射孔完井工况下固井水泥环破坏研究进展

李 进， 龚 宁， 李早元， 韩耀图， 袁伟伟

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300452；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）

射孔完井工况下固井水泥环破坏研究进展

李 进1， 龚 宁1， 李早元2， 韩耀图1， 袁伟伟1

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津300452；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）

李进等.射孔完井工况下固井水泥环破坏研究进展[J].钻井液与完井液，2016，33（6）：10-16.

射孔完井作为国内外应用最为广泛的完井方式，对油气井增产有着非常重要的意义。随着射孔完井的不断推广，射孔后水泥环层间封隔完整性越来越受到重视，尤其是薄差油气层，而现有研究主要集中于射孔后套管损害及强度影响，对射孔完井工况下水泥环破坏涉及较少。为了更好地促进射孔后水泥环完整性的研究与发展，结合油气井射孔威力大、时间短、温度高、破坏性强等特点，分析指出了射孔完井工况下固井水泥环破坏研究难点主要集中于室内射孔模拟实验难、射孔后水泥环完整性破坏程度难确定、实际工况下水泥环抗冲击破坏能力难确定以及射孔参数影响不清楚等方面，综述了国内外射孔模拟实验、射孔水泥环完整性、水泥环抗冲击韧性、射孔作业参数影响的研究现状，探讨了目前研究存在的不足。提出了以自修复水泥、水泥浆及水泥石性能设计、优化射孔参数、井下水泥环动态破坏预测技术为核心的技术对策与趋势。

自修复水泥浆；韧性；水泥环完整性；固井；射孔；综述

射孔完井是目前国内外采用最为广泛的完井方式，为油气井增产起到了至关重要的作用[1]。射孔作业打开储层的同时，也对固井水泥环及套管完整性造成了破坏，严重影响了油气井生产寿命，尤其是对层间封固要求较高的薄、差油层影响更为显著。比如，大庆油田曾对薄油层区的19口井，在射孔前后用超声波对固井水泥环进行检测，结果表明，水泥环局部存在开裂、脱开现象，仅有3口井正常，未受射孔作业的影响[2]。因此，国内外对射孔后套管及水泥环完整性影响研究越来越重视[3]。目前，国内外针对射孔后套管强度影响研究较多，缺乏射孔作业工况下固井水泥环破坏研究[4-5]。为了更好促进射孔对固井水泥环的影响研究，通过国内外资料调研，对射孔完井工况下固井水泥环破坏研究的难点、国内外研究现状进行了调研分析，并对今后该领域研究方向给出了建议。

1 射孔完井工况下水泥环破坏研究难点

1）水泥环射孔模拟损害实验困难。射孔弹一般采用奥克托金、六硝基芪和黑索金等烈性炸药制造而成，在射孔爆炸瞬间能产生12～15 km/s的聚能流，形成高温（2 000～5 000 ℃）、高压（几千至几万兆帕）的冲击波，击穿套管、水泥环以及油气层岩石形成孔眼[6]。因此，射孔弹属于火工器材、威力强大，严格受到国家相关部门的管控；同时，射孔实验危险性大，易造成人员和环境的伤害，故在室内开展相应的射孔模拟实验受到局限。

2）射孔作业后水泥环完整性损害程度难以确定。射孔作业产生的强大冲击波会导致套管及水泥环产生裂纹或破碎，尤其是采用无枪身射孔时对水泥环破坏更为严重。射孔对水泥环的破坏分为两部分：对水泥环本体完整性的破坏和对套管-水泥环界面胶结完整性的破坏。在现有技术基础上，可通过CBL、VDL等测井手段间接评价射孔后套管-水泥环的胶结质量，由于测井技术的局限，难以更真实直观地确定射孔引起的水泥环本体及界面胶结完整性破坏程度。

3）水泥环脆性大，抗冲击破坏能力难以测定。固井水泥环属于一种脆性相当大的无机非金属材料，韧性小，抗冲击破坏能力低[7]，因难以承受射孔产生的高能聚能流而破坏。现有水泥石完整性研究多考虑静态加载条件下水泥环的损坏，由于室内射孔模拟实验受限，故难以通过实验测定动载荷条件下水泥环的抗冲击破坏能力。

4）水泥环破坏因素复杂，射孔参数对水泥环破坏影响研究困难。固井水泥环埋置在地下数百米至数千米深处，它的破坏是各种受力变形的综合反映，油井施工、井下作业、地层处理、采油等多种因素都会对水泥环破坏产生影响，这是一个极为复杂的问题。射孔作业瞬间，聚能射孔流高速穿透套管、水泥环和储层岩石，形成射孔孔眼，孔眼形成瞬间的应力集中现象使得固井水泥环受力更为复杂。因此，室内无法综合考虑实际地层复杂工况条件下，射孔参数对水泥环的破坏影响及程度。

