循環(huán)加載下水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置 *

關(guān)志剛 廖華林 林志偉 謝士遠(yuǎn) 趙效鋒

(1. 新疆油田公司工程技術(shù)研究院 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院3.中國石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

0 引 言

鉆完井及生產(chǎn)過程中套管內(nèi)壓與井筒溫度變化是水泥環(huán)失效的主要影響因素。套管與水泥環(huán)組合體的損壞過程比較復(fù)雜，當(dāng)套管持續(xù)高壓或壓力過高時(shí)，水泥石彈性變形會(huì)超過其屈服極限，造成水泥環(huán)本體出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致其密封完整性失效[1-3 ]。水泥石與套管的彈性模量、泊松比和屈服強(qiáng)度都不相同，當(dāng)井內(nèi)壓力變化使水泥石與套管變形不協(xié)調(diào)時(shí)，水泥環(huán)發(fā)生塑性變形，形成微間隙[4-6]。

目前，關(guān)于水泥環(huán)密封特性主要通過水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度特性測量，室內(nèi)測試主要采用剪切膠結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)儀、鉆屑-油井水泥混合漿固化體抗壓強(qiáng)度測定法、水滲流模擬裝置、泥餅剪切強(qiáng)度與含水量試驗(yàn)儀、光譜分析儀、粘結(jié)強(qiáng)度分析儀以及固井二界面封隔能力仿真評(píng)價(jià)裝置[7-10]。文獻(xiàn)[11-15] 通過套壓加載卸載水泥環(huán)密性試驗(yàn)裝置，觀測到水泥環(huán)徑向裂紋、軸向斷裂和微環(huán)隙的產(chǎn)生，研究了不同套管居中度和溫度循環(huán)對(duì)水泥環(huán)密封性的影響; 文獻(xiàn)[16-17]研究了水泥環(huán)的循環(huán)疲勞極限和套管循環(huán)加載對(duì)水泥環(huán)失效輪次的影響。但上述研究關(guān)于套管內(nèi)壓循環(huán)變載條件下，水泥環(huán)的失效機(jī)制以及其抗?jié)B透能力與膠結(jié)質(zhì)量之間的相互關(guān)系尚不明晰。為此，本文設(shè)計(jì)了一種可模擬循環(huán)變載工況的水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置，采用該裝置可對(duì)套管在內(nèi)壓和溫度加卸載條件下水泥環(huán)的密封特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為合理的水泥漿體系設(shè)計(jì)優(yōu)選及生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置

水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置(見圖1)主要由井筒模擬系統(tǒng)、水泥環(huán)抗?jié)B漏能力分析系統(tǒng)和水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)分析系統(tǒng)組成。

1—增壓泵；2—傳感器；3—閥門1；4—膠圈；5—加熱套；6—釜體；7—巖心膠套；8—巖心；9—泥餅；10—水泥環(huán)；11—套管；12—濾網(wǎng)；13—上釜蓋；14—壓板；15—泄壓泵；16—液量與氣量記錄儀；17—下釜蓋。圖1 水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device for evaluating the integrity of cement sheath seal

1.1 井筒模擬系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由釜體、上釜蓋、下釜蓋、加熱套、增壓泵、泄壓泵、閥門組和壓力傳感器等組成。釜體上有水泥環(huán)頂壓口、水泥環(huán)底壓口、套管內(nèi)壓口和圍壓口，可放置模擬地層的環(huán)形柱狀巖心，通過在巖心內(nèi)灌注鉆井液，在巖心內(nèi)外形成壓差，經(jīng)過一定時(shí)間后在巖心內(nèi)壁可形成泥餅。泥餅形成后，放空釜體內(nèi)的鉆井液，在巖心內(nèi)置入套管，在套管與巖心之間的環(huán)空間隙灌注水泥漿，采用加熱套、熱電耦和溫度傳感器控制釜體內(nèi)溫度，通過增壓泵和閥門組控制釜體內(nèi)壓力，在模擬油氣井井筒條件下養(yǎng)護(hù)，水泥漿候凝形成水泥環(huán)。

