固井水泥漿凝固過程中地層水竄流模擬實驗

郭辛陽，宋雨媛，步玉環，郭勝來，王成文

（1. 中國石油大學（華東） 非常規油氣開發教育部重點實驗室，山東 青島 266580；2. 中國石油大學（華東） 石油工程學院，山東 青島 266580；3. 中國石油大學（華東） 石油工程實驗教學中心，山東 青島 266580）

固井是鉆完井過程中不可或缺的作業環節，包括下套管和注水泥2個子作業環節。在注水泥作業環節，水泥漿被頂替到套管和地層之間的環形空間，然后進入候凝階段。隨著候凝時間的增長和水泥水化的進行，水泥漿柱的壓力會逐漸降低（稱為“失重”），當漿柱壓力低于地層流體壓力后，地層流體就可能侵入和發生竄流，造成固井質量不合格，不僅會影響井的產能和正常生產，而且還會帶來嚴重的環境與安全問題[1-3]。

高壓地層水是常見的竄流流體之一，按其來源主要分為2大類：一類是自然地質過程中形成的高壓地層水；另一類是注水驅油過程中人為向地層中高壓注入的水[4-7]。雖然這2種地層水的來源不同，水中溶解的離子種類和礦化度也有所差異，但竄流的機理是相似的，所以可以統一歸結為地層水竄流問題進行研究。

國內外學者自 20世紀六七十年代以來對地層水竄流問題進行了大量的研究，探索了竄流的原因和機理，提出了一些預防竄流的措施，開發了不同的防竄水泥漿體系，部分體系在現場應用后取得了一定的效果[8-12]。由于地層水竄流問題的復雜性，目前對于竄流規律及機理的認識還不夠深入，不同學者雖然從不同的方面對竄流問題開展研究并提出了自己的觀點，但總體上尚未形成統一的認識[13-16]。

本文針對地層水竄流問題，設計并開展了地層水竄流模擬實驗，測量了水泥漿不同凝固狀態（即不同候凝時間）時地層水的竄流壓力，觀察分析了相應狀態下的竄流形態，研究了地層水的竄流規律，加深了對地層水竄流的認識，可為預防地層水竄流問題提供依據和指導。

1 地層水竄流模擬實驗

1.1 實驗原理與方法

在進行固井作業方案設計時，一般設計注水泥作業完成時的水泥漿柱壓力大于地層流體壓力而小于地層破裂壓力，如圖1所示，水泥漿柱壓力曲線位于地層（水）壓力曲線和地層破裂壓力曲線之間。由于地層（水）壓力隨地層深度的增加不是呈線性增加，不同位置處地層（水）壓力與注水泥完成時水泥漿柱壓力之間的壓力差不同，如圖1中的1#、2#和3#位置處，3#處壓力差最大，2#處壓力差次之，1#處壓力差最小。

在水泥漿候凝階段，隨著水泥水化的進行，水泥漿柱壓力不斷降低，當水泥漿柱壓力低于地層（水）壓力時，地層水就可能侵入水泥漿而發生竄流。因此，初始水泥漿柱壓力與地層（水）壓力之間的壓力差對地層水能否竄流和何時竄流有重要的影響。當該壓力差較小時，候凝早期（也即水泥水化早期）階段引起的水泥漿柱壓力下降就會造成水泥漿柱壓力低于地層（水）壓力，導致地層水侵入形成竄流，如圖1中的1#位置處。反之，當壓力差較大時，水泥漿要水化更長的時間（也即候凝時間較長）才能導致水泥漿柱壓力低于地層（水）壓力，此時水泥漿已經具有一定的膠凝強度，具有一定的阻止地層水入侵的能力，所以此時既可能發生竄流，也可能不發生竄流。因此，下面將選取不同候凝時間的水泥漿進行實驗，模擬地層水的竄流過程，測量發生竄流的壓力，觀察和分析相應的竄流形態，分析竄流規律。

圖1 地層（水）壓力—初始水泥漿柱壓力—地層破裂壓力剖面示意圖

1.2 實驗設備

利用自制的竄流模擬實驗裝置進行地層水竄流模擬實驗，裝置如圖2所示。模擬井筒置于恒溫水浴裝置中，使水泥漿在可控的恒溫環境中進行水化凝固。用高壓氣瓶驅動高壓儲水罐中的水侵入水泥漿來模擬地層水的侵入和竄流。通過一系列的閥門和壓力表來控制地層水的侵入和測量侵入壓力。

圖2 地層水竄流模擬實驗裝置示意圖

選用 PVC管來制成模擬井筒，如圖 3所示，將PVC管沿縱向平均分成2份，將其中一份下端鉆出小孔，用來連接地層水的侵入管線，然后將2份PVC管用粘合劑和密封膠帶密封在一起。

