高溫高壓固井第一界面徑向膠結(jié)強度試驗研究*

黃 鵬 李 楊 李 東 范華冰 劉 冬

(1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院 2.長慶油田分公司第二采油廠工藝研究所3.渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司 4.渤海鉆探工程有限公司第四鉆井分公司)

0 引 言

高溫高壓環(huán)境對固井質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求，固井后形成的套管-水泥環(huán)-地層組合體在高溫高壓狀態(tài)下受到復(fù)雜的溫壓應(yīng)力變化[1]，易形成微環(huán)隙而造成水泥環(huán)密封失效[2-7]，地層流體侵入微環(huán)隙向上運移，導(dǎo)致產(chǎn)生環(huán)空帶壓，這對井的壽命、質(zhì)量及工作人員的人身安全都產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅[8-15]。水泥環(huán)界面膠結(jié)強度是保證油氣井密封完整性的重要因素[16-17]。影響井筒完整性的因素很多，例如水泥在水化過程中產(chǎn)生的大量熱、井下作業(yè)引起井下應(yīng)力的改變、巖石的蠕變，地下高壓流體也會破壞水泥環(huán)的膠結(jié)面[18-20]。水泥環(huán)以及套管的收縮，外來力的改變都會在一定程度上導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效，通過試驗發(fā)現(xiàn)，循環(huán)加載和卸載套管壓力、圍壓都會導(dǎo)致水泥環(huán)密封失效[21]。

國內(nèi)外學(xué)者建立了多種水泥環(huán)力學(xué)模型和有限元數(shù)值模型。許紅林等[22]基于厚壁圓筒理論建立了水泥環(huán)力學(xué)模型，計算了套管和水泥環(huán)的應(yīng)力及應(yīng)變，并分析了壓力和溫度共同作用下整個井筒的應(yīng)力狀況。楊燕等[23]應(yīng)用厚壁圓筒理論建立了套管-水泥環(huán)-地層力學(xué)模型，在套管內(nèi)壓變化下推導(dǎo)了套管-水泥環(huán)和水泥環(huán)套管之間的應(yīng)力理論解。G.W.EVANS等[24]開展了套管-水泥環(huán)的機械剪切強度研究。J.C.STORMONT等[16]研究了氣體在不同應(yīng)力條件下微環(huán)隙的流動規(guī)律，分析了微環(huán)隙的滲透率、水力孔徑與應(yīng)力之間的變化關(guān)系。K.J.GOODWIN等[25]通過對套管壓力的反復(fù)加載和卸載，研究了水泥環(huán)的滲透率變化規(guī)律，以及界面膠結(jié)強度隨套管應(yīng)力變化之間的關(guān)系。S.P.GOMEZ等[26]通過試驗與理論模型、數(shù)值模型相結(jié)合的方法，開展了界面微環(huán)隙滲透率和水力孔徑隨套壓、圍壓的變化規(guī)律，得出水力孔徑在判斷水泥環(huán)密封完整性方面有重要意義。

雖然前人在有關(guān)固井水泥環(huán)第一界面的徑向膠結(jié)強度研究方面開展了大量工作，但是有很多考慮不周的地方，比如前人是建立在等效縮小模型上進(jìn)行的研究，溫度和壓力較低，不滿足南海某油田的要求。鑒于此，本文基于全尺寸高溫高壓水泥環(huán)密封完整性評價裝置，運用氣竄方法開展測量高溫高壓固井第一界面徑向膠結(jié)強度的試驗研究，主要分析圍壓變化和套管內(nèi)壓力變化對高溫高壓固井第一界面徑向膠結(jié)強度的影響規(guī)律。

1 試驗研究

1.1 試驗原理和裝置

為了模擬井下的高溫高壓環(huán)境，長江大學(xué)研制了一套可以模擬測試水泥環(huán)界面徑向膠結(jié)強度的裝置。該裝置的溫度可控制在-20～220 ℃,圍壓可控制在0～70 MPa,環(huán)空壓力可控制在0～20 MPa，套管壓力可控制在0～50 MPa，地層流體可以是流體或者氣體。該裝置由溫度控制系統(tǒng)、圍壓控制系統(tǒng)、套管壓力控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)實時檢測系統(tǒng)等組成。

圖1是高溫高壓水泥環(huán)密封完整性評價裝置示意圖。試驗中涉及2個膠界面：套管-水泥環(huán)第一膠界面和水泥環(huán)-模擬地層第二膠界面。套管和水泥環(huán)材料性質(zhì)差別大，水泥環(huán)和模擬地層材料性質(zhì)差別小，所以套管-水泥環(huán)第一膠界面膠結(jié)強度比水泥環(huán)-模擬地層第二膠界面膠結(jié)強度小。在試驗裝置底部用氣體增壓泵注入氮氣來突破套管-水泥環(huán)界面，瞬間突破套管-水泥環(huán)界面的壓力就是套管-水泥環(huán)界面的膠結(jié)強度，即當(dāng)上部壓力表數(shù)值突然變大時，讀裝置下部壓力表讀數(shù)，該值即為第一界面竄流壓力，即第一界面徑向膠結(jié)強度。

