環空擾動固井二界面膠結性能評價裝置及方法

柳華杰， 步玉環， 梁 巖， 郭勝來， 王 巖

（1．中國石油大學（華東）a．山東省油田化學重點實驗室，非常規油氣開發教育部重點實驗室；b．石油工程學院，山東青島266580；2．中石化勝利石油工程有限公司黃河鉆井總公司，山東東營257000；3．中國石油山東威海銷售分公司，山東威海264200）

0 引 言

目前，多數老油田已處于注水開發中后期，長期注水開發使儲層進入高含水階段，油水關系十分復雜，為挖掘剩余產能并提高最終采收率進行加密調整鉆井時，由于周邊注采井停注、停采措施的制定較為盲目且執行不力，導致地層水處于流動狀態，這會對調整井固井二界面（即水泥環與井壁膠結界面）的膠結產生不利影響，進而惡化其固井質量［1］。本文把水泥漿候凝狀態下二界面膠結質量受到流動的地層水產生的干擾和破壞稱之為地層水的擾動條件下固井（簡稱為地層水擾動）。

影響固井二界面膠結性能的不利因素主要有［2-8］：① 地層因素。包括巖性、孔滲特性、溫度、壓力及地層流體等。② 井眼情況。不規則的井眼條件會降低頂替效率，窩存“死泥漿”，降低膠結質量。③ 沖洗液性能。沖洗液的潤濕性及對浮泥餅的沖洗性能也是影響膠結的重要因素。④ 泥餅。泥餅的存在對固井二界面的膠結來說是不利的。⑤ 水泥漿性能。水泥漿性能不達標是導致固井二界面膠結差的直接原因。

綜合來看，當前考慮地層水對固井二界面膠結質量影響的研究較少，且大多只考慮靜止條件下地層水對水泥漿的腐蝕，未考慮水泥漿在井下侯凝時所處的動態環境會使研究失去很大價值［9］，因為靜態地層水對水泥的腐蝕是一個長期過程，且主要取決于水中腐蝕離子的類型及濃度［10］，這種影響大多在注水開發后期的高含水區塊，而不會在固井作業完成后的測井中顯現。地層水擾動對固井二界面膠結性能的影響更加直接，可以直接在固井候凝后的固井質量檢測中顯示，并且沒有可靠的辦法進行固井質量的補救。

關于固井二界面膠結性能的評價，目前未見有統一的方法和標準，相關室內研究一般通過測試其剪切膠結強度和水力膠結強度來進行，但由于固井二界面水力膠結強度的測試相對困難，以至在筆者所見的研究中鮮有涉及，前人多數是基于壓出法測試剪切膠結強度來評價固井二界面的膠結性能，較典型的有羅長吉等［11］設計制作的水泥環界面膠結強度儀，中國石油工程技術研究院［9］研發的水泥環界面剪切膠結強度測試儀等，但是這不足以表征固井二界面的水力封隔能力。顧軍等［12］根據固井二界面的失效機理，制作了固井二界面封隔能力仿真評價裝置，通過直接向固井二界面施加氣、液壓力，計算求得氣侵或水侵條件下固井二界面的當量滲透率，其值越小就證明固井二界面的封隔能力越好，但該裝置未對巖心端面形成有效密封，只適用于評價低滲泥質粉砂巖隔層的固井二界面膠結性能，不具有普適性，所以亟需找到一種適用性更廣的固井二界面水力膠結強度測試方法。

本文從固井二界面膠結的角度弄清地層水擾動對固井質量產生的影響入手，設計并加工制作了一套擾動條件下固井二界面膠結性能評價裝置，根據設計原理及思路，探索出實驗研究的操作步驟及擾動條件下固井二界面膠結性能評價方法。該裝置的研制及評價方法可以用于開展動靜態、不同礦化度地層水、二界面氣密性條件下研究，為減弱地下擾動對固井二界面的影響、提高老油田調整井固井質量提供實驗保證，為確定合理的候凝注采措施奠定基礎。

