循環(huán)加載下水泥環(huán)密封完整性評價試驗裝置 *

關(guān)志剛 廖華林 林志偉 謝士遠 趙效鋒

(1. 新疆油田公司工程技術(shù)研究院 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院3.中國石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

0 引 言

鉆完井及生產(chǎn)過程中套管內(nèi)壓與井筒溫度變化是水泥環(huán)失效的主要影響因素。套管與水泥環(huán)組合體的損壞過程比較復(fù)雜，當套管持續(xù)高壓或壓力過高時，水泥石彈性變形會超過其屈服極限，造成水泥環(huán)本體出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致其密封完整性失效[1-3 ]。水泥石與套管的彈性模量、泊松比和屈服強度都不相同，當井內(nèi)壓力變化使水泥石與套管變形不協(xié)調(diào)時，水泥環(huán)發(fā)生塑性變形，形成微間隙[4-6]。

目前，關(guān)于水泥環(huán)密封特性主要通過水泥環(huán)膠結(jié)強度特性測量，室內(nèi)測試主要采用剪切膠結(jié)強度試驗儀、鉆屑-油井水泥混合漿固化體抗壓強度測定法、水滲流模擬裝置、泥餅剪切強度與含水量試驗儀、光譜分析儀、粘結(jié)強度分析儀以及固井二界面封隔能力仿真評價裝置[7-10]。文獻[11-15] 通過套壓加載卸載水泥環(huán)密性試驗裝置，觀測到水泥環(huán)徑向裂紋、軸向斷裂和微環(huán)隙的產(chǎn)生，研究了不同套管居中度和溫度循環(huán)對水泥環(huán)密封性的影響; 文獻[16-17]研究了水泥環(huán)的循環(huán)疲勞極限和套管循環(huán)加載對水泥環(huán)失效輪次的影響。但上述研究關(guān)于套管內(nèi)壓循環(huán)變載條件下，水泥環(huán)的失效機制以及其抗?jié)B透能力與膠結(jié)質(zhì)量之間的相互關(guān)系尚不明晰。為此，本文設(shè)計了一種可模擬循環(huán)變載工況的水泥環(huán)密封完整性評價試驗裝置，采用該裝置可對套管在內(nèi)壓和溫度加卸載條件下水泥環(huán)的密封特性進行評價，為合理的水泥漿體系設(shè)計優(yōu)選及生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗裝置

水泥環(huán)密封完整性評價試驗裝置(見圖1)主要由井筒模擬系統(tǒng)、水泥環(huán)抗?jié)B漏能力分析系統(tǒng)和水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評價分析系統(tǒng)組成。

1—增壓泵；2—傳感器；3—閥門1；4—膠圈；5—加熱套；6—釜體；7—巖心膠套；8—巖心；9—泥餅；10—水泥環(huán)；11—套管；12—濾網(wǎng)；13—上釜蓋；14—壓板；15—泄壓泵；16—液量與氣量記錄儀；17—下釜蓋。圖1 水泥環(huán)密封完整性評價試驗裝置Fig.1 Test device for evaluating the integrity of cement sheath seal

1.1 井筒模擬系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由釜體、上釜蓋、下釜蓋、加熱套、增壓泵、泄壓泵、閥門組和壓力傳感器等組成。釜體上有水泥環(huán)頂壓口、水泥環(huán)底壓口、套管內(nèi)壓口和圍壓口，可放置模擬地層的環(huán)形柱狀巖心，通過在巖心內(nèi)灌注鉆井液，在巖心內(nèi)外形成壓差，經(jīng)過一定時間后在巖心內(nèi)壁可形成泥餅。泥餅形成后，放空釜體內(nèi)的鉆井液，在巖心內(nèi)置入套管，在套管與巖心之間的環(huán)空間隙灌注水泥漿，采用加熱套、熱電耦和溫度傳感器控制釜體內(nèi)溫度，通過增壓泵和閥門組控制釜體內(nèi)壓力，在模擬油氣井井筒條件下養(yǎng)護，水泥漿候凝形成水泥環(huán)。