2 国内外研究现状

2.1 水泥环射孔模拟损害实验研究

射孔完井工况下固井水泥环破坏室内模拟实验研究现有做法是，通过模拟固井射孔综合实验装置、射孔验窜检测评价试验装置和实弹射孔及射钉射孔等实验方式，研究分析了油井射孔过程中固井水泥环破坏原因、评价参数以及增韧抗窜措施，为水泥环射孔模拟损害室内研究提供了参考。

王祥林等[8-10]针对大庆油田薄油层射孔后水泥环破坏严重的问题，结合射孔作业特点，研发设计了模拟固井射孔的综合实验装置，见图1，研究探讨了射孔作业时水泥环的损伤机理及原因。研究认为，水泥作为一种脆性无机非金属材料，抗拉强度远低于其抗压强度，射孔时水泥环的破坏原因主要有侵彻作用、应力波反射及相互作用、内压造成的动力响应，固有裂纹的扩展、断裂等4种形式。

莫继春等[11]在Hopkinson实验基本原理基础上设计了水泥石动态力学性能与射孔验窜装置，其原理类似图1装置，该装置可用于评价水泥石抗射孔冲击能力，射孔模拟实验后可直观观察水泥环的破坏状况。该装置设计工作压力为20 MPa，套管直径为139.7 mm，壁厚为7.72 mm，钢级为J55，油层套管长度为1.3～1.5 m，水泥环厚度为30～40 mm，模拟岩心厚260～280 mm。进行射孔模拟实验时， 可布射孔弹4颗，间距80 mm，方位角为90°。在模拟射孔装置研究基础上，进一步提出了射孔水泥环破坏的评价参数：动态弹性模量、水泥石破碎吸收能、水泥石动态断裂韧性，为水泥环射孔模拟实验及损坏评价提供了好的手段与参考。

图1 模拟固井射孔综合试验装置

穆海朋、步玉环等[12]采用φ19 mm的聚能射孔弹进行实弹射孔及射钉、射孔实验，模拟套管尺寸φ139 mm，长400 mm。对比研究了空白样和添加纤维的水泥石在实弹射孔条件下的阻裂机理。实弹射孔的直观结果表明，纤维的加入有助于改善水泥石的脆性破坏特性、提高水泥石的韧性变形能力。射钉射孔实验表明，纤维水泥可有效吸收射孔冲击波、提高水泥石韧性、阻止水泥石的破坏和裂纹扩展。该项研究结合2种射孔实验结果，分析了水泥石在射孔工况下的裂纹扩展及破坏机理，纤维水泥为提高水泥石抗射孔冲击破坏提供了研究方向。

Saucler R J[13]、Gene D[14]等针对砂岩、白云岩和石灰岩地层岩石进行了射孔实验研究。当地层有效应力低于34.5 MPa时，砂岩和白云岩中射孔孔深会随有效应力增加而变浅，而石灰岩地层的有效应力影响界限为82.8 MPa。并提出了在同一地层中抗压强度与孔深没有关联，而不同地层比较时，孔深会随着抗压强度增加而变浅的结论，因此地层抗压强度不能单独作为预测实际射孔孔深的指标。

2.2 射孔水泥环完整性研究

“套管-水泥环-地层”组合体完整性研究一直是固完井领域研究的重点，主要做法是将水泥环和地层均假设为弹塑性材料，基于厚壁圆筒理论，建立套管-水泥环-井壁围岩组合体平面有限元模型，研究分析多种载荷条件下的水泥环变形协调性及完整性，为射孔水泥环完整性研究提供借鉴。

Zinkham R E[15]，Thiercelin[16]等较早讨论了套管-水泥环-井壁围岩组合体力学模型，并将其看作为热弹性材料，研究了套管内温度、压力变化对水泥环密封完整性的影响。水泥环失效方式主要考虑了胶结面脱离和本体破裂2种情况。物理数学模型的建立与研究手段是水泥环完整性研究的主要手段之一，在模型研究基础上，结合实弹射孔实验分析是射孔水泥环力学完整性研究趋势。

Bosma等[17]基于有限元软件DIANA，建立套管-水泥环-井壁围岩组合体平面有限元模型，并考虑了井壁稳定对水泥环力学完整性的影响。分析了水泥环拉伸破坏、压缩剪切破坏和界面脱离等多种失效方式，建议降低水泥石弹性模量或增大泊松比，以达到降低破坏水泥环力学完整性风险的目的。有限元分析方法的引入，是对纯模型研究的一种延伸和补充，实现不同工况条件下的直观分析，为射孔水泥环完整性研究提供了一种仿真模拟方法。

