高溫高壓固井第一界面徑向膠結強度試驗研究*

黃 鵬 李 楊 李 東 范華冰 劉 冬

(1.長江大學石油工程學院 2.長慶油田分公司第二采油廠工藝研究所3.渤海鉆探工程有限公司井下作業分公司 4.渤海鉆探工程有限公司第四鉆井分公司)

0 引 言

高溫高壓環境對固井質量提出了嚴格的要求，固井后形成的套管-水泥環-地層組合體在高溫高壓狀態下受到復雜的溫壓應力變化[1]，易形成微環隙而造成水泥環密封失效[2-7]，地層流體侵入微環隙向上運移，導致產生環空帶壓，這對井的壽命、質量及工作人員的人身安全都產生了嚴重威脅[8-15]。水泥環界面膠結強度是保證油氣井密封完整性的重要因素[16-17]。影響井筒完整性的因素很多，例如水泥在水化過程中產生的大量熱、井下作業引起井下應力的改變、巖石的蠕變，地下高壓流體也會破壞水泥環的膠結面[18-20]。水泥環以及套管的收縮，外來力的改變都會在一定程度上導致水泥環密封失效，通過試驗發現，循環加載和卸載套管壓力、圍壓都會導致水泥環密封失效[21]。

國內外學者建立了多種水泥環力學模型和有限元數值模型。許紅林等[22]基于厚壁圓筒理論建立了水泥環力學模型，計算了套管和水泥環的應力及應變，并分析了壓力和溫度共同作用下整個井筒的應力狀況。楊燕等[23]應用厚壁圓筒理論建立了套管-水泥環-地層力學模型，在套管內壓變化下推導了套管-水泥環和水泥環套管之間的應力理論解。G.W.EVANS等[24]開展了套管-水泥環的機械剪切強度研究。J.C.STORMONT等[16]研究了氣體在不同應力條件下微環隙的流動規律，分析了微環隙的滲透率、水力孔徑與應力之間的變化關系。K.J.GOODWIN等[25]通過對套管壓力的反復加載和卸載，研究了水泥環的滲透率變化規律，以及界面膠結強度隨套管應力變化之間的關系。S.P.GOMEZ等[26]通過試驗與理論模型、數值模型相結合的方法，開展了界面微環隙滲透率和水力孔徑隨套壓、圍壓的變化規律，得出水力孔徑在判斷水泥環密封完整性方面有重要意義。

雖然前人在有關固井水泥環第一界面的徑向膠結強度研究方面開展了大量工作，但是有很多考慮不周的地方，比如前人是建立在等效縮小模型上進行的研究，溫度和壓力較低，不滿足南海某油田的要求。鑒于此，本文基于全尺寸高溫高壓水泥環密封完整性評價裝置，運用氣竄方法開展測量高溫高壓固井第一界面徑向膠結強度的試驗研究，主要分析圍壓變化和套管內壓力變化對高溫高壓固井第一界面徑向膠結強度的影響規律。

1 試驗研究

1.1 試驗原理和裝置

為了模擬井下的高溫高壓環境，長江大學研制了一套可以模擬測試水泥環界面徑向膠結強度的裝置。該裝置的溫度可控制在-20～220 ℃,圍壓可控制在0～70 MPa,環空壓力可控制在0～20 MPa，套管壓力可控制在0～50 MPa，地層流體可以是流體或者氣體。該裝置由溫度控制系統、圍壓控制系統、套管壓力控制系統以及數據實時檢測系統等組成。

圖1是高溫高壓水泥環密封完整性評價裝置示意圖。試驗中涉及2個膠界面：套管-水泥環第一膠界面和水泥環-模擬地層第二膠界面。套管和水泥環材料性質差別大，水泥環和模擬地層材料性質差別小，所以套管-水泥環第一膠界面膠結強度比水泥環-模擬地層第二膠界面膠結強度小。在試驗裝置底部用氣體增壓泵注入氮氣來突破套管-水泥環界面，瞬間突破套管-水泥環界面的壓力就是套管-水泥環界面的膠結強度，即當上部壓力表數值突然變大時，讀裝置下部壓力表讀數，該值即為第一界面竄流壓力，即第一界面徑向膠結強度。