1.2 水泥環(huán)抗?jié)B漏能力分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、液量或氣量記錄裝置及壓力傳感器等組成。水泥漿凝固后，通過增壓泵和泄壓泵與閥門組配合控制水泥環(huán)頂端與底端的壓差，采用液量或氣量記錄儀測量液體流量或傳感器記錄壓力變化，記錄相應(yīng)流量和壓力隨時間的變化曲線，根據(jù)流量和達西定律計算水泥環(huán)膠結(jié)面滲透率，或發(fā)生水穿或氣穿時水泥環(huán)兩端壓差大小來評價水泥環(huán)密封能力。

1.3 水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評價分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、超聲波發(fā)生裝置和膠結(jié)質(zhì)量測試儀組成。基于水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評價中變密度測井原理，由超聲波發(fā)生裝置發(fā)射超聲波，通過膠結(jié)質(zhì)量測試儀分析超聲波在模擬井筒中的傳播規(guī)律，從而評價水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量。

該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)模擬井眼條件下鉆井液泥餅形成、水泥漿注入、水泥漿凝固、水泥環(huán)密封性失效等過程。采用水泥環(huán)第一、第二界面抗?jié)B漏能力和膠結(jié)質(zhì)量測井相結(jié)合的評價方法，研究水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量與環(huán)空水泥環(huán)水力封隔能力的影響因素，建立界面膠結(jié)質(zhì)量與水力封隔能力的對應(yīng)關(guān)系，為井筒的密封性評價提供依據(jù)。通過模擬不同的井下工況，研究井筒溫度壓力參數(shù)、套管參數(shù)、水泥漿性能、地層流體、泥餅厚度和水泥環(huán)厚度等因素對水泥環(huán)密封性的影響，根據(jù)水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量測井評價指標和膠結(jié)面抗?jié)B透能力指標評價水泥環(huán)的密封特性，分析影響水泥環(huán)密封性關(guān)鍵因素，為油氣井水泥漿設(shè)計及井筒環(huán)空密封性評價提供依據(jù)。

2 試驗流程

2.1 模擬井筒壁面泥餅的形成

可根據(jù)地質(zhì)要求制作選取不同滲透性的巖心，模擬不同滲透特性地層。巖心套入端面為實面而側(cè)面為含網(wǎng)孔的膠套，在井筒靜壓條件下可形成不同厚度的泥餅。如圖1所示，關(guān)閉閥門1、閥門4和閥門5，開啟閥門2、閥門3和閥門6。將用專用裝置制作好的環(huán)形柱狀巖心套入含網(wǎng)孔的膠套管內(nèi)置入釜中，壓上壓板，將鉆井液注入釜內(nèi)，旋上釜蓋及堵塞。打開氮氣瓶閥門，調(diào)節(jié)氮氣壓力，在巖心內(nèi)壁與外壁面壓差的作用下，經(jīng)過一定的時間后在巖心內(nèi)壁面形成泥餅。此時關(guān)閉氮氣瓶閥門，開啟閥門1、釋放壓力后，旋出釜蓋和壓板，用專用卡尺測量泥餅厚度，或取出巖心，根據(jù)巖心泥餅形成前后巖心的質(zhì)量差，計算出泥餅厚度。

2.2 模擬井下工況下水泥漿的凝固過程

泥餅形成后，打開下釜蓋，清空釜體內(nèi)鉆井液，重新旋入下釜蓋，將濾網(wǎng)放置巖心底部后將巖心放入釜體內(nèi)，置入套管，通過灌注的方式在套管和巖心形成的環(huán)空內(nèi)注入預(yù)先配置好的水泥漿，壓入壓板，旋入上釜蓋。打開閥門1、閥門2和閥門3，關(guān)閉閥門4、閥門5和閥門6，用增壓泵給井下套管內(nèi)和環(huán)空加壓，加熱套通電工作，實現(xiàn)模擬井筒工況下水泥漿的凝固。溫度和壓力可根據(jù)井下條件設(shè)定，壓力0～40 MPa，溫度20～150 ℃。

