高溫高壓下油井水泥環膠結強度測試新方法

徐璧華 盧 翔 謝應權

高溫高壓下油井水泥環膠結強度測試新方法

徐璧華 盧 翔 謝應權

西南石油大學石油與天然氣工程學院

固井注水泥完成后，水泥環與套管（Ⅰ界面）、與地層（Ⅱ界面）的膠結強度是影響固井質量的重要因素，但目前的水泥環膠結強度測量方法不能很好地模擬井下條件水泥環的形成以及泥餅的沖洗過程，致使測量出的膠結強度數據不能很好地為現場施工提供參考。為此，在分析現有測量水泥環膠結強度方法的基礎上，提出了一種能夠模擬井下條件的水泥環膠結強度的測量新方法，并且研制了相應的測量裝置。該裝置能夠模擬高溫高壓環境下不同鉆井液在巖心上形成泥餅、鉆井液泥餅的動態沖洗、水泥環的養護形成過程，并測量出水泥環與巖心、水泥環與模擬套管的界面膠結強度等。結論認為，利用該裝置能夠開展水泥環動態沖洗與高溫高壓養護實驗，還能測量第一界面與第二界面的膠結強度，較之于以前的方法更能貼合現場的實際，更具有實用價值；但要評價地層巖性、沖洗液體系等因素對膠結強度的影響還需要利用該裝置做進一步的深入研究。

固井質量 水泥環 沖洗過程 膠結強度 模擬測量裝置 測量方法 評價實驗 高溫高壓

固井注水泥完成后，水泥環與套管（Ⅰ界面）、與地層（Ⅱ界面）兩個界面膠結狀態的好壞對固井質量有重大的影響。目前，界面膠結強度的影響因素已較為明確，主要有地層壓力、地層水滲流、地層巖性、水泥石自身性能、鉆井液在地層形成的泥餅以及固井時對濾餅的沖洗效果等[1-8]。目前的測試方法與裝置雖然能在高溫高壓下養護水泥環后連續測出第I、第II界面的剪切膠結性能[9-12]，但是還不能很好地模擬井下水泥環的養護形成、泥餅的形成以及沖洗液動態沖洗過程。

因此，針對以前測試方法的不足和影響因素復雜性，筆者提出了一種新的測試方法并研制了相應裝置，在評價膠結性能時，模擬了地層巖心或人造巖心壁面泥餅形成與沖洗過程，模擬了水泥石與上述兩個界面同時膠結的情況，更加符合現場實際情況，對提高現場固井質量具有重要的意義。

1 新方法介紹

1.1 實驗裝置

實驗裝置為自行研制的固井水泥石膠結性能評價裝置，它集三大基本功能為一體：①模擬高溫高壓下不同鉆井液在巖心上形成泥餅；②模擬高溫高壓下鉆井液泥餅的沖洗，可在不同沖洗液、不同沖洗速度、沖洗時間下模擬沖洗效果；③模擬高溫高壓下水泥環的養護形成，并測量出水泥環與巖心、水泥環與模擬套管的界面膠結強度。圖1為固井水泥石膠結性能評價裝置實物圖，該裝置的主體由壓力養護釜、電磁驅攪拌器、增壓泵、氣動液壓管路系統、巖心夾持器、模擬套管、強度測試伺服試驗機等構成[13]。

圖1 固井水泥石膠結性能評價裝置實物圖

通過改變實驗壓力、巖心，上述的裝置①和②功能還可以實現鉆井液（或水泥漿）濾失量、泥餅厚度測量、評價和優選不同沖洗液體系等試驗研究。上述的裝置①和②功能的整個過程的原理如圖2所示。攪拌漿葉置于巖心周圍和攪拌漿葉的金屬棒頂在巖心頂部保證泥餅形成、沖洗的均勻性以及防止巖心頂部流場受到干擾。

當釜體內加入鉆井液時，攪拌器旋轉，此時巖心上可形成泥餅，這個過程可模擬泥餅的形成；當釜體內加入沖洗液時，攪拌器旋轉，沖洗液可以沖掉巖心上形成的泥餅，這個過程可以模擬泥餅的動態沖洗過程。

