CN107991165B - 一种水泥环气密封性失效判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泥环气密封性失效判断方法，包括以下步骤：确定气密封性失效点；计算水泥环实际受力情况；将计算结果与实验结果进行对比，判断水泥环受力是否超过其气密封性失效点；确定水泥石残余应变值；对井筒压力变化过程进行模拟，计算水泥环实际受力情况，以及压裂结束后水泥环残余应变情况；将计算结果与实验结果进行对比，判定气密封性是否安全。本发明将水泥石损伤及渗透率变化作为其气密封失效的评判标准，利用三轴加卸载应力应变实验，对渗透率进行监测，得到渗透率随应力应变的变化特征，辅以声发射监测，对水泥石内部结构变化进行监控。该方法比传统方法更准确，对水泥环的性能及配方设计、现场井筒操作的指导更安全。
Description
技术领域
本发明涉及油田钻井技术领域，特别是一种水泥环气密封性失效判断方法。
背景技术
目前，对于固井水泥环的密封性失效的研究主要集中于水泥石本体的破坏及水泥环与地层及套管胶结面的失效，而对于水泥石损伤及渗透率变化的研究较少，导致了现场某些井在水泥环完好且胶结质量良好的情况下仍发生环空带压的现象无法解释。
石油天然气井趋向于深井、超深井，且类似于分段压裂、体积压裂的操作越来越普遍，固井水泥环受载荷形式也越来越复杂，水泥环受损伤的概率也明显提高，密封失效的风险也大大增加，尤其是天然气井，经常出现固井质量良好的情况下井口依然环空带压的现象，尤其是大规模水力压裂和分段压裂井下循环加卸载条件下，水泥石没有达到峰值强度，水泥石的渗透率变化，也会导致水泥环气密封性失效。
套管试压、钻井液密度变化、压裂等操作使得水泥环在受载方面复杂，在各种载荷作用下，水泥环的气密封性能不能仅仅依靠强度及胶结质量来来判断，水泥石的渗透性随着加载过程是变化的，水泥环的渗透性增大形成流体的渗流通道，严重时会形成窜流通道，导致水泥环密封性能失效，甚至造成井口的报废。水泥石渗透率的增加与其损伤程度相关，因此，评价水泥环的密封性能须将水泥石损伤及渗透性的变化引入进来。
申请号为201611132395的中国发明专利公开了一种固井水泥环封隔能力动态测试装置及实验方法。该装置包括工作平台和测试主体，工作平台有计算机，测试主体上下为釜盖，中部为釜体，釜体里由外及内依次为模拟地层-水泥环-套管的结构，套管内插有实心柱体，釜盖与地层-水泥环-套管端面接触部分均有滤网和偏心座。该方法包括：配制水泥浆，灌入环形空间内；候凝，养护硬化成环；改变套管内温度压力，测试套管径向位移和模拟地层周向位移，通过声波测试曲线监测水泥环密封失效情况；检测水泥环内产生的微裂缝、一二界面处产生的微环隙，分析水泥环密封失效形式。该发明原理可靠，操作简便，但是该发明只考虑水泥环产生裂缝和一二界面失效的情况，没有考虑水泥石本体渗透率的影响，在评价水泥环完整性方面不够全面。
发明内容
针对上述现有技术存在的水泥环失效评价方法不够全面的问题，本发明提供一种水泥环气密封性失效判断方法，本发明将水泥石损伤及渗透率变化作为其气密封失效的评判标准，来确定水泥环是否会发生气密封性失效，利用三轴加卸载应力应变实验，对渗透率进行监测，得到渗透率随应力应变的变化特征，辅以声发射监测，对水泥石内部结构变化进行监控。在不同加载方式下，当渗透率突变或声发射数据明显增加时，说明内部结构开始变化，气密封性能开始失效。该方法比传统方法更准确，对水泥环的性能及配方设计、现场井筒操作的指导更安全。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种水泥环气密封性失效判断方法，包括以下步骤：
步骤(1)、确定水泥石渗透率发生突变的应力点和扩容屈服应力点，确定气密封性失效点；
步骤(2)、对井筒压力变化过程进行模拟，计算水泥环实际受力情况；
步骤(3)、将上述计算结果与实验结果进行对比，判断水泥环受力是否超过其气密封性失效点；
步骤(4)、确定水泥石发生失效时，水泥石残余应变值；
