固井封隔系统纵向水力突破能力评价研究

武治强 邢希金 范志利 曹砚峰 楼一珊

(中海油研究总院, 北京 100028)

固井施工结束后，环空中顶替到位的水泥浆逐渐凝固成水泥环，套管、水泥环和地层形成了一个纵向的封隔系统。良好的层间密封性是油气井实现有效产能和保证油气井生产寿命的关键性能。

在钻井和生产阶段，受试压、压裂等作业措施的影响，水泥环与套管、地层的耦合匹配性逐渐变差，固井耦合系统的封隔完整性遭到破坏，其纵向水力突破阻挡能力变弱，流体在管外形成窜流环空带压，严重时甚至导致油气井报废[1-6]。

为了更好地评价固井封隔系统纵向水力突破能力，需要研究以下几方面问题：(1)水泥环胶结强度与水力突破的关系；(2)水泥环胶结均匀性与水力突破的关系；(3)水泥环有效封隔长度与水力突破的关系。本次研究将依托水力密封完整性评价装置，开展相关评价实验。根据水力突破机理，对水泥石进行改性，以改善水泥环的水力阻挡能力。

1 水力突破能力评价实验

1.1 水力密封完整性评价装置

为了探索固井封隔系统阻挡水力突破的能力，设计一套模拟井下工况环境下的水力密封完整性评价装置(见图1)。

该装置包括模拟井筒、检测探头、流体加压输入装置、压力检测计等组块，可模拟地层流体通过固井封隔系统的实际情况，能够比较真实地反映固井封隔系统纵向上在井下工况的压力承载过程，进而评价水泥环水力突破阻挡效果。

图1 水力密封完整性评价装置

1.2 CET超声波水泥评价仪

采用特制的超声波水泥评价仪。该评价仪在水泥胶结分析中增加了方位信息，具有圆周分辨力和纵向分辨力。该测试仪可以连接评估软件，将测定不同方位上的CET声幅值并生成CET声幅值云图，据此查看水力突破路径，评价水力作用时的胶结质量。

1.3 介质模型制作

建立套管 — 水泥环模型，将水泥环顶部、底部用压环密封，套管采用内径为121.44 mm的实际套管，模拟试样高度为500 mm。将不同水泥浆类型注入模拟地层与套管之间的环空中，并将模拟地层置于水中养护。注水泥后养护48 h，再将探头垂直放置于套管内，测量不同高度下的相对声幅值。

1.4 介质模型标定

为了便于对比分析，在室内建立6类不同胶结质量的套管井模型，分别用于测试6类条件下的相对声幅值。

根据6类套管井模型所测CET相对声幅值及其对应的CBL值，建立二者的对应关系(见图2)。

图2 CET与CBL对应关系

根据CBL与CET的转化关系，可得：CBL=30%时，CET=29.7%。室内测得CET值小于29.7%，说明胶结质量中等。用CET水泥胶结测井方法，对6组水泥与套管胶结试样进行标定(见表1 )。

表1 胶结试样参数表

CET测井比CBL测井在室内评价固井水泥环密封完整性方面更具优势。在水泥胶结分析中增加了方位信息，对管外水泥胶结具有圆周分辨力和纵向分辨力。

运用套管井模型进行CET相对声幅值测定，建立其与测井曲线CBL值的对应关系，根据室内测定的CET相对声幅值来评价固井胶结质量和水力密封完整性。

2 实验结果分析

2.1 水力突破实验

对6组试样进行了水力密封突破压力实验评价，测试结果见图3、图4、图5。6组水泥试样分别为1a、1b、2a、2b、3a、3b的最大突破压力值分别为3.9、3.5、2.6、2.5、2.1、1.9 MPa。

图3 1a和1b试样水力密封突破压力曲线

图4 2a和2b试样水力密封突破压力曲线

图3所示测试结果表明：1a试样水力突破最大压力为3.9 MPa；1b试样水力突破最大压力为3.5 MPa。

图4所示测试结果表明：2a试样水力突破最大压力为2.6 MPa；2b试样水力突破最大压力为2.5 MPa。

图5所示测试结果表明：3a试样水力突破最大压力2.1 MPa；3b试样水力突破最大压力为1.9 MPa。

根据室内评价实验建立了水力突破压力与CET测量值的关系(见图6)。在一定封隔长度段条件下，固井水泥环套管与水泥环胶结界面无明显连通的薄弱路径或通道且视为均匀胶结，水泥环与套管胶结强度越高，需要突破的压力就越大。

