考慮失水影響的固井水泥漿失重模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

郭勝來，步玉環(huán)，柳華杰

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

考慮失水影響的固井水泥漿失重模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

郭勝來，步玉環(huán)，柳華杰

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

固井后環(huán)空水泥漿的失重是引起油氣井環(huán)空竄流的主要原因之一，水泥漿失水引起的水泥漿體積收縮是引起水泥漿的失重的關(guān)鍵之一。在原實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了考慮失水影響的固井水泥漿失重模擬實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置借鑒了水泥漿失水儀的測(cè)試原理，將其模擬地層用的濾網(wǎng)引入到該儀器中，用來模擬具有滲透特性的井壁。利用該儀器測(cè)得的水泥漿失重?cái)?shù)據(jù)更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，且該裝置可以實(shí)現(xiàn)水泥漿失重?cái)?shù)據(jù)的全過程自動(dòng)采集，便于操作和后期數(shù)據(jù)處理。

固井； 水泥漿； 失重； 實(shí)驗(yàn)裝置

0 引 言

油氣井環(huán)空竄流嚴(yán)重影響著油氣井的高效開發(fā)與油氣井壽命[1-4]，引起油氣井環(huán)空竄流的原因主要有水泥漿頂替效率低形成的竄槽[5-7]，水泥漿凝固過程中水泥漿失重引起的油氣水竄[8-10]，及水泥漿凝固后的水泥環(huán)應(yīng)力破壞[11-12]。水泥漿失重是指水泥漿凝固過程中井筒內(nèi)液柱壓力逐漸降低的現(xiàn)象。當(dāng)水泥漿漿柱壓力由于失重而低于地層壓力后，地層中的流體就會(huì)侵入環(huán)空，并沿環(huán)空持續(xù)上侵，最終在水泥環(huán)中形成永久通道，影響油氣井正常生產(chǎn)。研究和分析影響水泥漿失重的有關(guān)因素，是制定防止環(huán)空竄流和提高固井質(zhì)量措施的關(guān)鍵。為了揭示水泥漿的失重規(guī)律，研制了水泥漿失重模擬實(shí)驗(yàn)裝置，并測(cè)試了各因素對(duì)水泥漿失重的影響，使人們?cè)鰪?qiáng)了對(duì)水泥漿失重的認(rèn)識(shí)[13]。但是所研制的實(shí)驗(yàn)裝置偏理想化，所使用的井筒為四周封閉的，無(wú)法測(cè)試水泥漿失水對(duì)水泥漿失重的影響，而實(shí)際的井眼是由可滲透的巖石組成的，井眼環(huán)空水泥漿內(nèi)部的自由水在壓差作用下會(huì)持續(xù)的往地層中滲濾，從而造成水泥漿體積的不斷減少[14]。水泥漿失重離不開不斷增長(zhǎng)的膠凝強(qiáng)度與體積收縮兩個(gè)必要條件[15]，而水泥漿失水對(duì)水泥漿體積收縮量影響較大，因而對(duì)水泥漿失重具有重要影響。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種考慮失水影響的固井水泥漿失重模擬實(shí)驗(yàn)裝置，便于認(rèn)識(shí)更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的水泥漿失重規(guī)律。

1 水泥漿失重的理論基礎(chǔ)

水泥漿在環(huán)空中的壓力變化示意圖如圖1所示，水泥漿泵注到環(huán)空中后，由自身重力產(chǎn)生的靜液柱壓力為pi，隨著水泥的不斷水化，水泥漿體積逐漸收縮，水泥漿整體或局部會(huì)向下移動(dòng)或存在向下的移動(dòng)趨勢(shì)。但是，由于受到水泥漿與套管壁以及水泥漿與井壁黏附阻力的限制，水泥漿的向下移動(dòng)會(huì)被套管壁和井壁所阻止，套管壁和井壁將給予水泥漿一個(gè)向上的承托力F，使得水泥漿在井底產(chǎn)生的靜液柱壓力降至為pt，從而導(dǎo)致水泥漿“失重”，壓力滿足以下關(guān)系：

pi=pt+F

(1)

圖1 水泥漿整體失重示意圖

為了更加深入地認(rèn)識(shí)水泥漿的失重，繪制了水泥漿局部失重的示意圖(見圖2)。將所選取的水泥漿分成3段(段1，段2，段3)，中間段2的高度為Δh，水泥漿段2頂部的初始?jí)毫閜1，段2底部的初始?jí)毫閜2，水泥漿段2產(chǎn)生的壓力為ρg·Δh。隨著水泥水化，水泥漿段2受到井壁與套管壁的支撐力為F，水泥漿段3由于體積收縮導(dǎo)致的壓力降低值為Δp。以上壓力之間滿足：

p1+ρg·Δh=p2

(2)

p1+ρg·Δh-F=p2-Δp

(3)

