熱采井用固井水泥石養(yǎng)護方法及力學性能研究

高飛，李永剛，孫浩，劉應民，張興國，郭小陽

（1.中國石油新疆油田分公司開發(fā)公司，新疆克拉瑪依 834000；2.新疆油田公司采油二廠油田工藝研究所，新疆克拉瑪依 834000；3.西南油氣田分公司寶石花鑫盛公司，成都 610051；4.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室×西南石油大學，成都 610500）

0 引言

為了降低稠油黏度、提高稠油開采效率，注蒸汽及火驅(qū)技術(shù)已普遍用于稠油資源開發(fā)中[1-7]。注蒸汽開采技術(shù)是將溫度高達300～350 ℃[6]的水蒸氣注入井內(nèi)，利用高溫水蒸氣降低稠油黏度，以提高稠油開采效率。在這一過程中，固井水泥環(huán)的完整性和力學性能是保證熱力開采措施有效實施的關(guān)鍵[8-9]，一旦超高溫或巨大溫差破壞了水泥環(huán)完整性，將造成注入的高溫水蒸氣向上部低壓地層竄流，降低對水蒸氣熱的利用效率。因此，準確掌握固井水泥環(huán)在井底惡劣環(huán)境的力學性能和完整性，是保證稠油資源高效開發(fā)的關(guān)鍵，也將為稠油井用固井水泥漿體系的設計、優(yōu)化提供依據(jù)。

稠油熱采井大多采用“常溫固井、高溫開采”的作業(yè)流程。目前，為了研究開采作業(yè)的超高溫對固井水泥石性能的影響，多采用馬弗爐在干燥條件下，加熱水泥石以模擬井下超高溫環(huán)境。所得研究結(jié)果表明[4,10-11]，加砂固井水泥體系在超高溫、干燥條件下，將出現(xiàn)嚴重開裂及抗壓強度衰退，難以提供良好的層間封隔性能。然而，分析認為，該超高溫、干燥模擬環(huán)境與實際稠油熱采井下超高溫、水蒸氣環(huán)境及水泥石受套管和地層約束等的實際情況不符[12-13]。因此，在超高溫干燥條件下所得實驗結(jié)果可能難以準確反映固井水泥石在井下的實際狀態(tài)[14]。

為了進一步研究固井水泥石在稠油熱采井下環(huán)境的力學性能及完整性變化規(guī)律。首先建立了一套模擬稠油熱采井井下超高溫、水蒸氣環(huán)境的固井水泥石養(yǎng)護裝置及方法。并利用該養(yǎng)護裝置和方法，以新疆油田稠油區(qū)塊工況為依據(jù)，評價了加砂固井水泥體系在注蒸汽開采過程中力學性能和完整性的演變過程；并對比研究了超高溫干燥、水蒸氣環(huán)境對水泥石抗壓強度的影響；最后，結(jié)合掃描電鏡，初步探索了超高溫干燥、水蒸氣環(huán)境下，固井水泥石微觀結(jié)構(gòu)演變過程及機理。該研究將為準確評價稠油熱采井用固井水泥石的性能、體系設計及優(yōu)化提供了更符合實際的手段以及理論依據(jù)。

1 超高溫固井水泥石養(yǎng)護模擬裝置及方法建立

稠油熱采作業(yè)一般要經(jīng)歷蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)和火驅(qū)等技術(shù)，而注蒸汽開采時固井水泥環(huán)將面臨300～350 ℃的超高溫，當轉(zhuǎn)為火驅(qū)開采后局部溫度高達500～700 ℃。同時，由于井底的特殊環(huán)境，雖然水泥石所處溫度高達數(shù)百攝氏度，但其周圍仍是水蒸氣環(huán)境。因此，在養(yǎng)護模擬裝置的設計過程中，不僅需考慮水泥石所處的超高溫環(huán)境，還應綜合考慮水蒸氣環(huán)境。

為此，建立了一套超高溫固井水泥石養(yǎng)護裝置，圖 1為該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 超高溫固井水泥石養(yǎng)護模擬裝置

