液对井壁施加随井深增大的静液柱压力pc。

图2 完钻时井眼和地层的受力状态Fig.2 Forces on borehole and formation in drilled well

2 固井作业过程及初始作用力的形成

完钻之后进行固井作业，固井作业过程依次包括下套管、注水泥和候凝3个作业阶段。固井作业时间相对较短，可以认为该过程中地应力不发生变化。在固井作业的3个阶段中，下套管和注水泥作业是动态过程，可能会对套管本身的受力状态产生很大的影响，也会在一定程度上影响井壁的受力情况，但作用力的大小和方向随着井的不同而不同。因此，可以先分析候凝作业过程对封固系统受力状态的影响，然后根据不同井的具体情况，将下套管和注水泥作业对套管和井壁受力的影响叠加到固井作业完成时的套管和井壁受力状态之上。

候凝作业过程中，水泥浆由流体状态逐渐转变为塑性状态直至最后凝固形成水泥石，这种状态的急剧变化对套管、地层及水泥浆(或水泥石)本身的受力都有重要影响，决定了作用于封固系统的初始作用力。

2.1 水泥浆为流体状态时井眼中各部分的相互作用

候凝开始时，水泥浆以流体状态存在于套管和地层之间的环形空间，套管内为顶替液流体，一般情况下套管内外压差为2～3 MPa。因此，水泥浆为流体状态时，井眼中各部分之间的相互作用可简化为图3(以井眼轴线为对称轴，只画出一侧的情况)所示的情形。其中，水泥浆和套管内的顶替液处于流体状态，水泥浆分别对地层和套管施加大小为pc的静液柱压力，套管内顶替液对套管施加大小为pd的静液柱压力。pc和pd值与水泥浆在环空中的返升高度有关。

图3 水泥浆为流体状态时井眼中各部分的相互作用Fig.3 Interaction among components in borehole while slurry in fluid state

2.2 水泥浆为塑性状态时井眼中各部分的相互作用

随着候凝时间的增长，环空中的水泥浆不断水化，在水泥浆内部形成网络结构，使水泥浆具有一定的胶凝强度，导致水泥浆柱对套管和地层的静液柱压力逐渐降低，通常称之为水泥浆失重。在这个过程中，水泥浆也逐渐由流体状态转变为塑性状态。之后，随着水泥浆水化的进一步进行，其内部的网络结构也不断形成、密集和增强，当网络结构发展到具有一定密度和强度时就能够承受和传递力的作用。此时，地层孔隙压力可通过这种网络结构部分传递给套管，对套管施加一定压力。随着网络结构强度的不断增大，塑性状态的水泥浆传递的地层孔隙压力也逐渐增大。在候凝过程中，套管内部承受的顶替液的静液柱压力不变，仍为pd。因此，水泥浆为塑性状态时，井眼中各组成部分的相互作用可简化为图4(以井眼轴线为对称轴，只画出一侧的情况)的形式。

图4 水泥浆为塑性状态时井眼中各组成部分的相互作用Fig.4 Interaction among components in borehole while slurry in plastic state

在一界面(套管与塑性水泥浆之间的界面)处，套管除了受到水泥浆柱失重后剩余的静液柱压力p作用外，还受到水泥浆内部形成的网络结构传递的地层孔隙压力F1的作用，F1为固体与固体间的作用力。在二界面(塑性水泥浆和地层之间的界面)处，地层也会受到水泥浆柱失重后剩余的静液柱压力p的作用，同时水泥浆内部形成的网络结构在传递地层孔隙压力的同时也会对地层施加一个反作用力F2，F2也为固体与固体间的作用力。由于水泥浆中的网络结构本身也承受了一定的作用力，所以F2＞F1。

2.3 水泥浆凝固后井眼中各部分的相互作用

候凝作业完成后，水泥浆凝固形成水泥石，可看作水泥浆塑性状态发展的极限。因此，水泥浆凝固后，通过水泥环传递而施加到套管上的地层孔隙压力达到最大值。根据以上水泥浆为塑性状态时井眼中各部分的相互作用分析，可以得出水泥浆凝固后封固系统各组成部分间的相互作用，如图5(以井眼轴线为对称轴，只画出一侧的情况)所示。

在一界面处，水泥环对套管施加大小为F'1的压力，在二界面处水泥环对地层施加大小为F'2的反作用力，F'1和F'2都是固体与固体间的作用力，F'1在一界面处形成的应力稍小于地层孔隙压力，F'2在二界面处形成的应力等于地层孔隙压力。由于水泥环在凝固的过程中本身能够承受一定的作用力，所以F'2＞F'1，水泥环本体承受了F'2－F'1的作用力。

图5 水泥浆凝固后井眼中各组成部分的相互作用Fig.5 Interaction among components in borehole after slurry setting

3 封固系统初始作用力的现场测量

地应力和套管内流体的静液柱压力已证明是存在的［9-12］。本文中主要基于现场测量结果，分析一、二界面处存在初始作用力。

测量井固井使用的水泥浆体系为常规硅酸盐水泥浆体系，实验室测定的稠化时间约为3.5 h，在该井套管柱外部表面安装传感器并随套管下入井内，测量注水泥、候凝及后续作业过程中的井眼温度和套管应变，将信号通过电缆传输到地面并记录［13-14］。其中，套管径向应变反映了套管受到的径向作用力的大小，转换后可得套管所受的径向作用力。

