環(huán)空擾動(dòng)固井二界面膠結(jié)性能評(píng)價(jià)裝置及方法

柳華杰， 步玉環(huán)， 梁 巖， 郭勝來(lái)， 王 巖

（1．中國(guó)石油大學(xué)（華東）a．山東省油田化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b．石油工程學(xué)院，山東青島266580；2．中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司，山東東營(yíng)257000；3．中國(guó)石油山東威海銷售分公司，山東威海264200）

0 引 言

目前，多數(shù)老油田已處于注水開發(fā)中后期，長(zhǎng)期注水開發(fā)使儲(chǔ)層進(jìn)入高含水階段，油水關(guān)系十分復(fù)雜，為挖掘剩余產(chǎn)能并提高最終采收率進(jìn)行加密調(diào)整鉆井時(shí)，由于周邊注采井停注、停采措施的制定較為盲目且執(zhí)行不力，導(dǎo)致地層水處于流動(dòng)狀態(tài)，這會(huì)對(duì)調(diào)整井固井二界面（即水泥環(huán)與井壁膠結(jié)界面）的膠結(jié)產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而惡化其固井質(zhì)量［1］。本文把水泥漿候凝狀態(tài)下二界面膠結(jié)質(zhì)量受到流動(dòng)的地層水產(chǎn)生的干擾和破壞稱之為地層水的擾動(dòng)條件下固井（簡(jiǎn)稱為地層水?dāng)_動(dòng)）。

影響固井二界面膠結(jié)性能的不利因素主要有［2-8］：① 地層因素。包括巖性、孔滲特性、溫度、壓力及地層流體等。② 井眼情況。不規(guī)則的井眼條件會(huì)降低頂替效率，窩存“死泥漿”，降低膠結(jié)質(zhì)量。③ 沖洗液性能。沖洗液的潤(rùn)濕性及對(duì)浮泥餅的沖洗性能也是影響膠結(jié)的重要因素。④ 泥餅。泥餅的存在對(duì)固井二界面的膠結(jié)來(lái)說(shuō)是不利的。⑤ 水泥漿性能。水泥漿性能不達(dá)標(biāo)是導(dǎo)致固井二界面膠結(jié)差的直接原因。

綜合來(lái)看，當(dāng)前考慮地層水對(duì)固井二界面膠結(jié)質(zhì)量影響的研究較少，且大多只考慮靜止條件下地層水對(duì)水泥漿的腐蝕，未考慮水泥漿在井下侯凝時(shí)所處的動(dòng)態(tài)環(huán)境會(huì)使研究失去很大價(jià)值［9］，因?yàn)殪o態(tài)地層水對(duì)水泥的腐蝕是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，且主要取決于水中腐蝕離子的類型及濃度［10］，這種影響大多在注水開發(fā)后期的高含水區(qū)塊，而不會(huì)在固井作業(yè)完成后的測(cè)井中顯現(xiàn)。地層水?dāng)_動(dòng)對(duì)固井二界面膠結(jié)性能的影響更加直接，可以直接在固井候凝后的固井質(zhì)量檢測(cè)中顯示，并且沒(méi)有可靠的辦法進(jìn)行固井質(zhì)量的補(bǔ)救。

關(guān)于固井二界面膠結(jié)性能的評(píng)價(jià)，目前未見(jiàn)有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)室內(nèi)研究一般通過(guò)測(cè)試其剪切膠結(jié)強(qiáng)度和水力膠結(jié)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行，但由于固井二界面水力膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試相對(duì)困難，以至在筆者所見(jiàn)的研究中鮮有涉及，前人多數(shù)是基于壓出法測(cè)試剪切膠結(jié)強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)固井二界面的膠結(jié)性能，較典型的有羅長(zhǎng)吉等［11］設(shè)計(jì)制作的水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度儀，中國(guó)石油工程技術(shù)研究院［9］研發(fā)的水泥環(huán)界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試儀等，但是這不足以表征固井二界面的水力封隔能力。顧軍等［12］根據(jù)固井二界面的失效機(jī)理，制作了固井二界面封隔能力仿真評(píng)價(jià)裝置，通過(guò)直接向固井二界面施加氣、液壓力，計(jì)算求得氣侵或水侵條件下固井二界面的當(dāng)量滲透率，其值越小就證明固井二界面的封隔能力越好，但該裝置未對(duì)巖心端面形成有效密封，只適用于評(píng)價(jià)低滲泥質(zhì)粉砂巖隔層的固井二界面膠結(jié)性能，不具有普適性，所以亟需找到一種適用性更廣的固井二界面水力膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試方法。

