深水復合泡沫壓縮性能試驗與現場應用

胡志強， 曹 耐， 張 亢， 李舒展， 李 鑫， 金 鑫

(1. 中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究， 北京 100101； 2. 中國石油大學(北京)安全與海洋工程學院， 北京 102249; 3. 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點試驗室， 北京 100101)

以往油氣田開發主要集中于陸地和淺海油氣田，生產過程中環空帶壓難題可通過泄壓等方法解決[1-2]。在深水油氣田開發中，由于受水深影響，密閉環空壓力無法有效釋放，當其升高到套管強度極限時，會造成套管擠毀或破裂，對井筒完整性帶來嚴重危害[3-4]。復合泡沫材料是由空心玻璃微珠填充到樹脂基體中經過混合、成型、固化形成的一種新型復合材料[5]，具有密度低、強度高、加工性能好等優良特性，因而具有廣闊的應用前景。在深水油氣資源開發中，為解決高溫儲層流體引起的環空熱膨脹壓力升高現象，在套管外壁安裝一定數量的復合泡沫，利用材料的壓縮性能緩解圈閉高壓帶來的危害，保障管柱安全。目前復合泡沫材料的研究主要集中在準靜態和動態力學行為特征方面[6-7]，而針對復合泡沫在靜水壓力環境下力學特性的研究較少，主要原因在于缺乏靜水壓縮測試的標準實驗裝置，缺乏研究深水復合泡沫壓縮性能的特殊試驗。鑒于上述原因，現創新性地開展對復合泡沫材料在靜水壓力下的壓縮性能研究，通過自制的實驗設備，對試制出的復合泡沫在靜水壓力下的壓縮強度和體積變化率進行試驗，研究不同配比、溫度條件下的材料體積壓縮率隨靜水壓力的變化規律，分析復合泡沫現場應用情況，以期為深水油氣井的設計和環空熱膨脹壓力防治措施優選提供依據。

1 樣品制備與特性分析

1.1 復合泡沫材料制備

以環氧樹脂E-51與胺類固化劑593為基體、H60空心玻璃微珠為填充劑、KH550硅烷為改性劑，制備不同微珠填充質量分數的復合泡沫，制備過程如下。

(1)空心玻璃微珠改性處理：用2%的氫氧化鈉溶液進行清洗，再用無水乙醇清洗3次，去除表面雜質，烘干。在反應器中依次加入干燥后的空心玻璃微珠、甲苯和硅烷偶聯劑，攪拌至形成白色懸浮溶液后，超聲分散10 min，移至110 ℃的油浴鍋中冷凝回流處理4 h，過濾，無水乙醇洗滌三次，80 ℃下真空干燥12 h。

(2)模具預處理：由于環氧樹脂具有較高黏接性，為了防止由于復合材料與磨具黏附，導致脫模困難，必須對模具進行預處理。首先用丙酮將模具擦拭清洗干凈后，用吹風機吹干，然后用蘸取適量脫模劑將模具均勾涂抹，并室溫放置2 h后，然后再蘸取適量真空桂脂將模具均勾涂抹，再用吹風機吹干待用。

(3)模具預處理后，將稱量好的環氧樹脂加入至潔凈的容器中，加入計量的固化劑和增塑劑，在室溫下用電動攪拌機均勻攪拌15 min后，再加入計量的空心玻璃微球，將上述原料繼續攪拌10 min后，釆用真空泵抽真空至一定的負壓，脫氣，將預混好復合材料裝入自制不銹鋼模具中，常壓常溫下固化24 h。

1.2 泡沫材料特性分析

空心玻璃微珠是一種微小，中空的圓球狀粉末，一般由二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯等無機材料構成。其粒徑10到幾百微米，壁厚小于10 μm，密度在0.1～0.3 g/cm3，內部充斥標準大氣壓的氣體。根據玻璃微珠在基體中的分散狀況，可以建立不同含量玻璃微珠在環氧樹脂基體中的結構模型，如圖1所示。

圖1 空心玻璃微珠在環氧樹脂基體中的結構模型Fig.1 Structure model of hollow glass beads in the epoxy resin

當玻璃微珠填充質量分數較低時，泡沫材料承壓強度主要由樹脂骨架承擔；隨著玻璃微珠含量增加，體系氣相增多，樹脂骨架承壓能力減弱，當壓力超過玻璃微珠承壓極限時，微珠破裂，釋放出體積；當壓力繼續增加，泡沫材料承壓強度再次由樹脂骨架的決定。根據Gibson-Ashby理論[8]，空心玻璃微珠和樹脂基體均屬于彈性多孔材料，壓縮應力應變特征可分為3個階段[9]：線彈性變形、塑性屈服和致密化。當壓縮應力達到材料的屈服強度時，孔壁發生彈性屈服，應力開始保持恒定，產生平臺。當孔壁完全接觸時，材料本身發生壓縮，應力迅速升高，進入致密化階段。