圖2 模擬泥餅形成與沖洗過程示意圖

1.2 試驗方法

利用該裝置進行膠結強度模擬測量實驗的實驗方法如下。

1.2.1 模擬井壁的制備

將石英砂按一定配比混合攪拌均勻后注入制備模具中，在一定外力作用下壓實形成未改性的人造巖心，待其晾干且具有一定的強度和硬度后摘去模具，制備成不同滲透率的巖心。對人造巖心進行加工，鉆取直徑25.4 mm、長75.0 mm的巖樣作為模擬井壁。

1.2.2 模擬鉆井液泥餅的形成

將巖心裝入巖心夾持器上，并將其放入養護釜內。向養護釜內泵入鉆井液，養護釜內升溫升壓至井下的模擬溫度和壓力。在升溫升壓前，不啟動磁驅動攪拌器以模擬井內鉆井液的靜濾失。升溫升壓至設定溫度壓力后，啟動電磁驅攪拌器攪拌鉆井液，以模擬鉆井液的動失水。根據現場的實際情況設定相應轉速。整個過程中打開裝置的失水閥以測量鉆井液濾失過程中的濾失量。失水完成后，取出巖心夾持器，用“針入法”測量泥餅厚度[14-17]。

1.2.3 模擬鉆井液泥餅的沖洗過程

將裝入巖心的巖心夾持器放入養護釜內，泵入沖洗液。要使鉆井液泥餅被清洗的效果與現場施工時的清洗效果接近，應盡量保持與現場相同的清洗時間和清洗速度。為此，根據現場的實際情況設定相應轉速，沖洗時間依據固井實際中沖洗液上返速度和模擬井深來共同決定（即沖洗時間為模擬井深與沖洗上返速度的比值）[18-19]。

1.2.4 模擬水泥漿注入與養護過程

沖洗完成后，取出巖心夾持器，安裝水泥石試模（也即模擬套管，內徑80 mm，高50 mm），向巖心和水泥石試模環空中灌注水泥漿。將水泥漿倒入至試模深度一半處，當所有試模都倒入水泥漿后，每個試樣都用搗棒搗拌約30次，然后手工攪拌剩余的水泥漿以重新懸浮水泥漿組分，并倒入每一試模，之后按前面所述方法進行搗拌（使水泥漿均勻和消除漿體中的氣泡，以免后續養護時氣泡對膠結強度產生影響）[19]試模裝滿后，將蓋板蓋在試模上部。加端蓋后放入養護釜內，泵入養護液在一定的溫度壓力下養護一定齡期（通常為24 h）。

1.2.5 膠結強度測試

養護結束后，整體取出巖心（水泥環的膠結情況如圖3所示，形成的水泥環的內徑24 mm，外徑80 mm，高50 mm），待冷卻后再在強度伺服機上測定其強度。

圖3 養護完成后水泥環與巖心、模擬套管膠結實物圖

膠結強度的測定[15,20-21]采用常規的“壓出法”[21]來測定抗壓強度值，然后利用公式換算出相應的膠結強度。利用該裝置的優點在于可同時測定水泥環與模擬套管（第I界面）、水泥環與巖心（第II界面）的機械膠結強度值，并且還可測定水泥環的抗壓強度，一次實驗可以獲取3個力學性能數據，使得水泥環的膠結質量評價更具說服力。圖4為水泥環與模擬套管（第I界面）、水泥與巖心（第II界面）的膠結強度測試實物圖。

圖4 水泥膠結強度測試實物圖

2 評價實驗及分析

利用自制的裝置進行了一組評價實驗，實驗情況如下。

2.1 實驗材料及參數

1）人造巖心、水泥漿、W21L沖洗液、水基鉆井液。

2）90 ℃×8 MPa×轉速310 r/min條件下模擬泥餅形成與沖洗過程。

3）110 ℃×21 MPa條件下模擬養護過程。

2.2 實驗結果及分析

2.2.1 泥餅形成

在90 ℃×8 MPa×270 min和310 r/min攪拌轉速條件下，利用現場用的鉆井液進行失水實驗后的泥餅形成情況，選取一個樣品拍照，如圖5-a、圖5-b所示。從圖中可以看出在動態失水條件下，巖心壁面形成了一層較厚的泥餅，量測其厚度約為1 mm。其中圖5-b為撥開泥餅露出巖心壁面的情況以示對比。

