高溫高壓氣井水泥環封隔能力評價實驗研究

李炎軍， 張萬棟， 吳 江， 楊玉豪， 張國山， 楊煥強

(1中海石油(中國)有限公司湛江分公司 2中石油集團渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司 3長江大學石油工程學院)

南海勘探開發前景廣闊，是南海大氣區建設和國家南海能源基地建設的重點區域，據調查南海高溫高壓領域天然氣資源量達15×1012m3，占南海總資源量的2/3，資源潛力巨大[1]。隨著南海地區勘探開發的進一步深入，井下溫度與壓力越來越高，如樂東3口探井井底溫度接近200℃，壓力系數達到2.2，對固井質量和后期水泥環密封完整性提出了極大挑戰[2-3]。水泥環封隔能力是高溫高壓氣井密封完整性評價的關鍵，國內外針對水泥環的密封完整性問題從實驗分析[4-5]、理論計算[6-9]及數值模擬[10-12]等方面開展了大量研究，相繼研制了一系列水泥環密封完整性評價裝置，然而，國內外前期建立的水泥環密封失效評價裝置大都基于相似原理進行了縮小，較少考慮地層對水泥環密封失效的影響，且溫度、壓力等關鍵參數的施加能力有限，無法滿足南海高溫高壓井的實際需要[13-18]；陶謙[19]利用研制的全尺寸試驗裝置開展了高溫高壓下水泥環密封能力評價實驗，然而該實驗未考慮水泥漿凝固后的初始應力狀態。

基于此，考慮南海高溫高壓氣井的實際地層條件及井眼條件，在充分分析水泥環密封失效影響因素的基礎上，研制了一套全尺寸高溫高壓水泥環封隔能力實驗評價裝置，開展了水泥漿養護溫度、養護時間、封隔長度以及套管偏心等因素下的水泥環封隔能力評價實驗。

一、水泥環封隔能力評價實驗

1. 實驗裝置

研制了一套高溫高壓氣井水泥環封隔能力評價實驗裝置，裝置考慮了如下因素：

(1)高溫。實驗裝置具備200°C的加熱能力，以及溫度升高及降低的控制。

(2)復雜壓力體系。實驗設備考慮了全尺寸的套管、水泥環以及模擬地層，可施加及控制套管內壓力(0～70 MPa)、圍壓(0～70 MPa)、環空壓力(0～40 MPa)以及氣體竄流壓力(0～40 MPa)。

(3)井眼條件。針對南海西部油田的井身結構特點，采用?212.73 mm鉆頭鉆開油氣層以及?177.8 mm生產套管固井，考慮到下套管過程中產生的套管偏心情況，實驗設備模擬了10%、20%、30%三種套管偏心度。

(4)復雜地層。考慮到水泥環與地層的軟硬程度，采用R52.5標號的水泥與黃砂組成不同配比的水泥砂漿制備模擬地層，使模擬地層具有不同的強度、彈性模量及泊松比。

該全尺寸實驗裝置由圍壓施加及控制、環空壓力施加及控制、套管內壓施加及控制、氣竄壓力施加與控制、溫度施加及控制等系統組成，如圖1所示。

圖1 高溫高壓水泥環密封完整性評價裝置總裝圖

1套管 2套管堵頭 3固井水泥環 4水泥環端面密封腔 5模擬地層 6氟橡膠膠套 7高壓釜體 8高強度螺栓 9法蘭 10壓力表 11閥門 12氣體增壓系統 13高壓泵 14氣體流量監測儀 15低溫水浴槽 16恒溫槽 17低溫螺旋循環管 18耐壓加熱管

2. 實驗材料

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驗材料，密度為2.35 g/cm3，測試得到160℃養護2 d的水泥石彈性模量為5.6 GPa，其組成如表1所示。

表1 實驗用水泥漿體系配方

3. 實驗方法

3.1 實驗原理

通過測試氣體突破水泥環的壓力進行水泥環封隔能力評價，為防止模擬地層中的游離液及養護過程中的水泥漿進入到氣管線，實驗前對裝置的進氣口進行處理，采用200目紗網與高磁力磁鐵封隔進氣口(如圖2)，從而只允許氣體通過；實驗過程中施加的圍壓模擬地應力，環空壓力模擬水泥漿液柱壓力，本實驗通過控制環空壓力大小模擬水泥漿的失重壓力，套管內壓力模擬井內工作液液柱壓力。

3.2 實驗步驟

3.2.1 模擬地層的制備

為模擬不同硬度的地層，采用R52.5標號的水泥與黃砂、水通過不同配比的水泥砂漿澆筑到預制的模具中，形成不同強度及硬度的地層，地層配比及其力學參數如表2所示。制備前，為了脫模方便，首先對預制模具進行處理，處理過程包括模具的表面涂抹一層黃油并貼上兩層不透水的牛皮紙；其次，將配制好的水泥砂漿澆筑到模具中，12 h后取出模具的內襯管，24 h后拆除模具，并進行養護，7 d后形成滿足強度要求的模擬地層試件。