1—流量計；2—上法蘭；3—橡膠套；4—加壓泵；5—氣體加壓泵；6—加熱棒；7—溫度傳感器；8—底座；9—水泥環(huán)；10—套管；11—手搖泵；12—壓力表。

1.2 試驗材料

高壓釜體及配套裝置采用42GrMo材質(zhì)，配套裝置包括耐高溫高壓氟橡膠密封膠套、耐高溫高壓氟橡膠密封圈、加熱棒、手搖泵、氣體增壓泵、試壓泵、儲氣罐、混凝土攪拌機、小型振動棒及溫度檢測儀。制作模擬地層時內(nèi)襯管采用規(guī)格P110鋼管，直徑230 mm；套管采用外徑17.78 mm，厚度9.19 mm；模擬地層外徑400 mm，高度1 100 mm。試驗所用材料包括沙子、水泥和石子等。試驗還選用南海西部某油田抗高溫固井水泥漿體系為試驗材料，密度2.35 g/cm3。其配方組成如表1所示。

表1 試驗用水泥漿配方Table 1 Formula of cement slurry for test

1.3 試驗步驟

(1)在做好的模具內(nèi)制備規(guī)格(內(nèi)外直徑和高度)相匹配的地層，按要求在合適的溫度和壓力下養(yǎng)護3～5 d，養(yǎng)護好地層以后，把地層放入該裝置中并在地層外套上橡膠套，在最外面套上斧體，加上上蓋，保證密封性。

(2)測試圍壓系統(tǒng)，如果下端沒有液體流出，或者卸下圍壓打開上蓋后沒有液體流出，即證明整個圍壓系統(tǒng)密封良好。

(3)將套管放入中間環(huán)空，將按照一定比例配置好的固井水泥漿倒入套管和地層的環(huán)形空間，在水泥漿上端加一部分水。

(4)套管內(nèi)加入導(dǎo)熱油，套管-地層剩余的上部空間加滿水，裝上法蘭。

(5)用手搖泵先施加環(huán)空壓力，防止水泥在高溫下沸騰，按照試驗要求加圍壓、套壓，給加熱棒通電加熱整個裝置，直到試驗設(shè)定溫度，溫度的升高會使環(huán)空中水變?yōu)檎羝?，這會導(dǎo)致環(huán)空壓力在加熱過程中上升，這時要用手搖泵緩慢泄壓，直至達(dá)到設(shè)定溫度且穩(wěn)定不變，環(huán)空壓力達(dá)到穩(wěn)定值。

(6)按要求保持一定的圍壓、套壓和溫度，養(yǎng)護至試驗要求的天數(shù)。養(yǎng)護好之后，應(yīng)用氣體增壓泵打開閥門通入氮氣，當(dāng)上部壓力表突然變大時記下裝置下部壓力表的數(shù)值，該讀數(shù)就是突破壓力，即第一界面徑向膠結(jié)強度。

本試驗考慮圍壓變化和套壓變化對套管-水泥環(huán)膠結(jié)面強度的影響，當(dāng)整個試驗樣本養(yǎng)護好以后，通過改變圍壓和套壓來分別分析二者對套管-水泥環(huán)膠結(jié)面強度的影響。整個試驗過程中發(fā)現(xiàn)氣泡只從套管-水泥環(huán)界面溢出，如圖2所示，這與上文談到的套管-水泥環(huán)第一膠界面優(yōu)先突破一致。

圖2 氣泡從套管-水泥環(huán)第一界面溢出Fig.2 Bubble overflows from casing-cement ring first interface

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 圍壓變化對界面膠結(jié)強度的影響

在環(huán)空壓力5 MPa、套壓10 MPa、試驗溫度180 ℃、養(yǎng)護3 d時，測量圍壓變化對固井界面水力膠結(jié)強度的影響。圍壓每升高10 MPa，穩(wěn)定10 min后再測量。試驗結(jié)果如圖3所示。試驗方案設(shè)置如表2所示。

圖3 圍壓變化對竄流壓力的影響Fig.3 Influence of confining pressure on crossflow pressure

表2 圍壓變化對竄流壓力影響 MPa

由圖3可知，有效的套管-水泥環(huán)微環(huán)隙水力孔徑的大小與圍壓有一定的關(guān)系，微環(huán)隙的出現(xiàn)對井環(huán)隙間內(nèi)流體的流動有很大影響。試樣最大圍壓加載到70 MPa時，竄流壓力隨著圍壓的增大呈非線性增長，竄流壓力-圍壓曲線的斜率越來越大，說明竄流壓力增大的速度越來越快。卸載圍壓時，竄流壓力隨著圍壓的減小而減小，呈非線性變化，竄流壓力始終比同圍壓下加載時的竄流壓力大，竄流壓力下降的曲線路徑趨勢大致與加載時相同。

