水泥封固段長(zhǎng)度對(duì)固井膠結(jié)面密封能力影響的試驗(yàn)研究

岳家平,耿亞楠,武治強(qiáng) (中海石油(中國(guó))有限公司北京研究中心，北京 100028)

黃志強(qiáng),曲路路,鄭雙進(jìn) (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

在油氣井全生命周期內(nèi)，水泥環(huán)起著封隔油氣層、保護(hù)套管的重要作用，是保持井筒完整性的關(guān)鍵所在[1]。由于固井后試壓、試油、壓裂等不同作業(yè)工況導(dǎo)致的溫壓變化，使得水泥環(huán)密封完整性面臨著巨大挑戰(zhàn)[2～4]，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)溫壓變化對(duì)固井膠結(jié)面密封能力的影響開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，分析發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間及溫度變化等直接影響固井膠結(jié)強(qiáng)度[5～8]，另外水泥封固長(zhǎng)度對(duì)固井膠結(jié)面密封能力也有不可忽視的影響，即便水泥環(huán)膠結(jié)良好，如果水泥環(huán)縱向長(zhǎng)度太短，也難以承受作業(yè)期間產(chǎn)生的壓差，所以有效的水力密封必須依賴于足夠的有效膠結(jié)長(zhǎng)度[9～13]。在水泥環(huán)返深對(duì)固井膠結(jié)面密封能力的影響研究方面，張波等[14]分析認(rèn)為降低水泥環(huán)返深能夠降低持續(xù)環(huán)空壓力的上升速度和極限值，可以通過(guò)降低水泥環(huán)返深把環(huán)空壓力極限值控制在環(huán)空最大允許壓力以下。陳正茂[15]通過(guò)數(shù)值模擬手段分析了水泥環(huán)返深附近區(qū)域固井一界面和二界面的受力情況，分析認(rèn)為增大水泥環(huán)高度有利于改善水泥環(huán)的軸向受拉狀態(tài)；針對(duì)高溫高壓氣井，一方面應(yīng)適當(dāng)提高水泥環(huán)高度以改善水泥環(huán)頂面以下局部范圍內(nèi)的受力狀況，另一方面可通過(guò)改善水泥漿性能提高頂部水泥段與套管以及地層的膠結(jié)強(qiáng)度，從而保證膠結(jié)面的完整性。從以上調(diào)研可以看出，水泥環(huán)封固段長(zhǎng)度及界面膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)于保障井筒完整性及油氣安全生產(chǎn)十分重要。筆者基于自研的水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置，運(yùn)用氣竄法測(cè)試了高溫高壓養(yǎng)護(hù)條件下不同封固段長(zhǎng)度水泥環(huán)的氣密封能力，試驗(yàn)結(jié)論對(duì)于指導(dǎo)深水高溫高壓氣井水泥返深設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 儀器設(shè)備

1.1 水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置

水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置(自制)主要包括井筒模擬系統(tǒng)、壓力施加與控制系統(tǒng)、溫度施加與控制系統(tǒng)、氣竄模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)以及室內(nèi)模擬聲波測(cè)井儀，水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置實(shí)物如圖1所示。模擬井筒高度為1m，模擬井筒外徑為400mm，可模擬8in井眼內(nèi)下7in套管固井工況，模擬井徑擴(kuò)大率為0%～15%，圍壓與套管內(nèi)壓施加能力為70MPa，氣竄壓力施加能力為20MPa，溫度施加能力為-5～200℃，模擬套管居中度為50%～100%。運(yùn)用該裝置可開(kāi)展不同水泥封固長(zhǎng)度、不同溫度、不同壓力以及溫度壓力循環(huán)交變條件下的水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

1.2 室內(nèi)模擬聲波測(cè)井儀

室內(nèi)模擬聲波測(cè)井儀采用單發(fā)雙收聲系(1個(gè)聲波發(fā)射探頭+2個(gè)聲波接收探頭)，聲波發(fā)射探頭距1#接收探頭43cm，距2#接收探頭68.5cm，可以模擬現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行聲幅測(cè)井，實(shí)物圖如圖2所示。聲波發(fā)射探頭發(fā)射聲波以一定角度斜入射至套管、水泥環(huán)、地層，然后在套管、水泥環(huán)、地層中傳播，并折射至聲波測(cè)井儀被聲波探頭接收，縱向分辨率0.17m。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試

表1 南海某油田固井水泥漿體系配方

為深入研究水泥環(huán)密封完整性失效機(jī)理，針對(duì)密度為2.15g/cm3的固井水泥漿體系開(kāi)展單軸巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)選用南海某油田固井水泥漿體系為試驗(yàn)材料(密度為2.15g/cm3)，其組成配方如表1所示，巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，在150℃條件下，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥環(huán)在7d左右抗壓強(qiáng)度逐漸趨于平穩(wěn)，抗壓強(qiáng)度約為18MPa，彈性模量約為5.5GPa，表明在水泥環(huán)本體未發(fā)生破壞的工況下，地層流體通過(guò)水泥環(huán)本體竄流的可能性較小。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果表