1.2 水泥環(huán)抗?jié)B漏能力分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、液量或氣量記錄裝置及壓力傳感器等組成。水泥漿凝固后，通過增壓泵和泄壓泵與閥門組配合控制水泥環(huán)頂端與底端的壓差，采用液量或氣量記錄儀測量液體流量或傳感器記錄壓力變化，記錄相應(yīng)流量和壓力隨時(shí)間的變化曲線，根據(jù)流量和達(dá)西定律計(jì)算水泥環(huán)膠結(jié)面滲透率，或發(fā)生水穿或氣穿時(shí)水泥環(huán)兩端壓差大小來評(píng)價(jià)水泥環(huán)密封能力。

1.3 水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、超聲波發(fā)生裝置和膠結(jié)質(zhì)量測試儀組成。基于水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)中變密度測井原理，由超聲波發(fā)生裝置發(fā)射超聲波，通過膠結(jié)質(zhì)量測試儀分析超聲波在模擬井筒中的傳播規(guī)律，從而評(píng)價(jià)水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量。

該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)模擬井眼條件下鉆井液泥餅形成、水泥漿注入、水泥漿凝固、水泥環(huán)密封性失效等過程。采用水泥環(huán)第一、第二界面抗?jié)B漏能力和膠結(jié)質(zhì)量測井相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，研究水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量與環(huán)空水泥環(huán)水力封隔能力的影響因素，建立界面膠結(jié)質(zhì)量與水力封隔能力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為井筒的密封性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。通過模擬不同的井下工況，研究井筒溫度壓力參數(shù)、套管參數(shù)、水泥漿性能、地層流體、泥餅厚度和水泥環(huán)厚度等因素對(duì)水泥環(huán)密封性的影響，根據(jù)水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量測井評(píng)價(jià)指標(biāo)和膠結(jié)面抗?jié)B透能力指標(biāo)評(píng)價(jià)水泥環(huán)的密封特性，分析影響水泥環(huán)密封性關(guān)鍵因素，為油氣井水泥漿設(shè)計(jì)及井筒環(huán)空密封性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)流程

2.1 模擬井筒壁面泥餅的形成

可根據(jù)地質(zhì)要求制作選取不同滲透性的巖心，模擬不同滲透特性地層。巖心套入端面為實(shí)面而側(cè)面為含網(wǎng)孔的膠套，在井筒靜壓條件下可形成不同厚度的泥餅。如圖1所示，關(guān)閉閥門1、閥門4和閥門5，開啟閥門2、閥門3和閥門6。將用專用裝置制作好的環(huán)形柱狀巖心套入含網(wǎng)孔的膠套管內(nèi)置入釜中，壓上壓板，將鉆井液注入釜內(nèi)，旋上釜蓋及堵塞。打開氮?dú)馄块y門，調(diào)節(jié)氮?dú)鈮毫Γ趲r心內(nèi)壁與外壁面壓差的作用下，經(jīng)過一定的時(shí)間后在巖心內(nèi)壁面形成泥餅。此時(shí)關(guān)閉氮?dú)馄块y門，開啟閥門1、釋放壓力后，旋出釜蓋和壓板，用專用卡尺測量泥餅厚度，或取出巖心，根據(jù)巖心泥餅形成前后巖心的質(zhì)量差，計(jì)算出泥餅厚度。

2.2 模擬井下工況下水泥漿的凝固過程

泥餅形成后，打開下釜蓋，清空釜體內(nèi)鉆井液，重新旋入下釜蓋，將濾網(wǎng)放置巖心底部后將巖心放入釜體內(nèi)，置入套管，通過灌注的方式在套管和巖心形成的環(huán)空內(nèi)注入預(yù)先配置好的水泥漿，壓入壓板，旋入上釜蓋。打開閥門1、閥門2和閥門3，關(guān)閉閥門4、閥門5和閥門6，用增壓泵給井下套管內(nèi)和環(huán)空加壓，加熱套通電工作，實(shí)現(xiàn)模擬井筒工況下水泥漿的凝固。溫度和壓力可根據(jù)井下條件設(shè)定，壓力0～40 MPa，溫度20～150 ℃。