3.2.2 水泥漿的配制

水泥漿的配制與養護采用如下方法：首先，安裝氟橡膠膠套以及高壓釜體，并將最外層法蘭與高壓釜體連接，下入套管；其次，利用高轉速攪拌機配制一定量的水泥漿，并將水泥漿沿套管外壁緩慢注入到模擬地層與套管之間的環空中，其中，水泥漿上部與法蘭間留有10 cm的高度并注滿水。

圖2 氣體突破水泥環示意圖表2 模擬地層配比及參數

材料配比彈性模量/GPa泊松比抗壓強度/MPaR52.5水泥∶黃砂∶水1∶2∶0.428.90.34621∶3∶0.420.60.35551∶6∶0.44.80.48.7

3.2.3 各壓力控制

安裝所有法蘭及高壓管線并完成套管內注滿水、加熱系統通電等操作步驟，并將加熱控制系統調整到實驗預設溫度；通過壓力控制系統將圍壓控制到20 MPa、環空壓力15 MPa、套管內壓力30 MPa。

3.2.4 水泥漿失重模擬

在實際固井過程中，由于水泥漿凝固過程中的失重現象，套管-水泥環-地層組合體應力發生改變，為了模擬水泥漿的失重壓力，待實驗裝置溫度、壓力穩定48 h后，將環空壓力按照水泥漿失重后密度降至1.0 g/cm3的情況逐步釋放一定值。

3.2.5 實驗數據記錄

打開下法蘭上的進氣閥，逐步提高氣體增壓系統壓力，直到裝置上法蘭出氣口有氣泡冒出，記錄此時氣體增壓泵的壓力，并將此時的氣體竄流壓力作為水泥環封隔能力的評價標準。

二、實驗結果與分析

1. 水泥漿養護溫度的影響

為了評價水泥漿養護溫度對水泥環封隔能力的影響，在相同的養護時間(2 d)測試了120℃、140℃、160℃、180℃、200℃溫度下的氣體竄流壓力，實驗結果如圖3所示。

對于同樣的養護時間，隨著養護溫度的升高，氣體竄流壓力逐漸增大，且超過160℃時，竄流壓力增大趨勢減緩；說明地層溫度越高，相同時間內的水泥環封隔能力越強。

圖3 養護溫度對水泥環封隔能力的影響

2. 水泥漿養護時間的影響

本實驗在相同養護溫度(160℃)條件下測試了1 d、2 d、3 d、5 d、7 d的封隔能力，結果如圖4所示。

圖4 養護時間對水泥環封隔能力的影響

對于同樣的養護溫度，隨著養護時間的增加，氣體竄流壓力逐漸增大，且養護時間超過3 d時，竄流壓力基本不變；說明固井后3 d左右的時間水泥環的封隔能力達到峰值。

3. 水泥環封隔長度的影響

本實驗所用水泥漿密度2.35 g/cm3，水泥漿失重后的密度1.0 g/cm3，實驗所取水泥環封隔段長度分別為200 mm、400 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm，則實驗時分別將環空壓力降低2.65 MPa、5.3 MPa、7.95 MPa、10.6 MPa、13.25 MPa、15.9 MPa，實驗結果如圖5所示。

圖5 水泥環封隔段長度對封隔能力的影響

隨著水泥環封隔段長度的增加，水泥環封隔能力呈線性增加的趨勢，因此，對于氣井，應盡可能增大水泥環封隔段長度。

4. 套管偏心的影響

設置了10%、20%、30%等3種套管偏心度，模擬地層分別采用表2所示配比，分別用Ec、Ef代表水泥環與地層的彈性模量，進行了套管偏心對水泥環封隔能力的影響實驗，結果如圖6所示。

圖6 套管偏心對水泥環封隔能力的影響

對于不同的地層與水泥環彈性模量比，隨著套管偏心度的增大，氣體竄流壓力減小，說明套管偏心對水泥環的封隔能力有較大影響，同時，套管偏心對水泥環封隔能力的影響與Ec/Ef有關，Ec/Ef之比越接近于1，水泥環封隔能力越好。

三、結論

(1)全尺寸高溫高壓水泥環密封完整性評價裝置可施加200℃高溫、70 MPa圍壓及套管內壓力、40 MPa環空壓力，模擬套管偏心及井徑擴大率等實際井眼條件。

(2)環空竄流壓力隨著養護溫度的升高或養護時間的增加呈現先增大后基本不變的趨勢，水泥環封隔段長度的增加有助于對環空氣體的封隔，套管偏心對水泥環的封隔能力有較大影響，套管偏心下的水泥環封隔能力受地層與水泥環彈性模量比的影響。