2 試驗方案及測試步驟

2.1 準靜態單軸壓縮試驗

為了對試制的復合泡沫力學性能有初步了解，首先利用三軸試壓機進行準靜態單軸壓縮試驗，泡沫樣品尺寸Φ50 mm×25 mm，材料密度0.64 g/cm3，測量出材料彈性模量2.09 GPa，泊松比0.38，屈服強度39.95 MPa。壓縮試驗前、后的宏觀形態如圖2所示。由圖2可以看出，破壞后的試件局部呈現輕微凸起，多條裂紋相互交錯，甚至出現材料破壞崩落現象，可見準靜態單軸壓縮過程中復合泡沫的破壞形式是樹脂基體的剪切破壞和微珠破裂的綜合表現。

圖2 泡沫樣品壓縮前后照片對比Fig.2 Sample comparison before and after the compression test

2.2 靜水壓壓縮試驗

2.2.1 試驗原理和誤差分析

復合泡沫下入井筒后浸沒在鉆完井液中，承受靜水壓作用。為了模擬實際工況，研制出一套靜水壓力測試裝置，對泡沫材料在靜水壓載環境下的破壞強度和體積變化率進行研究。試驗裝置如圖3所示，其試驗原理如下：將可壓縮復合泡沫試件固定在壓力室基座上，通過高壓泵向壓力室內注水加壓，記錄進液量和壓力的變化，得出泡沫材料體積變化率和壓力之間的關系。上述試驗中液體體積的變化ΔV由以下幾部分構成：

圖3 高壓靜水載荷壓縮實驗測試裝置Fig.3 Hydrostatic pressure testing device

ΔV=ΔV0+ΔV1+ΔV2+ΔV3

(1)

式(1)中，ΔV0為可壓縮復合泡沫的真實體積變化，m3；ΔV1為由于高壓容器密封不嚴造成的液體滲漏，對于密封良好的設備，可以忽略不計，m3；ΔV2為高壓容器彈性變形產生的體積變化，m3；ΔV3為液體可壓縮性產生的體積變化，m3。

2.2.2 試驗方案及步驟

(1)將可壓縮復合泡沫試件固定在壓力室基座上，打開與高壓釜側壁相連的排氣孔閥門，使高壓釜內腔與大氣聯通。利用高壓釜向容器內注水，直至排氣孔閥門有水溢出，說明此時壓力室內已被液體填滿，然后關閉閥門。

(2)通過高壓泵向容器內打壓，按照每2 MPa的壓力梯度逐步加載，并保證每次穩壓時間為30 min，泡沫試樣受靜水壓力作用產生形變，體積不斷變小，直到圍壓達到設定的最高壓力時停止(70 MPa)。

(3)記錄下每一次加載過程中圍壓的讀數和進液量的變化，計算得出圍壓與液體體積變化關系。

(4)將與試樣同樣大小的鋼質圓柱體置于壓力室底部基座上，重復步驟(2)～步驟(3)，得到標定曲線。

(5)根據兩條曲線的差值，得到可壓縮復合泡沫材料試樣靜水壓體積變化關系(真實值)，靜水壓-體積應變曲線的計算公式為

(2)

式(2)中：εv為體積應變，無因次；ΔV為泡沫材料真實體積變化量，m3；ΔV0為試驗測試值，ΔVc為試驗標定值，m3；D為泡沫式樣的直徑，m；h為泡沫式樣的高度，m。

3 泡沫壓縮性能分析

靜水壓加載條件下的實驗結果與單軸壓縮加載情況類似，復合泡沫材料的壓縮過程明顯分為彈性變形、屈服破壞和致密化壓縮3個階段，驗證了之前對復合泡沫材料在靜水壓力環境下的壓縮過程的預測。在實驗過程中，當壓力加載穩定后繼續打壓，發現無法持續加載，泵壓表讀數迅速回落并保持穩定，該階段水箱進液量顯著增加。此過程即為復合泡沫材料的塑性屈服階段，材料內的空心玻璃微珠連續破裂，釋放出體積空間，緩解了環空壓力，此時的材料的啟動壓力要高于單軸壓縮時的屈服強度。當泵壓表加載穩定后，水箱進液量減小，該階段可認為泡沫材料內的玻璃微珠已全部破裂，材料壓縮過程轉至致密化階段。

