井下复杂条件下固井水泥环的失效方式分析

井下复杂条件下固井水泥环的失效方式分析

齐士琨

中石化中原石油工程有限公司固井公司 河南濮阳 457001

摘要：在考虑封固系统初始作用力的基础上，系统研究了蠕变地应力、井下压力和温度变化等条件下固井水泥环的失效方式，提出了相应的预防措施。蠕变地应力作用下水泥环的失效方式为屈服破坏，建议使用高杨氏模量和高抗压强度的水泥环；套管内压力升高时水泥环的失效方式为切向拉伸破坏，套管内压力降低时水泥环的失效方式为界面挤压应力降低或界面剥离，建议使用低杨氏模量的水泥环或使用膨胀水泥；井下温度升高时水泥环的失效方式为屈服破坏，建议使用低杨氏模量的水泥环；井下温度降低时水泥环的失效方式为界面挤压应力降低或界面剥离，建议使用低杨氏模量的水泥环或使用膨胀水泥。

关键词：水泥环；蠕变地应力；温度变化；压力变化；失效方式

近年来，随着固井封固系统失效情况的增多，对其的研究也逐渐得到重视。根据导致失效的不同原因可将这些失效情况分为两类：①因固井质量不合格导致的失效；②因井下复杂条件导致的失效。目前，对于如何预防第一类失效情况已进行了大量研究，部分成果在现场应用后取得了较好的效果。对于第２类失效情况，目前研究认为除少数因地层流体腐蚀导致失效的情况外，多数是由井下环境条件变化引起的封固系统受力状态变化造成的，其中水泥环是封固系统的薄弱环节，水泥环失效是封固系统的主要失效形式之一。笔者针对固井水泥环的失效问题，研究井下复杂条件下水泥环的失效方式，为有针对性的采取措施预防水泥环失效提供依据和指导。

1应力、压力、温度变化下固井水泥环的失效方式及其预防措施

1.1地应力变化及水泥环的失效方式

石油工业中的地应力变化主要指地层的蠕变。由于蠕变地应力通常都大于地层孔隙压力，蠕变地应力作用于封固系统后产生的附加应力与初始应力叠加会使一、二界面处的挤压应力增大，有利于提高界面的封固性能。水泥环和套管都受三向挤压应力的作用，破坏形式主要为屈服破坏。对于蠕变地层中的固井设计，目前多按上覆岩层压力设计套管强度来预防套管被挤压破坏，但对水泥环机械性能设计的研究较少。下面利用数值模拟方法来研究蠕变地应力对水泥环受力的影响，探索改善水泥环受力和预防水泥环破坏的措施。

在以往关于蠕变地应力对封固系统受力状态影响的研究中，建立的封固系统模型通常包括套管、水泥环和地层３个部分，将蠕变地应力施加于地层外侧。工程实际中，蠕变地应力最终直接作用于水泥环上，与上述建立的模型有所差别。本研究根据工程实际情况，建立的封固系统模型只包括套管和水泥环两部分，将蠕变地应力直接施加于水泥环外侧。

1.2井下压力变化及水泥环的失效方式

生产及后续作业必然会引起井下压力的变化，主要表现为套管内压力变化和地层孔隙压力变化。地层孔隙压力变化对封固系统的影响较小。因此重点研究套管内压力变化的影响。

套管内压力升高时产生的附加应力与初始应力叠加会使一、二界面处的挤压应力增大，有利于提高界面的封固性能。水泥环在径向上受到的挤压应力增大，在切向上受到附加拉伸应力的作用，由于水泥环的抗拉强度远小于其抗压强度，所以水泥环主要以切向拉伸破坏的方式失效。套管内压力降低时，套管与水泥环之间和水泥环与地层之间的界面挤压应力降低，甚至使一、二界面剥离，由于一、二界面的剥离强度仅为１０ｋＰａ至几十千帕的范围内，比套管和水泥环的抗拉强度要小得多，所以水泥环主要以界面挤压应力降低后地层流体突破界面和界面胶结剥离的方式失效。上述只是定性分析了套管内压力变化时水泥环的失效方式，下面利用数值模拟方法来定量研究套管内压力变化时在封固系统薄弱环节产生的附加应力，利用室内实验来定性研究套管内压力变化对界面胶结强度的影响，然后结合封固系统初始受力状态，分析上述失效方式出现的可能性。

1.3井下温度变化及水泥环的失效方式

井下温度升高时，地层、水泥环和套管都发生热膨胀，使一、二界面处的挤压应力增大，有利于提高界面的封固性能；水泥环受三向挤压应力的作用，主要以屈服的形式失效。井下温度降低时，地层、水泥环和套管都发生热收缩，在三者内部及之间产生三向附加拉伸应力，由于一、二界面的胶结强度比水泥石的抗压、抗拉强度和套管的强度低得多，因此界面胶结是封固系统中最薄弱的环节。分别利用数值模拟和室内实验方法来定量研究套管温度变化时在封固系统中产生的附加应力和对界面胶结强度的影响，验证上述失效方式出现的可能性。通过降低水泥环杨氏模量和增大初始应力都可以降低界面胶结破坏的风险，建议采用较低杨氏模量的水泥环或使用膨胀水泥来预防失效。

1.4室内实验及结果分析

本文参考文献已经介绍了关于井下温度变化对界面胶结强度影响的研究成果，表明温度变化导致一、二界面的胶结强度降低；温度变化幅度越大，界面胶结强度的降低幅度越大；温度循环变化时界面胶结强度的降低幅度比单次变化时大；水泥石的热膨胀性质和机械性质与岩石的这些性质越相近，温度变化时界面胶结强度的降低幅度越小。这些实验结果也说明，井下温度变化幅度较小时虽不会破坏水泥石，但会导致界面挤压应力的降低和界面胶结微观结构的破坏。

2结论

固井水泥环是封固系统的薄弱环节，而了解井下复杂条件下水泥环的失效方式对于预防其失效具有重要的指导意义。为此，在考虑封固系统初始作用力的基础上，利用数值模拟和室内实验等方法研究了蠕变地应力、井下压力和温度变化等因素对封固系统应力状态及界面胶结强度的影响，进而分析了对应的水泥环失效方式，并提出了相应的预防措施：①蠕变地应力作用下水泥环的失效方式为屈服破坏，建议使用高杨氏模量和高抗压强度的水泥环来预防失效；②套管内压力升高时水泥环的失效方式为切向拉伸破坏，套管内压力降低时水泥环的失效方式为界面挤压应力降低或界面剥离，建议使用低杨氏模量的水泥环或使用膨胀水泥来预防失效；③井下温度升高时水泥环的失效方式为屈服破坏，建议使用低杨氏模量的水泥环来预防失效；④井下温度降低时水泥环的失效方式为界面挤压应力降低或界面剥离，建议使用低杨氏模量的水泥环或使用膨胀水泥来预防失效。

参考文献：

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