步骤(5)、对井筒压力变化过程进行模拟，计算水泥环实际受力情况，以及压裂结束后水泥环残余应变情况；
步骤(6)、将计算结果与实验结果进行对比，判定气密封性是否安全。
优选的是，所述步骤(1)中确定水泥石渗透率发生突变的应力点和扩容屈服应力点的方法为对现场配方水泥石进行三轴单调加载实验。
上述任一方案优选的是，所述三轴单调加载实验的方法包括：
A.检查仪器和压力管线，确定设备正常；
B.装载试样；
C.编辑和调整计算机控制方式及相应保护模式，编辑实验加载方式；
D.设备加载开始，同时开启声发射监测设备，实验过程中等时间距的测量岩心样品的渗透率；
E.实验结束后，卸围压，回油增压器，卸除岩样。
上述任一方案优选的是，所述B.装载试样包括：
a)塑封试样；
b)夹持应变仪，放入围压室，罩上围压筒体并定位；
上述任一方案优选的是，所述加载实验过程中进行渗透率测试及声发射信号监测，得到力学参数。
上述任一方案优选的是，所述力学参数包括水泥石弹性模量、泊松比、粘聚力中的至少一种。
上述任一方案优选的是，所述步骤(1)中气密封性失效点为渗透率出现突变和水泥石开出出现扩容时应力值的最小值。
上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中对井筒压力变化过程进行模拟之前，包括建立套管-水泥环-地层有限元模型。套管-水泥环-地层有限元模型为采用有限元模拟软件建立模型时常用的方法。
上述任一方案优选的是，所述套管-水泥环-地层有限元模型是根据现场地层、水泥石及套管参数建立的。
上述任一方案优选的是，所述步骤(2)对井筒压力变化过程进行模拟是在现场大规模压裂条件下进行。
上述任一方案优选的是，所述步骤(3)中判断水泥环受力是否超过其气密封性失效点时，若水泥环受力超过气密封性失效点，则判定气密封性安全，否则，判定其气密封性失效风险高。
上述任一方案优选的是，所述步骤(4)确定水泥石残余应变值需要对现场配方水泥石进行三轴循环加卸载实验。
上述任一方案优选的是，加卸载过程中进行渗透率测试及声发射信号监测，得到力学参数，确定水泥石渗透率发生突变的应力点和扩容屈服应力点，将较小值作为其气密封性失效点。
上述任一方案优选的是，所述力学参数包括水泥石弹性模量、泊松比、粘聚力中的至少一种。
上述任一方案优选的是，所述步骤(5)中对井筒压力变化过程进行模拟需要建立套管-水泥环-地层有限元模型。
上述任一方案优选的是，所述套管-水泥环-地层有限元模型需要根据现场地层、水泥石及套管参数建立。模型是由地层、水泥环、套管组成，根据不同组分的性质在模型中输入不同的参数。
上述任一方案优选的是，所述步骤(5)是对现场分段压裂条件下井筒压力变化过程进行模拟。分段压裂过程中井筒压力变化方式是现场工程操作的输入参数，根据现场工程操作确定。
上述任一方案优选的是，所述步骤(6)中判定气密封性是否安全的具体方法为将计算结果与实验结果进行对比，判断水泥环受力是否超过其气密封性失效点、残余应变量是否超过其气密封性失效时的残余应变值，若任意一项未超过，则判定气密封性安全，否则，判定其气密封性失效风险高。任意一项是指水泥环受力是否超过其气密封性失效点、残余应变量是否超过其气密封性失效时的残余应变值。
根据达西定律，多孔介质，包括水泥石，具有一定的渗透性：
式中，v：通过渗流截面的渗流速度，cm2/s；K：多孔介质渗透率，D(cm2)；μ：流体粘度，mPa﹒s；ΔP：渗流截面压差，105Pa；ΔL：渗流截面距离，cm。所以，水泥环作为多孔介质对流体的密封性不是100％完全封隔的，而是在一种能接受的程度下对流体进行封隔。水泥石渗透率的增加与其损伤程度相关，因此，评价水泥环的密封性能须将水泥石损伤及渗透性的变化引入进来，这也进一步证明本发明的方法比传统方法更准确。
有益效果：
本发明的有益效果是：本发明提供一种水泥环气密封性失效判断方法，包括以下步骤：
步骤(1)、确定水泥石渗透率发生突变的应力点和扩容屈服应力点，确定气密封性失效点；
步骤(2)、对井筒压力变化过程进行模拟，计算水泥环实际受力情况；