本文從固井二界面膠結(jié)的角度弄清地層水?dāng)_動(dòng)對(duì)固井質(zhì)量產(chǎn)生的影響入手，設(shè)計(jì)并加工制作了一套擾動(dòng)條件下固井二界面膠結(jié)性能評(píng)價(jià)裝置，根據(jù)設(shè)計(jì)原理及思路，探索出實(shí)驗(yàn)研究的操作步驟及擾動(dòng)條件下固井二界面膠結(jié)性能評(píng)價(jià)方法。該裝置的研制及評(píng)價(jià)方法可以用于開展動(dòng)靜態(tài)、不同礦化度地層水、二界面氣密性條件下研究，為減弱地下擾動(dòng)對(duì)固井二界面的影響、提高老油田調(diào)整井固井質(zhì)量提供實(shí)驗(yàn)保證，為確定合理的候凝注采措施奠定基礎(chǔ)。

1 裝置設(shè)計(jì)思路

室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵是對(duì)水泥漿在井下候凝時(shí)受到地層水?dāng)_動(dòng)的實(shí)際情況進(jìn)行模擬。根據(jù)對(duì)實(shí)際固井候凝條件的分析認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)中需要模擬的因素主要有：地層滲透特性、水泥漿體系類型、井下溫度及地層孔隙壓力、水泥漿候凝過(guò)程中的受壓狀態(tài)等，其中：①地層滲透特性，主要是對(duì)地層滲透率、孔隙度以及地層水流動(dòng)狀態(tài)的模擬，重點(diǎn)是對(duì)地層水流動(dòng)狀態(tài)的模擬。流過(guò)巖心的流量可以轉(zhuǎn)化為流速（單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)巖心的水量的大?。?，即通過(guò)改變流過(guò)巖心的流量來(lái)模擬不同的地層水?dāng)_動(dòng)程度，也就是說(shuō)出水口流量的大小決定了水流速的快慢，這也就對(duì)應(yīng)了不同的擾動(dòng)程度。對(duì)地層滲透率和孔隙度的模擬可以使用不同孔滲特性的圓環(huán)形模擬巖心來(lái)實(shí)現(xiàn)。②壓力模擬主要是對(duì)水泥漿受壓狀態(tài)和地層孔隙壓力的模擬。其中水泥漿受壓狀態(tài)是指水泥漿受到的上部漿柱壓力，且隨著水泥漿的膠凝失重，這個(gè)壓力是逐漸減小的，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過(guò)動(dòng)態(tài)壓力變化來(lái)控制上部漿柱壓力，使實(shí)驗(yàn)更加接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際；地層孔隙壓力可以將養(yǎng)護(hù)釜出水口與回壓裝置連通從而控制模擬巖心內(nèi)的水壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。③溫度的模擬可以通過(guò)釜體外加熱的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便模擬地層的溫度條件。

養(yǎng)護(hù)完成后，主要通過(guò)測(cè)試剪切膠結(jié)強(qiáng)度和水力膠結(jié)強(qiáng)度這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)固井二界面的膠結(jié)性能，這種評(píng)價(jià)方式克服了剪切膠結(jié)強(qiáng)度不能表征固井二界面的抗水壓滲透能力及密封性能的缺點(diǎn)，因?yàn)閺乃喹h(huán)有效封隔地層的角度來(lái)說(shuō)，水力膠結(jié)強(qiáng)度比剪切膠結(jié)強(qiáng)度更重要。

2 裝置的構(gòu)成

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路對(duì)裝置各部分及功能的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后的裝置主要由養(yǎng)護(hù)釜、壓力系統(tǒng)、評(píng)價(jià)系統(tǒng)、加熱控溫系統(tǒng)等組成，如圖1所示［13］。

