深水淺層固井膠結強度影響因素分析

王歡歡 楊進 劉正禮 徐佳俊 孟令雨 洪佳瑤 田波 汪文星

1.中國石油大學（北京）安全與海洋工程學院；2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司

固井系統膠結強度的好壞直接影響石油鉆探開發的效益和安全［1-4］。其中，一界面和二界面是封固系統的薄弱環節，很容易出現膠結質量問題，導致封隔性能的失效［5-6］。在溫度較低的情況下,深水油氣井中水泥漿的稠化時間將會延長，并且抗壓強度較低，流變性能較差［7］。BZ1-2井由于固井質量不佳，在600～800 m處遇到淺層氣，產生竄槽，導致事故發生。

目前，已有學者研究了套管表面濕潤性、溫度、地層條件等因素對固井膠結強度的影響［8-12］。初步實踐表明，可以通過改變一、二界面的性質以及鉆井固井工藝等來改善界面膠結質量［13-15］。考慮深水淺部地層的特殊性，基于綜合調研分析，開展了深水淺部地層固井室內模擬實驗，研究水泥強度、候凝時間和套管尺寸對淺層固井膠結強度的影響，為合理進行淺層固井的設計提供指導。

1 室內模擬實驗

室內模擬實驗原型不能是任意的，必須遵循一定的相似準則才能得出符合要求的結果。在本實驗中需要滿足以下主要條件：(1)模擬淺層土成分與南海區塊淺層土成分相同或相近；(2)水泥采用現場使用的高強度水泥(G級水泥)為實驗基準，并選取強度低于G級水泥的2種水泥(425#水泥和525#水泥)開展對比實驗；(3)實驗所用套管模型采用海上常用的?660.4 mm二開固井套管按照1∶8.666 7相似比例縮小后得到，即實驗套管柱外徑為?76.2 mm，為了驗證模擬套管與正常尺寸套管固井膠結強度規律變化的一致，同時進行了?50.4 mm和?114.3 mm套管的模擬實驗；(4)根據淺層固井設計相關標準的調研結果，依據標準中的設計原則和計算公式，按照相似比計算水泥環厚度、井眼尺寸及深度：?50.4 mm套管的井眼尺寸為?72.12 mm；?76.2 mm套管的井眼尺寸為?106.68 mm；?114.3 mm套管的井眼尺寸為?162.56 mm，井眼深度約為25 cm。

1.1 實驗裝置

實驗池尺寸為 160 cm ×160 cm ×60 cm (長×寬×高)，共布置?50.4 mm、?72.12 mm和?114.3 mm套管各3根，間隔均為40 cm，套管間距及套管與實驗池側壁的距離均大于3倍的套管直徑，同時每一排和每一列都布置不同尺寸的套管，以消除邊界效應。

9根套管編號及位置如圖1所示，其中：?50.4 mm套管編號為：1#、4#、7#；?72.12 mm套管標號為：2#、5#、8#；?114.3 mm 套管標號為：3#、6#、9#。

圖1 實驗套管布置方案俯視圖Fig.1 Plan view of layout scheme of simulated casing

1.2 實驗流程

(1)實驗室下覆土層后，將固井模具預置于設計位置 (圖2)。

圖2 深水淺層固井膠結強度模擬實驗示意圖Fig.2 Schematic simulation experiment on the cementing strength of shallow cementing in deep water

(2)在固井模具周邊敷設土層，反復壓實靜置直至密實，靜置24 h。

(3)在模具內插入實驗套管并注水泥。

(4)水泥基本成型時小心取出模具，在實驗土層上方注水形成水層，等待候凝時間點，從候凝2 h開始至24 h，每隔0.5 h設置一個候凝時間點，共設45個候凝時間點。

(5)在達到設置的候凝時間點結束時，將套管與拉力裝置連接。

(6)勻速上提套管直至任一膠結界面發生破壞，記錄上提過程中拉力的最大值。

(7)觀察膠結面的破壞情況和拉力數據。

(8)重新配置相同的土樣和水泥環模型，改變設定的候凝時間重復上述步驟。

上述方法可以測量土質環境下不同型號水泥漿的膠結強度。基于上述所得壓力值計算水泥的膠結強度為σ=F/S。其中，σ為水泥的膠結強度，MPa；F為上述所得壓力值，kN；S為水泥環的受力面表面積，m2。

套管與水泥膠結強度的變化可以體現在上提力的變化上［2］。當候凝時間較短時，水泥環未完全固結在套管上，鋼管樁可從水泥環內膠結面(第一膠結面)提出；當第一膠結面達到膠結強度，上提鋼管樁時，水泥環會與鋼管樁一同從模擬地層中被拔出［5］。

2 水泥強度對水泥環膠結性能的影響

2.1 水泥強度對第一界面膠結性能的影響

不同標號的水泥環，在經過不同候凝時間后，上提力隨時間的變化趨勢見圖3。在候凝時間小于2 h的情況下，所有模擬套管均能從水泥環中拔出，表現為第一膠結面被破壞；候凝時間達到4 h時，425#水泥所環繞的套管可從水泥環中拔出，525#水泥和G級水泥連同套管一同從土壤中拔出；候凝6 h及以后，3種標號的水泥均為套管加水泥環從土壤中拔出，表現為第二膠結面被破壞。

