气井套管环空密封失效预防措施初探

赵效锋，张庆生

（1.中国石化中原油田分公司石油工程技术研究院，河南 濮阳 457001；2.中国石化中原油田普光分公司，四川 达州 635000）

0 引言

气窜引起的套管环空带压一直是高压气井面临的难以解决的问题之一［1-4］。现有的环空带压治理措施，如挤水泥修复和化学堵漏等，均存在成本高、效果差和作业难度大等问题［5-6］。鉴于此，作业商一般不愿意治理环空带压问题［7］。而气井一旦出现了此类问题，无论采取何种补救和治理措施，都势必会付出巨大的时间、人工和经济成本，极大地降低了气井开发的经济效益。

但若能从建井之初采取措施，完全或某种程度上预防气井环空密封失效问题的发生，避免由此导致的环空带压问题，将会起到防患未然、事半功倍的作用。本文基于气井套管环空密封失效的原因分析，提出了一种套管环空密封失效预防措施。通过理论计算验证其有效性，并对措施中关键材料性能的影响规律进行分析，以确定其种类，初步制定出室内试验方案，并对试验试样进行试制。

1 方案的提出及理论验证

1.1 方案设想

固井水泥凝固以后，可能会因后续作业而遭到破坏，导致水泥环本体产生微裂缝，固井界面出现微环隙［8-9］。其中：水泥环本体破坏（如裂缝、破碎）的主要原因是套管内温度、压力过高［10-11］；而对于固井界面不但与压力过高有关，还与各种工况下套管压力的交替变化有关［12］。但无论何种形式破坏，过高的套管压力总是其直接原因；因此，减小套管压力对水泥环的影响，是预防套管环空密封失效的首要措施。

基于以上分析，笔者提出在套管外壁黏附一层弹性材料作为缓冲层，利用缓冲层吸收套管变形能量，来改善套管压力下水泥环的受力状况，以达到预防水泥环破坏而造成套管环空密封失效的目的。

1.2 理论验证

对有、无缓冲层2种条件下，不同套管压力对水泥环应力分布及失效特征进行计算，并对结果进行对比分析。计算时，假设套管和地层为线弹性材料，水泥环为弹塑性材料，以摩尔-库伦准则为破坏准则，此问题可简化为弹塑性厚壁筒的平面应变问题。由于计算公式［13-14］过于复杂，在此不再赘述。

分析中，假设套管缓冲层为完全弹性体，弹性模量为3.0 GPa，泊松比为0.25，厚度为4.0 mm。选取套管压力为15～90 MPa，以15 MPa间隔取值；地应力为40 MPa。模型介质几何参数和材料特性见表1。

表1 模型介质几何参数和材料特性

由于套管压力逐渐增大时，水泥环塑性破坏最先产生于水泥环内壁［11，13］，因此，选取水泥环内壁的径向应力和等效塑性应变值作为分析对象。

经计算得出有、无缓冲层条件下水泥环内壁径向应力随套管压力变化情况（见图1）。从图1可以看出，相较于无缓冲层，有缓冲层时，不同套管压力下水泥环内壁的径向应力均显著减小，平均减小25%。这说明加入缓冲层可有效减小水泥环受力，降低套管压力对水泥环的破坏。

图1 水泥环内壁径向应力随套管压力变化情况

图2为有、无缓冲层条件下水泥环内壁等效塑性应变随套管压力的变化情况。

图2 水泥环内壁等效塑性应变随套管压力变化情况

由图2可以看出：无缓冲层的情况下，当套管压力为45 MPa时，水泥环内壁出现塑性变形，且随着套管压力的进一步增大，水泥环塑性破坏程度越来越严重；有缓冲层的情况下，套管压力增至90 MPa时，水泥环内壁才出现塑性变形，且等效塑性应变值远小于无缓冲层时。由此说明，加入缓冲层确实可以有效保护水泥环，避免其被过早破坏。

通过以上分析，从理论上验证了该措施的有效性。也就是说，通过在套管外壁黏附特定厚度和力学性质的缓冲层，可以完全或某种程度上避免水泥环的破坏，这种预防因水泥环破坏而造成气井环空密封失效的措施，在理论上是可行的。

2 缓冲材料力学特性分析

缓冲层的作用是吸收套管变形的能量，需具备特定力学性质。笔者通过对缓冲层弹性模量、泊松比等力学参数进行分析，优选出了其合理取值范围。

2.1 弹性模量的影响

对不同套管压力下，缓冲层弹性模量对水泥环内壁等效塑性应变和径向应力的影响进行了分析。假设缓冲层厚度为4.0 mm，泊松比为0.25，选取100.0，50.0，25.0 GPa等11种缓冲层弹性模量（其余参数不变）。不同弹性模量缓冲层下水泥环内壁等效塑性应变情况见图3。

