水泥類型對固井水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度與密封性影響的研究

劉保波，陳 彬，李 彬，魏裕森，龐東豪，傅 超

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司 廣東深圳 518054；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 廣東深圳 518000；3.中國石油大學(xué)(北京) 北京 102249)

0 引言

提高固井質(zhì)量有助于延長油水井開采壽命，增加勘探開發(fā)效益[1]。封固系統(tǒng)中第一膠結(jié)面和第二膠結(jié)面作為薄弱環(huán)節(jié)，很容易因為膠結(jié)質(zhì)量問題導(dǎo)致封隔性能失效。由于海上現(xiàn)場不具備進(jìn)行相關(guān)實驗研究的條件，因此有必要在室內(nèi)開展相關(guān)模擬實驗[2]，研究深水淺層不同型號的固井水泥界面的膠結(jié)強(qiáng)度及密封質(zhì)量。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗變量

1.1.1 水泥類型

本次實驗采用標(biāo)號為425#、525#和海上固井G 級水泥3 種類型的水泥。3 種類型的水泥均為純水泥，不摻入任何添加劑。

1.1.2 候凝時間

本實驗分別為2、4、5、6、8、10、12、13、18、24 h，共計10 個實驗點。

1.1.3 套管尺寸本次實驗的套管尺寸分別為2 in(50.8 mm)和3 in(76.2 mm)。

1.2 實驗方案

1.2.1 套管布置方案

實驗池尺寸為140 cm×105 cm×100 cm(長×寬×高)，共布置2 in(50.8 mm)和3 in(76.2 mm)套管各3 根，間隔均為35 cm，套管間距及套管與實驗池側(cè)壁大于3 倍的套管直徑，以消除邊界效應(yīng)。各套管在實驗池中的位置見圖1。

圖1 套管位置示意俯視圖Fig.1 Top view of position of casing

1.2.2 密封性和膠結(jié)強(qiáng)度實驗方案

將固井模具放置在設(shè)計位置，在模具周圍壓緊土層，插入實驗套管，在環(huán)空處注入水泥。待水泥基本成型后取出模具，在實驗土層上方注水，等待候凝時間。圖2 為密封性和膠結(jié)強(qiáng)度的實驗準(zhǔn)備工作。

圖2 密封性和膠結(jié)強(qiáng)度實驗準(zhǔn)備工作Fig.2 Preparations for sealing and bonding strength experiments

到達(dá)候凝時間點時，用加壓管線連接套管和加壓泵，向套管內(nèi)極為緩慢地注氣加壓；憋壓一段時間后，觀察泥線處剛剛出現(xiàn)氣泡返出時，氣壓的大小和位置；持續(xù)注氣，連續(xù)觀察氣泡數(shù)量、位置及氣壓大小的變化情況，驗證第一膠結(jié)面和第二膠結(jié)面的固井密封性。

在上述每一個候凝時間點氣密性測試結(jié)束時，立刻卸下加壓裝置，將套管與拉力裝置連接；勻速上提套管直至任一膠結(jié)界面發(fā)生破壞，記錄上提過程中拉力的最大值；觀察膠結(jié)面的破壞情況，記錄拉力數(shù)據(jù)。密封性和膠結(jié)強(qiáng)度測試實驗見圖3，套管、水泥環(huán)示意圖見圖4。

圖3 密封性和膠結(jié)強(qiáng)度測試實驗圖Fig.3 Experimental diagram of sealing and bonding strength testing

圖4 套管、水泥環(huán)示意圖Fig.4 Schematic diagram of casing and cement sheath

2 實驗結(jié)果分析

2.1 氣密性測試實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)果

本實驗設(shè)定候凝時間為2、4、5、6、8、10、12、13、18、24 h。具體實驗數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 套管氣密性測試實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Data of casing airtightness test

候凝2 h 后，使用3 種水泥進(jìn)行套管固結(jié)，套管的第一膠結(jié)面均有氣泡冒出。說明候凝2 h 時間過短，第一膠結(jié)面強(qiáng)度極低。

候凝4 h 后，使用425#、525# 2 種普通硅酸鹽水泥固結(jié)的套管在第一膠結(jié)面、第二膠結(jié)面均有氣泡冒出；而使用G 級水泥固結(jié)的套管只有第二膠結(jié)面有氣泡冒出。此時G 級水泥第一膠結(jié)面達(dá)到固結(jié)密封。

候凝5 h 后，使用425#、525#、G 級3 種水泥進(jìn)行實驗套管固結(jié)，水泥環(huán)的第二膠結(jié)面均有氣泡冒出。此時3 種水泥第一膠結(jié)面均達(dá)到固結(jié)密封。