（1）養(yǎng)護(hù)釜。養(yǎng)護(hù)釜是實(shí)驗(yàn)裝置的主體，由釜體、上封蓋、下封蓋和螺栓等組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用圓環(huán)形人造巖心模擬井下滲透性地層，由上端蓋內(nèi)筒將配制好的水泥漿灌入巖心內(nèi)筒中，從而模擬形成固井二界面，并且在上端蓋內(nèi)筒中預(yù)留一段水泥漿，目的是在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中隨著水泥漿向巖心中失水導(dǎo)致巖心內(nèi)漿柱高度下降時(shí)這部分水泥漿可以補(bǔ)充到巖心中去，從而保證巖心內(nèi)的水泥漿自始至終處于充滿狀態(tài)。下端蓋中心有一深為5 mm的凹槽，凹槽中心開有下打壓孔，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)，凹槽內(nèi)放置一個(gè)鋼制墊片，目的是防止水泥漿流入下打壓孔將其堵塞，養(yǎng)護(hù)完成后，取出鋼制墊片，將平流泵與下打壓孔連通來(lái)測(cè)試固井二界面的水力膠結(jié)強(qiáng)度。在釜體下部設(shè)置進(jìn)水口，而在上部對(duì)面設(shè)置出水口，以便使得擾動(dòng)模擬過(guò)程中模擬流動(dòng)水可以流過(guò)二界面形成擾動(dòng)。

圖1 環(huán)空擾動(dòng)條件下固井二界面膠結(jié)性能評(píng)價(jià)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

養(yǎng)護(hù)釜封蓋與圓環(huán)形巖心端面之間設(shè)有圓環(huán)形密封板，其大小與圓環(huán)形巖心端面尺寸匹配，這樣上緊上、下封蓋后通過(guò)螺栓提供的巨大連接力可以將密封板緊緊地壓在巖心端面上，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖心端面的密封。

（2）壓力系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地層水流動(dòng)狀態(tài)的模擬，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要在圓環(huán)形模擬巖心內(nèi)形成定向流動(dòng)，以多排井中產(chǎn)液井周圍的滲流情況為模型，使用圓環(huán)形巖心來(lái)模擬井下滲透性地層，通過(guò)平流泵驅(qū)動(dòng)水由進(jìn)水口進(jìn)入巖心，流經(jīng)巖心后由出水口流出，裝置出水口與回壓裝置連通，只有當(dāng)巖心中水壓大于回壓才會(huì)有水流出，模擬的地層孔隙壓力值與回壓值相等。

在養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)壁與圓環(huán)形巖心之間設(shè)計(jì)了環(huán)壓膠套，通過(guò)手搖泵對(duì)環(huán)壓膠套加壓來(lái)實(shí)現(xiàn)圓環(huán)形巖心與膠套之間的密封，保證由進(jìn)水口流入的水不從膠套與巖心之間的縫隙流走，只能經(jīng)巖心由出水口流出，進(jìn)而保證了上述定向流動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。

對(duì)上部漿柱壓力的模擬則通過(guò)氣瓶推水裝置對(duì)柱塞加壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用柱塞可以保證壓力傳遞的較為徹底，使用氮?dú)馄客ㄟ^(guò)中間容器對(duì)水加壓的好處是可以保持壓力恒定，壓力的控制是通過(guò)調(diào)壓閥來(lái)完成的?；貕貉b置回壓值的大小是通過(guò)與之連通的手搖泵來(lái)控制的。各壓力數(shù)值均可由對(duì)應(yīng)的精密壓力表直接讀出。

（3）評(píng)價(jià)裝置。目前評(píng)價(jià)固井二界面膠結(jié)性能未見(jiàn)有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)，通常采用壓出法測(cè)試剪切膠結(jié)強(qiáng)度，但為了更好地表征二界面的水力封隔能力，還需要測(cè)試其水力膠結(jié)強(qiáng)度。但由于巖心的滲透性使得水力膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試較為困難，更多的是自行設(shè)計(jì)儀器和方法進(jìn)行測(cè)試。

本裝置以界面抗水壓滲透能力為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)固井二界面施加水壓來(lái)評(píng)價(jià)其水力膠結(jié)強(qiáng)度。將平流泵與養(yǎng)護(hù)釜下端打壓孔連通后，由于圓環(huán)形巖心的下端面已經(jīng)被密封板完全密封且水泥石滲透率極低，所以由平流泵經(jīng)下打壓孔施加的水壓只可能從固井二界面處形成突破，測(cè)試過(guò)程中具體表現(xiàn)為壓力持續(xù)上升的過(guò)程中突然下降，這時(shí)表明固井二界面的膠結(jié)已被水突破，記錄此時(shí)平流泵的壓力為固井二界面的水力膠結(jié)強(qiáng)度。

