水泥封固段長度對固井膠結(jié)面密封能力影響的試驗研究

岳家平,耿亞楠,武治強 (中海石油(中國)有限公司北京研究中心，北京 100028)

黃志強,曲路路,鄭雙進 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

在油氣井全生命周期內(nèi)，水泥環(huán)起著封隔油氣層、保護套管的重要作用，是保持井筒完整性的關(guān)鍵所在[1]。由于固井后試壓、試油、壓裂等不同作業(yè)工況導(dǎo)致的溫壓變化，使得水泥環(huán)密封完整性面臨著巨大挑戰(zhàn)[2～4]，近年來國內(nèi)外學(xué)者針對溫壓變化對固井膠結(jié)面密封能力的影響開展了實驗研究，分析發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護溫度、養(yǎng)護時間及溫度變化等直接影響固井膠結(jié)強度[5～8]，另外水泥封固長度對固井膠結(jié)面密封能力也有不可忽視的影響，即便水泥環(huán)膠結(jié)良好，如果水泥環(huán)縱向長度太短，也難以承受作業(yè)期間產(chǎn)生的壓差，所以有效的水力密封必須依賴于足夠的有效膠結(jié)長度[9～13]。在水泥環(huán)返深對固井膠結(jié)面密封能力的影響研究方面，張波等[14]分析認為降低水泥環(huán)返深能夠降低持續(xù)環(huán)空壓力的上升速度和極限值，可以通過降低水泥環(huán)返深把環(huán)空壓力極限值控制在環(huán)空最大允許壓力以下。陳正茂[15]通過數(shù)值模擬手段分析了水泥環(huán)返深附近區(qū)域固井一界面和二界面的受力情況，分析認為增大水泥環(huán)高度有利于改善水泥環(huán)的軸向受拉狀態(tài)；針對高溫高壓氣井，一方面應(yīng)適當提高水泥環(huán)高度以改善水泥環(huán)頂面以下局部范圍內(nèi)的受力狀況，另一方面可通過改善水泥漿性能提高頂部水泥段與套管以及地層的膠結(jié)強度，從而保證膠結(jié)面的完整性。從以上調(diào)研可以看出，水泥環(huán)封固段長度及界面膠結(jié)強度對于保障井筒完整性及油氣安全生產(chǎn)十分重要。筆者基于自研的水泥環(huán)密封完整性評價試驗裝置，運用氣竄法測試了高溫高壓養(yǎng)護條件下不同封固段長度水泥環(huán)的氣密封能力，試驗結(jié)論對于指導(dǎo)深水高溫高壓氣井水泥返深設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1 儀器設(shè)備

1.1 水泥環(huán)密封完整性評價裝置

水泥環(huán)密封完整性評價裝置(自制)主要包括井筒模擬系統(tǒng)、壓力施加與控制系統(tǒng)、溫度施加與控制系統(tǒng)、氣竄模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)以及室內(nèi)模擬聲波測井儀，水泥環(huán)密封完整性評價裝置實物如圖1所示。模擬井筒高度為1m，模擬井筒外徑為400mm，可模擬8in井眼內(nèi)下7in套管固井工況，模擬井徑擴大率為0%～15%，圍壓與套管內(nèi)壓施加能力為70MPa，氣竄壓力施加能力為20MPa，溫度施加能力為-5～200℃，模擬套管居中度為50%～100%。運用該裝置可開展不同水泥封固長度、不同溫度、不同壓力以及溫度壓力循環(huán)交變條件下的水泥環(huán)密封完整性評價試驗。

1.2 室內(nèi)模擬聲波測井儀

室內(nèi)模擬聲波測井儀采用單發(fā)雙收聲系(1個聲波發(fā)射探頭+2個聲波接收探頭)，聲波發(fā)射探頭距1#接收探頭43cm，距2#接收探頭68.5cm，可以模擬現(xiàn)場進行聲幅測井，實物圖如圖2所示。聲波發(fā)射探頭發(fā)射聲波以一定角度斜入射至套管、水泥環(huán)、地層，然后在套管、水泥環(huán)、地層中傳播，并折射至聲波測井儀被聲波探頭接收，縱向分辨率0.17m。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)測試

表1 南海某油田固井水泥漿體系配方

為深入研究水泥環(huán)密封完整性失效機理，針對密度為2.15g/cm3的固井水泥漿體系開展單軸巖石力學(xué)參數(shù)測試試驗，試驗選用南海某油田固井水泥漿體系為試驗材料(密度為2.15g/cm3)，其組成配方如表1所示，巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，在150℃條件下，隨著養(yǎng)護時間的延長，水泥環(huán)在7d左右抗壓強度逐漸趨于平穩(wěn)，抗壓強度約為18MPa，彈性模量約為5.5GPa，表明在水泥環(huán)本體未發(fā)生破壞的工況下，地層流體通過水泥環(huán)本體竄流的可能性較小。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果表