圖5 泥餅形成實物照片

2.2.2 沖洗泥餅

圖6所示為在90 ℃×8 MPa×10 min的沖洗條件下用W21L沖洗液沖洗泥餅后的巖心壁面的情況。從圖6中可以看出，經過沖洗后巖心壁面仍有一層薄薄的泥餅，在巖心的某些部分甚至能看到出露的巖心（白色部分所示）。對比圖5和圖6能很直觀地得出，W21L沖洗液具有一定的沖洗效果，當然其沖洗效果的評價還需進一步的實驗研究。

圖6 巖心壁面泥餅沖洗效果圖

2.2.3 水泥環力學性能測試

水泥與模擬套管（第I界面）、水泥與巖心（第II界面）的膠結強度數據如表1所示。

表1 水泥環測試的膠結強度表 MPa

從表1中可以看出，由該方法模擬測試的膠結強度穩定性高，而且能同時測量兩個膠結面的膠結強度。水泥與模擬套管（第I界面）的膠結強度比水泥與巖心（第II界面）的膠結強度大。當第I界面膠結強度升高時，相應的第II界面膠結強度升高。

3 結論及建議

1）研制出一套水泥環膠結強度模擬測量裝置，該裝置能夠實現泥餅的動態形成與沖洗、水泥漿養護以及水泥環的膠結強度測試。

2）模擬測量裝置測量膠結強度的實驗方法可以定性和定量地分析出巖心壁面形成泥餅的情況、沖洗液對巖心壁面泥餅的沖洗效果以及水泥環與兩個界面的膠結強度、水泥環的抗壓強度。

3）該模擬測量裝置提供了一種新的研究界面膠結強度的手段，能模擬水泥石與兩個界面同時膠結的情況，一定程度上更能貼合現場的實際，具有實用價值。要評價地層巖性、沖洗液體系等因素對膠結強度的影響還需利用該裝置做進一步的深入研究。

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(修改回稿日期 2016-09-08 編 輯 凌 忠）

A new bonding strength measurement method for oil well cement sheath under high temperatures and high pressures

Xu Bihua, Lu Xiang, Xie Yingquan
(School of Oil & Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China)

The bonding strength of cement-casing interface (interface I) and cement-formation interface (interface II) is an important factor affecting cementing quality. However, the current cement bonding strength measurement methods cannot simulate appropriately the formation of cement sheath and the flushing process of mud cake in wellbore conditions, so the measured bonding strength cannot be well used as the reference for field operation. In this paper, the existing cement bonding strength measurement methods were analyzed. Then, a new method which can simulate the cement bonding strength under the condition of the well was put forward, and the corresponding measurement device was developed. The device can be used to simulate the curing process of cement sheath, the dynamic flushing of mud cake and the mud cake which is made of drilling fluids on the cores under high temperatures and high pressures (HTHP). It can also be used to measure the bonding strength of cement-core interface and cement-simulated casing interface. To sum up, this device can be used for the experiments on dynamic flushing and HTHP curing of cement sheath and the bonding strength measurement of interfaces I and II. Compared with the previous methods, this new method is more applicable and practical. whereas a further study by use of this method and device is needed to evaluate the impact of lithology, flushing fluid system, etc. on the bonding strength.

Cement job quality; Cement sheath; Flushing process; Bonding strength; Simulated measurement device; Measurement method; Evaluation experiment; High temperatures and high pressures (HTHP)

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.11.008

徐璧華等.高溫高壓下油井水泥環膠結強度測試新方法.天然氣工業，2016, 36(11): 65-69.

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 11, pp.65-69, 11/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

國家“十二五”重大科技專項“低滲油氣田完井關鍵技術”（編號：2011ZX05022-006-005HZ）。

徐璧華，1964年生，副教授，碩士；主要從事油氣固井工程研究與教學工作。地址：（610500）四川省成都市新都大道8號。電話：（028）83032926。ORCID: 0000-0003-1284-0026。E-mail:xubh@vip.163.com