套管內表面粗糙度對水泥塞完整性的影響研究*

2021-11-16 10:51:18李曉明李聯中

石油機械 2021年11期

李曉明李聯中

(中石化勝利石油工程有限公司裝備管理中心)

0 引言

大多數棄井作業都需要打水泥塞，水泥塞的完整性是棄井作業成功與否的關鍵參數之一[1-2]。然而，保持水泥塞的完整性極為困難，水泥漿泵入措施不當、水泥凝固后收縮、機械失效或降解都有可能導致水泥塞失去密封性能[3-5]，從而引起氣體泄漏。氣體泄漏不僅會影響周圍環境，而且還會導致作業復雜，提高作業成本[6-7]。因此，水泥塞完整性評價對于實現成功的棄井作業意義重大。

普通水泥液壓密封性能試驗結果表明，膠結強度深受水泥成分和水泥充填的影響[8]。研究證實，與新鋼管相比，生銹鋼管中的水泥有更高的膠接強度；最新開發的試驗裝置可以在動態機械應力下測試水泥的密封性能[9-10]。然而，這些研究結果僅與水泥環的環狀密封有關。因此需要開發專門的試驗裝置評價水泥塞的密封性。2010年，A.NAGELHOUT等[11]建議應使用相同的試驗裝置和試驗方案來評價水泥塞的密封性，以產生可以比較的結果。2017年，J.VAN EIJDEN等[12]提出了一種小型試驗裝置的設計方法，目的在于對套管內水泥塞進行層間隔離測試。該裝置可以在受控環境下連續固化和測試，以模擬真實的井下工況。2018年，N.OPEDAL等[13]構建了一種小型試驗裝置，并采用該裝置對常規水泥進行了初步測試，以評價試驗結果的可重復性，從而為進一步研究奠定基礎。

挪威科技大學和挪威科技工業研究院的研究人員利用該裝置對內表面光滑、中等表面粗糙度和高表面粗糙度等3種鋼管中的純水泥和硅酸水泥塞的完整性進行了試驗研究，并在試驗條件下進行了計算流體動力學模擬，最后結合試驗和模擬結果，討論了套管內表面粗糙度對水泥塞完整性的影響[14]。筆者對研究情況進行了介紹，以期推動我國棄井作業技術的發展。

1 試驗研究

1.1 試驗準備

(1)水泥。純水泥(無添加劑)漿中水的質量百分比為44%，凝固時間4 d，壓力2 MPa，溫度66 ℃；硅酸水泥漿中硅粉的質量百分比為35%，水的質量百分比為62%，凝固時間4 d，壓力2 MPa，溫度120 ℃。

(2)鋼管。根據內表面粗糙度的不同，試驗所用鋼管有光滑、中等表面粗糙度和高表面粗糙度等3種類型。中等表面粗糙度鋼管和高表面粗糙度鋼管內表面均采用內開槽進行處理。開槽表面輪廓的開槽寬度和開槽間距具有周期性，且開槽深度不變。開槽法有助于產生表面粗糙度一致的鋼管，但溝槽的幾何形狀并不能代表井下實際情形，而且鋼管內表面比井下套管內表面更為粗糙，井下套管表面粗糙度通常為微米級[15]。現場可通過涂刷或磨銑工具實現套管內表面粗糙度。

(3)試驗裝置。水泥塞完整性試驗裝置如圖1所示。帶水泥塞的試驗單元置于加熱柜內，與氮氣瓶相連。因此，可以在真實的井下壓力和溫度下模擬水泥塞的養護和測試過程。該試驗單元與由調壓器、壓力傳感器、溫度傳感器、流量計和數據采集系統等組成的處理板相連。

圖1 水泥塞完整性試驗裝置Fig.1 Equipment for cement plug integrity test

試驗單元結構如圖2所示。試驗單元包括一根鋼管(外徑75 mm，內徑50 mm)，鋼管的頂蓋和底蓋都設有進氣口。通過安裝在底蓋中的可調平臺系統可持續地養護和測試水泥塞，從而降低了改變水泥和套管特性的風險。該系統可以垂直移動，使用可單獨供氣的活塞調節器進行控制。不粘板附在活塞系統頂部，以防止凝固時與水泥塞粘附[14]。

1.2 試驗步驟

首先，在養護和測試水泥塞之前，要檢查試驗裝置是否泄漏。然后，將水泥漿倒入預熱管中，在升高壓力和溫度的條件下水泥凝固。水泥凝固后，關閉閥V-1(見圖1)開始試驗，氣流轉向穿過試驗單元，這樣即可分別調節水泥塞頂部和底部的壓力通道。

1—頂蓋；2—鋼管；3—水泥塞；4—不粘板；5—可調平臺系統；6—活塞；7—底蓋。

減小水泥塞頂部壓力并保持底部壓力不變，這樣可在水泥塞上產生壓差恢復試驗。壓力讀數穩定后監測1～2 h。如果水泥塞發生氣體泄漏，繼續試驗直至氣體泄漏速率達到穩定狀態。逐漸增大壓差重復此過程，直至泄漏速率達到VF2流量計的最大容量562.5 cm3/min，或頂部壓力達到大氣壓。

