论文部分内容阅读
随着非常规油气勘探开发工作的深入开展，环空带压现象经常在油气井中出现，尤其是需要水平井分段压裂的页岩气开发过程中。环空带压不仅会影响油气井的后期施工，而且对安全生产十分不利，造成了不必要的人力、物力和财力的损失，这已经成为石油研究人员共同面临的世界难题。为此，本文以西南某页岩气井的环空带压问题为背景。首先对油气井环空带压问题展开文献调研，然后利用实验手段分析了水泥石以及水泥石-页岩组合体的高温力学性能，最后基于数值模拟方法，研究了该井分段压裂施工过程对水泥环及其组合体受力特征的影响规律。结合现场实践，提出页岩气井环空带压的预防和治理措施，并将本文方法成功推广到不同地层条件的页岩储层固井施工分析，主要得到以下结论: (1)采用X射线衍射技术(XRD)和电镜扫描技术(SEM)分析了涪陵龙马溪组页岩和固井水泥石的矿物组分、孔隙结构特征，结果表明:页岩的矿物以石英类脆性矿物为主，其矿物含量为50％～75％，其中石英含量所占比重为40％～60％;以方解石和白云石为主的碳酸岩盐类矿物，矿物含量在4％～10％;以高岭石和伊利石为主的粘土类矿物含量在20％～40％。水泥石是一种非均质的多相体系，最后的主要生成物水化硅酸钙(C-S-H)体积分数约50％、氢氧化钙(Ca(OH)2)约12％、硫铝酸盐(Aft、AFm)约13％和孔隙25％等。 (2)模拟储层温度和压力环境条件，通过水泥石高温三轴压缩和热循环处理后常温三轴压缩试验，分析了不同高温以及热循环处理后水泥石的力学特性和破裂特征，并得出了高温对水泥石力学性质的影响，结果表明随着围压的增加，水泥石峰值强度增大、弹性模量略有增大、破裂模式由脆性向弹塑性转换;随着试验温度的增加，水泥石逐渐变“软”，水泥石弹性模量、峰值强度降低，粘聚力和内摩擦角整体上呈现下降的规律;在高温高压下水泥石试件试验后并无明显的破坏特征。对于不同高温热循环损伤后的水泥石试件，单轴与三轴峰值强度随着热循环温度的升高和循环次数增多而下降;粘聚力随热循环次数和温度升高而降低，但内摩擦角值几乎保持恒定;该水泥石高温力学试验为套管-水泥环-页岩地层应力数值模拟计算提供了基础参数。 (3)对水泥石-页岩组合体进行单三轴和剪切试验。单三轴试验发现低围压条件下水泥石裂纹形成后会向页岩扩展，形成贯穿组合体的纵向裂纹;高围压三轴时组合体不会形成明显裂纹。剪切过程中无论是垂直还是水平层理页岩的组合体，在低垂向压力的时候，胶结面强度相对水泥石强度较低，更容易沿着胶结面直接剪切破坏;而当垂直压力的增高，胶结面的剪切强度随着也增大，水泥石的相对高剪切强度消失，所以剪切面更容易形成粗糙的凹凸面。 (4)基于不同温度状态下水泥石的力学参数（弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角），考虑水泥浆在凝固过程中体积收缩、不变和膨胀三种情况，从理论上分析了压裂过程中水泥环应力状态特征，并引入损伤因子D定量描述水泥环塑性区面积占水泥环的比例。理论计算结果显示随着地温升高损伤反而下降，具体表现为水泥石初始应力在0和10MPa时，25℃和95℃地层温度的水泥石都发生了拉伸破坏，即损伤因子为1.0，而135℃温度下水泥石损伤因子均小于1.0;当水泥石初始应力大于20MPa时，不同地温下压裂过程中水泥石损伤因子表现为:D25℃＞D95℃＞D135℃。随着水泥石初始应力增大，水泥环第一、二界面压应力均增加，但由于考虑三向应力状态，水泥环反而不易产生塑性损伤。 (5)针对西南某页岩气水平井分段压裂，提出了水泥环拉伸、压剪和胶结面变形不协调三种破坏模式。利用有限元程序ABAQUS软件建立套管-水泥环-页岩地层组合体模型，对页岩气井水泥环密闭性进行分析，最终分析结果显示最内侧水泥环环空带压，其它水泥环未出现环空带压，与现场监测数据一致。水泥环破坏具体情况如下:当不考虑压裂过程中水泥环温度变化时一开、二开和三开最内侧水泥环分别在第24、8和9次压裂后破坏;当考虑压裂过程中水泥环温度变化时一开、二开和三开最内侧水泥环分别在第24、8和24次压裂后破坏;因此，最终表现为第24次压裂后最内侧水泥环出现环空带压，而其他两层水泥环完整性良好。 (6)为将针对西南某页岩气井获得的套管-水泥环-页岩地层组合体完整性判断标准进行推广，研究了在不同埋深(2000m、3000m和4000m)、水泥环弹性模量(4GPa、6GPa、8GPa、10GPa和12GPa)、泊松比(0.10、0.20、0.30和0.40)和施工压力(80MPa、100MPa和120MPa)条件下页岩气井水泥环能够承受的最大压裂段数。研究表明同等地层条件下，低弹性模量、高泊松比的水泥环承受压裂段数更多，将各种工况下计算获得的结果绘制成图版，为现场固井过程水泥浆体系选择和压裂施工设计提供技术指导。