候凝10 h 后，使用425#、525# 2 種水泥固結(jié)的套管在第二膠結(jié)面有氣泡冒出，而使用G 級油井水泥固結(jié)的套管在實驗池的邊緣有氣泡冒出。此時G 級水泥第二膠結(jié)面達(dá)到固結(jié)密封。

候凝13 h 后，使用425#、525#、G 級3 種水泥進(jìn)行實驗的套管固結(jié)，氣泡全部在第二膠結(jié)面以外、接近實驗池邊緣的地方冒出。此時3 種水泥第二膠結(jié)面均達(dá)到固結(jié)密封。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制2 in(50.6 mm)套管氣密性隨時間變化圖如圖5，3 in(76.2 mm)套管氣密性隨時間變化圖如圖6。

圖5 2 in套管氣密性隨時間變化圖Fig.5 Variation diagram of airtightness of 2 in casing with time

圖6 3 in套管氣密性隨時間變化圖Fig.6 Variation diagram of airtightness of 3 in casing with time

由圖可知，隨著時間的增加，氣壓值的增加趨勢變緩，G 級水泥第一、第二膠結(jié)面固結(jié)密封時效均高于425#水泥和525#水泥。

2.2 膠結(jié)性測試實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)果

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，2 h 之前，所有套管均從水泥環(huán)中拔出；4 h 時，低標(biāo)號水泥均從水泥環(huán)中拔出，中標(biāo)號水泥和G 級水泥套管連同水泥環(huán)從土壤中拔出；6 h 及以后，3 種標(biāo)號水泥均為套管加水泥環(huán)從土壤中拔出。

2.2.1 水泥漿與隔水導(dǎo)管之間的膠結(jié)強(qiáng)度分析

隔水導(dǎo)管與水泥膠結(jié)強(qiáng)度的變化可以體現(xiàn)在側(cè)向摩擦力的變化上，可以通過實驗測出水泥環(huán)與鋼管樁及土壤的平均側(cè)向摩擦力，即側(cè)向摩擦力的變化反映了膠結(jié)強(qiáng)度的變化。表2 為前6 h 套管膠結(jié)強(qiáng)度測試實驗數(shù)據(jù)，繪制不同標(biāo)號水泥漿與套管之間內(nèi)摩擦力隨時間變化曲線，如圖7。

圖7 不同標(biāo)號水泥漿與套管之間內(nèi)摩擦力隨時間變化圖Fig.7 Variation of internal friction between cement paste with different grades and casing with time

表2 前6 h套管膠結(jié)強(qiáng)度測試實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Data of casing bond strength test in first 6 h

2.2.2 水泥漿與海底土之間的膠結(jié)強(qiáng)度分析

固井6 h 之前，鋼管樁從水泥環(huán)中拔出，所以在此只給出6 h 之后水泥漿與海底土之間的膠結(jié)強(qiáng)度的變化，見表3。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制不同標(biāo)號水泥漿與海底土之間內(nèi)摩擦力隨時間變化曲線，如圖8。

表3 6 h后套管膠結(jié)強(qiáng)度測試實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Data of casing bond strength test after 6 h

續(xù)表3

圖8 不同標(biāo)號水泥漿與海底土之間內(nèi)摩擦力隨時間變化圖Fig.8 Variation of internal friction between cement paste with different grades and submarine soil with time

由實驗數(shù)據(jù)不難看出，3 種標(biāo)號的水泥隨著候凝固結(jié)時間的增加，第二界面膠結(jié)強(qiáng)度增加趨勢放緩[3]；3 種標(biāo)號水泥第一、第二膠結(jié)面的單位面積摩擦力均隨著套管尺寸的增加而減小。

3 結(jié)論

綜合上述實驗結(jié)果，得出結(jié)論如下：

①水泥漿硬度的差異對淺部弱膠結(jié)地層固井第二膠結(jié)面密封性的影響較小，但候凝時間對固井第二膠結(jié)面密封性的影響較大，適當(dāng)延長候凝時間比提高水泥強(qiáng)度更有助于固井第二膠結(jié)面密封性能的提高。考慮淺層地質(zhì)災(zāi)害，建議延長固井候凝時間，以確保第二膠結(jié)面膠結(jié)質(zhì)量。

②由于低標(biāo)號水泥與G 級水泥在氣密性和膠結(jié)強(qiáng)度方面相差較小，可以考慮研發(fā)低標(biāo)號固井水泥以及配套添加劑代替G 級水泥用于淺部地層固井作業(yè)，以降低成本。