水泥環(huán)徑向膨脹收縮實(shí)驗(yàn)研究

王福云 ，張華禮 ，鄭友志 ，宋文豪，何雨，黃娟

（1.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院，成都 610017；2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心采氣工程技術(shù)研究所，成都 610000；3.中國石油西南油氣田分公司開發(fā)事業(yè)部，成都 610011；4.四川科宏石油天然氣工程有限公司，成都 610051）

0 引言

油氣井固井注水泥作業(yè)的主要目的是對(duì)套管外環(huán)形空間進(jìn)行有效封隔，防止油氣井鉆井、增產(chǎn)作業(yè)和生產(chǎn)過程中的地層流體竄流，水泥漿固化過程中及凝固后水泥環(huán)徑向的膨脹和收縮控制對(duì)保障固井質(zhì)量極為重要。水泥環(huán)體積膨脹嚴(yán)重時(shí)將擠壓套管，引發(fā)水泥石開裂，強(qiáng)度衰減從而影響安全生產(chǎn)；水泥環(huán)體積收縮會(huì)使界面膠結(jié)質(zhì)量出現(xiàn)問題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)形成微間隙，給油、氣、水竄提供通道。如不想辦法解決水泥環(huán)體積收縮問題，采取再多的工藝措施都是無用的[1-17]。

針對(duì)水泥石軸向膨脹收縮評(píng)價(jià)方面，姚曉[18-19]對(duì)水泥塊測(cè)長法、水泥條測(cè)長法、量筒法、水泥柱測(cè)長法等水泥膨脹測(cè)試方法開展了研究，王偉也對(duì)高溫膨脹水泥漿膨脹率評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了優(yōu)選研究。目前，國內(nèi)用于測(cè)量油井水泥膨脹的方法有量筒液面法、水泥塊體積變化法、棒狀法等，但用得最多的是棒狀的比長儀法；而針對(duì)水泥環(huán)徑向膨脹收縮評(píng)價(jià)方面，用的最多的是最近發(fā)展起來的環(huán)狀膨脹法，但該方法只能在低于100 ℃的常壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無法模擬井下高溫高壓下進(jìn)行測(cè)試。現(xiàn)有的評(píng)價(jià)方法都無法真實(shí)地反映井下實(shí)際工況，需要研究一種在井下高溫高壓下測(cè)試水泥環(huán)徑向膨脹收縮的裝置及方法。該裝置需要限制水泥環(huán)的軸向形變，且水泥環(huán)整體處于高溫高壓條件下，因此，對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行改造升級(jí)，將高溫高壓釜體內(nèi)增加一個(gè)自主設(shè)計(jì)制造的膨脹收縮環(huán)，其上下端面固定，內(nèi)部水泥環(huán)的膨脹收縮直接通過徑向的橡膠套的形變傳遞給液體，再由液體傳遞給活塞及高精度傳感器以讀取水泥環(huán)的徑向體積變化量。

通過自主設(shè)計(jì)制造膨脹收縮環(huán)，升級(jí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使測(cè)試儀不僅具備了傳統(tǒng)方法測(cè)試水泥石軸向膨脹收縮的能力，而且具備了水泥環(huán)徑向膨脹收縮的測(cè)試能力。應(yīng)用該裝置和評(píng)價(jià)方法，對(duì)川渝地區(qū)在用水泥漿體系（韌性防竄、柔性自應(yīng)力）的膨脹收縮特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出了水泥漿體系的體積變化特性[20]。同時(shí)，在不同溫度壓力下水泥漿的膨脹收縮臨界點(diǎn)測(cè)試，對(duì)不同井段的水泥漿設(shè)計(jì)時(shí)的體系選用提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為水泥石改性研究和特種水泥漿體系評(píng)價(jià)提供了一個(gè)統(tǒng)一的對(duì)比平臺(tái)，為保障川渝氣田氣井固井質(zhì)量提供了參考。

1 測(cè)試儀改造升級(jí)

為了更好地模擬固井水泥環(huán)在井下進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)制造了徑向收縮膨脹環(huán)，它包括模擬的第1 層套管和模擬的第2 層套管，第1 層套管為彈性材料套管，第2 層套管為鋼質(zhì)套管，第1 層套管和第2層套管之間的環(huán)空用于盛放固井水泥樣品；在頂部和底部分別設(shè)有上蓋和下蓋，上下蓋之間可以用螺絲進(jìn)行固定以保證水泥樣品不能在軸向上發(fā)生體積變化。整套測(cè)試儀是利用水泥石膨脹收縮引起傳輸介質(zhì)的變化，而釜體內(nèi)活塞帶動(dòng)位移傳感器的移動(dòng)來測(cè)量介質(zhì)的收縮膨脹量，位移傳感器采用國際領(lǐng)先的LVDT 傳感技術(shù)，這樣整個(gè)系統(tǒng)全部封閉在高溫高壓環(huán)境下，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。膨脹收縮環(huán)裝置及改造后的水泥收縮膨脹儀見圖1 及圖2。

圖1 徑向收縮膨脹環(huán)實(shí)物圖

圖2 改造后的水泥收縮膨脹儀

2 不同水泥漿體系評(píng)價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)配方

3 種水泥漿分別取樣于：①柔性自應(yīng)力水泥漿體系（1#配方）：取自ST12 井φ139.7 mm 套管現(xiàn)場(chǎng)大樣灰及大樣水。②韌性防竄水泥漿體系（2#配方）：取自N209H20-4 井φ139.7 mm 套管現(xiàn)場(chǎng)大樣灰及大樣水。③純水泥漿體系（3#配方）：取自嘉華G級(jí)水泥+水。

