海上油田淺層氣竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法及應(yīng)用

李 進(jìn) 常培敏 張啟龍 劉 鵬 劉海龍 郭明龍 曾旭洋

1. 中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司, 天津 300459;2. 海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300459;3. 中國(guó)石油西南油氣田公司, 四川 成都 610051;4. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司, 天津 300459

0 前言

近年來(lái),受淺層氣竄的影響,渤海灣多口生產(chǎn)井存在表層套管與隔水導(dǎo)管環(huán)空帶壓?jiǎn)栴},因涉及生產(chǎn)平臺(tái)作業(yè)安全問題,且補(bǔ)救困難,嚴(yán)重影響了油氣資源的利用。比如,渤海油田于1999年在PL 19-3-3、BZ 25-1-6井首次鉆遇淺層氣,發(fā)生淺層氣井噴事故[1-2];在BZ 34-1區(qū)塊、渤海中部1井、2井、3井、BZ 29-4區(qū)塊等地均遭遇了淺層氣固井氣竄的難題,尤其是在BZ 29-4區(qū)塊固井后多口井出現(xiàn)環(huán)空帶壓現(xiàn)象。從20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)氣竄現(xiàn)象至今,國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者針對(duì)水泥漿防氣竄性能評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究,形成了包括潛氣竄因子法、水泥漿性能系數(shù)法、阻力系數(shù)法等多種評(píng)價(jià)方法及經(jīng)驗(yàn)公式[3-6]。但上述方法主要是基于固井早期氣竄的預(yù)測(cè),未考慮水泥漿凝結(jié)過程中的體積收縮對(duì)氣竄的影響,無(wú)法有效預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)水泥凝結(jié)后因體積收縮導(dǎo)致的完整性破壞而發(fā)生的氣竄風(fēng)險(xiǎn)。因此,急需針對(duì)海上油田淺層氣竄的特征,研究建立適用于海上油田淺層氣竄風(fēng)險(xiǎn)的新方法,實(shí)現(xiàn)水泥凝結(jié)全過程的氣竄風(fēng)險(xiǎn)分析與預(yù)測(cè)。

1 渤海淺層氣特征及氣竄原因分析

1.1 淺層氣定義、成因及特點(diǎn)

淺層氣指埋藏在海床面以下 1 500 m范圍內(nèi)未膠結(jié)地層中聚集的有機(jī)氣體[7]。據(jù)研究表明,海底淺層氣有兩種類型:一種是生物甲烷淺層氣,98%以上成分是甲烷氣體,幾乎不含重?zé)N;另一種是熱成甲烷淺層氣,主要含金剛烷類化合物,是石油或煤系形成過程中所產(chǎn)生的多種碳?xì)浠衔锝M分之一[8]。淺層氣形成后,經(jīng)過地質(zhì)時(shí)期的運(yùn)移與聚集,一般穩(wěn)定地埋藏于海底之下。通常,淺層氣以層狀淺層氣、團(tuán)(塊)狀淺層氣、高壓氣囊和氣底辟等4種形態(tài)賦存于海底[9]。

根據(jù)2001年國(guó)土資源調(diào)查及2007年近海環(huán)境調(diào)查結(jié)果顯示[8],整個(gè)環(huán)渤海地區(qū)分布著大片的淺層氣區(qū),其中包括遼東灣灘海地區(qū)、黃河三角洲外海、山東半島濱淺海及南黃海近海等。其中渤海灣淺層氣主要分布于上第三系明化鎮(zhèn)組和館陶組地層[10]。明化鎮(zhèn)組淺層氣埋深一般在300～900 m;館陶組淺層氣埋深一般在800～1 400 m。根據(jù)該地區(qū)環(huán)空帶壓生產(chǎn)井的井口放壓取樣分析,本區(qū)淺層氣的有機(jī)氣體主要組分為甲烷,含量66.75%,C2組分含量為5.67%[11]。

總之,由于淺層氣埋深淺,海底表層較為松軟薄弱,且淺層氣壓力高、壓力變化快,上竄速度快、作用時(shí)間短,導(dǎo)致鉆井過程中,易發(fā)生井噴事故,在固井過程中難以實(shí)現(xiàn)壓穩(wěn),環(huán)空氣竄現(xiàn)象嚴(yán)重[11-13]。

1.2 淺層氣固井氣竄原因分析

對(duì)天然氣井而言,氣竄現(xiàn)象主要發(fā)生于候凝失重階段,屬于早期氣竄[14-16]。和天然氣井不同,淺層氣井固井氣竄現(xiàn)象一般出現(xiàn)在固井后數(shù)天,以水泥環(huán)完整性損害誘發(fā)后期氣竄為主[1]。渤海油田淺層氣竄原因主要集中于淺層巖性、水泥石體積收縮、地層溫度-壓力等工況以及后續(xù)施工作業(yè)等方面的影響。