（4）加熱控溫系統(tǒng)。在養(yǎng)護(hù)釜側(cè)壁凹槽內(nèi)均勻填充加熱絲和石棉，并與由探頭、溫度感應(yīng)器、控制器等組成的加熱控溫系統(tǒng)連接，實(shí)驗(yàn)時(shí)控制器可根據(jù)預(yù)設(shè)溫度，對(duì)養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，從而保證釜內(nèi)部溫度恒定，以此來(lái)模擬井下地層溫度。

（5）儀器參數(shù)的確定。綜合標(biāo)準(zhǔn)巖心的高徑比要求和現(xiàn)場(chǎng)水泥環(huán)厚度情況，選定圓環(huán)形巖心外徑為120 mm，高為240 mm，內(nèi)徑為30 mm；同時(shí)考慮到使用相對(duì)壓差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以確定裝置最高工作壓力為20 MPa；考慮不同區(qū)域地溫梯度的不同以及不同井深下溫度的差異，將裝置的最高實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)計(jì)為200℃。

加工成型的環(huán)空擾動(dòng)條件下固井二界面膠結(jié)性能評(píng)價(jià)裝置如圖2所示。

圖2 環(huán)空擾動(dòng)條件下固井二界面膠結(jié)性能評(píng)價(jià)裝置實(shí)物圖

3 圓環(huán)形模擬巖心的制備

環(huán)空擾動(dòng)條件下固井二界面膠結(jié)性能評(píng)價(jià)裝置實(shí)驗(yàn)裝置完成后，就需要制作實(shí)驗(yàn)所需要的巖心，如何模擬地層孔滲特性是巖心制作的關(guān)鍵。為此進(jìn)行了環(huán)形巖心制備裝置的設(shè)計(jì)和巖心的制備。

由于天然巖心獲取成本高且尺寸較小、規(guī)格單一，因此使用人造巖心來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但目前常規(guī)的人造巖心多為圓柱狀且尺寸較小，且未見(jiàn)有現(xiàn)成的、尺寸適宜的圓環(huán)形巖心制備裝置。為了實(shí)驗(yàn)研究的順利開展，作為環(huán)空擾動(dòng)條件下固井二界面膠結(jié)性能評(píng)價(jià)裝置的配套裝置，又設(shè)計(jì)了圓環(huán)形巖心制備裝置。該裝置由巖心模具和壓制裝置兩部分組成，使用該裝置可以制作滿足實(shí)驗(yàn)要求的圓環(huán)形模擬巖心。

（1）巖心模具。由兩個(gè)弓形對(duì)開半模、模具底座、組合式中心軸、緊固螺栓及固定擋板等組成，如圖3所示。兩個(gè)弓形對(duì)開半模為鏡像對(duì)稱，大小形狀完全相同，目的是保證制備的巖心外形為規(guī)則的圓柱狀，同時(shí)減輕模具重量、方便搬運(yùn)及操作。制備巖心時(shí)，兩個(gè)對(duì)開半模通過(guò)6條均布的緊固螺栓拉緊閉合，這樣的設(shè)計(jì)一方面是為了保證給砂料加壓時(shí)緊固螺栓能提供足夠的閉合力；另一方面是為了組裝拆卸方便。

中心軸是一空心軸，作用是形成圓環(huán)形模擬巖心內(nèi)筒，空心軸的目的在于可以通過(guò)下端孔插在模具底座的居中軸上實(shí)現(xiàn)居中、固定，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以根據(jù)具體需要選擇不同外徑的中心軸，中心軸的外徑?jīng)Q定了圓環(huán)形模擬巖心的內(nèi)徑。模具底座是一邊長(zhǎng)為150 mm、厚度為15 mm的正方形平板，四周有固定擋板，其中兩個(gè)平行擋板及巖心對(duì)開半模的對(duì)應(yīng)位置分別開有連接孔，目的是通過(guò)螺釘將對(duì)開半模與底座連接。底座中心有居中軸，直徑與中心軸下端孔內(nèi)徑相等。

