頁(yè)巖膨脹應(yīng)變及固井質(zhì)量對(duì)套管變形的影響研究

李 皋，李 澤，簡(jiǎn) 旭，李紅濤，于 浩，王 濤

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500； 2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司，重慶 401147； 3. 西南石油大學(xué)，四川 成都 610500)

0 引 言

威榮區(qū)塊頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富，但該區(qū)塊套管變形問題突出，嚴(yán)重影響了該區(qū)域頁(yè)巖氣資源的高效開發(fā)。相關(guān)學(xué)者針對(duì)套管變形機(jī)理及解決措施開展了大量研究。套管變形類型以剪切破壞為主，并認(rèn)為斷層的滑移是導(dǎo)致套管變形的主要因素[1]。同時(shí)，壓裂區(qū)域分布不均引起的非均勻應(yīng)力場(chǎng)[2]、壓裂過(guò)程中的力-熱耦合作用造成的套管應(yīng)力上升[3]等因素也引起了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。在固井質(zhì)量對(duì)套管變形的影響方面，前人針對(duì)水泥環(huán)缺失等因素開展了大量研究，指出水泥環(huán)缺失將導(dǎo)致套管內(nèi)壁產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)套管安全性產(chǎn)生較明顯的影響[4-8]。上述研究大多未考慮威榮地區(qū)頁(yè)巖本身巖石性質(zhì)，且普遍將提高固井質(zhì)量視為減少套管變形的重要措施。然而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，威榮地區(qū)套管變形和固井質(zhì)量的相關(guān)性不明顯[9]。因此，基于頁(yè)巖理化性質(zhì)，分析了頁(yè)巖膨脹應(yīng)變對(duì)套管變形的影響，并探討了考慮頁(yè)巖膨脹應(yīng)變情況下的固井質(zhì)量對(duì)套管變形的影響，提出了威榮地區(qū)套管變形的相應(yīng)解決措施。

1 頁(yè)巖膨脹應(yīng)變對(duì)套管變形的影響

威榮地區(qū)頁(yè)巖呈層理狀分布，液相作用下層理縫間形成水分子，造成層間膨脹，從而導(dǎo)致頁(yè)巖的膨脹變形[10]。由于威榮地區(qū)頁(yè)巖不含水敏性黏土礦物，水化膨脹能力低，因此，該區(qū)域頁(yè)巖的膨脹變形較弱。利用泥頁(yè)巖應(yīng)力應(yīng)變儀對(duì)威榮地區(qū)頁(yè)巖開展膨脹應(yīng)變測(cè)試，24 h后，測(cè)試巖樣的膨脹應(yīng)變?yōu)?.1%～0.4%。衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，威榮地區(qū)頁(yè)巖中石英含量較高，測(cè)試巖樣中平均石英含量為44%，巖樣在高石英含量條件下，表現(xiàn)為硬脆性，且水化對(duì)巖石強(qiáng)度的影響較低。水化前后威榮地區(qū)頁(yè)巖三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：工作液體系及浸泡時(shí)間對(duì)威榮地區(qū)頁(yè)巖力學(xué)性能影響規(guī)律不明顯，巖樣抗壓強(qiáng)度普遍高于150 MPa；水化前頁(yè)巖彈性模量為18 537.8 MPa，水化后頁(yè)巖彈性模量為17 133.8 MPa，頁(yè)巖水化前后彈性模量均保持較高的數(shù)值，并未出現(xiàn)明顯降低。

利用有限元軟件COMSOL Multiphysics研究頁(yè)巖膨脹應(yīng)變對(duì)套管Von Mises應(yīng)力的影響，相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)為：頁(yè)巖彈性模量為30 GPa，泊松比為0.23，最大、最小水平主應(yīng)力及垂向應(yīng)力分別為100、80、90 MPa；泵壓為90 MPa，井眼尺寸為215.9 mm，套管尺寸為139.7 mm，套管壁厚為12.7 mm；套管彈性模量為210 GPa，泊松比為0.30，屈服強(qiáng)度為758 MPa，水泥石彈性模量為10 GPa，泊松比為0.18。為模擬頁(yè)巖微膨脹，將膨脹應(yīng)變?cè)O(shè)置為0.1%～0.4%。數(shù)值模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 膨脹應(yīng)變對(duì)套管Von Mises應(yīng)力的影響