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1 同一樣品進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)采用1#配方柔性自應(yīng)力水泥漿體系，水泥漿密度為2.20 g/cm3。按照水泥漿相同的配方進(jìn)行配漿，分別記為1-1#、1-2#、1-3#，然后裝入設(shè)備，在120 ℃、21 MPa 下，進(jìn)行體積穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，測(cè)試水泥漿的體積變化量，結(jié)果見圖3～圖5。從這3 個(gè)圖中可以看出，對(duì)同一個(gè)樣品在同一個(gè)條件下，最大誤差為0.46%，重復(fù)性較好。

圖3 在120 ℃、21 MPa、2 d 下1-1#實(shí)驗(yàn)漿的體積穩(wěn)定性曲線

圖4 在120 ℃、21 MPa、2 d 下1-2#實(shí)驗(yàn)漿的體積穩(wěn)定性曲線

圖5 在120 ℃、21 MPa、2 d 下1-3#實(shí)驗(yàn)漿的體積穩(wěn)定性曲線

2.2.2 水泥漿體積變化量對(duì)比

1）在相同壓力不同溫度下，對(duì)3 種水泥漿體系進(jìn)行體積變化量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，水泥漿密度均為2.20 g/cm3，實(shí)驗(yàn)壓力為20 MPa，分別在95 ℃、120 ℃、150 ℃下養(yǎng)護(hù)48 h，分別統(tǒng)計(jì)3 種不同的水泥漿體系從裝入設(shè)備開始至實(shí)驗(yàn)結(jié)束的體積變化，記為ηV，隨著不同溫度的變化，體積變化情況見表1。由表1 可知，隨著溫度升高，純水泥體積變化呈現(xiàn)逐漸減小的過程，柔性自應(yīng)力和韌性防竄水泥在不同的溫度規(guī)律性不強(qiáng)；從體積穩(wěn)定性變化的絕對(duì)值來看，柔性自應(yīng)力水泥與韌性防竄水泥都較純水泥小，說明2 種水泥漿體系的體積穩(wěn)定性優(yōu)于純水泥。

表1 不同溫度下的不同水泥漿體系體積變化量

2）在相同溫度不同壓力下，對(duì)2 種水泥漿體系進(jìn)行體積變化量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度為95 ℃，在壓力分別為10 MPa、21 MPa、40 MPa下養(yǎng)護(hù)48 h，分別統(tǒng)計(jì)2 種不同的水泥漿體系從裝入設(shè)備開始至實(shí)驗(yàn)結(jié)束的體積變化，記為ηV，隨著不同壓力下，體積的變化見表2。由表2 可知，隨著壓力的增加，柔性自應(yīng)力水泥漿體系由收縮變?yōu)榕蛎?，韌性防竄體系均為收縮，但收縮量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；從體積穩(wěn)定性變化的絕對(duì)值來看，韌性防竄體系高于柔性自應(yīng)力體系。

表2 不同壓力下的不同水泥漿體系體積變化量

2.3 不同水泥漿體系臨界溫度點(diǎn)測(cè)試

固井工程對(duì)特種水泥體系體積膨脹收縮的要求為在井下高溫高壓下出現(xiàn)微膨脹特性，更加有利于固井后期防氣竄，避免環(huán)空帶壓。特種水泥體系在哪種溫度壓力下可發(fā)生微膨脹，對(duì)于不同井段水泥漿設(shè)計(jì)時(shí)體系的選用具有非常重要的意義。因此，非常有必要對(duì)特種水泥體系進(jìn)行膨脹收縮臨界點(diǎn)測(cè)試。通過增加溫度測(cè)試點(diǎn)（160 ℃、170 ℃、180 ℃），利用數(shù)值擬合回歸，找出不同水泥漿體系的臨界溫度點(diǎn)，如圖6～圖8 所示。

圖6 密度為2.20 g/cm3 韌性防竄水泥漿在不同溫度下體積變化量曲線

圖7 密度為2.20 g/cm3 柔性自應(yīng)力水泥漿在不同溫度下體積變化量曲線

圖8 密度為1.90 g/cm3 柔性自應(yīng)力水泥漿在不同溫度下體積變化量曲線

由圖6～圖8 可以得出，密度為2.20 g/cm3的韌性防竄水泥漿體積變化量為0 的溫度點(diǎn)為157℃；密度為2.20 g/cm3的柔性自應(yīng)力水泥漿體積變化為0 的溫度點(diǎn)約為130 ℃（因與坐標(biāo)軸有2 個(gè)交點(diǎn)，取2 交點(diǎn)的平均值）；密度為1.90 g/cm3的柔性自應(yīng)力水泥漿體積變化為0 的溫度點(diǎn)為160 ℃；從實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)來看，不同水泥漿體系在井下工況下超過一定溫度后才開始發(fā)生微膨脹，因此，不同的水泥漿體系適宜于不同的井段；同一種水泥漿體系隨著密度的升高，其膨脹收縮臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度降低。

3 結(jié)論與建議

1.針對(duì)現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法無法模擬水泥環(huán)在高溫高壓條件下的徑向體積變化，在分析固井水泥石軸向體積穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)制造具有徑向膨脹收縮測(cè)試功能的儀器，形成一套固井水泥環(huán)徑向膨脹收縮測(cè)試裝置和評(píng)價(jià)方法，為特種水泥漿體系在不同井段的選用提供了技術(shù)支撐。

2.對(duì)韌性防竄水泥漿體系及柔性自應(yīng)力水泥漿體系的膨脹收縮臨界點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)支撐水泥漿設(shè)計(jì)提供支撐數(shù)據(jù)，有利于固井后期防氣竄，避免環(huán)空帶壓。

3.開展高溫高壓條件下水泥環(huán)徑向膨脹收縮特性測(cè)試，建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為真實(shí)客觀的反映水泥環(huán)在井下的實(shí)際狀況提供技術(shù)支撐。