Muller[18]、Marc、Garnier[19]等认为，水泥环力学完整性模型建立及研究分析时，应考虑水泥环初始应力的存在。认为初始应力是由于水泥浆和钻井液的液柱压力使井眼收缩，并伴随水泥石固化过程而产生，同时指出初始应力不会超过0.69 MPa或者为零。

陈勉等[20]基于多层组合厚壁圆筒理论，将水泥环材料假设为弹塑性，利用Tresca准则建立套管-水泥环-井壁围岩组合体力学模型，对组合体在均匀地层应力作用下的弹塑性进行了分析。模型推导了套管-水泥环-井壁围岩组合体在弹塑性条件下的应力分布表达式，探讨了在不同井壁围岩参数条件下水泥环的弹性模量对套管外挤载荷的影响规律。研究认为低刚度、高强度是水泥环有效保持力学完整性的理想性能。

刘健[21]、郭小阳[22]等借鉴混凝土本构理论，针对水泥石力学本构方程及完整性评价模型进行了研究。提出了水泥石的胶结应分为横向胶结强度和纵向胶结强度，认为水泥石危险工况不是在纵向上而是在横向上。研究认为，水泥环的完整性破坏主要是拉应力破坏，而非压应力破坏，并设计抗拉强度测试方法，测量典型水泥石抗拉强度约为1.5～3.5 MPa，约为抗压强度的7%～13%。同时，提出了基于连续介质损伤力学理论的水泥环力学完整性损伤指标，即弹性模量，不同模量大小代表不同的损伤状态，解决了水泥环力学完整性的定量描述问题。

2.3 水泥环抗冲击韧性研究

目前，评价固井水泥环韧性的方式主要有抗冲击韧性试验、抗折强度试验、弹性模量试验、抗拉强度试验、实弹射孔试验等。通过添加纤维、胶乳等材料提高和改善水泥环韧性的方法是目前水泥环抵抗射孔冲击破坏的主要手段，在很大程度上减轻了射孔完井对水泥环的破坏，为水泥环应对射孔冲击破坏提供了研究方向与参考。

Aluna G等[23]采用抗折强度试验评价水泥石韧性，针对不同组分水泥浆的力学性能进行了研究分析。研究发现，在水泥浆中添加胶乳可将水泥石断裂韧性强度提高25%，且断裂韧性最大值出现在养护第14 d，随着养护强度的延长，断裂韧性又将逐渐变低。和纤维一样，添加胶乳也能起到增强水泥石抗冲击韧性的目的，为解决射孔水泥石破坏提供了又一项技术措施。

华苏东[24]、姚晓[25]等研制了一种可有效提高油井水泥石韧性的复合纤维增韧剂SD。实验研究表明，加有SD的水泥石的抗压破碎能为17 398 J/m2（净浆水泥石为10 562 J/m2），抗拉破碎能为15 897 J/m2（净浆水泥石为256 J/m2）；与净浆相比，加有SD的水泥石的抗冲击功提高了71%。通过添加纤维来改善水泥环抗射孔冲击韧性已是业内公认的措施之一，那么如何研发高抗冲击韧性的纤维增韧剂是未来发展的方向，姚晓等研制的复合纤维增韧剂SD为该领域的研究奠定了基础。

朱磊、许明标等[26]针对小井眼固井环空间隙小、环空循环压耗较大、顶替效率低、封固质量往往难以保障等难点，设计研究了适用于小井眼固井的3种韧性水泥浆体系（中低温、高温、低密度），并采用抗冲击韧性试验、拉伸剪切强度试验等手段，评价了上述3种体系的力学韧性，见表1。

1#G级水泥+40%水+0.75%消泡剂CX66L+ 0.625%胶乳稳定剂+2.5%弹性乳液GR1+3%降失水剂CG83L-D10+1.5%孔隙支撑剂MX+2%分散剂CF44L+（0～0.5%）缓凝剂H63L+0.3%纤维BING-I

2#G级水泥+35%硅粉SSA1+40%水+ 0.67%消泡剂CX66L+0.5%胶乳稳定剂+2%弹性乳液GR1+5%降失水剂CG83L-D10+7.5%孔隙支撑剂MX+1.5%分散剂CF44L+（0.3%～1.2%）缓凝剂H63L+0.3%纤维BING-I

