套管与水泥环胶结界面水力密封完整性评价实验研究*

武治强 岳家平 李 强 曹砚锋 耿亚楠 刘书杰 周建良

(1. 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028； 2. 中国海洋石油有限公司 北京 100010)

良好的固井水力胶结可以阻止流体通过固井套管外环空窜流，同时减少套管被腐蚀的风险[1-6]，因此，研究固井套管与水泥环胶结界面水力密封完整性对于井筒完整性评价具有重要意义。

固井施工结束后，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，良好的层间密封是油气井达到应有产能的关键。长期以来，业内学者仅对固井质量测井井段水泥环第一界面的胶结状况开展研究，而对水力密封影响研究较少。笔者将水力突破评价装置和水泥胶结评价测井技术相结合，对影响套管与水泥环胶结界面水力密封完整性的相关因素进行实验分析，以期为现场油井全周期完整性寿命设计提供指导。

1 水力密封完整性影响因素分析

1.1 整体胶结质量

目前现场主要采用水泥胶结测井(Cement Bond Logging,CBL)来评价固井胶结质量，测井曲线CBL值小于15%为胶结质量为良好，测井曲线CBL值小于30%为胶结质量中等，测井曲线CBL值大于30%为胶结质量不合格。套管与水泥环胶结质量对水力密封完整性起到至关重要的影响,如果套管和水泥环胶结良好，CBL相对声幅值越低，水力密封效果好；反之则CBL相对声幅值较高，水力密封效果就差[7-10]。

1.2 胶结局部差异性

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[11]，这些潜在的薄弱点具有不可预见性和非均匀性。相关研究表明[12-13]，在没有内部窜流通道的前提下，水泥环与套管的胶结强度越大，套管与水泥环胶结质量就越好，水力密封完整性就越高；如果内部存在薄弱连通区域，水力密封完整性就依赖于薄弱连通流道上的最弱胶结强度。

2 水力密封完整性影响评价

2.1 整体胶结质量影响评价

图1 水力密封完整性评价装置Fig .1 Hydraulic seal integrity evaluation device

通过室内开展不同固井质量条件下套管与水泥环水力密封完整性评价实验，建立了不同固井质量条件下所测CBL值与水力密封完整性(水力突破压差)对应关系曲线(图3)。分析认为，固井水泥环在一定封隔长度段条件下，套管与水泥环胶结界面无明显连通的薄弱路径或通道则视为均匀胶结，水泥环与套管胶结强度越高，即CBL值越小，则需要突破的压力就越大，因此固井胶结质量的优劣直接关系着套管与水泥环胶结界面的水力密封性能。

2.2 胶结局部差异性影响评价

应用CBL测井对水泥环进行胶结质量评价，实质上是对水泥环环向360°水泥胶结状况的平均物理响应，不能探测水泥沟槽或薄弱通道，并且目前对于局部的、微观的胶结质量尚不能解释清楚。相比较CBL而言，水泥胶结评价测井能够显示出绕套管一周的水泥胶结分布情况，测出随高度、方位角变化时水泥胶结状况的好坏，可以相对清晰地看到水流通道路径(图4)。如果套管与水泥环界面胶结存在差异性，在水力突破力的作用下，水流会沿着胶结差的地方流动，水流通过的路径会形成水力突破通道。

图2 8块试样所测CBL值Fig .2 CBL value of 8 samples

图3 水力突破压差与CBL的关系Fig .3 Relationship between hydraulic breakdown pressure and CBL

图4 流道圆柱示意图Fig .4 Flow channel cylinder diagram

2.2.1局部水力通道

室内采用水泥胶结评价测井仪开展了水力突破路径评价实验，流道通道评价结果如图5所示，可以发现，水力突破路径主要表现为纵向上直接突破、弧型斜向上及迂回突破等方式：图5a试样1水力突破路径没有采取纵向上直接突破方式，而是采用4段式迂回突破方式；图5b试样2水力突破路径是采取纵向上直接突破方式；图5c试样3水力突破路径没有采取纵向上直接突破方式，而是采用弧型斜向上突破方式；图5d试样4水力突破路径没有采取纵向上直接突破方式，而是采用4段式迂回突破方式；图5e试样5水力突破路径没有采取纵向上直接突破方式，而是采用3段式迂回突破方式；图5f试样6水力突破路径没有直接纵向上采取突破，而是采用2段式迂回突破方式。

通过分析认为，由于水泥胶结存在不确定性，受限于当时的固井工艺和固井环境，不同胶结试样水力流动通道不尽相同，存在巨大的差异性，窜流通道主要是在固井施工后水泥石与套管胶结薄弱区域的一个线性表现。