1 裝置設計思路

室內模擬實驗的基礎和關鍵是對水泥漿在井下候凝時受到地層水擾動的實際情況進行模擬。根據對實際固井候凝條件的分析認為，實驗中需要模擬的因素主要有：地層滲透特性、水泥漿體系類型、井下溫度及地層孔隙壓力、水泥漿候凝過程中的受壓狀態等，其中：①地層滲透特性，主要是對地層滲透率、孔隙度以及地層水流動狀態的模擬，重點是對地層水流動狀態的模擬。流過巖心的流量可以轉化為流速（單位時間內流過巖心的水量的大?。?，即通過改變流過巖心的流量來模擬不同的地層水擾動程度，也就是說出水口流量的大小決定了水流速的快慢，這也就對應了不同的擾動程度。對地層滲透率和孔隙度的模擬可以使用不同孔滲特性的圓環形模擬巖心來實現。②壓力模擬主要是對水泥漿受壓狀態和地層孔隙壓力的模擬。其中水泥漿受壓狀態是指水泥漿受到的上部漿柱壓力，且隨著水泥漿的膠凝失重，這個壓力是逐漸減小的，室內實驗時可通過動態壓力變化來控制上部漿柱壓力，使實驗更加接近現場實際；地層孔隙壓力可以將養護釜出水口與回壓裝置連通從而控制模擬巖心內的水壓來實現。③溫度的模擬可以通過釜體外加熱的自動控制系統來實現，以便模擬地層的溫度條件。

養護完成后，主要通過測試剪切膠結強度和水力膠結強度這兩個指標來評價固井二界面的膠結性能，這種評價方式克服了剪切膠結強度不能表征固井二界面的抗水壓滲透能力及密封性能的缺點，因為從水泥環有效封隔地層的角度來說，水力膠結強度比剪切膠結強度更重要。

2 裝置的構成

根據上述設計思路對裝置各部分及功能的實現方式進行了設計，設計后的裝置主要由養護釜、壓力系統、評價系統、加熱控溫系統等組成，如圖1所示［13］。

（1）養護釜。養護釜是實驗裝置的主體，由釜體、上封蓋、下封蓋和螺栓等組成。實驗時使用圓環形人造巖心模擬井下滲透性地層，由上端蓋內筒將配制好的水泥漿灌入巖心內筒中，從而模擬形成固井二界面，并且在上端蓋內筒中預留一段水泥漿，目的是在養護過程中隨著水泥漿向巖心中失水導致巖心內漿柱高度下降時這部分水泥漿可以補充到巖心中去，從而保證巖心內的水泥漿自始至終處于充滿狀態。下端蓋中心有一深為5 mm的凹槽，凹槽中心開有下打壓孔，進行養護時，凹槽內放置一個鋼制墊片，目的是防止水泥漿流入下打壓孔將其堵塞，養護完成后，取出鋼制墊片，將平流泵與下打壓孔連通來測試固井二界面的水力膠結強度。在釜體下部設置進水口，而在上部對面設置出水口，以便使得擾動模擬過程中模擬流動水可以流過二界面形成擾動。

圖1 環空擾動條件下固井二界面膠結性能評價裝置結構示意圖

養護釜封蓋與圓環形巖心端面之間設有圓環形密封板，其大小與圓環形巖心端面尺寸匹配，這樣上緊上、下封蓋后通過螺栓提供的巨大連接力可以將密封板緊緊地壓在巖心端面上，從而實現了對巖心端面的密封。

（2）壓力系統。為了實現對地層水流動狀態的模擬，實驗時需要在圓環形模擬巖心內形成定向流動，以多排井中產液井周圍的滲流情況為模型，使用圓環形巖心來模擬井下滲透性地層，通過平流泵驅動水由進水口進入巖心，流經巖心后由出水口流出，裝置出水口與回壓裝置連通，只有當巖心中水壓大于回壓才會有水流出，模擬的地層孔隙壓力值與回壓值相等。

在養護釜內壁與圓環形巖心之間設計了環壓膠套，通過手搖泵對環壓膠套加壓來實現圓環形巖心與膠套之間的密封，保證由進水口流入的水不從膠套與巖心之間的縫隙流走，只能經巖心由出水口流出，進而保證了上述定向流動的實現。

對上部漿柱壓力的模擬則通過氣瓶推水裝置對柱塞加壓來實現，使用柱塞可以保證壓力傳遞的較為徹底，使用氮氣瓶通過中間容器對水加壓的好處是可以保持壓力恒定，壓力的控制是通過調壓閥來完成的。回壓裝置回壓值的大小是通過與之連通的手搖泵來控制的。各壓力數值均可由對應的精密壓力表直接讀出。

（3）評價裝置。目前評價固井二界面膠結性能未見有統一的方法和標準，通常采用壓出法測試剪切膠結強度，但為了更好地表征二界面的水力封隔能力，還需要測試其水力膠結強度。但由于巖心的滲透性使得水力膠結強度的測試較為困難，更多的是自行設計儀器和方法進行測試。