图5 3a和3b试样水力密封突破压力曲线

图6 水力突破压力与CET测量值的关系

2.2 微观流道路径分析

由水流特性可知，水流在胶结面流动时首选胶结薄弱的地方。对6块试样进行CET水力突破路径评价，分析其水力突破通道(见图7、图8、图9)。

由图7可以看出，1a试样水力突破路径没有在纵向上直接突破，而是采用迂回突破的方式；1b试样水力突破路径是采取纵向上直接突破的方式。两者实际最大突破压力相近，但是实际流体突破路径不相同。

图8 2a和2b试样水力突破通道

由图8可以看出，2a试样水力突破路径是采取弧型纵向上突破的方式；2b试样水力突破路径是采取先横向移动再纵向上突破的方式。两者实际最大突破压力相近，但是实际流体突破路径不近相同。

由图9可以看出，3a水力突破路径没有直接纵向上直接突破，而是采用迂回突破的方式；3b试样水力突破路径是采取先横向移动再纵向突破的方式。两者实际最大突破压力相近，但是实际流体突破路径差异较大。

图9 3a和3b试样水力突破通道

3 水力封隔评价认识

3.1 水力封隔主要影响因素

(1) 水泥胶结强度。固井封隔系统的质量优劣关键在于水泥环的胶结强度。相关研究表明[7-8]，水泥环胶结强度越大，说明固井质量越好，阻挡水力突破的能力越强。良好的水力封隔能力依赖于良好的固井质量。

(2) 有效封隔长度。固井封隔系统对固井质量有要求，同时还需要一定长度的水泥环有效段，即水泥环有效封隔长度。即使水泥胶结强度足够高，若水泥环纵向长度太短，也难以承受测试和油气生产期间的层间压差。有效的水力封隔也依赖于足够的“有效封隔长度”。

(3) 压差。 一般情况下，封隔长度和界面胶结强度可通过测井手段来确定，在封隔长度和水泥强度给定的情况下，水泥环水力封隔效果还受压差的影响。如果水泥环层间间隔不足，当压差达到某一数值时，流体将快速突破水泥环的阻隔而沿着水力通道窜流。

3.2 水力封隔影响因素不确定性

(1) 水泥胶结的不确定性。套管与水泥环胶结质量局部差异性大，如果水泥浆性能存在不足，会导致顶替效率不高，进而影响胶结的均质性，结果呈现微间隙、窜槽等胶结薄弱点。这些潜在的薄弱点具有不可预见性和非均匀性。

(2) 套管和水泥环受腐蚀的不确定性。长期在腐蚀性环境中，套管和水泥环都可能受到腐蚀，导致水泥强度衰退，水泥环渗透率增大甚至形成层间流体通道。特别是水泥胶结差井段的套管和水泥受腐蚀程度更严重。

(3) 套管和水泥环应力破坏不确定性。套管试压过高将引起水泥环应力破坏，导致水泥环丧失密封性能。在水力地应力存在较大差异的地方，水泥环可能发生破裂甚至套管被挤变形、破裂，导致层间窜流[9-11]。

3.3 水力封隔评价难点

目前现场固井质量测井的探测能力有限。固井水泥环第2界面胶结状况探测能力落后于第1界面的综合评价，只能进行定性评价，不能进行定量评价，评价结果带有一定的不确定性和误差。

针对室内实验评价和现场实际测井评价结果不匹配，难以建立测井与室内固井的综合实验手段的有效联系。对此，目前只能建立水泥强度、第1界面缺陷、水泥沟槽与测井响应之间的关系，无法建立反映给定压差下水泥环封隔能力的主要参数与测井手段的关系。

4 结 语

通过室内开展固井封隔系统水力突破评价实验，以流体打压验窜方式评价固井耦合系统纵向阻挡水力突破效果，建立了CET值与最大突破压力的对应关系。结果表明，在一定封隔长度段下，固井质量越好，需要突破的压力就越大。

运用水泥胶结评价测井手段，开展了水力突破路径评价实验，初步了解了水力突破规律。认为流体在固井封隔系统纵向上流动时首选薄弱点进行突破，突破路径是无序的。 这主要是由于水泥胶结的不均匀性所致。

通过研究可知，水力突破压力与水泥环的胶结强度、胶结均匀性和有效封隔长度有关，水泥胶结、套管水泥环腐蚀、应力破坏等的不确定性，决定了固井封隔系统水力突破评价的复杂性。

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