該裝置主要由以下6大部分組成：①超高溫加熱恒溫系統(tǒng)，用于對樣品、注入液體、氣體和超高溫密封養(yǎng)護釜進行加熱和恒溫；②超高溫密封養(yǎng)護釜，用于放置水泥石試樣，并與注入的氣、液一起形成需要模擬的超高溫、水蒸氣或各類腐蝕環(huán)境。同時，自身金屬密封以免水蒸氣、腐蝕性氣液泄漏并腐蝕超高溫加熱恒溫箱；③液體存儲及注入系統(tǒng)，用于存儲并通過壓差向上驅(qū)動隔板向超高溫密封養(yǎng)護釜注入水蒸氣；④氣體存儲及注入系統(tǒng)，可用于存儲并通過三通向密封養(yǎng)護釜注入氣體；⑤背壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于根據(jù)稠油儲層的壓力設置不同的背壓；⑥冷凝回收系統(tǒng)，用于冷凝、回收和處理從超高溫密封養(yǎng)護釜排出的氣、液等。

2 室內(nèi)實驗分析

2.1 實驗材料及配方

利用上述實驗裝置及方法，本文重點對比研究了在超高溫干燥、水蒸氣環(huán)境下，加砂水泥石體系的抗壓強度及微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。實驗中所用的高抗硫酸鹽G級油井水泥由新疆阿克蘇水泥有限公司提供，硅粉由永川石英砂廠提供。表1為利用X射線熒光分析的水泥和硅粉主要化學成分。同時，實驗中用于調(diào)控水泥漿性能的降失水劑、早強劑及分散劑均由西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院提供。表2為實驗所用水泥漿體系的配方?；贕B/T 19139—2012標準[15]制備、測試該水泥漿體系配方如下，其密度為1.90 g/cm3、失水量為40 mL/30 min、流動度為22 cm。

1#水泥+40%硅粉+4%早強劑+6%降失水劑+0.8%分散劑+63%水

表1 高抗硫酸鹽G級油井水泥和硅粉的主要化學組成 %

2.2 實驗條件

對新疆油田稠油井區(qū)塊資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，蒸汽吞吐作業(yè)（315 ℃）的輪次分布在2～14輪次，其中大部分井為6輪次。因此，本文重點研究水泥石在超高溫度（315 ℃）和循環(huán)溫度（室溫～315 ℃）干燥、水蒸氣條件下，養(yǎng)護6輪次抗壓強度的變化規(guī)律，圖 2為養(yǎng)護溫度的變化過程。為了模擬稠油井固井“常溫施工、高溫開采”過程，實驗中，首先根據(jù)GB/T 19139—2012標準[15]制備和養(yǎng)護水泥漿14 d、脫模，并將脫模后的水泥石放入超高溫固井水泥石養(yǎng)護模擬裝置中，并在圖 2所示的溫度制度養(yǎng)護水泥石試樣（加熱速率根據(jù)需求調(diào)整）。養(yǎng)護過程中，通過控制是否向“超高溫密封養(yǎng)護釜”（如圖 1所示）注入水蒸氣，以控制養(yǎng)護過程中試樣所處的干燥或水蒸氣環(huán)境。利用該養(yǎng)護裝置及方法，本文首先研究了超高溫干燥、水蒸氣環(huán)境下，試樣幾何尺寸、升溫速率對固井水泥石抗壓強度的影響；其次，對比研究了超高溫干燥、水蒸氣條件下固井水泥石抗壓強度的變化規(guī)律；最后，結(jié)合掃描電鏡對比分析了超高溫干燥、水蒸氣環(huán)境下對固井水泥石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響。