1—流量計；2—上法蘭；3—橡膠套；4—加壓泵；5—氣體加壓泵；6—加熱棒；7—溫度傳感器；8—底座；9—水泥環；10—套管；11—手搖泵；12—壓力表。

1.2 試驗材料

高壓釜體及配套裝置采用42GrMo材質，配套裝置包括耐高溫高壓氟橡膠密封膠套、耐高溫高壓氟橡膠密封圈、加熱棒、手搖泵、氣體增壓泵、試壓泵、儲氣罐、混凝土攪拌機、小型振動棒及溫度檢測儀。制作模擬地層時內襯管采用規格P110鋼管，直徑230 mm；套管采用外徑17.78 mm，厚度9.19 mm；模擬地層外徑400 mm，高度1 100 mm。試驗所用材料包括沙子、水泥和石子等。試驗還選用南海西部某油田抗高溫固井水泥漿體系為試驗材料，密度2.35 g/cm3。其配方組成如表1所示。

表1 試驗用水泥漿配方Table 1 Formula of cement slurry for test

1.3 試驗步驟

(1)在做好的模具內制備規格(內外直徑和高度)相匹配的地層，按要求在合適的溫度和壓力下養護3～5 d，養護好地層以后，把地層放入該裝置中并在地層外套上橡膠套，在最外面套上斧體，加上上蓋，保證密封性。

(2)測試圍壓系統，如果下端沒有液體流出，或者卸下圍壓打開上蓋后沒有液體流出，即證明整個圍壓系統密封良好。

(3)將套管放入中間環空，將按照一定比例配置好的固井水泥漿倒入套管和地層的環形空間，在水泥漿上端加一部分水。

(4)套管內加入導熱油，套管-地層剩余的上部空間加滿水，裝上法蘭。

(5)用手搖泵先施加環空壓力，防止水泥在高溫下沸騰，按照試驗要求加圍壓、套壓，給加熱棒通電加熱整個裝置，直到試驗設定溫度，溫度的升高會使環空中水變為蒸汽，這會導致環空壓力在加熱過程中上升，這時要用手搖泵緩慢泄壓，直至達到設定溫度且穩定不變，環空壓力達到穩定值。

(6)按要求保持一定的圍壓、套壓和溫度，養護至試驗要求的天數。養護好之后，應用氣體增壓泵打開閥門通入氮氣，當上部壓力表突然變大時記下裝置下部壓力表的數值，該讀數就是突破壓力，即第一界面徑向膠結強度。

本試驗考慮圍壓變化和套壓變化對套管-水泥環膠結面強度的影響，當整個試驗樣本養護好以后，通過改變圍壓和套壓來分別分析二者對套管-水泥環膠結面強度的影響。整個試驗過程中發現氣泡只從套管-水泥環界面溢出，如圖2所示，這與上文談到的套管-水泥環第一膠界面優先突破一致。

圖2 氣泡從套管-水泥環第一界面溢出Fig.2 Bubble overflows from casing-cement ring first interface

2 試驗結果與分析

2.1 圍壓變化對界面膠結強度的影響

在環空壓力5 MPa、套壓10 MPa、試驗溫度180 ℃、養護3 d時，測量圍壓變化對固井界面水力膠結強度的影響。圍壓每升高10 MPa，穩定10 min后再測量。試驗結果如圖3所示。試驗方案設置如表2所示。

圖3 圍壓變化對竄流壓力的影響Fig.3 Influence of confining pressure on crossflow pressure

表2 圍壓變化對竄流壓力影響 MPa

由圖3可知，有效的套管-水泥環微環隙水力孔徑的大小與圍壓有一定的關系，微環隙的出現對井環隙間內流體的流動有很大影響。試樣最大圍壓加載到70 MPa時，竄流壓力隨著圍壓的增大呈非線性增長，竄流壓力-圍壓曲線的斜率越來越大，說明竄流壓力增大的速度越來越快。卸載圍壓時，竄流壓力隨著圍壓的減小而減小，呈非線性變化，竄流壓力始終比同圍壓下加載時的竄流壓力大，竄流壓力下降的曲線路徑趨勢大致與加載時相同。