3#G级水泥+62.5%水+1.25%消泡剂CX66L+1.04%胶乳稳定剂+3.125%胶乳GRI+ 6.25%降失水剂CG83L-D10+6.25%孔隙支撑剂MX+2.08%分散剂CF44L+8.33%漂珠+12.5%增强剂STR+0.83%膨胀剂BOND

表1 几种配方的韧性评价

研究表明，上述3个配方（组成如下）的抗压强度、抗冲击强度、抗剪切强度和抗拉强度均能满足小井眼固井要求。

王文斌等[27]针对射孔、压裂作业对水泥环损坏问题，研究通过加入改性纤维、聚合物改善水泥石抗冲击韧性，通过体系优选得到如下抗冲击韧性水泥浆体系：G级水泥+水+0.95%改性纤维GQ+0.30%高分子量聚合物GW+0.50%SXY-2。该体系形成的水泥石较净浆（G级水泥+水）水泥石抗折强度提高39%，动态弹性模量降低17%，最大挠度提高10.47%，说明该水泥石塑性较高而脆性较小，并具有一定的抗冲击性和韧性。

2.4 射孔参数对水泥环的影响研究

Methven、Godfrey[28-29]等研究了聚能射孔对套管-水泥环的破坏，认为采用无枪身射孔器射孔是破坏套管及水泥环的主要因素，且当孔密度不大于19孔/m时并不会降低套管的抗破坏强度。同时，认为射孔主要是破坏了弱界面水泥石的水力胶结，而无法破坏胶结能力强的界面，即当界面胶结强度大于13.8 MPa时在射孔作业时水泥环胶结不会受到破坏。射孔除对水泥环本体造成直观破坏外，还会影响水泥环与套管、地层的界面胶结能力，研究射孔参数对水泥环胶结破坏也是研究射孔工况下固井水泥环破坏的一个主要方面。

King G E等[30]研究分析了高密度射孔条件下射孔对套管机械抗压性能的影响。实验设计针对L-80套管考虑了0°、180°、120°、90°和60°相位条件下、13～118孔/m的孔密度条件下的大孔径射孔和常规孔径射孔的影响。结果发现，孔密度在79～118孔/m之间时，射孔将会使管柱抗轴向载荷能力至少下降20%；相位对径向抗压强度的影响大于对轴向抗压强度的影响。

王正国等[31]采用有限元分析的手段研究分析了孔密度、孔径、相位角等射孔参数对套管强度的影响，如图2和图3所示。研究结果表明，孔密度小于32孔/m时，对套管强度的影响不大；孔径小于16 mm时，对套管强度的影响程度可以忽略；90°相位角对套管强度影响程度最低。

图2 孔密度和孔径对套管强度的影响

图3 相位对套管强度的影响

王伯军等[5]针对均匀载荷条件下高密度射孔参数对套管抗挤强度的影响进行了研究，分析考虑的射孔参数包括孔密度、孔径及相位角。认为相位角是影响套管抗挤强度的主要因素，对于一条螺旋线布孔，在孔径、孔密度一定的情况下采用30°、45°和135°相位角布孔对抗挤强度的影响最小。

综上进展可知，在射孔参数影响研究方面，现阶段主要集中于孔密度、孔径、相位角等参数对套管强度的损害及破坏，主要采用了模拟射孔、有限元分析等实验及数值研究方法，为研究射孔参数对水泥环的破坏提供了借鉴和参考方法。

2.5 目前研究存在的不足

1）在水泥环射孔模拟损害实验研究方面，国内外有极少数学者开展了一些该方面的研究，得到了射孔对水泥环损坏的一些定性认识，但目前还难以做到定量化的分析及应用，同时已有模拟实验研究大多为室内等效类似研究，少有实弹射孔研究与分析。

2）在水泥环完整性研究方面，该领域一直是国内外学者研究的热点，取得了较为深入的认识与成果，但现有研究多集中于考虑静态加载条件下的水泥环-套管力学完整性，难以在考虑射孔作业动态冲击载荷条件下的水泥环力学完整性。

3）在水泥环抗冲击韧性研究方面，水泥浆体系的韧性设计是应对射孔冲击的有效手段，目前国内外在该领域研究甚多，形成了非常多、非常好的韧性水泥浆体系，在很大程度上改善了射孔对水泥石冲击破坏的影响，但该体系的大规模现场实际应用目前偏少，多在一些特殊井内使用。

4）在射孔作业参数方面，目前国内外的研究主要考虑射孔参数优化对油井产能[32-34]、套管破坏及抗压强度的影响，对射孔后固井水泥环的破坏影响涉及较少，缺乏对射孔损坏水泥环的机理及措施研究。