2.3 模擬不同套管尺寸和環(huán)空間隙

套管尺寸可根據(jù)需要選取，實現(xiàn)不同套管尺寸與環(huán)空間隙組合條件下水泥環(huán)密封性的模擬。

2.4 模擬環(huán)空微間隙形成

選用可小彈性變形套管材料，水泥漿灌注完成后，打開閥門1、閥門2和閥門3，關(guān)閉閥門4、閥門5和閥門6，通過增壓泵給釜體增壓，并控制釜體壓力大小，此時套管內(nèi)、外的壓力相同，水泥漿在規(guī)定的時間養(yǎng)護凝固成水泥環(huán)后，打開閥門4，通過泄壓泵泄壓并控制管內(nèi)壓力。套管釋放部分壓力后，由于套管外的壓力大于管內(nèi)壓力，套管收縮，在水泥環(huán)和套管的膠結(jié)面產(chǎn)生微環(huán)隙，微環(huán)隙的大小與套管材料的變形特性和套管內(nèi)外的壓差有關(guān)，通過選取套管材料和控制套管內(nèi)外壓差，可以控制環(huán)空微間隙的大小。間隙尺寸可計算或測量。

2.5 水泥環(huán)加載對其密封特性的影響

水泥漿凝固完成后，關(guān)閉閥門1，增壓泵繼續(xù)增壓，通過釜體上的套管內(nèi)壓口，套管內(nèi)壓力增大或減小，使套管產(chǎn)生彈性或塑性變形，從而使水泥環(huán)內(nèi)部形成裂紋或膠結(jié)面損壞，導(dǎo)致密封性降低或完全失效，在不同加載條件下分析水泥環(huán)的密封特性。

3 試驗情況

2018年11月至2019年12月，應(yīng)用水泥環(huán)密封完整性評價試驗裝置開展了不同套管尺寸與加載條件、模擬射孔及套管循環(huán)加卸載等水泥環(huán)密封性評價試驗，分析了不同工況下水泥環(huán)的失效形式。

3.1 不同套管尺寸及加載條件下水泥環(huán)的失效形式

水泥漿配方為：勝維G級水泥+1.5%降失效劑+1.0%分散劑+消泡劑，水泥漿密度1.85 g/cm3。將水泥漿完全充滿環(huán)形空間，形成完整水泥環(huán)，模擬非射孔條件。采用水泥環(huán)密封完整性評價試驗裝置模擬得到不同套管尺寸、不同加載條件下水泥環(huán)的失效形式，試驗參數(shù)見表1，結(jié)果見圖2。

表1 不同加載條件下水泥環(huán)失效試驗參數(shù)Table 1 Failure test parameters of cement sheath under different loading conditions

圖2 不同加載條件下水泥環(huán)的失效形式Fig.2 Failure modes of cement sheath under different loading conditions

從圖2可以看出水泥環(huán)的主要失效形式有徑向拉伸失效、本體剪切破壞和一界面膠結(jié)破壞。這表明該裝置可以評價不同井筒工況、不同水泥漿體系和加載條件下水泥環(huán)的失效形式，從而對水泥環(huán)的失效機理與水泥漿配方進行分析評價。

3.2 模擬射孔條件下水泥環(huán)失效特征

配方1： 550 g G級水泥+270 g水+4 g消泡劑，90 ℃條件下常溫養(yǎng)護48 h。研究純水泥體系在圍壓20 MPa時模擬射孔條件下水泥環(huán)完整性，模擬井筒見圖3a，射孔孔徑10 mm，孔深10 mm，套管壁厚2 mm。測試數(shù)據(jù)如圖4所示。試驗過程如下。

圖3 模擬射孔條件下純水泥漿水泥環(huán)失效形式Fig.3 The failure mode of pure slurry cement sheath under simulated perforation conditions

圖4 模擬射孔條件下配方1密封完整性測試數(shù)據(jù)Fig.4 Seal integrity test data of cement sheath of formula 1 under simulated perforation conditions

(1)首先加載圍壓至20 MPa，保持7 min水泥環(huán)壓力未上升，表明水泥環(huán)密封性良好；再在水泥環(huán)上端施加壓力至7 MPa，保持30 min，水泥環(huán)下端未竄。

(2)卸載水泥環(huán)上端壓力至0，逐漸增加套管壓力，當套管壓力增大至21.2 MPa時壓力發(fā)生突變(見圖4圓圈處)，水泥環(huán)上端開始帶壓，說明此時水泥環(huán)已經(jīng)發(fā)生破壞。