1.2.1 淺層巖性

由于淺層沉積,多數(shù)為河流沉積和三角洲沉積,廣泛分布著松散的砂巖和泥巖,且淺層成巖不實(shí),大部分泥巖為“軟”泥巖。特殊的巖性、復(fù)雜的沉積,造成了淺地層松軟、疏松、不成巖,水泥石無(wú)法與井壁形成有效膠結(jié),導(dǎo)致固井氣竄容易發(fā)生[11]。

1.2.2 水泥石體積收縮

水泥石體積收縮會(huì)導(dǎo)致界面膠結(jié)脫離形成微環(huán)隙或誘發(fā)本體破碎,為淺層氣竄提供通道。

1.2.3 溫度、壓力等工況

對(duì)于淺層氣而言,因埋藏淺，所以井溫一般較低。低溫條件下水泥漿凝結(jié)較慢,固井候凝時(shí)間較長(zhǎng),易導(dǎo)致固井候凝過程中環(huán)空氣竄的發(fā)生;另外,水泥石強(qiáng)度發(fā)展慢,達(dá)到固井技術(shù)規(guī)定需要的時(shí)間長(zhǎng)。

1.2.4 后續(xù)施工作業(yè)

對(duì)于淺層氣固井來(lái)說(shuō),埋藏淺、地層疏松,固井后還有后續(xù)鉆井作業(yè)。比如,后期試壓作業(yè)容易壓裂水泥環(huán),形成氣竄通道。

分析可知,淺層巖性、環(huán)境工況和后續(xù)施工作業(yè)的影響屬于外因,在實(shí)際作業(yè)過程中不可避免,而水泥石體積收縮的影響屬于體系內(nèi)因,是能夠避免的可控因素。

1.3 體積收縮對(duì)水泥環(huán)完整性損害分析

研究表明[17],隨著水化凝結(jié)的進(jìn)行,水泥會(huì)逐漸發(fā)生體積收縮,最大絕對(duì)體積收縮率達(dá)5%～7%,初凝前的塑性體積收縮占比不足5%,95%的體積收縮發(fā)生于初凝后,其中90%以上的體積收縮發(fā)生于終凝硬化階段。水泥石體積收縮對(duì)完整性損害的影響方式主要有兩種:

其一,體積收縮會(huì)降低水泥環(huán)和套管、地層的膠結(jié)強(qiáng)度,最嚴(yán)重時(shí)會(huì)逐漸導(dǎo)致一二界面剝離,形成微環(huán)隙,誘發(fā)氣竄,導(dǎo)致水泥環(huán)封固失效,見圖1。研究表明,水泥環(huán)膠結(jié)界面存在0.01 mm的微間隙就可發(fā)生油氣竄流,當(dāng)微間隙為0.02 mm時(shí),CBL測(cè)井中可能出現(xiàn)較大的振幅,微間隙為0.05～0.07 mm時(shí),則導(dǎo)致固井質(zhì)量不合格[18]。

圖1 體積收縮形成微環(huán)隙圖Fig.1 Micro-annulus formed by volume shrinkage

其二,收縮時(shí)產(chǎn)生收縮應(yīng)力,收縮越大,應(yīng)力越大,當(dāng)周向應(yīng)力超過一定限值后將導(dǎo)致水泥環(huán)本體破碎,見圖2。研究表明,體積收縮率小于1%時(shí)不會(huì)形成竄流通道,體積收縮達(dá)到5%時(shí)已經(jīng)嚴(yán)重影響固井質(zhì)量[19-20]。

圖2 體積收縮導(dǎo)致本體破碎圖Fig.2 Bulk crushing due to volume shrinkage

2 水泥環(huán)收縮對(duì)完整性影響分析模型

2.1 套管-水泥環(huán)-地層力學(xué)模型

對(duì)處于非均勻應(yīng)力狀態(tài)下的水泥環(huán)受力分析可由圖3表征[21],r0、r1、r2、r3分別代表套管內(nèi)徑、外徑、水泥環(huán)外徑和無(wú)限遠(yuǎn)地層半徑(r3?r0)。套管受內(nèi)壓pw,地層受均勻地應(yīng)力σ。將水泥環(huán)看作是理想的彈性體材料,圖3中a)可分解為均勻地應(yīng)力條件b)和偏差應(yīng)力分量條件c)兩種狀態(tài)。

a)實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)a)Actual stress state

b)均勻地應(yīng)力狀態(tài)b)Uniform in-situ stress state

c)偏差應(yīng)力狀態(tài)c)Deviating stress state

2.1.1 均勻地應(yīng)力條件下的應(yīng)力分析

關(guān)于均勻地應(yīng)力條件下套管、水泥環(huán)和地層受力有如下現(xiàn)成的拉梅解[22]:

(1)

(2)

上述解中共6個(gè)待定系數(shù),對(duì)應(yīng)6個(gè)邊界條件,具體參考文獻(xiàn)[20],代入式(1)和式(2)可得到6個(gè)線性方程組,通過編程可以求解得到井筒液柱壓力pw和地應(yīng)力σ環(huán)境下的套管-水泥環(huán)-地層應(yīng)力分布。

2.1.2 偏差應(yīng)力分量條件下的應(yīng)力分析

偏差應(yīng)力條件下套管、水泥環(huán)和地層受力已有學(xué)者進(jìn)行了如下求解[22]:

(3)

方程組一共12個(gè)未知系數(shù),對(duì)應(yīng)12個(gè)線性方程,可通過編程求解。其中應(yīng)力邊界條件4個(gè),應(yīng)力接觸條件4個(gè)和位移連續(xù)條件4個(gè),具體參考文獻(xiàn)[20]。

2.2 水泥環(huán)自收縮應(yīng)力分析

參考混凝土井壁收縮應(yīng)力分析可知[23],在水泥自收縮過程中將產(chǎn)生收縮應(yīng)力:

σs=εs·Es

(5)

分解到極坐標(biāo)形式下的應(yīng)力分量為:

(6)

體積收縮率的概念為:

(7)

實(shí)際上,由式(7)可以發(fā)現(xiàn),體積收縮率的概念實(shí)質(zhì)是應(yīng)變,即εγ=γ。考慮水泥收縮具有各向同性的性質(zhì),即沿各個(gè)方向收縮率大小一樣,即:

εsγ=εsx+εsy+εsz=εsρ+εsφ+εsz

(8)

(9)

(10)

2.3 水泥環(huán)總應(yīng)力分布

將上述三部分應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行疊加,得水泥環(huán)總應(yīng)力分布,實(shí)際上水泥環(huán)在井筒液壓力pw、地應(yīng)力和自收縮應(yīng)力環(huán)境下,由于pw和地應(yīng)力一定,僅考慮水泥環(huán)自收縮的影響研究時(shí),其總應(yīng)力是體積收縮的函數(shù),即:

(11)

2.4 水泥環(huán)完整性失效判別準(zhǔn)則

由水泥環(huán)總應(yīng)力分布表達(dá)式可得不同體積收縮率條件下水泥環(huán)的應(yīng)力分布,取ρ=ri(i=1,2)即可得到界面膠結(jié)應(yīng)力的大小,通過和水泥環(huán)徑向膠結(jié)力、軸向膠結(jié)力、抗拉強(qiáng)度對(duì)比即可判斷水泥環(huán)在自收縮應(yīng)力作用下的失效形式。

2.4.1 水泥環(huán)拉伸形成微環(huán)隙的判別準(zhǔn)則

(12)

2.4.2 水泥環(huán)拉伸本體破壞的判別準(zhǔn)則

(13)

式中:σT為水泥環(huán)抗拉強(qiáng)度,MPa,由巴西劈裂實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

2.4.3 水泥環(huán)膠結(jié)滑移失效判別準(zhǔn)則

(14)

式中:i=1,2分別代表固井一、二界面;τi為軸向膠結(jié)強(qiáng)度,MPa;σl為界面正應(yīng)力,MPa;fl為界面摩擦系數(shù)。

3 海上油田淺層氣竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)新方法

3.1 淺層氣臨界氣竄工況分析方法

由式(11)水泥環(huán)總應(yīng)力分布表達(dá)式可知,非均勻地應(yīng)力條件下水泥環(huán)所受應(yīng)力為體積收縮、徑向直徑和周向角度的函數(shù)關(guān)系,見式(15)。

(15)

考慮水泥體積收縮率和凝結(jié)固化時(shí)間的變化關(guān)系,見式(16)。

γ=fγ(t)

(16)

結(jié)合水泥環(huán)總應(yīng)力分布和水泥環(huán)膠結(jié)失效判別準(zhǔn)則,可確定三種臨界氣竄工況。淺層氣竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)時(shí),當(dāng)且僅當(dāng)下述三種臨界工況同時(shí)滿足時(shí),才能將實(shí)際氣竄風(fēng)險(xiǎn)降到最低,以保障固井作業(yè)安全和封固質(zhì)量。