由圖1可知：未考慮膨脹應(yīng)變時(shí)套管Von Mises應(yīng)力峰值約為500 MPa，低于套管屈服強(qiáng)度；頁(yè)巖膨脹對(duì)套管應(yīng)力影響較明顯，其膨脹應(yīng)力通過(guò)水泥環(huán)作用于套管，套管應(yīng)力隨頁(yè)巖膨脹率的增加而上升，當(dāng)膨脹應(yīng)變?yōu)?.4%時(shí)，Von Mises應(yīng)力達(dá)到1 100 MPa，此時(shí)超過(guò)套管屈服強(qiáng)度，套管將發(fā)生變形現(xiàn)象。

2 基于頁(yè)巖膨脹應(yīng)變的套管應(yīng)力與固井質(zhì)量的相關(guān)性分析

現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)資料表明，套管變形位置處合格及優(yōu)質(zhì)的固井質(zhì)量占總數(shù)的60%，威榮地區(qū)的套變發(fā)生率與固井質(zhì)量相關(guān)性不明顯。

2.1 水泥環(huán)月牙狀缺失

水泥環(huán)缺失存在月牙狀缺失、弧形缺失等情況。在將頁(yè)巖膨脹應(yīng)變?cè)O(shè)定為0.2%的基礎(chǔ)上，在模型中部設(shè)置水泥環(huán)月牙狀缺失，其余區(qū)域水泥膠結(jié)形態(tài)完好，計(jì)算不同月牙狀水泥缺失深度條件下套管內(nèi)壁環(huán)形路徑上的套管Von Mises應(yīng)力，同時(shí)計(jì)算水泥段缺失段直線路徑上的套管Von Mises應(yīng)力，研究水泥環(huán)月牙缺失及其缺失深度對(duì)套管變形的影響。模型參數(shù)如上文所述，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 水泥環(huán)月牙狀缺失對(duì)套管應(yīng)力的影響

由圖2a可知：水泥環(huán)存在月牙狀缺失時(shí)，套管應(yīng)力上升，且表現(xiàn)為水泥環(huán)缺失深度越大，套管應(yīng)力越高，而未缺失處的套管應(yīng)力變化較小，即缺失深度越大，應(yīng)力差越大，越容易發(fā)生套管變形。由圖2b可知：發(fā)生膨脹后未出現(xiàn)水泥環(huán)缺失井段的套管應(yīng)力與水泥整段無(wú)缺失時(shí)基本相同，但均高于未膨脹情況。因此，在頁(yè)巖膨脹及固井質(zhì)量綜合作用下，套管更容易產(chǎn)生屈服。

2.2 水泥弧形缺失

2.2.1 第一膠結(jié)面缺失

將模型中部設(shè)置為第一膠結(jié)面水泥環(huán)缺失，并將缺失深度固定為10 mm，僅改變水泥環(huán)的缺失角度，計(jì)算不同缺失角度情況下水泥環(huán)缺失段直線路徑上的套管Von Mises應(yīng)力。其余參數(shù)如前文所示，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在水泥環(huán)缺失深度固定情況下，套管應(yīng)力隨缺失角度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在缺失角度為45 °時(shí)套管應(yīng)力最大。值得注意的是當(dāng)缺失角度為90 °時(shí)，其套管應(yīng)力大幅度減小，且其應(yīng)力分布趨勢(shì)與其余角度不同。分析缺失角為45 °及90 °的套管軸向剖面應(yīng)力云圖(圖4)可知：缺失角為45 °時(shí)，水泥環(huán)的缺失導(dǎo)致套管內(nèi)壁出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；而當(dāng)缺失角為90 °時(shí)，應(yīng)力未明顯集中于水泥環(huán)的缺失邊，表明水泥環(huán)的缺失為應(yīng)力的釋放提供了空間。

圖3 第一膠結(jié)面水泥缺失對(duì)套管應(yīng)力的影響

圖4 特定缺失角度情況下的套管應(yīng)力云圖

2.2.2 第二膠結(jié)面缺失

在模型參數(shù)不變的情況下，研究第二膠結(jié)面缺失對(duì)套管應(yīng)力的影響，固定第二膠結(jié)面水泥環(huán)的缺失深度，同樣僅改變?nèi)笔Ы嵌?，?yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：第二膠結(jié)面對(duì)套管應(yīng)力的影響趨勢(shì)與第一膠結(jié)面缺失時(shí)類似，均表現(xiàn)為套管應(yīng)力隨缺失角度的增加先增大后減??；當(dāng)水泥環(huán)缺失角度達(dá)到90 °時(shí)，頁(yè)巖膨脹產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力得到釋放，套管應(yīng)力大幅下降。上述結(jié)果表明，水泥環(huán)的缺失足夠大時(shí)，將起到應(yīng)力釋放的效果，套管應(yīng)力反而降低。然而當(dāng)水泥環(huán)的缺失不足以滿足應(yīng)力釋放條件時(shí)，應(yīng)盡量保證井筒組合體結(jié)構(gòu)的完整性，以降低套管應(yīng)力。