(3)逐漸增大水泥環(huán)下端驗竄壓力以驗證下端水泥環(huán)完整性。當驗竄壓力增大至13 MPa時套管開始帶壓(見圖4豎線)，此時下端水泥環(huán)開始竄漏。泄載所有壓力，冷卻井筒至室溫，拆除井筒觀察水泥環(huán)破壞形式，如圖3b所示。由圖3b可見，從上端射孔處開始水泥環(huán)出現(xiàn)了嚴重的軸向拉伸破壞，水泥環(huán)斷裂成層狀，第一界面出現(xiàn)微環(huán)隙。

配方2：46.6%F/W+0.5%X60L+1.0%F46S+6.0%G80L+0.5%消泡劑+6.0%固化劑+35.0%硅粉，養(yǎng)護條件和模擬射孔方案與配方1相同。測試數(shù)據(jù)如圖5所示。試驗時，首先加載圍壓至20 MPa，保持7 min水泥環(huán)壓力未上升，井筒密封性良好；再在水泥環(huán)上端施加壓力至7 MPa，保持30 min下端未竄。當套壓增壓至34.7/38.2/38.1 MPa三輪次沒有破壞，再加載至35.7 MPa時下端竄流。拆開后發(fā)現(xiàn)射孔處出現(xiàn)大量裂紋，射孔裂紋出現(xiàn)連接轉(zhuǎn)向，上端出現(xiàn)徑向裂紋，如圖6所示。

圖5 模擬射孔條件下配方2密封完整性測試數(shù)據(jù)Fig.5 Seal integrity test data of cement sheath of formula 2 under simulated perforation conditions

圖6 模擬射孔條件下配方2 水泥環(huán)失效形式Fig.6 Failure morphology of cement sheath of formula 2 under simulated perforation conditions

3.3 循環(huán)加卸載條件下抗竄能力評價

粉煤灰體系配方，密度1.60 g/cm3，套管壁厚2 mm，90 ℃養(yǎng)護72 h，模擬非射孔條件下周期性加卸載套壓，測試分析水泥環(huán)密封完整性。測試數(shù)據(jù)如圖7所示。依次加套壓15、20、25和30 MPa并卸載，水泥環(huán)未出現(xiàn)破壞；增大套壓至35 MPa，水泥環(huán)下端出現(xiàn)緩慢的水滴，繼續(xù)加載兩個輪次35 MPa套壓，竄流速度保持不變，呈水滴流出，水泥環(huán)發(fā)生輕微破壞，出現(xiàn)微裂編紋，如圖8所示。根據(jù)排出水質(zhì)量，環(huán)空水泥環(huán)(膠結(jié)面)有效滲透率為2.62 mD。

圖7 循環(huán)變載條件下水泥環(huán)密封性測試數(shù)據(jù)Fig.7 Test data of cement sheath tightness under cyclic variable load conditions

圖8 循環(huán)變載條件下水泥環(huán)失效形式Fig.8 Cement sheath failure mode under cyclic variable load conditions

4 結(jié) 論

(1)循環(huán)加載下水泥環(huán)密封完整性評價試驗裝置可根據(jù)失效特征和水泥環(huán)抗竄能力等評價水泥環(huán)密封完整性，在模擬井筒壓力和溫度變化條件下，對不同水泥漿體系的密封性能進行評價，并可以對水泥封固段兩端壓差下滲漏量進行測量，為套管環(huán)空水泥環(huán)密封完整性研究提供了一種試驗手段。

(2)循環(huán)變載條件下，不同的井筒組合和水泥漿體系配方對水泥環(huán)密封完整性的影響不同，多輪次加卸載條件下水泥環(huán)會出現(xiàn)拉伸、本體剪切與微環(huán)隙等多種失效形式。

(3)在進行水泥環(huán)密封完整性評價時，一方面應(yīng)對各個工況下的最大壓力進行評價，判斷是否會造成水泥環(huán)本體破壞，另一方面應(yīng)綜合考慮油氣井生命周期各個階段的壓力變化，判斷是否造成固井膠結(jié)界面的破壞。