高溫條件下的固井第一界面水力膠結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究

張萬棟，李炎軍，吳 江，楊玉豪，楊煥強(qiáng)

（1中海石油（中國）有限公司湛江分公司2長江大學(xué)石油工程學(xué)院）

張萬棟等.高溫條件下的固井第一界面水力膠結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究.鉆采工藝，2019，42（5）：24-26

深水高溫高壓油氣井水泥環(huán)面臨著高溫、高壓以及后續(xù)施工工況下產(chǎn)生的溫度、壓力變化等復(fù)雜條件［1-2］，容易引起水泥環(huán)的密封失效［3-6］，從而導(dǎo)致環(huán)空帶壓的出現(xiàn)，給油氣井安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度作為衡量水泥環(huán)密封性的主要因素，研究水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響因素及其影響規(guī)律對(duì)深水高溫高壓水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)具有重要的意義。對(duì)此，Carter等［7］率先開展了套管-水泥環(huán)界面機(jī)械膠結(jié)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究；Goodwin等［8］通過加載／卸載套管內(nèi)壓，檢測(cè)水泥環(huán)滲透率，開展了水泥環(huán)界面失效實(shí)驗(yàn)；Jackson等人［9］在Goodwin的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，將水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)溫度提高到49℃，套管內(nèi)壓以及環(huán)空壓力提高到6.89 MPa，進(jìn)行了膠結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)；Boukhelifa等人［10］設(shè)計(jì)了可膨脹和收縮的中心巖心模擬井內(nèi)套管膨脹和收縮，進(jìn)行了水泥環(huán)拉伸破壞和膠結(jié)實(shí)驗(yàn)；國內(nèi)學(xué)者主要針對(duì)水泥環(huán)機(jī)械膠結(jié)強(qiáng)度開展了實(shí)驗(yàn)研究，郭辛陽等［11］利用自主研制的固井界面膠結(jié)強(qiáng)度評(píng)價(jià)裝置開展了井下復(fù)雜溫度條件下的水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)；楊燕等［12］開展了工作液密度降低對(duì)水泥環(huán)界面強(qiáng)度影響的研究；徐璧華［13］、楊寶林［14］等開展了濾餅對(duì)水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)研究。

然而，以上研究的水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)溫度有限，且水泥環(huán)的水力膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試過程無法在養(yǎng)護(hù)條件下實(shí)現(xiàn)，基于此，筆者基于研制的全尺寸高溫高壓水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置，利用氣竄法研究了水泥漿養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間以及溫度變化等因素對(duì)固井第一界面水力膠結(jié)強(qiáng)度的影響。

一、固井第一界面水力膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由圍壓施加及控制系統(tǒng)、環(huán)空壓力施加及控制系統(tǒng)、套管內(nèi)壓施加及控制系統(tǒng)、氣體增壓系統(tǒng)、溫度施加及控制系統(tǒng)、各壓力密封系統(tǒng)等組成，溫度控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20℃～200℃溫度的施加與控制，加壓泵可實(shí)現(xiàn)0～70 MPa套管內(nèi)壓力的施加與控制，裝置結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2.實(shí)驗(yàn)材料

選用南海西部油田?177.8 mm油層套管抗高溫固井水泥漿體系為實(shí)驗(yàn)材料，密度為2.35 g／cm3，其組成如表1所示。

圖1 全尺寸高溫高壓水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置總裝圖

表1 實(shí)驗(yàn)用水泥漿體系配方

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）按照一定比例的水泥，黃沙和水制備模擬地層。

（2）依據(jù)GB／T 19139-2012《油井水泥試驗(yàn)方法》制備水泥漿，并將制備好的水泥漿加入到套管與地層之間的環(huán)空間隙中，水泥漿上端面加入一定量的水，防止因高溫而導(dǎo)致水泥漿沸騰。

（3）密封實(shí)驗(yàn)裝置，加熱棒通電，并將試件加熱至設(shè)置溫度，在加熱過程中，通過壓力控制閥控制水泥環(huán)端面壓力，使其在水泥漿凝固過程中慢慢釋放。

（4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)定水泥漿養(yǎng)護(hù)溫度及養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

（5）打開實(shí)驗(yàn)裝置底端進(jìn)氣閥，利用氣體增壓系統(tǒng)緩慢增大氣體壓力，直至水泥環(huán)上端有氣泡冒出，相比于套管與固井水泥漿的材料性質(zhì)，模擬地層與固井水泥漿的材料性質(zhì)差異較小，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水泥環(huán)上端的氣泡均由固井第一界面冒出，氣體竄流壓力即為固井第一界面水力膠結(jié)強(qiáng)度。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.養(yǎng)護(hù)溫度的影響

套管內(nèi)溫度分別設(shè)置120℃、140℃、160℃、180℃、200℃，測(cè)試水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)72 h的膠結(jié)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥環(huán)封隔能力的影響（72 h）

由圖2可以看出，在相同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，氣竄壓力逐漸增大，水泥環(huán)封隔能力逐漸增大。

2.養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響

本實(shí)驗(yàn)在200℃條件下，設(shè)置水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d，測(cè)試了高溫養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥環(huán)封隔能力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥環(huán)封隔能力的影響（200℃）

由圖3可以看出，在200℃養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到5 d時(shí)，氣竄壓力達(dá)到了最大值1.86 MPa，隨著時(shí)間的增加氣竄壓力呈先減小后增加，最終穩(wěn)定的趨勢(shì)。

3.溫度變化的影響

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了溫度的兩種變化情況：初始溫度150℃，養(yǎng)護(hù)72 h后，分別加溫10℃、20℃、30℃、40℃、50℃；初始溫度200℃，養(yǎng)護(hù)72 h后，分別降低10℃、20℃、30℃、40℃、50℃。研究溫度變化對(duì)水泥環(huán)封隔能力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 溫度升高對(duì)水泥環(huán)封隔能力的影響

由圖4可以看出，在養(yǎng)護(hù)溫度150℃，養(yǎng)護(hù)72 h后，當(dāng)模擬套管內(nèi)溫度逐漸升高時(shí)，突破水泥環(huán)所需的氣竄壓力在逐漸增大，且增長率也越來越大。

圖5 溫度降低對(duì)水泥環(huán)封隔能力的影響

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)護(hù)溫度200℃，養(yǎng)護(hù)72 h后，當(dāng)模擬套管內(nèi)溫度逐漸降低時(shí)，突破水泥環(huán)所需的氣竄壓力在逐漸減小，且減小速度也越來越大。

三、結(jié)論

（1）當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度一定時(shí)，水力膠結(jié)強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且養(yǎng)護(hù)5 d左右時(shí)達(dá)到最大值，隨后基本保持穩(wěn)定。

（2）在一定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下，隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高，固井第一界面膠結(jié)強(qiáng)度增大。

（3）固井后期的溫度變化對(duì)固井第一界面膠結(jié)強(qiáng)度影響較大，隨著溫度的升高與降低，氣竄壓力也呈現(xiàn)出增加或減少的趨勢(shì)。