永久性弃置井封堵效果的试验评价_钟守明.pdf

文章编号:1009-6094(2023)03-0792-09永久性弃置井封堵效果的试验评价*钟守明1，邓宽海2，吴彦先1，张浩1，赵倩2，林元华2(1 新疆油田公司工程技术研究院，新疆克拉玛依 834099;2 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500)摘要:随着油气资源的持续开发，无商业开采价值的油气弃置井日益增多，弃置井的封堵效果是其永久保持井筒完整性的关键。为此，基于永久性弃置井特点及封堵技术规范和要求，提出了一种永久性弃置井封堵屏障单元的封堵效果测试及评价方法，自主研发了评价套管内水泥塞和套管外水泥环封堵有效性及可行性的测试系统，并模拟我国西北典型井井下工况开展了弃置井管内水泥塞和管外水泥环的密封性能测试和界面力学性能测试，获取了水泥塞、水泥环的突破压力、击穿压力及其与套管之间界面力学参数，分析了水泥塞/水泥环长度对其密封性能的影响规律，并拟合得到了水泥塞/水泥环长度与封堵压力的函数关系，对比了水泥塞与水泥环的密封性能及界面力学性能，明确了水泥塞/水泥环密封性能与界面力学性能之间的相关性，发现了水泥塞与水泥环封堵屏障的薄弱区。研究成果可为永久性弃置井封堵水泥浆体系及施工参数的“量身定制”提供依据。关键词:安全工程;永久性弃置井;封堵效果;水泥塞;水泥环;封堵屏障;封堵压力中图分类号:X37文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1983*收稿日期:2021 11 08作者简介:钟守明，高级工程师，从事固完井技术研究和管理，Zhshming petrochina com cn;邓宽海(通信作者)，副研究员，博士，从事油气井建井工程、油气钻井工艺及井筒完整性等研究，。基金项目:国家自然科学基金项目(51904261)0引言永久性弃置井是指因地质或工程原因无法继续利用并经批准为永久性弃置的油、气、水等井1。据统计，北美、英国等地区后期弃置井总数量高达15 500 口，封 堵 作 业 成 本 高 达 钻 井 成 本 的25%2 7。我国未来 20 年预计需要拆除的平台达到 140 座左右，弃置封堵油井 2 000 口左右8。此外，随着煤矿开采技术及可开采深度大幅提高，煤矿开采区域大幅西进，在鄂尔多斯盆地内形成了多个浅部煤炭和深部油、气资源开采相互干扰的重叠区，以子长矿区的禾草沟煤矿为例，井田内生产油井、废弃油井、注水井、天然气井等各类油气井高达 1 000余口，矿权重叠区已成既定事实9 10。因此，为避免或降低油气井对煤炭开采的影响，油、气、煤井生产相互避让、共同安全开采已成共识11 12。但是，在煤 油 气资源重叠区，油气开发遗留的废弃油气井如不进行有效封堵，极易导致浅层水污染、煤矿水淹、采空区塌陷、H2S/CO2气体中毒及甲烷泄漏、火灾、爆炸等安全事故13 15。因此，随着油气田的开发，无油气、无商业开采价值的油气井日益增多，弃置井的永久性封堵备受关注，其井筒完整性问题越来越突出且亟待解决。目前，为避免弃置井因井筒屏障系统及完整性失效引发的流体泄漏造成人员伤亡和环境污染事故，给国家造成重大损失和不良影响，我国发布了Q/SY 010282019天然气永久性封井技术规范等系列弃置井处置指南、规范及标准16 20，挪威针对弃置井的处置及管理给出了 NOSOK D 010 V4标准21，美国加州对油田废弃井也提出了相应的封堵规范及要求22。其中我国目前发布的标准、法规还需结合理论及试验研究在实践中加以充实完善，挪威标准 NOSOK D 010 V4 对弃置井的技术标准及方法较全面，有的标准(如水泥塞结构与高度、压力测试或渗漏测压等试压方法与标准等)比国内标准更加合理和严格，对有的井进行长期监管监测与定期检测具有指导意义，可供借鉴。