試驗結束前，由于流量計測得的氣體泄漏速率是標準條件下氮氣的質量流量，所以必須根據試驗壓力和溫度進行修正。氮氣通過水泥塞的平均體積流量QAV計算式為：

(1)

式中：Q為標準壓力和溫度下N2的體積流量，m3/s；pS為標準壓力，Pa；pl為入口壓力，Pa；T為試驗溫度，K；TS為標準溫度，K。

鉆取直徑38.6 mm、長度4 610 mm的水泥塞試樣，并將其放置在60 ℃的環境下干燥48 h。試樣冷卻后，在環境溫度下(20 ℃±1 ℃)用氣體滲透率儀測量滲透率[14]。

1.3 試驗結果

1.3.1 純水泥塞氣體泄漏速率

光滑鋼管、中等表面粗糙度鋼管和高表面粗糙度鋼管中純水泥塞的氣體泄漏速率與壓力梯度關系測量結果如圖3和圖4所示。由于VF2流量計失效，試驗1使用了流量計VF1的數據。當氣體泄漏速率超過流量計VF1的最大容量56.25 cm3/min時，試驗1停止，此時壓力梯度為0.05 MPa/m。由圖3和圖4可以發現，隨高表面粗糙度鋼管中純水泥塞的壓力梯度增大，氣體泄漏速率增大值逐漸最小，而光滑鋼管和中等表面粗糙度鋼管中純水泥塞的試驗結果無明顯差異。

表1為壓力梯度0.25 MPa/m下純水泥塞的平均氣體泄漏速率。由表1可以發現，粗糙鋼管中純水泥塞的氣體泄漏速率較小。光滑鋼管中純水泥塞的氣體泄漏速率最高，與該泄漏速率相比，中等表面粗糙度鋼管和高表面粗糙度鋼管中純水泥塞的氣

圖3 不同鋼管中純水泥塞的氣體泄漏速率與壓力梯度的關系曲線Fig.3 Relationship between gas leakage rate and pressure gradient of pure cement plug in different steel pipes

圖4 不同鋼管中純水泥塞的氣體泄漏速率與壓力梯度的關系曲線對比Fig.4 Comparison of relationship between gas leakage rate and pressure gradient of pure cement plug in different steel pipes

表1 不同鋼管中純水泥塞的平均氣體泄漏速率 cm3/min

體泄漏速率分別降低30%和80%。而且還發現，從試驗一開始所有純水泥塞都發生了氣體泄漏。氣體泄漏發生在極小的壓差(小于0.001 MPa)下，因此可以忽略突破壓力，認為是無突破情況。

1.3.2 硅酸水泥塞氣體泄漏速率

光滑鋼管和高表面粗糙度鋼管中硅酸水泥塞的氣體泄漏速率與壓力梯度的關系測量結果如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可以看出，高表面粗糙度鋼管中硅酸水泥塞的泄漏曲線傾角最小。相應地，這些水泥塞的氣體泄漏速率比光滑鋼管中硅酸水泥塞的氣體泄漏速率要低得多，氣體泄漏速率幾乎降低了90%(見表2)。同時還發現，所有硅酸水泥塞的突破壓力都很小，小于0.001 MPa。硅酸水泥塞的氣體泄漏速率降低和無突破情況的總體趨勢與純水泥相似。

圖5 不同鋼管中硅酸水泥塞的氣體泄漏速率與壓力梯度的關系曲線Fig.5 Relationship between gas leakage rate and pressure gradient of silicate cement plug in different steel pipes

圖6 不同鋼管中硅酸水泥塞的泄漏速率與壓力梯度的關系曲線對比Fig.6 Comparison of relationship between gas leakage rate and pressure gradient of silicate cement plug in different steel pipesf

表2 不同鋼管中硅酸水泥塞平均氣體泄漏速率 cm3/min

1.3.3 氣體滲透率

氣體滲透率儀測量結果表明，純水泥和硅酸水泥的氣體滲透率分別為0.07和0.08 mD。如果在相應的試驗壓力和溫度下將這些值轉化為氣體流量，兩種水泥在0.25 MPa/m的壓力梯度下流量約為0.1 cm3/min。與氣體泄漏速率(見表1和表2)試驗值相比，計算得到的流量極小，這意味著氣體泄漏主要來自于水泥塞周圍的通道。

1.3.4 泄漏源測試和分析

試驗完成后，為確定泄漏源，在水泥塞頂部注入水柱(高約2 cm)。對水泥塞底部加壓，利用氣泡發現泄漏源在靠近水泥/鋼界面的幾個位置(見圖7)，表明存在微環[14]。

圖7 兩種水泥塞樣品的氣體泄漏源Fig.7 Gas leakage sources of two kinds of cement plug samples

2 模擬研究

為了更好地了解試驗水泥塞樣品泄漏通道的流動，本文進行了計算流體動力學模擬研究。假設水泥塞試驗樣品中形成的泄漏通道為微環狀環繞界面，且間隙寬度相同。為簡化起見，假定水泥塞不透水，流體僅流過泄漏通道。另外假設泄漏通道表面粗糙度與試驗所用鋼管的表面粗糙度相同，基于此建立了光滑、中等表面粗糙度和高表面粗糙度等3種泄漏通道模型(見圖8)。