微環(huán)隙面對正應(yīng)力的響應(yīng)與微環(huán)隙表面粗糙度的大小一致，增大的圍壓使水泥環(huán)的表面發(fā)生塑性形變，提高了微環(huán)隙面的界面剛度，會造成竄流壓力隨著圍壓的增大而呈非線性增大，而卸載時的竄流壓力始終比同圍壓下加載時的竄流壓力大也說明了這一點。

2.2 套管內(nèi)壓力變化對界面膠結(jié)強度的影響

在環(huán)空壓力5 MPa、圍壓40 MPa、試驗溫度180 ℃、養(yǎng)護3 d時，測量套壓變化對固井界面水力膠結(jié)強度的影響。套壓每升高10 MPa，穩(wěn)定10 min后再測量，試驗方案設(shè)置如表3所示。試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在套壓為10 MPa、竄流壓力為6.15 MPa時，隨著套壓升高，竄流壓力呈非線性升高，并且竄流壓力升高的速度越來越慢，最后趨于穩(wěn)定。該現(xiàn)象說明試件養(yǎng)護好后，增加套管壓力可以增加套管-水泥環(huán)之間的水力膠結(jié)強度，進(jìn)而提高水泥環(huán)的密封性能。套壓加載到最大值50 MPa后開始卸載，每次卸載10 MPa并維持10 min，最終卸載至10 MPa，然后再測量套管-水泥環(huán)界面在此套壓下的竄流壓力。

表3 套壓變化對竄流壓力影響 MPa

圖4 套管壓力變化對竄流壓力的影響Fig.4 Influence of casing pressure on crossflow pressure

由圖4可知，竄流壓力隨著套管壓力的卸載而減小，卸載時竄流壓力曲線在加載時竄流壓力曲線的下方，加載與卸載時的竄流壓力曲線走勢基本相同。卸載過程中的竄流壓力小于同套壓狀態(tài)下加載過程中的竄流壓力，這表明在加載過程中水泥環(huán)發(fā)生了塑性形變，存在不可恢復(fù)的殘余應(yīng)變，但是套管在此壓力變化范圍內(nèi)處于彈性變形，套管和水泥環(huán)之間的膠結(jié)力變小，套管-水泥環(huán)界面有可能產(chǎn)生微環(huán)隙而導(dǎo)致竄流壓力變小。

根據(jù)厚壁圓筒理論模型，套管和地層圍巖都是理想彈性體，水泥環(huán)為理想彈塑性體，并且水泥環(huán)的屈服準(zhǔn)則滿足Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。隨著套管內(nèi)壓力的升高，水泥環(huán)內(nèi)壁首先進(jìn)入塑性狀態(tài)，當(dāng)套管內(nèi)壓力繼續(xù)增大時，水泥環(huán)的塑性區(qū)域由內(nèi)壁沿外徑方向增大，水泥環(huán)被分為塑性區(qū)和彈性區(qū)。當(dāng)套壓達(dá)到某一數(shù)值時，水泥環(huán)整體進(jìn)入塑性狀態(tài)。

3 結(jié) 論

(1)在溫度、環(huán)壓和套壓一定時，圍壓加載階段竄流壓力隨著圍壓的增大而呈非線性增大，并且竄流壓力增大的速度越來越快；圍壓卸載階段竄流壓力隨著圍壓的減小而減小，呈非線性變化，竄流壓力始終比同圍壓下加載時的竄流壓力大，竄流壓力下降的曲線路徑趨勢大致與加載時相同。

(2)在溫度、圍壓和環(huán)壓一定時，套管壓力卸載過程中的竄流壓力小于同套壓狀態(tài)下加載過程中的竄流壓力，這表明在加載過程中水泥環(huán)發(fā)生了塑性形變，存在不可恢復(fù)的殘余應(yīng)變，但是套管在此壓力變化范圍內(nèi)處于彈性變形，套管和水泥環(huán)之間的膠結(jié)力就變小，套管-水泥環(huán)界面有可能產(chǎn)生微環(huán)隙而導(dǎo)致竄流壓力變小。所以，在開采井的后期要管控好開采時的井底壓力，防止套壓上升然后下降時套管-水泥環(huán)之間微環(huán)隙的產(chǎn)生。

(3)圍壓的變化會降低該井的的第一膠結(jié)面強度。在油井的開采后期，周圍鄰井壓裂引起地應(yīng)力的改變會對該井的第一膠結(jié)面強度產(chǎn)生影響，因此在固井時應(yīng)該用更好的固井工藝和滿足條件的水泥漿體系。