圖3 模擬井筒

1.3 水泥漿及其性能

水泥漿選用現場常規水泥漿配方，組成為：嘉華G級水泥（水灰比0.44）+ 5%降失水劑BXF-200L +0.3%分散劑USZ + 0.1%消泡劑。測試了水泥漿在竄流實驗溫度（60 ℃）下的稠化性能作為參考，如圖4所示。可以看出，初期水泥漿稠度一直維持在 10 Bc左右，在75 min和90 min有小幅度波動；當稠化時間超過 120 min，稠度逐漸有明顯的增加；然后迅速增加，大約在150 min達到30 Bc，在160 min左右達到70 Bc，從30 Bc到70 Bc所用的時間較短，水泥漿直角稠化特性較明顯，說明該水泥漿防竄性能較好。

圖4 水泥漿稠化性能曲線

測試了水泥漿在竄流溫度（60 ℃）條件下靜膠凝強度的變化，如圖5所示。實驗時初始溫度為室溫19 ℃，緩慢加熱30 min后至60 ℃保持穩定。由圖5可以看出，測量初期，水泥漿的靜膠凝強度隨著時間的增加緩慢線性增長，當時間達到225 min之后開始迅速增加。

圖5 水泥漿靜膠凝強度曲線

水泥漿的稠化性能在動態攪拌的情況下測得，靜膠凝強度在靜態條件下測得。水泥漿的候凝過程是靜態條件，與靜膠凝強度的測量條件一致，因此竄流模擬實驗參照靜膠凝強度曲線選擇不同的竄流時間點，分別為 120、180、220 min，如圖 5中紅圓點所示，這些時間點水泥漿的膠凝強度較小，流體侵入的阻力較小，極易發生竄流。下面將分別在這些時間點進行地層水竄流實驗，觀察竄流形態，分析竄流規律。

1.4 實驗步驟

（1）按照API RECOMMENDED PRACTICE 10B-2 Recommended Practice for Testing Well Cements中的方法配制水泥漿，將配好的水泥漿灌入模擬井筒中預定高度。

（2）將恒溫水浴裝置提前升溫至 30 ℃，并設置成緩慢加熱30 min后至60 ℃保持穩定，與靜膠凝強度測試的實驗條件一致，將灌入水泥漿的模擬井筒迅速放置于恒溫水浴裝置，并開始計時。

（3）當計時時間分別達到120、180、220 min時，逐漸打開閥門讓地層水侵入水泥漿發生竄流，至模擬井筒中水泥漿上部有地層水竄出且溫度流動時停止實驗，記錄該過程中壓力表的最大壓力值（即竄流壓力）。為了方便觀察竄流的路徑及形態，在地層水中加入紅墨水染色。

（4）記錄完竄流壓力后，關閉地層水閥門，候凝至水泥漿凝固完成。

（5）取出水泥柱，觀察地層水沿水泥漿柱表面的竄流痕跡，切開水泥漿柱，觀察地層水在內部的竄流痕跡，分析不同情況下的竄流形態。

2 實驗結果與分析

2.1 竄流現象及竄流壓力

1）竄流現象。

不同候凝時間的竄流現象有所不同，從水泥漿頂部端面觀察到的竄流現象如圖6所示。當水泥漿候凝時間為120 min時，地層水從水泥漿頂部端面內部中的某一點緩慢竄出，出現竄流后的竄流速度比較穩定。當水泥漿候凝時間為180 min時，地層水從水泥漿頂部端面與模擬井筒管壁膠結界面的2個區域竄出，竄流較突然且竄出速度較快。當水泥漿候凝時間為220 min時，地層水從水泥漿頂部端面與模擬井筒管壁膠結界面的某一點竄出，竄出速度較慢。

圖6 不同候凝時間水泥漿頂部端面俯視的竄流現象

2）竄流壓力。

不同候凝時間的竄流壓力如圖7所示。可以看出，隨著候凝時間增長，竄流壓力逐漸增大。候凝時間為120 min時，地層水的竄流壓力很低，幾乎測不出來，說明此時地層水很容易侵入水泥漿發生竄流。候凝時間為180 min時，竄流壓力為0.05 MPa左右，有一定的竄流阻力。候凝時間為 220 min時，竄流壓力為0.25 MPa，有較大的竄流阻力。

圖7 不同候凝時間的竄流壓力

2.2 竄流形態

1）候凝120 min的竄流。

候凝120 min時的竄流形態如圖8所示。從圖8(a)可以看出，地層水的侵入點非常明顯，周圍被染成了紅色。將侵入點附近的水泥柱半剖開，如圖8(b)所示，發現了地層水的竄流通道，地層水沿水泥內部發生竄流。將水泥柱沿與軸線垂直的方向折斷，如圖 8(c)所示，從斷面圖中也發現了內部竄流通道。綜合半剖圖和斷面圖可以判斷地層水的竄流通道尺寸比較小，通道截面近似為圓形，通道走向不固定，竄流方向具有隨機性，與圖6中觀察到的竄流現象是一致的，竄流通道如圖9所示。