步骤(3)、将上述计算结果与实验结果进行对比，判断水泥环受力是否超过其气密封性失效点；
步骤(4)、确定水泥石发生失效时，水泥石残余应变值；
步骤(5)、对井筒压力变化过程进行模拟，计算水泥环实际受力情况，以及压裂结束后水泥环残余应变情况；
步骤(6)、将计算结果与实验结果进行对比，判定气密封性是否安全。
本发明具有以下优点：
本发明将水泥石损伤及渗透率变化作为其气密封失效的评判标准，来确定水泥环是否会发生气密封性失效，利用三轴加卸载应力应变实验，对渗透率进行监测，得到渗透率随应力应变的变化特征，辅以声发射监测，对水泥石内部结构变化进行监控。在不同加载方式下，当渗透率突变或声发射数据明显增加时，说明内部结构开始变化，气密封性能开始失效。该方法比传统方法更准确，对水泥环的性能及配方设计、现场井筒操作的指导更安全。
附图说明
图1为本发明的水泥环气密封性失效判断方法一优选实施例所用的三轴加载试验机；
图2为单调加载不同围压下水泥石应力应变曲线；
图3为体积应变与渗透率及声发射信号关系；
图4为循环加载下水泥石应力应变曲线；
图5为体积应变与渗透率及声发射信号关系；
图6,图6A为有限元模型组成；图6B为有限元模型建立；
图7为有限元模拟计算结果；
图8水泥石三轴加载实验；
图9单次压裂模拟结果；
图10循环加卸载条件下水泥石扩容现象。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
实施例1
如图1-图9所示，水泥环气密封性失效判断方法，包括以下步骤：
步骤(A1)、为确定大规模压裂条件下水泥环气密封失效条件，对现场配方水泥石进行三轴单调加载实验，三轴单调加载实验采用如图1所示的三轴加载试验机进行，三轴单调加载实验的方法包括：
A.检查仪器和压力管线，确定设备正常；
B.装载试样；
a)塑封试样；
b)夹持应变仪，放入围压室，罩上围压筒体并定位；
C.编辑和调整计算机控制方式及相应保护模式，编辑实验加载方式；
D.设备加载开始，同时开启声发射监测设备，实验过程中等时间距的测量岩心样品的渗透率；
E.实验结束后，卸围压，回油增压器，卸除岩样。
加载过程中进行渗透率测试及声发射信号监测，得到水泥石弹性模量、泊松比、粘聚力等力学参数，确定水泥石渗透率发生突变的应力点和扩容屈服应力点，将较小值作为其气密封性失效点。气密封性失效点为渗透率出现突变和水泥石出现扩容时应力值的最小值。
单调加载不同围压下水泥石应力应变曲线如图2所示，体积应变与渗透率及声发射信号关系如图3所示。
步骤(A2)、根据现场地层、水泥石及套管参数建立套管-水泥环-地层有限元模型，有限元模型组成及建立如图6所示，对现场大规模压裂条件下井筒压力变化过程进行模拟，计算得到水泥环实际受力情况，有限元模拟计算结果如图7 所示。
步骤(A3)、将计算结果与实验结果进行对比，判断水泥环受力是否超过其气密封性失效点，若超过，则判定气密封性安全，否则，判定其气密封性失效风险高。
步骤(B1)、为确定分段压裂条件下，水泥环气密封性失效条件，对现场已确定配方水泥石进行三轴循环加卸载实验，对加载过程中进行渗透率测试及声发射信号监测，得到水泥石应力应变、弹性模量、泊松比、粘聚力等力学参数，确定水泥石渗透率发生突变的应力点和扩容屈服应力点(如图2、图3所示标注点)，将较小值作为其气密封性失效点。确定水泥石发生失效时，水泥石残余应变值。循环加载下水泥石应力应变曲线如图4所示；体积应变与渗透率及声发射信号关系如图5所示；
步骤(B2)、根据现场地层、水泥石及套管参数建立套管-水泥环-地层有限元模型，对现场分段压裂条件下井筒压力变化过程进行模拟，计算，得到水泥环实际受力情况，以及压裂结束后水泥环残余应变情况。
步骤(B3)、将计算结果进行对比，判断水泥环受力是否超过其气密封性失效点、残余应变量是否超过其气密封性失效时的残余应变值，若上述任意一项未超过，则判定气密封性安全，否则，判定其气密封性失效风险高。