2.3 模擬不同套管尺寸和環(huán)空間隙

套管尺寸可根據(jù)需要選取，實(shí)現(xiàn)不同套管尺寸與環(huán)空間隙組合條件下水泥環(huán)密封性的模擬。

2.4 模擬環(huán)空微間隙形成

選用可小彈性變形套管材料，水泥漿灌注完成后，打開閥門1、閥門2和閥門3，關(guān)閉閥門4、閥門5和閥門6，通過增壓泵給釜體增壓，并控制釜體壓力大小，此時(shí)套管內(nèi)、外的壓力相同，水泥漿在規(guī)定的時(shí)間養(yǎng)護(hù)凝固成水泥環(huán)后，打開閥門4，通過泄壓泵泄壓并控制管內(nèi)壓力。套管釋放部分壓力后，由于套管外的壓力大于管內(nèi)壓力，套管收縮，在水泥環(huán)和套管的膠結(jié)面產(chǎn)生微環(huán)隙，微環(huán)隙的大小與套管材料的變形特性和套管內(nèi)外的壓差有關(guān)，通過選取套管材料和控制套管內(nèi)外壓差，可以控制環(huán)空微間隙的大小。間隙尺寸可計(jì)算或測量。

2.5 水泥環(huán)加載對(duì)其密封特性的影響

水泥漿凝固完成后，關(guān)閉閥門1，增壓泵繼續(xù)增壓，通過釜體上的套管內(nèi)壓口，套管內(nèi)壓力增大或減小，使套管產(chǎn)生彈性或塑性變形，從而使水泥環(huán)內(nèi)部形成裂紋或膠結(jié)面損壞，導(dǎo)致密封性降低或完全失效，在不同加載條件下分析水泥環(huán)的密封特性。

3 試驗(yàn)情況

2018年11月至2019年12月，應(yīng)用水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置開展了不同套管尺寸與加載條件、模擬射孔及套管循環(huán)加卸載等水泥環(huán)密封性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，分析了不同工況下水泥環(huán)的失效形式。

3.1 不同套管尺寸及加載條件下水泥環(huán)的失效形式

水泥漿配方為：勝維G級(jí)水泥+1.5%降失效劑+1.0%分散劑+消泡劑，水泥漿密度1.85 g/cm3。將水泥漿完全充滿環(huán)形空間，形成完整水泥環(huán)，模擬非射孔條件。采用水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置模擬得到不同套管尺寸、不同加載條件下水泥環(huán)的失效形式，試驗(yàn)參數(shù)見表1，結(jié)果見圖2。

表1 不同加載條件下水泥環(huán)失效試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Failure test parameters of cement sheath under different loading conditions

圖2 不同加載條件下水泥環(huán)的失效形式Fig.2 Failure modes of cement sheath under different loading conditions

從圖2可以看出水泥環(huán)的主要失效形式有徑向拉伸失效、本體剪切破壞和一界面膠結(jié)破壞。這表明該裝置可以評(píng)價(jià)不同井筒工況、不同水泥漿體系和加載條件下水泥環(huán)的失效形式，從而對(duì)水泥環(huán)的失效機(jī)理與水泥漿配方進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

3.2 模擬射孔條件下水泥環(huán)失效特征

配方1： 550 g G級(jí)水泥+270 g水+4 g消泡劑，90 ℃條件下常溫養(yǎng)護(hù)48 h。研究純水泥體系在圍壓20 MPa時(shí)模擬射孔條件下水泥環(huán)完整性，模擬井筒見圖3a，射孔孔徑10 mm，孔深10 mm，套管壁厚2 mm。測試數(shù)據(jù)如圖4所示。試驗(yàn)過程如下。

圖3 模擬射孔條件下純水泥漿水泥環(huán)失效形式Fig.3 The failure mode of pure slurry cement sheath under simulated perforation conditions

圖4 模擬射孔條件下配方1密封完整性測試數(shù)據(jù)Fig.4 Seal integrity test data of cement sheath of formula 1 under simulated perforation conditions

(1)首先加載圍壓至20 MPa，保持7 min水泥環(huán)壓力未上升，表明水泥環(huán)密封性良好；再在水泥環(huán)上端施加壓力至7 MPa，保持30 min，水泥環(huán)下端未竄。

(2)卸載水泥環(huán)上端壓力至0，逐漸增加套管壓力，當(dāng)套管壓力增大至21.2 MPa時(shí)壓力發(fā)生突變(見圖4圓圈處)，水泥環(huán)上端開始帶壓，說明此時(shí)水泥環(huán)已經(jīng)發(fā)生破壞。