2）候凝180 min的竄流。

圖8 候凝時間120 min時的竄流形態

圖9 候凝時間120 min時的竄流通道

候凝 180 min時的竄流形態如圖 10所示。從圖10(a)可以看出，地層水侵入點附近形成了一個空穴，說明地層水侵入后先在該處形成聚集，當積水量達到一定量時才開始進一步形成竄流通道；水泥柱與模擬井筒的接觸面有2條明顯的竄流痕跡，說明地層水侵入后沿水泥柱和模擬井筒膠結面發生了竄流，形成了2條竄流通道，且竄流通道不再是點竄，而是2個區域，與圖6中的竄流現象對應。將水泥柱沿與軸線垂直的方向折斷，如圖10(b)所示，從斷面圖中沒有發現水泥柱內部有竄流通道。綜合整體圖和斷面圖可以判斷，地層水的竄流通道位于水泥柱和井筒的膠結面，且形成了2條竄流通道，竄流通道不是點竄而是2個區域，但2條竄流通道的寬度不同，在水泥柱內部未形成竄流通道，如圖11所示。

圖10 候凝時間180 min時的竄流形態

3）候凝220 min的竄流。

圖11 候凝時間180 min時的竄流通道

候凝 220 min時的竄流形態如圖 12所示。從圖12(a)可以看出，地層水侵入點附近也形成了一個空穴，但空穴體積較候凝180 min時要大，說明地層水侵入后先在該處形成較大量聚集，當積水量達到一定大小時發生竄流，形成竄流通道；水泥柱與模擬井筒的接觸面有明顯的竄流痕跡，說明地層水侵入后沿水泥環和井筒膠結面發生了竄流，形成了竄流通道；竄流通道的下部較寬、上部較窄，最后縮成一點，與圖6中上端面觀察到的竄流現象一致。將水泥柱沿與軸線垂直的方向折斷，如圖12(b)所示，從斷面圖中沒有發現水泥柱內部有竄流通道。綜合整體圖和斷面圖可以判斷，地層水的竄流通道位于水泥柱和井筒的膠結面，只形成了一條竄流通道，且竄流通道隨著竄流前進逐漸變窄，在水泥柱內部未形成竄流通道，如圖13所示。

圖12 候凝時間220 min時的竄流形態

圖13 候凝時間220 min時的竄流通道

2.3 地層水竄流規律

根據上述3種候凝時間的竄流壓力和竄流形態分析，結合水泥水化硬化理論，分析地層水竄流規律如下：當水泥漿候凝時間較短時，例如候凝 120 min，水泥還沒有開始大量水化，內部形成的膠凝網狀結構比較弱，水泥漿總體上還呈漿狀，此時地層水侵入的阻力和壓力都比較小，侵入后很容易沿內部竄流形成竄流通道，形成的竄流通道尺寸也比較小；隨著水泥漿候凝時間增長，例如候凝 180 min，水泥水化量逐漸增多，水泥內部形成較強的膠凝網狀結構，水泥漿總體上已經變為膠凝態，此時地層水侵入的阻力和壓力增大，侵入的地層水因為阻力較大已經不能沿內部形成竄流通道，而是在侵入點附近聚集，當聚集到一定壓力后，地層水突破薄弱的膠結界面，沿膠結界面形成竄流通道，由于此時膠結界面的膠結強度不夠，形成了多條竄流通道且竄流通道具有一定的寬度；候凝時間進一步增長，例如候凝 220 min，水泥水化量進一步增加，水泥內部膠凝網狀結構進一步增強，界面膠結強度進一步增大，侵入的地層水需要在侵入點附近積累到更大的壓力后才能突破膠結界面形成竄流通道，且地層水沿竄流通道流動時壓力逐漸降低，竄流通道的寬度逐漸變小。

3 結語

隨著水泥漿候凝時間的增長，竄流壓力逐漸增大。水泥漿候凝時間較短時，水泥內部形成的膠凝網狀結構比較弱，地層水易侵入水泥漿內部形成竄流通道，且竄流通道尺寸較小。隨著水泥漿候凝時間增長，水泥內部形成的膠凝網狀結構強度增大，地層水因為阻力較大已經不能侵入水泥漿內部形成竄流通道，而是在侵入點附近先聚集累積到一定壓力后，再突破膠結界面形成竄流通道。時間越長，聚集累積的水量和壓力越大。候凝時間較短時，形成多條竄流通道，且通道寬度較大；候凝時間較長時，只能形成一條竄流通道，且竄流通道的寬度逐漸變小。