（2）壓制裝置。主要作用是對(duì)砂料加壓，從而模擬實(shí)際地層巖石形成時(shí)的壓實(shí)作用使砂料之間通過(guò)外表黏附的膠結(jié)劑相互連接，形成一定的空間形狀和孔隙結(jié)構(gòu)，主要由底座、升降平臺(tái)、加壓平臺(tái)、巖心壓塊、手壓泵等模塊組成（見(jiàn)圖4）。

圖3 圓環(huán)形巖心模具

圖4 圓環(huán)形巖心壓制裝置

底座起支撐固定作用，是整個(gè)壓制裝置的基礎(chǔ)；升降平臺(tái)通過(guò)滑套以4根立軸作為導(dǎo)軌上下移動(dòng)，滑套既降低了升降平臺(tái)移動(dòng)時(shí)的摩擦力，同時(shí)也保證了升降平臺(tái)移動(dòng)時(shí)能不發(fā)生傾斜；加壓平臺(tái)位于壓制裝置最上端，中心開孔，孔直徑稍大于巖心模具中心軸外徑；巖心壓塊為圓環(huán)形柱狀，外徑120 mm，內(nèi)徑略大于巖心模具中心軸外徑0．5～1 mm，配有不同高度的巖心壓塊，可根據(jù)實(shí)際需要靈活搭配從而制作不同長(zhǎng)度的模擬巖心。手壓泵放置于底座中心，可施加的最大壓力為100 MPa。

除手壓泵外，上述各模塊均采用40CrMnV制作，表面精車、拋光后進(jìn)行淬火熱處理，處理后的材料硬度極高、表面光滑且耐磨。裝置整體具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、操作簡(jiǎn)便、拆卸脫模方便、巖心高度內(nèi)徑可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，使用該裝置可制備直徑120 mm，長(zhǎng)度260～280 mm，內(nèi)徑30 mm的圓環(huán)形模擬巖心，很好地滿足了實(shí)驗(yàn)需求。

（3）圓環(huán)形模擬巖心的制備方法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖樣的粒徑分析結(jié)果，按粒徑比例將過(guò)篩分選后的河砂均勻混拌配成基準(zhǔn)砂作為人造巖心的骨架材料，這個(gè)過(guò)程主要遵循粒徑的相似性原則。將作為黏結(jié)劑的環(huán)氧樹脂及固化劑在混拌容器內(nèi)攪拌均勻后倒入基準(zhǔn)砂，快速研搓后過(guò)篩［14］，解離聚團(tuán)的砂料，提高混拌的均勻度，保證環(huán)氧樹脂均勻粘附在河砂顆粒表面，避免出現(xiàn)“膠心”。通過(guò)調(diào)整分次裝填、分次加壓的填砂方式，目的是保證壓實(shí)的均勻性。每次填砂后快速加壓至所需壓力后泄壓，然后將壓實(shí)后的砂料表面用針狀物均勻劃毛，目的是使前后裝填的砂料充分接觸，避免因出現(xiàn)明顯的分割面降低人造巖心強(qiáng)度［15］，最后一次填砂后，在所需壓力下持續(xù)加壓適當(dāng)時(shí)間后泄壓，常溫下帶模放置24 h后脫模，脫模后的巖心放入烘箱（50～60℃）烘干24 h后備用。

4 實(shí)驗(yàn)步驟及評(píng)價(jià)方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)原理，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探索、分析和總結(jié)，確定了如下的實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）模擬巖心飽和水處理。使用全直徑巖心切割機(jī)將制備的圓環(huán)形模擬巖心切為240 mm長(zhǎng)后放入相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)介質(zhì)中，使用真空飽和裝置進(jìn)行飽和水處理至少4 h。

（2）裝好實(shí)驗(yàn)儀器。在下打壓孔上端的鋼制墊片均勻涂抹凡士林后，將養(yǎng)護(hù)釜下封頭裝好，放入下圓環(huán)形密封板后將飽和水處理后的模擬巖心放入養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)，放入上圓環(huán)形密封板，緊接著裝好上封頭，然后將配制好的現(xiàn)場(chǎng)水泥漿通過(guò)漏斗由上封頭內(nèi)筒灌注進(jìn)圓環(huán)形巖心內(nèi)筒至要求高度后，用細(xì)銅絲順時(shí)針輕輕攪拌20次，目的是為了消除水泥漿中的氣泡，然后調(diào)整好柱塞位置，裝好密封蓋。