2.2 水泥環(huán)膠結(jié)面CT掃描測(cè)試

微型水泥環(huán)膠結(jié)試件實(shí)物圖如圖3所示，水泥環(huán)一界面試驗(yàn)前后CT掃描孔隙圖如圖4所示，水泥環(huán)二界面試驗(yàn)前后CT掃描孔隙圖如圖5所示，圖中分別用藍(lán)色和紅色標(biāo)注試驗(yàn)前后一界面和二界面的孔隙變化。對(duì)比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，氣竄試驗(yàn)前一界面和二界面孔隙度均較小，氣竄試驗(yàn)后一界面和二界面孔隙度大幅增大，表明一界面和二界面為的氣體的主要竄流通道；由于該微型試驗(yàn)裝置模擬套管和模擬井壁均采用PEK材質(zhì)加工，表面光潔度相差無(wú)幾，一、二界面膠結(jié)強(qiáng)度相當(dāng)，所以一、二界面均有氣體竄流通過(guò)。

2.3 水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)

按照水泥∶細(xì)沙∶水(質(zhì)量比)為1∶3∶0.5的配比配制水泥砂漿制做模擬地層，養(yǎng)護(hù)約8h后拆開(kāi)地層模具，取出模擬套管，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)模擬地層7d，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將模擬地層裝入模擬井筒，并試圍壓。將7in套管置入模擬井筒，按照表1所示的配方配制水泥漿，將水泥漿倒入試驗(yàn)裝置的模擬環(huán)空，向套管內(nèi)注入導(dǎo)熱油，下入模擬聲波測(cè)井儀，密封試驗(yàn)裝置。

運(yùn)用溫度控制系統(tǒng)將導(dǎo)熱油加熱至160℃，并施加環(huán)空壓力5MPa，施加圍壓15MPa，施加套管內(nèi)壓9.5MPa，養(yǎng)護(hù)72h；待水泥漿養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，首先進(jìn)行模擬聲幅測(cè)井，測(cè)試水泥環(huán)膠結(jié)良好狀態(tài)下的聲幅值，然后運(yùn)用氣竄系統(tǒng)測(cè)試水泥環(huán)封隔的氣竄壓力，并記錄水泥環(huán)失效時(shí)的氣體體積流量。按照上述試驗(yàn)過(guò)程分別測(cè)試水泥環(huán)封隔長(zhǎng)度0.2、0.6、1m 3種工況條件下的氣竄壓力測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示，由表3不難發(fā)現(xiàn)，隨著水泥環(huán)封固長(zhǎng)度的增加，水泥環(huán)氣竄壓力逐漸增大。因此，延長(zhǎng)水泥環(huán)有效封固長(zhǎng)度，增大水泥環(huán)界面膠結(jié)面積，有助于防止地層流體竄流至井口形成環(huán)空帶壓。對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了試驗(yàn)工況膠結(jié)條件下的氣竄壓力(y)隨水泥環(huán)封固長(zhǎng)度(x)的變化關(guān)系式：

y=0.2125x+0.9958

表3 不同水泥環(huán)封固高度條件下的氣竄壓力試驗(yàn)結(jié)果

2.4 聲波幅度測(cè)井模擬

針對(duì)水泥環(huán)高度為1m工況下的模擬井筒進(jìn)行聲波幅度測(cè)井模擬，測(cè)井曲線如圖6所示。其中圖6(a)為1#探頭接收到的套管波曲線，圖6(b)為2#探頭接收到的套管波曲線。

由圖6可以看出，水泥環(huán)被氣竄突破后1#探頭接收到的套管波曲線中首波幅度為212mV，2#探頭接收到的套管波曲線中首波幅度為116mV，比水泥環(huán)被氣竄突破前探頭接收到的套管首波幅度明顯增大，表明該試驗(yàn)工況條件下套管與水泥環(huán)膠結(jié)良好。氣竄試驗(yàn)后，水泥環(huán)一界面被氣體突破形成了微環(huán)隙，造成聲波幅度測(cè)井值增大，表明試驗(yàn)所測(cè)氣竄壓力數(shù)據(jù)有效，也進(jìn)一步驗(yàn)證了固井膠結(jié)面為氣竄的主要通道。

3 結(jié)論

1)水泥環(huán)巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試和水泥環(huán)膠結(jié)面CT掃描測(cè)試結(jié)果表明，在水泥環(huán)本體未發(fā)生破壞條件下，水泥環(huán)膠結(jié)面為氣體的主要竄流通道。為了保證水泥環(huán)密封完整性，提高水泥環(huán)與套管和井壁的膠結(jié)強(qiáng)度十分關(guān)鍵。

2)基于不同水泥環(huán)封固長(zhǎng)度的水泥環(huán)密封完整性試驗(yàn)，得到了水泥環(huán)氣竄壓力隨封固段長(zhǎng)度的變化規(guī)律。隨著封固段長(zhǎng)度的增加，氣竄壓力逐步增大，表明增大水泥封固段長(zhǎng)度有助于防止地層流體竄至井口形成環(huán)空帶壓。

3)針對(duì)水泥環(huán)高度為1m工況下模擬井筒進(jìn)行了氣竄試驗(yàn)前后的聲波幅度測(cè)井模擬，測(cè)井結(jié)果表明，氣竄試驗(yàn)前套管與水泥環(huán)膠結(jié)良好，氣竄試驗(yàn)后水泥環(huán)一界面被氣體突破形成了微環(huán)隙，進(jìn)一步驗(yàn)證了固井膠結(jié)面為氣竄主要通道的結(jié)論。