1)水泥環(huán)拉伸界面脫離臨界工況

(17)

2)水泥環(huán)拉伸本體破碎臨界工況

(18)

3)水泥環(huán)滑移失效臨界工況

(19)

3.2 淺層氣竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)新方法建立

基于渤海油田淺層氣竄原因分析,結(jié)合理論模型研究與建立,形成淺層氣竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)新方法。在井眼工況參數(shù)、水泥漿體系等基礎(chǔ)資料搜集基礎(chǔ)上,分別開展水泥漿基本工程性能評(píng)價(jià)和早期氣竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè),結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果按式(11)求解水泥環(huán)總應(yīng)力分布,依據(jù)3.1節(jié)淺層氣臨界氣竄工況分析方法預(yù)測(cè)氣竄風(fēng)險(xiǎn),具體步驟見圖4。其中,由于淺層氣早期氣竄風(fēng)險(xiǎn)一般較低,易于控制,采用水泥漿性能系數(shù)法(SPN)、氣竄潛力系數(shù)法(GFR)等氣井氣竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)即可[22-24]。當(dāng)且僅當(dāng)式(17)～(19)所示三種淺層氣竄臨界工況同時(shí)滿足風(fēng)險(xiǎn)低條件即可,否則淺層氣竄風(fēng)險(xiǎn)高,需通過添加膨脹劑進(jìn)一步優(yōu)化水泥漿體系性能。

圖4 淺層氣竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)流程圖Fig.4 Flowchart of prediction process of shallow gas migration

4 實(shí)例分析

以XX油田E 8井為例分析。E 8井設(shè)計(jì)井深 2 853 m,444.50 mm井眼鉆至861 m時(shí)鉆遇淺層氣,下入339.73 mm套管進(jìn)行固井作業(yè)。設(shè)計(jì)采用密度1.90 g/cm3膠乳水泥漿體系封固,基本工程性能滿足設(shè)計(jì)要求,水泥漿防氣竄系數(shù)小于3。固井作業(yè)過程中未發(fā)生氣竄現(xiàn)象,但固井后數(shù)天,隔水導(dǎo)管與表層套管環(huán)空帶壓1.86 MPa,發(fā)生淺層氣竄。該井水平最大地應(yīng)力9 MPa,水平最小主應(yīng)力7.53 MPa,地層巖石彈性模量10.4 GPa,泊松比0.172;套管彈性模量210 GPa,泊松比0.21;水泥環(huán)彈性模量6.4 GPa,泊松比0.169。

從上述現(xiàn)象分析,該井在固井候凝過程中未發(fā)生淺層氣竄,后期環(huán)空帶壓考慮井筒完整性破壞發(fā)生竄流的情況。按照3.2節(jié)淺層氣竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)新方法開展體積收縮、巴西劈裂等實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行淺層氣臨界氣竄工況判斷,見圖5～7。分析結(jié)果顯示,該井雖早期氣竄風(fēng)險(xiǎn)較低,但由于體系中未添加膨脹劑,導(dǎo)致體積收縮較大,界面脫離形成微環(huán)隙,為淺層氣竄提供通道的風(fēng)險(xiǎn)較高,實(shí)例分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣竄現(xiàn)象一致。

圖5 界面拉伸脫離形成微環(huán)隙工況分析圖Fig.5 Condition analysis of micro-annulus formedby interfacial tension

圖6 界面拉伸本體破碎工況分析圖Fig.6 Condition analysis of bulk breaking formedby interfacial tension

圖7 界面滑移失效工況分析圖Fig.7 Condition analysis of interface slip failure

5 結(jié)論

1)渤海淺層氣具有埋藏淺、含氣量大、壓力高、上竄速度快、作用時(shí)間短等特點(diǎn),氣竄的原因主要為淺層巖性影響、體積收縮影響、淺層溫度壓力的影響和后續(xù)施工作業(yè)的影響。

2)在體積收縮對(duì)水泥環(huán)完整性損害機(jī)理基礎(chǔ)上,研究建立了水泥環(huán)自收縮對(duì)完整性影響分析模型,立足于淺層氣竄臨界工況分析方法,形成了渤海油田淺層氣竄風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)新方法。

3)實(shí)例分析表明,該方法可有效考慮體積收縮對(duì)水泥環(huán)完整損害的影響,預(yù)測(cè)淺層氣竄風(fēng)險(xiǎn),為優(yōu)化水泥漿性能設(shè)計(jì),避免淺層氣竄問題,保障油氣井固井質(zhì)量和安全提供了分析依據(jù)。