（3）調(diào)整壓力，開始實(shí)驗(yàn)。按要求連接并打開相關(guān)管線流程，打開加熱控溫系統(tǒng)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，加適當(dāng)環(huán)壓和回壓，接著打開平流泵（參數(shù)提前設(shè)定），當(dāng)出水口有水流出時(shí)，在回壓作用下模擬巖心內(nèi)的孔隙壓力值等于回壓值，此時(shí)動(dòng)態(tài)養(yǎng)護(hù)開始，在這個(gè)過(guò)程中要根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要不斷調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，使得調(diào)壓閥壓力與平流泵壓力的差值始終等于模擬環(huán)空壓差。通過(guò)圓環(huán)形模擬巖心的水的流量是用量筒定時(shí)測(cè)量出水口處的水量來(lái)計(jì)算。

（4）動(dòng)態(tài)控制水泥漿上部漿柱壓力。液態(tài)時(shí)，井下水泥微單元受縱向上部水泥漿柱壓力和徑向地層孔隙壓力的同時(shí)作用，但水泥漿在井下會(huì)不斷凝結(jié)硬化，隨著上部水泥漿的膠凝失重，水泥微單元受到的上部漿柱壓力會(huì)逐漸減小，其變化規(guī)律由膠凝強(qiáng)度決定。本次實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)水泥漿在相應(yīng)溫度、壓力下的靜膠凝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由下式近似計(jì)算水泥漿的膠凝失重值［16］：

式中：Δp為由膠凝引起的漿柱壓力損失，MPa；SGS為靜膠凝強(qiáng)度，Pa；L為注水泥長(zhǎng)度，m；D為水泥柱直徑，m。

（5）固井二界面膠結(jié)性能評(píng)價(jià)。養(yǎng)護(hù)完成后，將各加壓管路關(guān)閉，待裝置冷卻至室溫后測(cè)試固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度。

①使用壓出法測(cè)試剪切膠結(jié)強(qiáng)度。將養(yǎng)護(hù)后的封固系統(tǒng)從釜內(nèi)取出，放置在一個(gè)尺寸與巖心內(nèi)外徑相同的圓環(huán)形墊塊上，水泥柱上對(duì)齊放置一個(gè)與巖心內(nèi)徑相等的壓柱，使用多功能壓力測(cè)試機(jī)對(duì)壓柱加壓，把界面膠結(jié)破壞時(shí)的壓力F記為固井二界面的失效壓力，通過(guò)下式計(jì)算得到固井二界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度［17］：

式中：G為剪切膠結(jié)強(qiáng)度，MPa；F為固井二界面失效壓力，N；D為巖心內(nèi)徑，mm；H為水泥與模擬巖心的膠結(jié)長(zhǎng)度，mm。

② 對(duì)固井二界面打壓測(cè)試水力膠結(jié)強(qiáng)度。裝置自然冷卻至室溫后卸下密封蓋，取出柱塞，放入上圓環(huán)形密封板后裝好上封頭，然后取出下打壓孔上端鋼制墊片，放入下環(huán)形密封板并裝好下封頭，然后將平流泵輸出管線與下打壓孔連通，加上環(huán)壓后打開平流泵對(duì)固井二界面施加水壓，在壓力持續(xù)上升的過(guò)程中突然下降時(shí)，表明固井二界面的膠結(jié)已被水突破，此時(shí)平流泵的壓力即為固井二界面的水力膠結(jié)強(qiáng)度。

5 評(píng)價(jià)裝置功能及應(yīng)用性

使用該實(shí)驗(yàn)裝置可以研究不同地層物性和溫度，不同擾動(dòng)程度下，不同地層水對(duì)固井二界面膠結(jié)性能的影響，并且可以測(cè)試固井二界面水力膠結(jié)強(qiáng)度，結(jié)合剪切膠結(jié)強(qiáng)度可以更全面地反映二界面的膠結(jié)性能。通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)可以得到不同地層條件下地層水?dāng)_動(dòng)對(duì)固井二界面膠結(jié)性能產(chǎn)生不利影響的臨界流量，可以通過(guò)下式將通過(guò)巖心的流量轉(zhuǎn)化為地層水在巖心內(nèi)的流速［18］：

式中：v為流速，mm／h；Q 為流量，mL／h；D 為圓環(huán)形巖心外徑，cm；H為圓環(huán)形巖心長(zhǎng)度，cm；φ為圓環(huán)形巖心孔隙度，%。