图5 6块试样水力流动疑似路径Fig .5 Suspected path of hydraulic flow of 6 samples

2.2.2有效封隔长度

1) 水力流道对有效封隔长度的影响。

将水力突破流道实际轨迹定义为绝对路径，将纵向上垂直最大位移定义为相对路径，对本文实验中6块试样的水力通道路径长度数据进行统计，结果见表1。由表1可以看出，相对路径之间差值较小，更接近于突破压力的波动，因此可以将相对路径长度等同于有效封隔长度。

(2)按城市地下管线测量技术要求，管线探测精度如下：隐蔽管线点的探测精度，高程中误差(指测点相对邻近高程控制点)不大于±2 cm。水平位置限差不大于±(5+0.05h)，当测区较大又缺少四等以上水准点时，埋深限差不大于±(5+0.07h)(h为地下管线的中心埋深，以cm为单位。按i级精度要求)。

表1 水力流道路径长度统计Table 1 Statistics of hydraulic flow path length

根据固井质量评价常规认识，水力密封突破压力与有效封隔长度有关。通过本次实验发现，在一定封隔长度和等同胶结质量的条件下，水力突破压力与绝对路径也有相关关系，即使水泥环胶结强度足够高，若胶结良好的完整水泥环纵向长度太短，也难以承受作业期间产生的压差，所以有效的水力密封必须依赖于足够的有效胶结长度。

2) 套管尺寸对有效封隔长度的影响。

国内外固井研究人员从工程的角度出发，研究了常规密度水泥固井验窜实验，分析发现水泥环的水力密封完整性依赖于水泥石的胶结质量和水泥环的最小有效封隔长度，其中最小有效封隔长度与套管尺寸有关联关系，如图6所示[7，14]。

由图6可以看出，在一定水泥胶结条件下，套管尺寸越大，层间最小有效封隔长度就越大，即套管尺寸越大，需要完整性的水泥环段就越长，才能保证水力密封完整性。针对压裂井来说，考虑到压裂作业对水泥环水力密封完整性要求较高，因此水力压裂要求的水泥环层间纵向封隔长度是通常封隔长度的3倍[15]。

图6 常规井套管尺寸与最小封隔长度关系[7,14]Fig .6 Relationship between the size of casing and the minimum seal length[7,14]

基于上述分析结果，套管尺寸对水泥环水力密封完整性有一定的影响，在相同有效封隔长度下，套管尺寸越大，水泥环密封完整性越差。

3 研究展望

套管与水泥环整体胶结质量和局部差异性对水力密封完整性评价都有直接影响。水力密封完整性评价的通常做法是：①读取和识别局部井段CBL值；②读取封隔长度，求取胶结强度，评价胶结质量；③判断水力密封完整性。常规做法是从工程角度出发，考虑套管水泥环整体胶结质量，忽略局部胶结差异性，以达到现场的快速定性评价，而实现定量化评价则存在较大难度。为了更好地评价水力密封完整性，亟需进行水力密封完整性定量化评价研究，建议从以下几点开展研究工作。

1) 提高固井质量测井的探测能力，特别是对局部差异性探测。通过分析认为，套管与水泥环界面胶结强度、胶结缺陷、有效路径等因素对水力密封完整性均有较大的影响，从整体胶结质量出发评价，仅能做到定性，不能做到定量。

2) 加强因微裂缝、流体侵入和钻井液污染引起的胶结缺陷的探测方法研究。实际测井过程中，这些缺陷不能够被现有的测井手段准确识别出来。

3) 进一步研发新的水力密封完整性研究手段，提高水力密封完整性评价能力，探索一套统一的评价方法和标准。

总之，水力密封完整性评价需要基于系统的理论研究和实验研究，通过大量的现场评价试验，建立一套定量和定性相结合的评价方法。

4 结论

1) 通过开展水力密封完整性评价室内实验，建立了CBL值与最大突破压力的对应图版，进行了套管与水泥环胶结界面水力密封完整性评价，结果表明：在一定封隔长度段下，套管与水泥环胶结界面胶结强度越大，需要突破的压力就越大。

2) 运用水泥胶结评价测井手段，开展了水力流动路径评价实验，初步认清了水力突破路径规律，测定了水力流动绝对路径和相对路径，获得了水泥环有效胶结长度与水力密封的关系。

3) 通过分析认为，套管与水泥环整体胶结质量、局部差异性和套管尺寸对水泥环水力密封完整性评价都有直接影响。目前针对水力密封完整性定量评价仍存在较多困难，需要开展大量的理论和实验研究，建立一套定量与定性相结合的评价方法。