本裝置以界面抗水壓滲透能力為標準，通過對固井二界面施加水壓來評價其水力膠結強度。將平流泵與養護釜下端打壓孔連通后，由于圓環形巖心的下端面已經被密封板完全密封且水泥石滲透率極低，所以由平流泵經下打壓孔施加的水壓只可能從固井二界面處形成突破，測試過程中具體表現為壓力持續上升的過程中突然下降，這時表明固井二界面的膠結已被水突破，記錄此時平流泵的壓力為固井二界面的水力膠結強度。

（4）加熱控溫系統。在養護釜側壁凹槽內均勻填充加熱絲和石棉，并與由探頭、溫度感應器、控制器等組成的加熱控溫系統連接，實驗時控制器可根據預設溫度，對養護釜內的溫度進行實時調控，從而保證釜內部溫度恒定，以此來模擬井下地層溫度。

（5）儀器參數的確定。綜合標準巖心的高徑比要求和現場水泥環厚度情況，選定圓環形巖心外徑為120 mm，高為240 mm，內徑為30 mm；同時考慮到使用相對壓差進行實驗，所以確定裝置最高工作壓力為20 MPa；考慮不同區域地溫梯度的不同以及不同井深下溫度的差異，將裝置的最高實驗溫度設計為200℃。

加工成型的環空擾動條件下固井二界面膠結性能評價裝置如圖2所示。

圖2 環空擾動條件下固井二界面膠結性能評價裝置實物圖

3 圓環形模擬巖心的制備

環空擾動條件下固井二界面膠結性能評價裝置實驗裝置完成后，就需要制作實驗所需要的巖心，如何模擬地層孔滲特性是巖心制作的關鍵。為此進行了環形巖心制備裝置的設計和巖心的制備。

由于天然巖心獲取成本高且尺寸較小、規格單一，因此使用人造巖心來進行實驗，但目前常規的人造巖心多為圓柱狀且尺寸較小，且未見有現成的、尺寸適宜的圓環形巖心制備裝置。為了實驗研究的順利開展，作為環空擾動條件下固井二界面膠結性能評價裝置的配套裝置，又設計了圓環形巖心制備裝置。該裝置由巖心模具和壓制裝置兩部分組成，使用該裝置可以制作滿足實驗要求的圓環形模擬巖心。

（1）巖心模具。由兩個弓形對開半模、模具底座、組合式中心軸、緊固螺栓及固定擋板等組成，如圖3所示。兩個弓形對開半模為鏡像對稱，大小形狀完全相同，目的是保證制備的巖心外形為規則的圓柱狀，同時減輕模具重量、方便搬運及操作。制備巖心時，兩個對開半模通過6條均布的緊固螺栓拉緊閉合，這樣的設計一方面是為了保證給砂料加壓時緊固螺栓能提供足夠的閉合力；另一方面是為了組裝拆卸方便。

中心軸是一空心軸，作用是形成圓環形模擬巖心內筒，空心軸的目的在于可以通過下端孔插在模具底座的居中軸上實現居中、固定，實驗時可以根據具體需要選擇不同外徑的中心軸，中心軸的外徑決定了圓環形模擬巖心的內徑。模具底座是一邊長為150 mm、厚度為15 mm的正方形平板，四周有固定擋板，其中兩個平行擋板及巖心對開半模的對應位置分別開有連接孔，目的是通過螺釘將對開半模與底座連接。底座中心有居中軸，直徑與中心軸下端孔內徑相等。

（2）壓制裝置。主要作用是對砂料加壓，從而模擬實際地層巖石形成時的壓實作用使砂料之間通過外表黏附的膠結劑相互連接，形成一定的空間形狀和孔隙結構，主要由底座、升降平臺、加壓平臺、巖心壓塊、手壓泵等模塊組成（見圖4）。

圖3 圓環形巖心模具

圖4 圓環形巖心壓制裝置

底座起支撐固定作用，是整個壓制裝置的基礎；升降平臺通過滑套以4根立軸作為導軌上下移動，滑套既降低了升降平臺移動時的摩擦力，同時也保證了升降平臺移動時能不發生傾斜；加壓平臺位于壓制裝置最上端，中心開孔，孔直徑稍大于巖心模具中心軸外徑；巖心壓塊為圓環形柱狀，外徑120 mm，內徑略大于巖心模具中心軸外徑0．5～1 mm，配有不同高度的巖心壓塊，可根據實際需要靈活搭配從而制作不同長度的模擬巖心。手壓泵放置于底座中心，可施加的最大壓力為100 MPa。