具体的，如某口井水泥环配方：G级水泥+25％硅粉+10％微硅+4％水泥降失水剂+1％水泥缓凝剂+1％水泥分散剂+0.2％消泡剂。
对水泥石进行三轴加载实验，该配方下水泥石扩容屈服应力为47MPa，如图8所示，在此应力值之下，水泥环气密封性不会受到影响。
对该井进行如图6所示的有限元模拟，对单次压裂过程进行模拟，具体各结构参数如表1所示，压裂过程中，井筒压力增加值范围为65～80MPa，据此，对该区页岩气井压裂和注采过程进行有限元模拟，模拟结果如图9所示，根据模拟结果，在单次压裂的整个过程中，水泥环所受到的最大应力为39MPa，没有气密性失效的风险。
表1有限元模拟各结构具体参数设置
实施例2
一种水泥环气密封性失效判断方法，和实施例1不同的是，实施例2对大规模压裂过程进行模拟。
利用图1所示装置和对水泥石进行了10次压裂过程，对此对相同配方条件下的水泥石进行循环加卸载实验确定其气密封性失效的应力点，如图10所示，实验结果表明在循环加卸载条件下，水泥石在第二次循环过程中即发生扩容，水泥石气密封性受到影响，且第二次循环中扩容点应力为35MPa。
根据实施例1的模拟计算结果，压裂过程中水泥环受到的应力值超过此值，水泥环在工况条件下会发生气密封性失效的风险。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种水泥环气密封性失效判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、确定水泥石渗透率发生突变的应力点和扩容屈服应力点，确定气密封性失效点，确定水泥石渗透率发生突变的应力点和扩容屈服应力点的方法为对现场配方水泥石进行三轴单调加载实验；
步骤(2)、对井筒压力变化过程进行模拟，计算水泥环实际受力情况；
步骤(3)、将上述步骤(2)中的计算结果与步骤(1)中的实验结果进行对比，判断水泥环受力是否超过其气密封性失效点；
步骤(4)、确定水泥石发生失效时，水泥石残余应变值，确定水泥石残余应变值需要对现场配方水泥石进行三轴循环加卸载实验；
步骤(5)、对井筒压力变化过程进行模拟，计算水泥环实际受力情况，以及压裂结束后水泥环残余应变情况；
步骤(6)、将步骤(5)中的计算结果与步骤(1)和步骤(4)中的实验结果进行对比，判定气密封性是否安全。
2.根据权利要求1所述的一种水泥环气密封性失效判断方法，其特征在于，所述加载实验过程中进行渗透率测试及声发射信号监测，得到力学参数。
3.根据权利要求1所述的一种水泥环气密封性失效判断方法，其特征在于，所述步骤(1)中气密封性失效点为渗透率出现突变和水泥石出现扩容时应力值的较小值。
4.根据权利要求1所述的一种水泥环气密封性失效判断方法，其特征在于，所述步骤(2)中对井筒压力变化过程进行模拟之前，包括建立套管-水泥环-地层有限元模型。
5.根据权利要求1所述的一种水泥环气密封性失效判断方法，其特征在于，所述步骤(3)中判断水泥环受力是否超过其气密封性失效点时，若水泥环受力超过气密封性失效点，则判定气密封性安全，否则，判定其气密封性失效风险高。
6.根据权利要求1所述的一种水泥环气密封性失效判断方法，其特征在于，加卸载过程中进行渗透率测试及声发射信号监测，得到水泥石力学参数，确定水泥石渗透率发生突变的应力点和扩容屈服应力点，将较小值作为其气密封性失效点。
7.根据权利要求1所述的一种水泥环气密封性失效判断方法，其特征在于，所述步骤(5)中对井筒压力变化过程进行模拟需要利用有限元模拟软件建立套管-水泥环-地层有限元模型。
8.根据权利要求1所述的一种水泥环气密封性失效判断方法，其特征在于，所述步骤(6)中判定气密封性是否安全的具体方法为将计算结果与实验结果进行对比，判断水泥环受力是否超过其气密封性失效点、残余应变量是否超过其气密封性失效时的残余应变值，若气密性失效点应力和残余应变量较大的应力值中的任意一项未超过，则判定气密封性安全，否则，判定其气密封性失效风险高。
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