3 射孔完井工况下水泥环破坏研究趋势

1）采用自修复水泥浆体系。自修复水泥浆是近年来国内外学者研究的一大热点领域，是用于解决水泥环在井下易脆性破坏问题的一项新技术，可在水泥环出现微裂缝、微环隙时自愈合微裂缝，修复水泥环密封完整性，对保证射孔后水泥环的力学完整性有重要意义。研发、推广采用合适的自修复水泥浆体系固井，可在射孔作业后修复水泥环微裂纹，防止裂纹的进一步扩展损坏水泥环。

2）水泥浆及水泥石性能设计。在现有韧性水泥浆体系的基础上，进一步开展水泥石韧性设计、抗冲击破坏、高抗压强度等研究，开发低成本、高韧性、抗冲击破坏的水泥浆体系，同时在现场广泛推广应用，有效降低射孔对水泥环的破坏影响，使实验研究成果切实服务于现场。

3）优化射孔作业参数。以固井水泥环为对象，开展射孔作业参数对水泥环的破坏影响研究，分析得出影响水泥环破坏的主要射孔参数及权重，针对性地优化射孔作业参数，有效防止水泥环的破坏，对延长油井寿命、防止流体层间窜槽有极为重要的意义。

4）井下水泥环动态冲击破坏预测技术。以水泥环为研究对象，建立射孔对水泥环冲击破坏的数学模型，结合考虑射孔参数的影响，计算预测不同射孔作业条件下的固井水泥环损伤破坏机理、形式及程度，并采用数值模拟方法模拟上述射孔冲击动态过程下的水泥环破坏过程，有助于进一步研究降低水泥环在射孔作业条件下的损伤破坏措施。

4 结论与建议

1.结合油气井射孔威力大、时间短、破坏性强等特点，分析了射孔完井工况下固井水泥环破坏研究的难点，综述了相关关键技术的研究现状，指出了目前研究存在的不足，探讨了对应的技术对策及趋势。

2.水泥环是抵抗射孔冲击破坏的主体，有效防止射孔对水泥环的破坏，防止流体层间窜槽，应以水泥环为对象，开展自修复性能、抗冲击韧性设计、射孔参数优化等技术研究。同时，辅以水泥环动态破坏预测技术研究，有效提高射孔作业后水泥环的完整性。

3.建议油田选取试验区块开展射孔完井工况下固井水泥环破坏的现场试验研究，为今后该领域的发展推进奠定基础。

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Progress in Studying Cement Sheath Failure in Perforated Wells

LI Jin1, GONG Ning1, LI Zaoyuan2, HAN Yaotu1, YUAN Weiwei1
(1.Bohai Research Institute of Petroleum,Tianjin Branch of CNOOC,Tianjin300452; 2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan610500)

Perforation well completion is a widely used completion method, and is of great importance to oil and gas well stimulation. With more and more wells completed with perforation, more attentions have been paid to the sealing integrity of cement sheaths after perforation, especially the perforation of wells with thin pay zones. Research work presently done has been focused on the effects of perforation on casing strings, while little attention has been paid to the damage of cement sheath. Oil and gas well perforation has characteristics such as being powerful, short time, high temperature, and being highly destructive. It is pointed out in this paper, based on analysis, that the difficulties in studying the failure of cement sheath mainly lie in laboratory simulation, determination of the degree of damage to the cement sheath, determination of the cement sheath’s resistance to impact under practical conditions, and ascertaining the effects of perforation parameters on the integrity of cement sheath, etc. Researches presently done on the topics such as perforation simulation methods used both in China and abroad, integrity of cement sheath after perforation, shock or impact resistance of cement sheath, and the effects of perforation parameters, are summarized in this paper. Deficiencies of the researches are also discussed herein. Also included in this paper are technical measures concerning self-healing cement, cement slurry and set cement performance designs, optimization of perforation parameters, and prediction of dynamic damage to downhole cement sheath etc.

Self-healing cement slurry; Toughness; Integrity of cement sheath; Well cementing; Perforation; Summary

TE256.9

A

1001-5620（2016）06-0010-07

2016-9-12；HGF=1605M11；编辑 马倩芸）

=10,ebook=13

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.06.002

国家十三五重大科技专项“渤海油田高效钻完井及配套技术示范工程下属子课题：复杂油层精细射孔与评价工艺技术研究及应用”（2016ZX05009002-005）；国家自然科学基金项目“基于多相渗流理论的环空气窜机理及应用基础研究”（51574203）。

李进，1988年生，工程师，硕士，主要从事油气井完井射孔、防砂及固完井技术研究。电话 （022）66501136；E-mail：lijin201220011@126.com。

李早元，电话 13982045007；E-mail：swpilzy@swpu.edu.cn。