图3 缓冲层弹性模量对水泥环等效塑性应变的影响

从图3可看出：缓冲层弹性模量减小，可降低水泥环等效塑性应变；当缓冲层弹性模量降到足够低（小于10.0GPa）时，便可完全避免水泥环出现塑性破坏。

图4为套管压力15 MPa时，水泥环内壁径向应力随缓冲层弹性模量的变化情况。

图4 水泥环内壁径向应力随缓冲层弹性模量变化情况

从图4可以看出，缓冲层弹性模量降低可减小水泥环内壁受力。其中：较高（A区，大于等于10.0 GPa）与较低（C区，小于等于10.0 MPa）的弹性模量范围内，弹性模量对水泥环径向应力影响的敏感性较低。在此范围内选取不同的缓冲层弹性模量，水泥环所受径向应力差别不大。当缓冲层弹性模量处于中间水平（B区，介于10.0 MPa和10.0GPa）时，水泥环径向应力对弹性模量的变化比较敏感。在此范围内，不同缓冲层弹性模量下水泥环所受径向应力差别较大。鉴于对水泥环的保护效果，建议缓冲层弹性模量应小于10.0 MPa。

2.2 泊松比的影响

对不同套管压力下，缓冲层泊松比对水泥环内壁等效塑性应变和径向应力的影响进行了分析。假设缓冲层厚度为4.0mm，弹性模量为1.0GPa，选取0.10，0.20，0.30，0.40，0.50等 5种泊松比（其余参数不变）。计算结果见图5、图6。从图5可以看出，较低的缓冲层泊松比有利于避免水泥环出现塑性破坏，从而保护水泥环。从图6（套管压力15 MPa下）可以看出：随着缓冲层泊松比的降低，水泥环内壁径向应力呈减小趋势；当泊松比足够小（0.20）时，对水泥环径向应力的减弱作用已达到极限，即使再减小泊松比，也无法进一步降低水泥环径向应力。因此，优选出缓冲层泊松比在0.20～0.50。

图5 缓冲层泊松比对水泥环等效塑性应变的影响

图6 水泥环内壁径向应力随缓冲层泊松比变化情况

3 缓冲层厚度分析

对不同厚度缓冲层下水泥环等效塑性应变和径向应力分布规律进行了分析。假设缓冲层弹性模量为1.0 GPa，泊松比为0.25，选取1.0～7.0 mm的7种缓冲层厚度（其余参数不变）。不同厚度缓冲层下水泥环内壁等效塑性应变变化情况见图7。

图7 缓冲层厚度对水泥环内壁等效塑性应变的影响

从图7可以看出，随着缓冲层厚度增加，套管压力对水泥环内壁等效塑性应变的影响减小趋势明显，而当缓冲层足够厚（本例为7.0 mm）时，则可完全避免水泥环出现塑性变形。

而从套管压力15 MPa下水泥环内壁径向应力随缓冲层厚度变化情况（见图8）来看，缓冲层厚度对水泥环内壁径向应力的影响并非线性关系。整体上看，随着缓冲层厚度的增加，水泥环内壁径向应力呈下降趋势，但缓冲层厚度达到一定程度后，其对水泥环内壁径向应力的降低作用逐步减弱。因此，优选出的缓冲层厚度需大于4.0 mm。由于缓冲层会侵占一部分环空空间，致使水泥环变薄，所以，缓冲层并非越厚越好。

图8 水泥环内壁径向应力随缓冲层厚度变化情况

4 缓冲材料确定及试样试制

根据缓冲材料力学性能的分析结果，对满足条件的缓冲材料进行了筛选。最终基于工艺和成本方面的考虑，确定缓冲材料种类为橡胶（常见橡胶的弹性模量为7.8 MPa，泊松比为0.47）。通过对不同配方的橡胶试样进行力学性能试验，优选出了具有特定硬度、弹性，具有耐热、耐磨、耐油特性的丁腈橡胶用于室内试验的试样试制。配合室内试验试制了有、无缓冲层φ114.3 mm套管2种试样（见图9）。有缓冲层试样试制过程表明，该措施具有成本低、工艺简便、可操作性强等特点。

图9 有、无缓冲层φ114.3 mm套管试样

室内试验采用水泥环应变/温变破坏模拟装置。该装置可模拟φ152.4 mm井眼、φ114.3 mm套管固井作业，对不同套管内压力（最高70 MPa）、温度（最高160℃）和不同围压（最高35 MPa）条件下的水泥环气窜状况进行监测，定量评判是否发生套管环空密封失效。

5 结论

1）通过在套管外壁黏附缓冲层来消除或减弱套管压力对水泥环的应力破坏，以预防环空带压等导致的气井套管环空密封失效，该措施在理论上是可行的。

2）缓冲层应具备较低的弹性模量、泊松比及足够的厚度。本文优选出的缓冲层弹性模量应小于10.0 MPa，泊松比 0.20～0.50，厚度大于 4.0 mm。

3）初步确定缓冲材料为橡胶，并对试样进行了试制。试样试制过程表明，该措施具有成本低、工艺简便、可操作性强等特点。