底部测量点(3.145 km)处的套管平均径向应变如图6所示(压应变为正，拉应变为负)。其中，0 min对应下套管完毕;0～345 min循环钻井液;490 min开始注水泥浆;650～695 min第一次尝试打开套管外封隔器失败;700～810 min第二次尝试打开套管外封隔器成功;960 min注水泥浆完毕，开始敞压候凝;1545 min候凝完毕，安装井口。

由图6可以看出，注水泥浆开始前(435 min左右)径向应变突然增大，即套管所受的外挤压力突然变大，但此时地面并没有采取工程措施，认为可能是外界干扰的结果。碰压后两次尝试打开管外封隔器时套管径向应变都大大降低，这是因为打开封隔器的过程中套管内压力显著增大，套管外部压力不变，套管内外压差降低，使得套管受压变形减小。注水泥浆作业结束后，随着时间延长，径向应变先减小后又增大，候凝完毕后稳定在0.08左右，说明套管仍受到较大的径向压力，证明一、二界面处存在初始作用力。此作用力最大可达几个到十几个兆帕，对界面封隔性能有着重要影响，不可忽略。本测量中候凝完毕时套管应变与注水泥浆结束时相等，即两时刻套管所受的外挤压力相同，这是一个特殊情况。对于使用膨胀水泥浆体系和控制压力候凝的情况，还要考虑叠加而产生的额外作用力的影响。

图6 底部测量点处套管平均径向应变Fig.6 Average radial strain at bottom measuring point

4 封固系统初始作用力的影响

通过对钻井及固井作业过程的分析，得出封固系统初始作用力主要包括：①钻开井眼后重新分布的双向地应力σ'x和σ'y，主要作用于井眼附近地层;②二界面处地层与水泥环之间的固－固作用力F'2，其值等于地层孔隙压力;③一界面处水泥环与套管之间的固－固作用力F'1，其值稍小于或等于地层孔隙压力;④水泥环受到地层和套管的反作用力，其大小分别为F'2和F'1;⑤套管内部受到井眼内流体的静液柱压力，其大小与井眼内液体的密度和套管所处的深度有关。

在封固系统的初始作用力中，地应力对封固系统的影响取决于地层的性质，尤其是在蠕变地层中，作用于水泥环和套管上的地应力会随着时间的延长而增大，可能会导致水泥环和套管损坏;一界面处套管－水泥环之间的相互挤压力和二界面处水泥环－地层之间的相互挤压力对维持界面胶结和封隔性能有着重要影响，界面处相互挤压作用力的降低导致界面胶结失效甚至形成微环空;水泥环所受的初始挤压作用力使其处于三向应力状态，强度增加，能够承受更大的应力作用，有利于维持封固系统的封隔性能;套管内流体静液柱压力的降低会导致一、二界面挤压力降低，可能会导致界面胶结失效甚至形成微环空，套管内流体的静液柱压力升高会导致一、二界面挤压力增大，有利于维持界面处的胶结和封隔性能，但可能会导致水泥环的破坏。

封固系统的初始作用力对封固系统的封固性能有着重要影响，也是进行生产过程中封固系统受力状态分析的基础，之后生产及后续作业的影响都可以叠加到封固系统的初始受力之上。

5 结论

(1)固井作业完成时封固系统受到初始作用力的作用。

(2)封固系统初始作用力包括井眼附近地层承担的钻开井眼后重新分布的地应力、套管内部流体对套管的静液柱压力、一界面处水泥环对套管的挤压力及其反作用力和二界面处水泥环对地层的挤压力及其反作用力。一、二界面处初始作用力的形成是水泥浆水化直至形成水泥石的过程中逐渐传递地层孔隙压力的结果。

(3)初始作用力中，地应力的增大可能会导致套管和水泥环损坏;一、二界面处相互挤压力和套管内液柱压力降低时可能会导致在界面处形成微环空，增大时可能会导致水泥环发生破坏。

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Initial forces on cementing isolation system and its effect on isolation system

GUO Xin-yang，BU Yu-huan，LI Juan，SHEN Zhong-hou
(College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China)

The initial forces on isolation system were determined and analyzed by researching the well construction and hydrating and hardening process of slurry.It is indicated that there are initial forces on isolation system while cementing operation is completed.The initial forces include：The ground stress，formed by redistribution of ground stress after drilled，acts on formation near borehole.The hydrostatic pressure of fluid in casing acts on casing.The cement sheath applies compressive force on casing and undertakes reacting force at cement-casing interface，which is less than pore pressure of formation at cement-casing interface.The cement sheath also applies compressive force on formation and endures reacting force at cementformation interface，which is equal to pore pressure of formation at cement-formation interface.The initial forces at cementcasing interface and cement-formation interface are formed by gradually transferred pore pressure through slurry on hardening process of slurry.The field data proves the initial forces at cement-casing interface and cement-formation interface.The change of initial forces can seriously influence the isolation ability of isolation system.

cementing;isolation system;initial force

TE 256

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.03.016

1673-5005(2011)03-0079-05

2010－09－13

国家“863”高技术研究发展计划项目(2006AA09Z340)

郭辛阳(1983－)，男(汉族)，山东日照人，博士研究生，主要从事固、完井技术研究。

(编辑 李志芬)