此外，由于環空熱膨脹壓力主要是由高溫效應所引起，本試驗配制了不同空心玻璃微珠含量(10%、15%、20%、25%、30%)泡沫樣品，測試其在不同環境溫度(20、40、60 ℃)下的壓縮性能變化規律，如圖4和圖5所示。實驗結果表明：溫度越高，泡沫材料的啟動壓力會下降，但對體積壓縮率的影響不明顯；隨著空心玻璃微珠含量的增加，泡沫材料啟動壓力會略微降低，體積壓縮率會增加[10]。

圖4 不同溫度條件的影響Fig.4 The influence of different temperature

圖5 不同微珠質量分數的影響Fig.5 The influence of different HGM mass fraction

4 泡沫套管現場應用

4.1 案例井基本信息

A1井位于西非AKPO油田深水海域[11]，水深1 362 m，鉆完井深度3 517 m，油藏儲層127 ℃，地溫梯度為0.043 ℃/m，油井投產后易產生環空熱膨脹壓力升高的現象，威脅井筒安全。復合泡沫材料通過粘黏劑與套管模塊化組裝成泡沫套管[5]，如圖6所示。為了下套管過程方便，只在套管本體上安裝泡沫模塊，通常每根12.1 m長的套管上安裝9.4 m長的泡沫材料。根據套管間環空間隙的大小，泡沫模塊壁厚通常尺寸范圍在25.4～38.1 mm，為了減少泡沫套管對環空間隙阻塞效應，可采取模塊對裝的方式消除影響。

圖6 泡沫套管模塊化組裝Fig.6 Foam casing wrap assembly

4.2 環空壓力風險評估

根據各層環空風險安裝不同數量的泡沫套管[12]，計算各層套管環空壓力的變化情況，如圖7所示。由圖7可以看出，在安裝了泡沫套管后，B環空的環空壓力呈現出3個階段：在第1階段，泡沫套管彈性壓縮，環空壓力隨著溫度的增加而緩慢上升，同時泡沫套管長度越長，壓力下降幅度越大；在第2階段，泡沫套管屈服破環，當環空壓力上升至泡沫套管啟動壓力臨界值，可壓縮泡沫材料內部空心玻璃微珠全部破裂，釋放出環空體積空間，吸收環空壓力，該階段環空壓力急劇下降；在第3階段，泡沫套管開始致密化壓縮，由于泡沫套管長度和體積的限制，環空圈閉壓力將隨著溫度的增長重新開始上升，此時主要依靠可壓縮泡沫材料的樹脂基體塑性形變釋放體積空間。

圖7 各層環空壓力的變化情況Fig.7 APB change under different annulus

4.3 泡沫套管設計優化

根據套管柱強度極限的分析，設計出各層環空中安裝泡沫套管的合理數量，表1給出了A1井各層環空泡沫套管設計參數。通過A1井投產多年的結果顯示，全井段各層環空壓力均正常，未曾出現因為環空壓力問題導致的井下套管擠毀、破裂等事故，證實了采用泡沫套管技術能夠有效控制環空壓力的上升，保障管柱安全和井筒完整性。

表1 泡沫套管設計參數Table 1 Foam casing design parameters

5 結論

(1)通過自制的裝置對試制的新型復合泡沫材料壓縮力學特性進行了靜水壓載試驗，實驗結果驗證了新材料壓縮過程具有彈性壓縮、屈服破環和致密化壓縮三個階段；當環空壓力達到復合泡沫材料啟動壓力時，空心玻璃微珠全部破裂，釋放出體積空間吸收環空壓力。

(2)對不同溫度環境(20、40、60 ℃)和微珠填充量(10%、15%、20%、25%、30%)的復合泡沫材料進行了靜水壓載實驗研究，實驗結果表明：溫度越高，泡沫材料的啟動壓力會下降，但對體積壓縮率的影響不明顯；隨著空心玻璃微珠含量的增加，泡沫材料啟動壓力會略微降低，體積壓縮率會增加。這為解決深水環空壓力上升問題提供了實驗依據。

(3)通過對A1井深水泡沫套管現場應用實例分析，驗證了本研究成果的合理性可行性。針對A1井進行泡沫套管優化設計，分別在B環空和C環空12、6根泡沫套管，可以最有效、經濟的控制環空壓力上升，保障管柱安全和井筒完整性。