(3)逐漸增大水泥環(huán)下端驗(yàn)竄壓力以驗(yàn)證下端水泥環(huán)完整性。當(dāng)驗(yàn)竄壓力增大至13 MPa時(shí)套管開始帶壓(見圖4豎線)，此時(shí)下端水泥環(huán)開始竄漏。泄載所有壓力，冷卻井筒至室溫，拆除井筒觀察水泥環(huán)破壞形式，如圖3b所示。由圖3b可見，從上端射孔處開始水泥環(huán)出現(xiàn)了嚴(yán)重的軸向拉伸破壞，水泥環(huán)斷裂成層狀，第一界面出現(xiàn)微環(huán)隙。

配方2：46.6%F/W+0.5%X60L+1.0%F46S+6.0%G80L+0.5%消泡劑+6.0%固化劑+35.0%硅粉，養(yǎng)護(hù)條件和模擬射孔方案與配方1相同。測試數(shù)據(jù)如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)，首先加載圍壓至20 MPa，保持7 min水泥環(huán)壓力未上升，井筒密封性良好；再在水泥環(huán)上端施加壓力至7 MPa，保持30 min下端未竄。當(dāng)套壓增壓至34.7/38.2/38.1 MPa三輪次沒有破壞，再加載至35.7 MPa時(shí)下端竄流。拆開后發(fā)現(xiàn)射孔處出現(xiàn)大量裂紋，射孔裂紋出現(xiàn)連接轉(zhuǎn)向，上端出現(xiàn)徑向裂紋，如圖6所示。

圖5 模擬射孔條件下配方2密封完整性測試數(shù)據(jù)Fig.5 Seal integrity test data of cement sheath of formula 2 under simulated perforation conditions

圖6 模擬射孔條件下配方2 水泥環(huán)失效形式Fig.6 Failure morphology of cement sheath of formula 2 under simulated perforation conditions

3.3 循環(huán)加卸載條件下抗竄能力評(píng)價(jià)

粉煤灰體系配方，密度1.60 g/cm3，套管壁厚2 mm，90 ℃養(yǎng)護(hù)72 h，模擬非射孔條件下周期性加卸載套壓，測試分析水泥環(huán)密封完整性。測試數(shù)據(jù)如圖7所示。依次加套壓15、20、25和30 MPa并卸載，水泥環(huán)未出現(xiàn)破壞；增大套壓至35 MPa，水泥環(huán)下端出現(xiàn)緩慢的水滴，繼續(xù)加載兩個(gè)輪次35 MPa套壓，竄流速度保持不變，呈水滴流出，水泥環(huán)發(fā)生輕微破壞，出現(xiàn)微裂編紋，如圖8所示。根據(jù)排出水質(zhì)量，環(huán)空水泥環(huán)(膠結(jié)面)有效滲透率為2.62 mD。

圖7 循環(huán)變載條件下水泥環(huán)密封性測試數(shù)據(jù)Fig.7 Test data of cement sheath tightness under cyclic variable load conditions

圖8 循環(huán)變載條件下水泥環(huán)失效形式Fig.8 Cement sheath failure mode under cyclic variable load conditions

4 結(jié) 論

(1)循環(huán)加載下水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置可根據(jù)失效特征和水泥環(huán)抗竄能力等評(píng)價(jià)水泥環(huán)密封完整性，在模擬井筒壓力和溫度變化條件下，對(duì)不同水泥漿體系的密封性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并可以對(duì)水泥封固段兩端壓差下滲漏量進(jìn)行測量，為套管環(huán)空水泥環(huán)密封完整性研究提供了一種試驗(yàn)手段。

(2)循環(huán)變載條件下，不同的井筒組合和水泥漿體系配方對(duì)水泥環(huán)密封完整性的影響不同，多輪次加卸載條件下水泥環(huán)會(huì)出現(xiàn)拉伸、本體剪切與微環(huán)隙等多種失效形式。

(3)在進(jìn)行水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)時(shí)，一方面應(yīng)對(duì)各個(gè)工況下的最大壓力進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷是否會(huì)造成水泥環(huán)本體破壞，另一方面應(yīng)綜合考慮油氣井生命周期各個(gè)階段的壓力變化，判斷是否造成固井膠結(jié)界面的破壞。