圖3 第一界面膠結強度隨候凝時間的變化趨勢Fig.3 Variation trend of the cementing strength of the first interface with the waiting on cement

3種強度水泥環的膠結強度均隨候凝時間的延長而增加，G級水泥與鋼管樁完全固結所需候凝時間為4.5 h，425#和525#水泥與鋼管樁達到完全固結所需候凝時間為5 h。通過變化趨勢圖可以看出，在3種水泥達到第一界面膠結要求時，膠結強度由大到小依次排序為：G級水泥，525#水泥，425#水泥。

2.2 水泥類型對第二界面膠結強度的影響

在第一膠結面達到膠結強度要求時，通過裝置上提鋼管樁，水泥環會連同鋼管樁一起從地層中拔出，該過程中最大的上提力可反應水泥環第二膠結面的膠結強度。在不同的候凝時間點上提鋼管樁，上提力曲線見圖4。

圖4 第二界面膠結強度隨候凝時間的變化趨勢Fig.4 Variation trend of the cementing strength of the second interface with the waiting on cement

由實驗可見，G級水泥第二膠結面膠結強度高于525#水泥和425#水泥，強度差值在8 h時達到最大，但隨著時間的延長，G級水泥膠結強度與525#、425#水泥膠結強度的差值變小。在后期，不同強度水泥的膠結強度已趨近相同。

由此說明，水泥環界面強度發展規律與水泥本身強度有關，但所選的3種水泥到后期的水泥強度趨于相近，因此可考慮用低強度的水泥漿進行深水淺部地層固井作業，以節約成本。

2.3 候凝時間對水泥環膠結強度的影響

水泥候凝時間也是影響深水淺層固井質量的重要因素之一。如果候凝時間不夠，水泥沒有完全凝固，水泥環的性質不穩定，強度低，進行下一步鉆井施工時易產生安全事故。反之，水泥候凝時間過長，針對管外水泥漿充填不好的水泥環，容易造成評價過高，增加時間成本［3-4，6］。通過進行模擬深水淺層固井工況的上提測試實驗，采集上提套管過程所需的最大拉力，以檢驗水泥不同候凝時間的固結效果。在不同的候凝時間點上提套管，測量上提力。把實驗數據繪制在圖表中如圖5所示。

圖5 不同標號水泥環上提所需拉力隨時間變化Fig.5 Variation of the pulling force for uplifting the cement sheath of different grades with the time

3種水泥環的膠結強度均隨候凝時間的延長而增加。隨著候凝固結時間的延長，第二界面膠結強度增加趨勢放緩，說明適當增加候凝時間提高水泥環的膠結強度，但候凝時間不宜太長，后續可進行最佳候凝時間范圍研究，保證時間成本與膠結強度最優化。

3 套管尺寸對水泥環膠結強度的影響

3.1 套管尺寸對第一界面膠結強度的影響

提取實驗中相同類型水泥，不同套管尺寸情況下，套管與水泥環之間的膠結強度隨候凝時間變化的數據如圖6所示。通過綜合對比分析實驗數據可以看出，3種不同套管尺寸的水泥環膠結強度都隨著固井候凝時間延長而增加，但膠結強度的增加量逐漸降低，變化趨勢一致。所以按照比例尺縮小的室內模擬實驗可以反映真實固井情況下膠結質量的變化，利用本文設計的模擬實驗進行固井膠結強度的分析具有可行性。

圖6 套管尺寸對于第一界面膠結強度的影響Fig.6 Effect of casing size on cementation strength of the first cementation surface

3.2 套管尺寸對第二界面膠結強度的影響

提取實驗中相同類型水泥，不同套管尺寸情況下，水泥環與地層之間的交接強度隨候凝時間變化的數據如圖7所示。通過綜合對比分析實驗數據可以看出，3種水泥的膠結強度在不同尺寸套管之間的對比會有波動，但在后期穩定的階段，使用3種類型的水泥進行固井時，按水泥環膠結強度排序為：?50.4 mm套管＞?76.2 mm套管＞?162.56 mm套管；但3種套管尺寸條件下，膠結強度都隨時間而增加，且其變化趨勢一致。

圖7 套管尺寸對第二界面膠結強度的影響Fig.7 Effect of casing size on cementation strength of the second cementation surface

由實驗結果可以分析得出，深水淺層固井的套管尺寸減小，相同條件下的膠結強度會增加，但對其隨時間的變化規律沒有影響，所以按照一定比例建立的室內模擬實驗可以模擬正常工況下的水泥環膠結變化的規律。

4 結論與認識

(1)利用相似性原理建立的室內深水淺層固井模擬實驗具有可信性，可反應現場實際固井工況。

(2)深水淺層固井水泥環膠結強度受水泥自身強度的影響可忽略不計，因此可考慮研發低強度的固井水泥以及配套的添加劑代替高強度的G級水泥用于淺部地層固井作業，以降低成本。

(3)雖然隨候凝時間的延長，深水淺層固井的膠結強度隨之增強，但后期增加的幅度很小，故單純地延長候凝時間會增加時間成本。下一步可以延長實驗的候凝時間，探究深水淺層固井候凝時間的最優化區間，使得固井的時間成本和固井質量最優化。