在泄漏通道三維幾何形狀模擬過程中，對周期性峰谷輪廓形成的粗糙曲面模型中的邊緣進行圓角處理，得到光滑的過渡曲面。

圖8 泄漏通道模型Fig.8 Model of leakage paths

首先，在試驗條件下進行模擬，以找到等效微環寬度。根據鋼管的表面粗糙度調整泄漏通道模型的表面粗糙度。模擬過程中設置入口壓力2 MPa不變，不斷改變出口壓力，從而獲得多個壓差下的質量流量。估計等效微環寬度值，直到質量流量模擬值與試驗條件下的氣體泄漏速率平均值接近(偏差小于1%)。然后，保持微環寬度0.1 mm不變，對3個泄漏通道模型進行模擬，得到流體流動可視化效果圖和質量流率。將進口壓力設置為2.0 MPa，出口壓力設置為1.9 MPa，壓差為0.1 MPa，僅在此情況下計算質量流量。

在模擬中，假設氮氣密度和動態黏度在2 MPa的壓力下保持不變，根據試驗溫度設置氮氣的性能參數：試驗溫度66 ℃時，氮氣密度和黏度分別為19.85 kg/m3、19.89×10-4Pa·s；試驗溫度120 ℃時，氮氣的密度和黏度分別為17.06 kg/m3、22.1×10-6Pa·s。模擬后，純水泥塞的等效微環寬度為：光滑鋼管12.8 μm，中等表面粗糙度鋼管12.5 μm，高表面粗糙度鋼管8.1 μm。

氣體泄漏速率模擬結果與試驗結果對比如圖9所示。通過模擬微環寬度0.1 mm的不同泄漏通道模型，結果發現光滑鋼管模型中的質量流量為11.01×10-3kg/s，中等表面粗糙度模型中質量流量為3.01×10-3kg/s，高表面粗糙度模型中質量流量為2.50×10-3kg/s。由此可見，光滑鋼管泄漏通道的質量流量最大，而中等表面粗糙度鋼管和高表面粗糙度鋼管泄漏通道的質量流量降低至幾乎相同的數值。

圖9 純水泥塞的氣體泄漏速率試驗結果與模擬結果對比Fig.9 Comparison between test results and simulation results of gas leakage rate of pure cement plugs

圖10表示通過3種不同表面粗糙度鋼管中純水泥塞的氣體流速云圖。從圖10可以看出：中等表面粗糙度鋼管和高表面粗糙度鋼管泄漏通道中的氣體流速在周期性峰谷剖面邊緣開始下降；再者，在所有泄漏通道模型中，流體流線從進口到出口都表現為一條直線[14]。

圖10 通過3種不同表面粗糙度鋼管中純水泥塞的氣體流速云圖Fig.10 Cloud chart of gas rate through pure cement plugs in three steel pipes with different surface roughness

3 討論與分析

試驗結果表明：所有純水泥和硅酸水泥塞樣品均未出現突破，水泥/鋼界面周圍形成泄漏通道，即存在微環；鋼管內表面粗糙度對水泥塞密封性的影響一致，粗糙鋼管內表面有助于產生較小的氣體泄漏速率。因此，高表面粗糙度鋼管中水泥塞的氣體泄漏速率最小。光滑鋼管和高表面粗糙度鋼管中水泥塞的平均氣體泄漏速率降低值較為相近，對于純水泥和硅酸水泥而言，平均氣體泄漏速率降幅分別為80%和90%，這表明鋼管粗糙度對水泥塞密封性的影響與水泥類型無關。

計算流體動力學模擬結果表明：由于鋼管種類不同，純水泥情況下的等效微環寬度在8.1 ～ 12.8 mm之間；當微環寬度為0.1 mm時，由于中等表面粗糙度和高表面粗糙度鋼管的泄漏通道模型形狀曲折，與光滑鋼管相比，質量流量低約70%。光滑鋼管和粗糙鋼管的泄漏通道的質量流量下降趨勢模擬結果與氣體泄漏速率下降趨勢試驗結果有相似之處。試驗鋼管內表面粗糙度可能影響泄漏通道的曲折度，進而影響流體的電阻率。盡管如此，模擬是在均勻微環的假設下進行的，這不利于討論其他泄漏通道的特性。

根據泄漏速率與壓力梯度關系的試驗結果(見圖3)，可得真實泄漏通道的幾何形狀信息[16]。從光滑鋼管和中等表面粗糙度鋼管中水泥塞發現的線性流特征表明，真實泄漏通道在環形區域連通性好且均勻分布，因此流動軌跡曲折度較小；而從高表面粗糙度鋼管中水泥塞發現的非線性流動特征表明，真實泄漏通道可能具有復雜的幾何形狀(如局部微環或連接裂紋)，從而導致流動軌跡曲折度較大。