圖5 水泥環(huán)第二膠結(jié)面缺失對(duì)套管應(yīng)力的影響

2.3 微環(huán)隙

微環(huán)隙是造成固井質(zhì)量差的因素之一，考慮第一膠結(jié)面及第二膠結(jié)面存在微環(huán)隙時(shí)的套管應(yīng)力，計(jì)算不同微環(huán)隙間距對(duì)套管應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：當(dāng)水泥環(huán)與套管或地層間存在微環(huán)隙時(shí)，微環(huán)隙為應(yīng)力的釋放提供了空間，導(dǎo)致套管應(yīng)力大幅下降，遠(yuǎn)低于未存在微環(huán)隙區(qū)域的套管應(yīng)力。

圖6 微環(huán)隙對(duì)套管應(yīng)力的影響

綜上所述，考慮頁(yè)巖膨脹情況下的套管應(yīng)力未呈現(xiàn)隨固井質(zhì)量的變差而增大的趨勢(shì)，當(dāng)水泥環(huán)與套管或地層間存在足夠的釋放空間時(shí)，頁(yè)巖產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力將得到有效釋放，套管應(yīng)力降低。因此，亟需尋求合理的工程措施來(lái)釋放膨脹應(yīng)力，防止套管變形。

3 高密度射孔對(duì)套管應(yīng)力的釋放作用

通過(guò)上述分析可知，頁(yè)巖膨脹情況下的膨脹應(yīng)力在存在釋放空間時(shí)能得到有效釋放，從而降低套管應(yīng)力。通過(guò)分析威榮氣田現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，射孔位置處均未發(fā)生套管變形，因此，開展高密度射孔對(duì)套管應(yīng)力釋放研究，探討射孔產(chǎn)生的應(yīng)力釋放效果。模型中孔眼相位角為60 °，孔距為100 mm，孔徑為10 mm，頁(yè)巖膨脹率設(shè)定為0.2%，高密度射孔條件下的套管應(yīng)力分布情況如圖7所示。由圖7可知，高密度射孔后在孔眼附近出現(xiàn)了較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但孔眼之間套管應(yīng)力與未射孔相比有所降低，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，射孔造成的局部應(yīng)力集中及套管強(qiáng)度下降并不會(huì)直接導(dǎo)致套管發(fā)生變形[11]。圖8為高密度射孔下不同孔徑對(duì)套管應(yīng)力的影響。由圖8可知：孔徑越大，套管應(yīng)力的下降程度越高，高密度射孔對(duì)膨脹應(yīng)力的釋放效果更顯著；但當(dāng)孔徑及孔密過(guò)大時(shí)，對(duì)套管強(qiáng)度存在影響，因此，后續(xù)還應(yīng)開展射孔設(shè)計(jì)優(yōu)化，選取合理的射孔參數(shù)。

圖7 射孔前后應(yīng)力云圖分布

圖8 高密度射孔后套管應(yīng)力Fig.8 The casing stress after high-density perforation

4 結(jié)論與建議

(1) 威榮地區(qū)頁(yè)巖呈硬脆性，力學(xué)強(qiáng)度高，水化后降低不明顯。液相作用下，層理縫的層間膨脹導(dǎo)致頁(yè)巖膨脹變形，其膨脹應(yīng)力對(duì)套管應(yīng)力有較明顯的影響。

(2) 綜合考慮頁(yè)巖膨脹應(yīng)變及固井質(zhì)量對(duì)套管應(yīng)力有明顯影響。當(dāng)微環(huán)隙或水泥環(huán)缺失等情況對(duì)膨脹應(yīng)力的釋放作用大于其造成的應(yīng)力集中時(shí)，套管應(yīng)力反而降低。建議尋求合理的工程措施達(dá)到應(yīng)力釋放效果。

(3) 高密度射孔能有效釋放膨脹應(yīng)力，合理的射孔參數(shù)對(duì)套管應(yīng)力的降低具有積極效果。