由式（3）可以得到不同地層條件下地層水?dāng)_動(dòng)對(duì)固井二界面膠結(jié)性能產(chǎn)生不利影響的臨界流速，可為現(xiàn)場(chǎng)固井時(shí)周圍注采井的關(guān)井范圍預(yù)測(cè)提供參考，即若固井時(shí)地層水流速超過(guò)該臨界值時(shí)就要對(duì)周邊注采井采取停注、停采等措施，將地層水流速降至該臨界值以下，從而為該地區(qū)調(diào)整井固井質(zhì)量的改善奠定基礎(chǔ)。

為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置的功能并探究擾動(dòng)是否會(huì)對(duì)固井二界面的膠結(jié)性能產(chǎn)生影響，筆者在相同的實(shí)驗(yàn)條件下使用蒸餾水分別在不同的進(jìn)出水口流量下進(jìn)行了室內(nèi)探索實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)條件如下：實(shí)驗(yàn)巖心采用實(shí)驗(yàn)室制作的長(zhǎng)240 mm、直徑120 mm的圓環(huán)形砂巖模擬巖心，其滲透率為300～400 mD，孔隙度15%左右；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件，選取水泥漿漿柱壓力與地層孔隙壓力的差值（即模擬環(huán)空壓差）為3 MPa；養(yǎng)護(hù)溫度為90℃；養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24 h；養(yǎng)護(hù)介質(zhì)為蒸餾水；回壓為0．2 MPa。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變裝置進(jìn)出水口流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同擾動(dòng)程度的模擬。

圖5和圖6分別是在上述實(shí)驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)后的固井二界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度和水力膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。由圖5和圖6可以看出，使用蒸餾水作為養(yǎng)護(hù)介質(zhì)，當(dāng)流量在0～30 mL／h時(shí)，對(duì)固井二界面的膠結(jié)強(qiáng)度基本不產(chǎn)生影響；當(dāng)流量在30～60 mL／h之間時(shí)，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度急劇下降，這是因?yàn)閿_動(dòng)對(duì)固井二界面的膠結(jié)產(chǎn)生了干擾和破壞，惡化了固井二界面的膠結(jié)性能；當(dāng)流量大于60 mL／h時(shí)，由于此時(shí)水泥與模擬巖心內(nèi)壁之間的膠結(jié)已經(jīng)很差，所以繼續(xù)增大流量，固井二界面的膠結(jié)強(qiáng)度變化很小，說(shuō)明其基本已達(dá)下限。

圖5 固井二界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖6 固井二界面水力膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)裝置能夠模擬擾動(dòng)對(duì)固井二界面膠結(jié)性能的影響，而且證明所提出的固井二界面水力膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試方法是可行的。根據(jù)式（3）可以進(jìn)一步求得該地層條件下地層水?dāng)_動(dòng)對(duì)固井二界面膠結(jié)性能產(chǎn)生不利影響的臨界流速：

即，若固井時(shí)地層水的流速超過(guò)6．94 mm／h，就會(huì)對(duì)該井固井二界面的膠結(jié)產(chǎn)生不利影響，這時(shí)就需要對(duì)周邊注采井采取一定的關(guān)停措施，將地層水流速降至臨界值以下，進(jìn)而使固井質(zhì)量有所提高。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)老油區(qū)地層壓力和油水分布復(fù)雜，調(diào)整井固井候凝過(guò)程中地層水仍處于流動(dòng)狀態(tài)對(duì)固井二界面的擾動(dòng)行為，設(shè)計(jì)并制造了一套擾動(dòng)條件下固井二界面膠結(jié)性能評(píng)價(jià)裝置，圓環(huán)形巖心制備裝置以滿足對(duì)固井二界面擾動(dòng)的地層模擬巖心的制作，探討了模擬不同地層孔滲特性的環(huán)形巖心的制作方法。該套實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)不同孔滲特性地層、井壁泥餅是否存在、井下水泥漿是否受壓差影響、不同井下溫度及地層水流動(dòng)狀態(tài)等對(duì)二界面膠結(jié)影響的模擬，較好地還原了水泥漿體系在井下候凝狀態(tài)受到流動(dòng)地層水沖刷和侵蝕的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)了對(duì)固井二界面水力膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試，豐富了固井質(zhì)量的評(píng)價(jià)手段。