众所周知，弃置井要永久保持井筒完整性，必须采用合理的封堵材料及技术在弃置井风险井段建立覆盖整个井筒横截面的井屏障对其进行永久性封堵，防止流体无意中从储层流向井筒、地面或其他地层(如煤层、淡水层等)，封堵屏障由套管、环空水泥环及井筒内水泥塞等多个井屏障单元组成，封堵工艺主要包括套管内采用基于平衡法和泵 拉法(pump and pull)23 的注水泥塞工艺和套管外水泥返高以上的二次固井工艺。2018 年，张绍槐24 首次报道了弃置井井筒屏障单元的特殊性和复杂性，且因弃置原因不同，油气藏温度、压力及流体等性质不同，井下工况不同，地质构造及力学条件不同，井史不同而具有个性化特点，并针对弃置井具体井况最先提出了“量身定制”井筒屏障的设计理念及封堵方法，即建立封堵管内的水泥塞、封堵环空的水泥环等多道井筒屏障，为永久性弃置井封堵技术研究奠297第 23 卷第 3 期2023 年 3 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 3Mar，2023定了基础。为保证井筒屏障单元在长时间高温、高压、高腐蚀性流体及环境载荷作用下实现弃置井的永久性封堵，必须对井筒屏障单元封堵效果进行严格的测试、评价及现场检验，且如果封堵效果及质量不达标，要磨铣套管乃至扩眼磨铣套管内外，再重新打水泥塞并认真测试、评价及检查直到封堵合格且经久耐用为止24 25。NOSOK D 010 标准21 要求永久性封堵屏障应具有长期永久性的完整性、不渗透性、非收缩性，以及能承受机械载荷。Goodwin 等26 和 Jackson等27 采用试验方法分别开展了压力和温度交变作用下水泥环完整性及失效机理研究。近年来，国内外诸多学者也 相 继 通 过 引 入 裂 缝 漏 失 理 论 及Cohesive 单元建立有限元模型并开展了水泥环及水泥塞完整性研究28 35，结果发现，水泥塞及水泥环 套管界面剥离及微环隙是主要失效形式，也是导致弃置井流体泄漏及封堵失效的主要原因，并认为水泥环及水泥塞密封性能及界面力学性能对弃置井实现永久性封堵尤为重要。本文基于永久性弃置井封堵技术规范及要求，提出一种永久性弃置井封堵效果测试及评价方法，采用自主研发的试验装置开展弃置井水泥塞及水泥环封堵有效性及可行性的测试及评价，研究结果可优化弃置井封堵施工设计、提升封堵作业效率及效果、保障重叠区能源安全开采，促进新型封堵材料研发及工艺的推广应用。1试验装置及方案由弃置井封井技术规范(Q/SY TZ 04952020和 Q/SY 010282019)可知，对于存在未来打算开采的煤层段和高压、腐蚀性流体的未打开层段，因煤矿开采彻底破坏套管、水泥及井筒完整性或套管、水泥环屏障已失效，极易导致管外高压及有毒有害流体(甲烷、CO2、H2S 等)意外进入井筒、淡水层污染空气及环境的风险井段，要求人为设置一个包括套管、水泥塞、水泥环、桥塞等组合部件的合理封堵屏障。封堵屏障主要由套管、管外水泥环管内水泥塞及桥塞组成，而封堵工具、材料及水泥配制应满足永久性需求，具体参照 SY/T 5587.14 标准执行，低渗层可采用超细水泥。最重要的是，为保证永久性弃置井井筒管内水泥塞及管外水泥环同时具有封隔性能，必须开展封井工艺有效性及可行性的试验评价，表征弃置井套管、水泥环及水泥塞封堵屏障的封堵效果。为此，本文基于永久性弃置井封堵技术规范及要求，提出了一种永久性弃置井封堵效果测试及评价方法，并自主研发了评价封堵有效性及可行性的测试系统，该系统主要包括永久性弃置井管内水泥塞和管外水泥环的密封性能测试装置和界面力学性能测试装置，具体见图 1。本试验基于我国西部某典型井 M1 井身结构:技管为 193.7 mm 15.11 mm(长 直径)，油套为 127 mm 11.1 mm(长 直径)，油管内径及封堵水泥塞外径为 104.8 mm，环空水泥环厚度为 18.24 mm，目的层温度及流体压力分别为 75 和 35.3 MPa。采用相似性原理确定了试验装置及评价方法，水泥塞外径为 52 mm，水泥环内径、外径、壁厚分别为 64 mm、82 mm、9 mm，相似比为 2。