除手壓泵外，上述各模塊均采用40CrMnV制作，表面精車、拋光后進行淬火熱處理，處理后的材料硬度極高、表面光滑且耐磨。裝置整體具有結構簡單、安全可靠、操作簡便、拆卸脫模方便、巖心高度內徑可調等優點，使用該裝置可制備直徑120 mm，長度260～280 mm，內徑30 mm的圓環形模擬巖心，很好地滿足了實驗需求。

（3）圓環形模擬巖心的制備方法。根據現場巖樣的粒徑分析結果，按粒徑比例將過篩分選后的河砂均勻混拌配成基準砂作為人造巖心的骨架材料，這個過程主要遵循粒徑的相似性原則。將作為黏結劑的環氧樹脂及固化劑在混拌容器內攪拌均勻后倒入基準砂，快速研搓后過篩［14］，解離聚團的砂料，提高混拌的均勻度，保證環氧樹脂均勻粘附在河砂顆粒表面，避免出現“膠心”。通過調整分次裝填、分次加壓的填砂方式，目的是保證壓實的均勻性。每次填砂后快速加壓至所需壓力后泄壓，然后將壓實后的砂料表面用針狀物均勻劃毛，目的是使前后裝填的砂料充分接觸，避免因出現明顯的分割面降低人造巖心強度［15］，最后一次填砂后，在所需壓力下持續加壓適當時間后泄壓，常溫下帶模放置24 h后脫模，脫模后的巖心放入烘箱（50～60℃）烘干24 h后備用。

4 實驗步驟及評價方法

根據實驗裝置的設計原理，經過實驗探索、分析和總結，確定了如下的實驗步驟：

（1）模擬巖心飽和水處理。使用全直徑巖心切割機將制備的圓環形模擬巖心切為240 mm長后放入相應的養護介質中，使用真空飽和裝置進行飽和水處理至少4 h。

（2）裝好實驗儀器。在下打壓孔上端的鋼制墊片均勻涂抹凡士林后，將養護釜下封頭裝好，放入下圓環形密封板后將飽和水處理后的模擬巖心放入養護釜內，放入上圓環形密封板，緊接著裝好上封頭，然后將配制好的現場水泥漿通過漏斗由上封頭內筒灌注進圓環形巖心內筒至要求高度后，用細銅絲順時針輕輕攪拌20次，目的是為了消除水泥漿中的氣泡，然后調整好柱塞位置，裝好密封蓋。

（3）調整壓力，開始實驗。按要求連接并打開相關管線流程，打開加熱控溫系統，然后根據實驗方案，加適當環壓和回壓，接著打開平流泵（參數提前設定），當出水口有水流出時，在回壓作用下模擬巖心內的孔隙壓力值等于回壓值，此時動態養護開始，在這個過程中要根據實驗需要不斷調節調壓閥，使得調壓閥壓力與平流泵壓力的差值始終等于模擬環空壓差。通過圓環形模擬巖心的水的流量是用量筒定時測量出水口處的水量來計算。

（4）動態控制水泥漿上部漿柱壓力。液態時，井下水泥微單元受縱向上部水泥漿柱壓力和徑向地層孔隙壓力的同時作用，但水泥漿在井下會不斷凝結硬化，隨著上部水泥漿的膠凝失重，水泥微單元受到的上部漿柱壓力會逐漸減小，其變化規律由膠凝強度決定。本次實驗時根據水泥漿在相應溫度、壓力下的靜膠凝實驗數據，由下式近似計算水泥漿的膠凝失重值［16］：

式中：Δp為由膠凝引起的漿柱壓力損失，MPa；SGS為靜膠凝強度，Pa；L為注水泥長度，m；D為水泥柱直徑，m。

（5）固井二界面膠結性能評價。養護完成后，將各加壓管路關閉，待裝置冷卻至室溫后測試固井二界面膠結強度。

①使用壓出法測試剪切膠結強度。將養護后的封固系統從釜內取出，放置在一個尺寸與巖心內外徑相同的圓環形墊塊上，水泥柱上對齊放置一個與巖心內徑相等的壓柱，使用多功能壓力測試機對壓柱加壓，把界面膠結破壞時的壓力F記為固井二界面的失效壓力，通過下式計算得到固井二界面的剪切膠結強度［17］：