2.2 水泥環(huán)膠結(jié)面CT掃描測試

微型水泥環(huán)膠結(jié)試件實物圖如圖3所示，水泥環(huán)一界面試驗前后CT掃描孔隙圖如圖4所示，水泥環(huán)二界面試驗前后CT掃描孔隙圖如圖5所示，圖中分別用藍色和紅色標注試驗前后一界面和二界面的孔隙變化。對比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，氣竄試驗前一界面和二界面孔隙度均較小，氣竄試驗后一界面和二界面孔隙度大幅增大，表明一界面和二界面為的氣體的主要竄流通道；由于該微型試驗裝置模擬套管和模擬井壁均采用PEK材質(zhì)加工，表面光潔度相差無幾，一、二界面膠結(jié)強度相當，所以一、二界面均有氣體竄流通過。

2.3 水泥環(huán)密封完整性評價

按照水泥∶細沙∶水(質(zhì)量比)為1∶3∶0.5的配比配制水泥砂漿制做模擬地層，養(yǎng)護約8h后拆開地層模具，取出模擬套管，繼續(xù)養(yǎng)護模擬地層7d，養(yǎng)護結(jié)束后將模擬地層裝入模擬井筒，并試圍壓。將7in套管置入模擬井筒，按照表1所示的配方配制水泥漿，將水泥漿倒入試驗裝置的模擬環(huán)空，向套管內(nèi)注入導(dǎo)熱油，下入模擬聲波測井儀，密封試驗裝置。

運用溫度控制系統(tǒng)將導(dǎo)熱油加熱至160℃，并施加環(huán)空壓力5MPa，施加圍壓15MPa，施加套管內(nèi)壓9.5MPa，養(yǎng)護72h；待水泥漿養(yǎng)護結(jié)束后，首先進行模擬聲幅測井，測試水泥環(huán)膠結(jié)良好狀態(tài)下的聲幅值，然后運用氣竄系統(tǒng)測試水泥環(huán)封隔的氣竄壓力，并記錄水泥環(huán)失效時的氣體體積流量。按照上述試驗過程分別測試水泥環(huán)封隔長度0.2、0.6、1m 3種工況條件下的氣竄壓力測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示，由表3不難發(fā)現(xiàn)，隨著水泥環(huán)封固長度的增加，水泥環(huán)氣竄壓力逐漸增大。因此，延長水泥環(huán)有效封固長度，增大水泥環(huán)界面膠結(jié)面積，有助于防止地層流體竄流至井口形成環(huán)空帶壓。對表3中的數(shù)據(jù)進行擬合，得到了試驗工況膠結(jié)條件下的氣竄壓力(y)隨水泥環(huán)封固長度(x)的變化關(guān)系式：

y=0.2125x+0.9958

表3 不同水泥環(huán)封固高度條件下的氣竄壓力試驗結(jié)果

2.4 聲波幅度測井模擬

針對水泥環(huán)高度為1m工況下的模擬井筒進行聲波幅度測井模擬，測井曲線如圖6所示。其中圖6(a)為1#探頭接收到的套管波曲線，圖6(b)為2#探頭接收到的套管波曲線。

由圖6可以看出，水泥環(huán)被氣竄突破后1#探頭接收到的套管波曲線中首波幅度為212mV，2#探頭接收到的套管波曲線中首波幅度為116mV，比水泥環(huán)被氣竄突破前探頭接收到的套管首波幅度明顯增大，表明該試驗工況條件下套管與水泥環(huán)膠結(jié)良好。氣竄試驗后，水泥環(huán)一界面被氣體突破形成了微環(huán)隙，造成聲波幅度測井值增大，表明試驗所測氣竄壓力數(shù)據(jù)有效，也進一步驗證了固井膠結(jié)面為氣竄的主要通道。

3 結(jié)論

1)水泥環(huán)巖石力學(xué)參數(shù)測試和水泥環(huán)膠結(jié)面CT掃描測試結(jié)果表明，在水泥環(huán)本體未發(fā)生破壞條件下，水泥環(huán)膠結(jié)面為氣體的主要竄流通道。為了保證水泥環(huán)密封完整性，提高水泥環(huán)與套管和井壁的膠結(jié)強度十分關(guān)鍵。

2)基于不同水泥環(huán)封固長度的水泥環(huán)密封完整性試驗，得到了水泥環(huán)氣竄壓力隨封固段長度的變化規(guī)律。隨著封固段長度的增加，氣竄壓力逐步增大，表明增大水泥封固段長度有助于防止地層流體竄至井口形成環(huán)空帶壓。

3)針對水泥環(huán)高度為1m工況下模擬井筒進行了氣竄試驗前后的聲波幅度測井模擬，測井結(jié)果表明，氣竄試驗前套管與水泥環(huán)膠結(jié)良好，氣竄試驗后水泥環(huán)一界面被氣體突破形成了微環(huán)隙，進一步驗證了固井膠結(jié)面為氣竄主要通道的結(jié)論。