基于驱替泵及精细压力表，采用以 1/10 MPa 为增量的“步进式”加载方法开展长度分别为400 mm、600 mm、800 mm 和 1 000 mm 的水泥环及水泥塞密封性性能测试;密封性能主要包括突破压力和击穿压力，其中突破压力为稳压 30 min 后压力下降大于等于 0.5 MPa 对应的上一级压力，击穿压力为泵注时压力急剧降为 0 对应的压力;测试过程中需先开展击穿压力测试，再采用“步进式”加载方法开展突破压力测试;采用“压出法”开展长度为 800 mm 的水泥环及水泥塞界面力学性能测试，水泥塞界面力学性能是其与油套内壁之间的胶结性能，水泥环界面力学性能是其与油套外壁之间的胶结性能，具体见表 1。本试验选用现场水泥浆配方为 G 级+4%DS B+44%水(质量分数)，其单轴和三轴抗压强度分别为 39.2 MPa 和 59.6 MPa。2水泥塞和水泥环密封性能测试结果总共开展 8 组突破压力和 8 组击穿压力测试，其中管内水泥塞封堵压力测试4 组，击穿压力测试4组，管外水泥环封堵压力测试 4 组，击穿压力测试 4组，具体不同长度水泥塞及水泥环的突破压力和击穿压力测试结果见图 2 6 和表 2，具体测试结果及分析如下。2.1击穿压力测试结果分析以 1 000 mm 水泥塞为例，分析图 2 和表 2 可知，当泵注压力快速增加到 14.3 MPa 时，其压力急剧降为 0，且在水泥塞面明显观察到水滴从套管与水泥塞之间的界面流出，见图 4(a);分析图 3 和表 2可知，对于 1 000 mm 水泥环，当泵注压力快速增加到 6.3 MPa 时，压力急剧降为 0，明显观察到水滴从3972023 年 3 月钟守明，等:永久性弃置井封堵效果的试验评价Mar，2023表 1弃置井水泥塞和水泥环封堵效果测试方案Table 1Test plan for plugging effect of cement plug/cement sheath in abandoned well养护温度/养护压力/MPa养护时间/h水泥塞长度/mm水泥塞外径/mm水泥环长度/mm水泥环厚度/mm测试及表征内容750.1724006008001 00052密封性能界面力学性能750.1724006008001 0009密封性能界面力学性能图 1弃置井水泥环/水泥塞封堵效果试验装置Fig 1Test device for plugging effect of cement plug/cement sheath in abandoned well水泥环与内层套管之间的界面流出，见图 4(b)，与文献结果一致25 27，36，表明水泥塞与套管之间界面为薄弱区，易发生密封失效。同理，对于其他长度的水泥环及水泥塞击穿压力测试，其水滴均从套管与水泥塞之间的界面和水泥环与内层套管之间的界面流出，具体击穿压力测试值见表 2。对比分析可知，水泥塞和水泥环的击穿压力均随其有效胶结长度增加而增加，且水泥塞的击穿压力明显高于水泥环。2.2突破压力测试结果分析同样，以1 000 mm 水泥塞为例，分析图5 和表2可知，在泵注压力低于 8.5 MPa 时，稳压 30 min 后，泵注压力几乎保持不变且下降值低于 0.5 MPa，当497Vol 23No 3安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 3 期表 2水泥塞和水泥环密封性测试结果Table 2Test results of sealing performance of cement plug/cement sheath水泥塞长度/mm突破压力/MPa击穿压力/MPa水泥环长度/mm突破压力/MPa击穿压力/MPa4008.213.64004.35.86008.413.86004.46.08008.714.08004.66.11 0008.914.31 0004.86.3图 2水泥塞击穿压力测试结果Fig 2Test results of breakdown pressure of cement plug图 3水泥环击穿压