圖2 水泥石養(yǎng)護溫度變化過程

3 結(jié)果與討論

3.1 試樣尺寸和養(yǎng)護環(huán)境對水泥石抗壓強度的影響

在稠油熱采作業(yè)中，固井水泥石不僅要承受注蒸汽時的超高溫，同時開井生產(chǎn)過程中，還將承受高達數(shù)百攝氏度的巨大溫差沖擊。而水泥石屬于非均質(zhì)脆性材料，除了水泥體系在高溫條件下可以發(fā)生的晶型轉(zhuǎn)變改變力學性能之外，在巨大溫差沖擊下也可能在水泥石中產(chǎn)生裂紋，從而惡化水泥石力學性能及完整性[16-17]。同時，在養(yǎng)護過程中，水泥石試樣的加熱速率及試樣尺寸又是影響試樣受熱均勻程度的關(guān)鍵因素[6]。因此，本文首先研究了不同標準尺寸試樣在超高溫干燥、水蒸氣條件下的抗壓強度變化。目前常用的水泥石養(yǎng)護模具包括GB/T 19139—2012標準[15]中規(guī)范的50.8 mm×50.8 mm×50.8 mm正方體（方模）及Φ25.4 mm×25.4 mm的圓柱體（小圓柱）試樣[18]，其也常用于評價水泥石的三軸力學性能[17]。

圖3為在相同的養(yǎng)護條件下（溫度變化過程如圖2所示，升溫速率為2 ℃/min），方模和小圓柱固井水泥石試樣在蒸汽吞吐作業(yè)階段的抗壓強度測試結(jié)果?？梢钥闯?，方模和小圓柱試樣在超高溫干燥、水蒸氣養(yǎng)護過程中，水泥石的抗壓強度均降低，但小圓柱水泥石，在水蒸氣條件下的降幅明顯較小。方模水泥石的抗壓強度，在經(jīng)歷模擬蒸汽吞吐六輪次后，在水蒸氣條件下其抗壓強度從36 MPa降低至18 MPa，降幅高達50%；在超高溫干燥條件下，其抗壓強度降低為15.4 MPa左右，降幅更是高達58%。而在水蒸氣條件下，小圓柱試樣的抗壓強度僅從33 MPa降低至31 MPa，降幅約為6%；即使在干燥條件下，也僅從33 MPa降低至24 MPa，降幅約為27%。由此可以看出，與大尺寸的方模水泥石相比，小圓柱水泥石更利于水泥石抗壓強度的穩(wěn)定。分析認為，小圓柱試樣的尺寸小、表面大，在升溫過程中受熱更均勻，有利于減少因受熱不均所致的內(nèi)部裂紋，使水泥石維持更高的抗壓強度。同時，井下實際水泥環(huán)厚度難于達到50 mm，因此，建議室內(nèi)評價稠油井用固井水泥石時，應充分考慮試樣尺寸對實驗結(jié)果的影響。

圖3 小圓柱、方模固井水泥石在快速加熱情況下的強度變化

3.2 升溫速率對水泥石抗壓強度的影響

為了研究升溫速率對超高溫養(yǎng)護條件下水泥石抗壓強度的影響，實驗以1 ℃/min的升溫速率加熱小圓柱水泥石試樣。圖 4為在1 ℃/min的加熱速率下小圓柱水泥石的抗壓強度。可以看出，降低升溫速率后，不論是在干燥環(huán)境還是水蒸氣環(huán)境下，小圓柱水泥石抗壓強度隨養(yǎng)護輪次增加而降低的情況均獲得明顯改善。

結(jié)合圖 3所示實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當快速加熱時，小圓柱水泥石在水蒸氣和干燥條件下經(jīng)歷六輪次后，其抗壓強度分別下降約為6%和25%。降低加熱速率后，水蒸氣條件下試樣的抗壓強度下不降反升；即使干燥條件養(yǎng)護后試樣抗壓強度的降幅也僅約為10%。通過該實驗結(jié)果證實了加熱速率對水泥石試樣抗壓強度影響顯著，低加熱速率可使水泥石受熱更均勻，從而減少因受熱不均而對水泥石的沖擊。圖 5是小圓柱水泥石在超高溫干燥、水蒸氣條件下模擬蒸汽吞吐六輪次后的宏觀狀態(tài)圖?？梢钥闯?，當降低水泥石超高溫養(yǎng)護的升溫速率時，水泥石表面的裂紋明顯減少，甚至在水蒸氣條件下未發(fā)現(xiàn)裂紋。再次證實了加熱速度過快對水泥石的巨大不利影響，以及水蒸氣環(huán)境有利于保證水泥石完整性。