從以上兩式可知，水泥漿受到井壁與套管壁給予的支撐力F=Δp，即水泥漿的失重程度取決于水泥漿的收縮程度。但是以上關(guān)系的前提條件是套管壁與井壁所提供給水泥漿的最大支撐力(該值取決于水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的強(qiáng)弱)Fmax>Δp。一旦由于水泥漿收縮產(chǎn)生的壓力降Δp達(dá)到Fmax，即使水泥漿收縮再嚴(yán)重，水泥漿的失重也不會(huì)超過Fmax?？偟膩碚f，在水泥漿體積收縮導(dǎo)致的水泥漿漿柱壓力的降低大于套管壁與井壁所提供給水泥漿的最大支撐力時(shí)，水泥漿的失重取決于水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的大小；在水泥漿體積收縮導(dǎo)致的水泥漿漿柱壓力的降低小于套管壁與井壁所提供給水泥漿的最大支撐力時(shí)，水泥漿的失重取決于水泥漿的收縮程度。因而，水泥漿的體積收縮對(duì)水泥漿的失重影響非常關(guān)鍵。

圖2 水泥漿局部失重示意圖

水泥漿的體積收縮包括化學(xué)收縮與失水收縮，水泥總的化學(xué)收縮可以達(dá)到6%，但是水泥漿初凝前僅為0.5%(水泥漿失重發(fā)生在初凝以前)[16]，水泥失水收縮與水泥漿的失水量有關(guān)，100 g常規(guī)密度水泥漿失水5 g，水泥漿體積收縮量就會(huì)接近10%。因而，水泥漿失水導(dǎo)致的收縮對(duì)水泥漿失重的影響是不可忽視的。

圖3是利用穆海鵬等[13]研發(fā)的水泥漿失重測(cè)試儀測(cè)試的具有不同收縮特性的水泥漿的靜液柱壓力隨水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展的變化情況。從圖3可知，在相同的水泥漿靜膠凝強(qiáng)度下，體積收縮量大的水泥漿的失重程度也大，在一定程度上驗(yàn)證了理論的正確性。

圖3 體積收縮對(duì)水泥漿失重的影響

2 考慮失水影響的水泥漿失重模擬裝置設(shè)計(jì)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于借鑒水泥漿失水測(cè)試儀的濾網(wǎng)來作為水泥漿失重模擬井筒中的模擬地層材料。本實(shí)驗(yàn)裝置主要由模擬井筒、支架、加壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)(壓力)采集系統(tǒng)組成。

(1) 模擬井筒。井筒的模擬井壁由325目濾網(wǎng)與60目襯網(wǎng)和帶有數(shù)個(gè)圓孔的鋼管組成，用于模擬滲透性地層；井筒的模擬套管由鋼管制成，套管底部與井筒底蓋為螺紋密封連接，防止環(huán)空流體進(jìn)入套管內(nèi)部；水泥漿由井筒頂部灌入，在水泥漿與井筒底面之間分別是3 cm高的海綿與5 cm高的自來水，使用海綿與自來水的目的是防止水泥漿污染損害壓力傳感器。

(2) 支架。主要起到固定井筒，并控制井筒傾斜角度(模擬不同的井眼傾斜情況)的作用。

(3) 加壓系統(tǒng)。主要由氮?dú)馄考伴y門管線組成，用來給水泥漿施加不同的頂部壓力，從而可以模擬不同壓差下的水泥漿失水對(duì)水泥漿失重的影響。

(4) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要由壓力傳感器與電腦組成，用于采集不同時(shí)間水泥漿柱的壓力變化。

圖4 考慮失水影響的水泥漿失重模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.2實(shí)驗(yàn)裝置的操作流程

(1) 根據(jù)模擬套管與模擬井眼尺寸，計(jì)算充填模擬環(huán)空所需的水泥漿體積。

(2) 圓環(huán)型海綿內(nèi)表面采用雙面膠固定在模擬套管合適位置，并將黏貼有海綿的套管裝入井眼內(nèi)。

(3) 向裝置環(huán)空中緩緩注入自來水至海綿頂部，然后將配制好的水泥漿緩緩注入到預(yù)定位置。

(4) 模擬井眼的頂蓋裝好，連接好氮?dú)?，向模擬井眼中施加預(yù)定壓力。

(5) 模擬井眼調(diào)整到預(yù)定的傾斜角度。

(6) 打開電腦數(shù)據(jù)采集軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.3評(píng)價(jià)方法

利用采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出壓力隨時(shí)間的變化圖，通過對(duì)比不同測(cè)試條件下(不同水泥漿配方、不同井眼壓力、不同井斜角等)水泥漿壓力與時(shí)間的變化關(guān)系，來評(píng)價(jià)各因素對(duì)水泥漿失重的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