式中：G為剪切膠結強度，MPa；F為固井二界面失效壓力，N；D為巖心內徑，mm；H為水泥與模擬巖心的膠結長度，mm。

② 對固井二界面打壓測試水力膠結強度。裝置自然冷卻至室溫后卸下密封蓋，取出柱塞，放入上圓環形密封板后裝好上封頭，然后取出下打壓孔上端鋼制墊片，放入下環形密封板并裝好下封頭，然后將平流泵輸出管線與下打壓孔連通，加上環壓后打開平流泵對固井二界面施加水壓，在壓力持續上升的過程中突然下降時，表明固井二界面的膠結已被水突破，此時平流泵的壓力即為固井二界面的水力膠結強度。

5 評價裝置功能及應用性

使用該實驗裝置可以研究不同地層物性和溫度，不同擾動程度下，不同地層水對固井二界面膠結性能的影響，并且可以測試固井二界面水力膠結強度，結合剪切膠結強度可以更全面地反映二界面的膠結性能。通過室內模擬實驗可以得到不同地層條件下地層水擾動對固井二界面膠結性能產生不利影響的臨界流量，可以通過下式將通過巖心的流量轉化為地層水在巖心內的流速［18］：

式中：v為流速，mm／h；Q 為流量，mL／h；D 為圓環形巖心外徑，cm；H為圓環形巖心長度，cm；φ為圓環形巖心孔隙度，%。

由式（3）可以得到不同地層條件下地層水擾動對固井二界面膠結性能產生不利影響的臨界流速，可為現場固井時周圍注采井的關井范圍預測提供參考，即若固井時地層水流速超過該臨界值時就要對周邊注采井采取停注、停采等措施，將地層水流速降至該臨界值以下，從而為該地區調整井固井質量的改善奠定基礎。

為了檢驗實驗裝置的功能并探究擾動是否會對固井二界面的膠結性能產生影響，筆者在相同的實驗條件下使用蒸餾水分別在不同的進出水口流量下進行了室內探索實驗。具體的實驗條件如下：實驗巖心采用實驗室制作的長240 mm、直徑120 mm的圓環形砂巖模擬巖心，其滲透率為300～400 mD，孔隙度15%左右；結合現場施工經驗和室內實驗條件，選取水泥漿漿柱壓力與地層孔隙壓力的差值（即模擬環空壓差）為3 MPa；養護溫度為90℃；養護時間為24 h；養護介質為蒸餾水；回壓為0．2 MPa。實驗中通過改變裝置進出水口流量來實現對不同擾動程度的模擬。

圖5和圖6分別是在上述實驗條件下養護后的固井二界面剪切膠結強度和水力膠結強度測試結果。由圖5和圖6可以看出，使用蒸餾水作為養護介質，當流量在0～30 mL／h時，對固井二界面的膠結強度基本不產生影響；當流量在30～60 mL／h之間時，固井二界面膠結強度急劇下降，這是因為擾動對固井二界面的膠結產生了干擾和破壞，惡化了固井二界面的膠結性能；當流量大于60 mL／h時，由于此時水泥與模擬巖心內壁之間的膠結已經很差，所以繼續增大流量，固井二界面的膠結強度變化很小，說明其基本已達下限。

圖5 固井二界面剪切膠結強度測試結果

圖6 固井二界面水力膠結強度測試結果

實驗結果表明，該實驗裝置能夠模擬擾動對固井二界面膠結性能的影響，而且證明所提出的固井二界面水力膠結強度測試方法是可行的。根據式（3）可以進一步求得該地層條件下地層水擾動對固井二界面膠結性能產生不利影響的臨界流速：

即，若固井時地層水的流速超過6．94 mm／h，就會對該井固井二界面的膠結產生不利影響，這時就需要對周邊注采井采取一定的關停措施，將地層水流速降至臨界值以下，進而使固井質量有所提高。

6 結 語

本文針對老油區地層壓力和油水分布復雜，調整井固井候凝過程中地層水仍處于流動狀態對固井二界面的擾動行為，設計并制造了一套擾動條件下固井二界面膠結性能評價裝置，圓環形巖心制備裝置以滿足對固井二界面擾動的地層模擬巖心的制作，探討了模擬不同地層孔滲特性的環形巖心的制作方法。該套實驗裝置可以實現不同孔滲特性地層、井壁泥餅是否存在、井下水泥漿是否受壓差影響、不同井下溫度及地層水流動狀態等對二界面膠結影響的模擬，較好地還原了水泥漿體系在井下候凝狀態受到流動地層水沖刷和侵蝕的過程。實現了對固井二界面水力膠結強度的測試，豐富了固井質量的評價手段。