微環隙面對正應力的響應與微環隙表面粗糙度的大小一致，增大的圍壓使水泥環的表面發生塑性形變，提高了微環隙面的界面剛度，會造成竄流壓力隨著圍壓的增大而呈非線性增大，而卸載時的竄流壓力始終比同圍壓下加載時的竄流壓力大也說明了這一點。

2.2 套管內壓力變化對界面膠結強度的影響

在環空壓力5 MPa、圍壓40 MPa、試驗溫度180 ℃、養護3 d時，測量套壓變化對固井界面水力膠結強度的影響。套壓每升高10 MPa，穩定10 min后再測量，試驗方案設置如表3所示。試驗結果如圖4所示。

由圖4可知，在套壓為10 MPa、竄流壓力為6.15 MPa時，隨著套壓升高，竄流壓力呈非線性升高，并且竄流壓力升高的速度越來越慢，最后趨于穩定。該現象說明試件養護好后，增加套管壓力可以增加套管-水泥環之間的水力膠結強度，進而提高水泥環的密封性能。套壓加載到最大值50 MPa后開始卸載，每次卸載10 MPa并維持10 min，最終卸載至10 MPa，然后再測量套管-水泥環界面在此套壓下的竄流壓力。

表3 套壓變化對竄流壓力影響 MPa

圖4 套管壓力變化對竄流壓力的影響Fig.4 Influence of casing pressure on crossflow pressure

由圖4可知，竄流壓力隨著套管壓力的卸載而減小，卸載時竄流壓力曲線在加載時竄流壓力曲線的下方，加載與卸載時的竄流壓力曲線走勢基本相同。卸載過程中的竄流壓力小于同套壓狀態下加載過程中的竄流壓力，這表明在加載過程中水泥環發生了塑性形變，存在不可恢復的殘余應變，但是套管在此壓力變化范圍內處于彈性變形，套管和水泥環之間的膠結力變小，套管-水泥環界面有可能產生微環隙而導致竄流壓力變小。

根據厚壁圓筒理論模型，套管和地層圍巖都是理想彈性體，水泥環為理想彈塑性體，并且水泥環的屈服準則滿足Mohr-Coulomb準則。隨著套管內壓力的升高，水泥環內壁首先進入塑性狀態，當套管內壓力繼續增大時，水泥環的塑性區域由內壁沿外徑方向增大，水泥環被分為塑性區和彈性區。當套壓達到某一數值時，水泥環整體進入塑性狀態。

3 結 論

(1)在溫度、環壓和套壓一定時，圍壓加載階段竄流壓力隨著圍壓的增大而呈非線性增大，并且竄流壓力增大的速度越來越快；圍壓卸載階段竄流壓力隨著圍壓的減小而減小，呈非線性變化，竄流壓力始終比同圍壓下加載時的竄流壓力大，竄流壓力下降的曲線路徑趨勢大致與加載時相同。

(2)在溫度、圍壓和環壓一定時，套管壓力卸載過程中的竄流壓力小于同套壓狀態下加載過程中的竄流壓力，這表明在加載過程中水泥環發生了塑性形變，存在不可恢復的殘余應變，但是套管在此壓力變化范圍內處于彈性變形，套管和水泥環之間的膠結力就變小，套管-水泥環界面有可能產生微環隙而導致竄流壓力變小。所以，在開采井的后期要管控好開采時的井底壓力，防止套壓上升然后下降時套管-水泥環之間微環隙的產生。

(3)圍壓的變化會降低該井的的第一膠結面強度。在油井的開采后期，周圍鄰井壓裂引起地應力的改變會對該井的第一膠結面強度產生影響，因此在固井時應該用更好的固井工藝和滿足條件的水泥漿體系。