在相同的水泥漿膠凝強(qiáng)度下，水泥漿的體積收縮微弱差異對(duì)水泥漿失重都有較大影響，若將失水造成的水泥漿體積收縮考慮在內(nèi)，水泥漿的失重將會(huì)發(fā)生更大變化。本文設(shè)計(jì)的水泥漿失重儀考慮了對(duì)水泥漿失重影響較大的水泥漿失水這一關(guān)鍵因素，使得測(cè)試的失重?cái)?shù)據(jù)更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，并且可以實(shí)現(xiàn)水泥漿失重?cái)?shù)據(jù)的全過程自動(dòng)采集，便于操作和后期數(shù)據(jù)處理。

該實(shí)驗(yàn)裝置還可在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮重要作用，利用該裝置測(cè)得的關(guān)于水泥漿失重的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，可以把專業(yè)課中抽象的理論變成實(shí)際可以觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生在便于接受抽象的理論知識(shí)的同時(shí)加深對(duì)水泥漿失重的認(rèn)識(shí)。

[1] 張 波,管志川,張 琦,等.高壓氣井環(huán)空壓力預(yù)測(cè)與控制措施[J].石油勘探與開發(fā),2015,42(4):518-522.

[2] 巢貴業(yè),陳 宇.固井環(huán)空氣竄機(jī)理和防竄水泥漿體系及其措施[J].水泥工程,2006(4):79-81.

[3] 丁士東.固井后環(huán)空氣竄預(yù)測(cè)新方法[J].鉆井液與完井液,2003,20(6):30-33.

[4] 步玉環(huán),于利國(guó),王春雨,等.水泥石自愈合性能評(píng)價(jià)方法[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015(7):17-21.

[5] 步玉環(huán),郭勝來,李志彬.大斜度井注水泥頂替模擬室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014(10):55-60.

[6] 羅玉財(cái).固井頂替效率數(shù)學(xué)模型與應(yīng)用[D].大慶：東北石油大學(xué),2012.

[7] 步玉環(huán),張大千,郭權(quán)慶.大位移井頂替效率最優(yōu)的套管居中度設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,39(2):53-57.

[8] 宋會(huì)光,李躍明,李良兵,等.對(duì)水泥漿失重規(guī)律的認(rèn)識(shí)[J].西部探礦工程,2008,20(12):114-117.

[9] 秦國(guó)宏,覃毅,尤鳳堂,等.水泥漿失重對(duì)高壓油氣井固井質(zhì)量的影響分析及工藝對(duì)策[J].探礦工程,2015(3):33-36.

[10] 張興國(guó),劉崇建,楊遠(yuǎn)光,等.水泥漿體系穩(wěn)定性對(duì)水泥漿失重的重要影響[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào),2004,26(3):68-70.

[11] 郭辛陽(yáng),步玉環(huán),李 娟,等.井下復(fù)雜條件下固井水泥環(huán)的失效方式及其預(yù)防措施[J].天然氣工業(yè),2013,33(11):86-91.

[12] Gray K E,Podnos E,Becker E.Finite element studies of near-wellbore region during cementing operations: Part I[J].Spe Drilling & Completion,2013,24(1):127-136.

[13] 步玉環(huán),穆海朋,姜林甫,等.水泥漿失重建模以及實(shí)驗(yàn)研究[J].鉆井液與完井液,2007,24(6):52-54.

[14] 袁春華,吳鳳英,劉穎峰,等.水泥漿失水的危害及油井降失水劑的發(fā)展現(xiàn)狀[J].內(nèi)蒙古石油化工,2003(S1): 199-200.

[15] 劉崇建,黃柏宗,徐同臺(tái),等.油氣井注水泥理論與應(yīng)用[M].北京： 石油工業(yè)出版社,2001：321-322.

[16] 孫展利.水泥漿的水化體積收縮膠凝失重研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào),1997(4):55-58.

Design of the Experimental Setup to Measure the Cement Slurry Weight Loss under Consideration of Fluid Loss

GUOShenglai,BUYuhuan,LIUHuajie

(College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,Shandong,China)

The weight loss of the cement slurry is one of the main causes of the oil and gas well annular channeling after cementing.The volume shrinkage of the cement slurry caused by the fluid loss has a great effect on the weight loss of the cement slurry.However,the experimental setup designed for the measurement of the cement slurry weight loss could not satisfy this situation.Therefore,a new experimental setup was designed to realize this.The principle of the measurement for the cement slurry fluid loss was used for a reference.The filter screen of the filtration instrument which could simulate the formation was introduced in the new setup to simulate the permeable wall of a well.The test result was more consistent with the site actual.Furthermore,this new setup could achieve the automatic data acquisition during the whole test process,which is very beneficial to the operation and the data processing.

cementing; cement slurry; weight loss; experimental instrument

2016-11-03

教育部重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2015CB251202)

郭勝來(1986-)，男，河北衡水人，博士生，講師，現(xiàn)主要從事油氣井固井，油氣井流體力學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作。

Tel.:18764219579; E-mail:guoshenglaiupc@163.com

TE 256

：A

1006-7167(2017)07-0050-03