圖4 小圓柱水泥石在慢速加熱情況下的強度變化

圖5 不同情況下模擬蒸汽吞吐四輪次后的水泥石形貌

3.3 養(yǎng)護條件對水泥石微觀結(jié)構(gòu)的影響

結(jié)合上述對水泥石抗壓強度（圖3和圖4）和宏觀狀態(tài)（圖5）的實驗分析結(jié)果可以看出，在不同養(yǎng)護條件后水泥石的宏觀狀態(tài)和力學性能存在明顯差異。為了進一步分析導致該變化的原因和機理，實驗利用掃描電鏡分別測試了常溫養(yǎng)護14 d、超高溫水蒸氣養(yǎng)護6輪次和超高溫干燥養(yǎng)護6輪次后水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，測試結(jié)果如圖 6所示。對比分布不同養(yǎng)護條件下水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，可以看出常溫養(yǎng)護14 d后，水泥石內(nèi)部水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)致密（如圖 6（a）所示）。對比超高溫養(yǎng)護后水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，可以看出超高溫養(yǎng)護后水泥石的微觀結(jié)構(gòu)變得疏松（如圖 6（b）和（c）所示）。但對比干燥和水蒸氣養(yǎng)護后水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，在干燥條件下養(yǎng)護后水泥石的微觀結(jié)構(gòu)明顯更加疏松，原本致密的水化產(chǎn)物變得疏松多孔。這一微觀結(jié)構(gòu)的改變可能導致水泥石中產(chǎn)生大量的裂紋，從而降低水泥石的力學性能。

圖6 不同條件下養(yǎng)護后水泥石微觀結(jié)構(gòu)

通過上述實驗結(jié)果可知，在室內(nèi)評價稠油井用固井水泥體系時，不應只考慮養(yǎng)護目標溫度，還應綜合考慮養(yǎng)護過程中，樣品尺寸、加熱速率及養(yǎng)護環(huán)境對試樣性能的影響。從實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當減小試樣尺寸、降低升溫速率及水蒸氣環(huán)境下，有利于保證水泥石試樣受熱均勻，從而維持水泥石的抗壓強度。結(jié)合該實驗結(jié)果，在實際生產(chǎn)過程中建議通過控制井筒加熱階段注入蒸汽的溫度和注入速率，從而降低井筒加熱階段水泥環(huán)的升溫速率，使其受熱均勻，從而減少溫差大對水泥環(huán)的沖擊，保證井筒水泥環(huán)的力學性能及完整性。

4 結(jié)論

通過對超高溫水蒸氣養(yǎng)護裝置的建立，并結(jié)合新疆油田現(xiàn)場工況，對固井加砂水泥漿在超高溫水蒸氣和干燥條件下水泥石體系的抗壓強度和微觀結(jié)構(gòu)分析，可以得出以下結(jié)論。

1.與之前用馬弗爐超高溫、干燥養(yǎng)護水泥石，模擬稠油熱采工況的模擬方法相比，本文提出的超高溫固井水泥石養(yǎng)護模擬方法及裝置，充分考慮了加熱速度、水蒸氣環(huán)境和水泥石尺寸等對模擬結(jié)果的影響，能更真實模擬稠油熱采固井水泥石在井下的實際情況，以提高室內(nèi)實驗結(jié)果的合理性和可靠性。

2.使用小尺寸的水泥石、降低水泥石的加熱速率和水蒸氣水濕環(huán)境，均有利于稠油熱采井固井水泥石在后續(xù)工況中減少內(nèi)部裂紋、維持更高的抗壓強度并保證水泥環(huán)的完整性。尤其加熱速度過快對水泥石的負面影響巨大，為此，不僅要在模擬過程中進行充分的考慮，更建議在實際生產(chǎn)過程中通過優(yōu)化蒸汽溫度、注汽速率等工藝措施，降低注蒸汽過程中固井水泥環(huán)的加熱速率，以減少加熱速率過快對水泥環(huán)造成的傷害。

3.研究初步證實該實驗裝置及方法，能有效用于評價固井水泥石在真實井下超高溫、水蒸氣環(huán)境的力學性能，為后期研究超高溫、干燥和水蒸氣條件對固井水泥石力學性能和完整性的影響機理奠定了基礎(chǔ)。