李炎軍， 張萬棟， 吳 江， 楊玉豪， 張國山， 楊煥強(qiáng)

(1中海石油(中國)有限公司湛江分公司 2中石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第一固井分公司 3長江大學(xué)石油工程學(xué)院)

南海勘探開發(fā)前景廣闊，是南海大氣區(qū)建設(shè)和國家南海能源基地建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，據(jù)調(diào)查南海高溫高壓領(lǐng)域天然氣資源量達(dá)15×1012m3，占南?？傎Y源量的2/3，資源潛力巨大[1]。隨著南海地區(qū)勘探開發(fā)的進(jìn)一步深入，井下溫度與壓力越來越高，如樂東3口探井井底溫度接近200℃，壓力系數(shù)達(dá)到2.2，對(duì)固井質(zhì)量和后期水泥環(huán)密封完整性提出了極大挑戰(zhàn)[2-3]。水泥環(huán)封隔能力是高溫高壓氣井密封完整性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，國內(nèi)外針對(duì)水泥環(huán)的密封完整性問題從實(shí)驗(yàn)分析[4-5]、理論計(jì)算[6-9]及數(shù)值模擬[10-12]等方面開展了大量研究，相繼研制了一系列水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置，然而，國內(nèi)外前期建立的水泥環(huán)密封失效評(píng)價(jià)裝置大都基于相似原理進(jìn)行了縮小，較少考慮地層對(duì)水泥環(huán)密封失效的影響，且溫度、壓力等關(guān)鍵參數(shù)的施加能力有限，無法滿足南海高溫高壓井的實(shí)際需要[13-18]；陶謙[19]利用研制的全尺寸試驗(yàn)裝置開展了高溫高壓下水泥環(huán)密封能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，然而該實(shí)驗(yàn)未考慮水泥漿凝固后的初始應(yīng)力狀態(tài)。

基于此，考慮南海高溫高壓氣井的實(shí)際地層條件及井眼條件，在充分分析水泥環(huán)密封失效影響因素的基礎(chǔ)上，研制了一套全尺寸高溫高壓水泥環(huán)封隔能力實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置，開展了水泥漿養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、封隔長度以及套管偏心等因素下的水泥環(huán)封隔能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

一、水泥環(huán)封隔能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

1. 實(shí)驗(yàn)裝置

研制了一套高溫高壓氣井水泥環(huán)封隔能力評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置，裝置考慮了如下因素：

(1)高溫。實(shí)驗(yàn)裝置具備200°C的加熱能力，以及溫度升高及降低的控制。

(2)復(fù)雜壓力體系。實(shí)驗(yàn)設(shè)備考慮了全尺寸的套管、水泥環(huán)以及模擬地層，可施加及控制套管內(nèi)壓力(0～70 MPa)、圍壓(0～70 MPa)、環(huán)空壓力(0～40 MPa)以及氣體竄流壓力(0～40 MPa)。

(3)井眼條件。針對(duì)南海西部油田的井身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用?212.73 mm鉆頭鉆開油氣層以及?177.8 mm生產(chǎn)套管固井，考慮到下套管過程中產(chǎn)生的套管偏心情況，實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬了10%、20%、30%三種套管偏心度。

(4)復(fù)雜地層?？紤]到水泥環(huán)與地層的軟硬程度，采用R52.5標(biāo)號(hào)的水泥與黃砂組成不同配比的水泥砂漿制備模擬地層，使模擬地層具有不同的強(qiáng)度、彈性模量及泊松比。

該全尺寸實(shí)驗(yàn)裝置由圍壓施加及控制、環(huán)空壓力施加及控制、套管內(nèi)壓施加及控制、氣竄壓力施加與控制、溫度施加及控制等系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 高溫高壓水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置總裝圖

1套管 2套管堵頭 3固井水泥環(huán) 4水泥環(huán)端面密封腔 5模擬地層 6氟橡膠膠套 7高壓釜體 8高強(qiáng)度螺栓 9法蘭 10壓力表 11閥門 12氣體增壓系統(tǒng) 13高壓泵 14氣體流量監(jiān)測(cè)儀 15低溫水浴槽 16恒溫槽 17低溫螺旋循環(huán)管 18耐壓加熱管

2. 實(shí)驗(yàn)材料

選用南海西部油田?177.8 mm油層套管抗高溫固井水泥漿體系為實(shí)驗(yàn)材料，密度為2.35 g/cm3，測(cè)試得到160℃養(yǎng)護(hù)2 d的水泥石彈性模量為5.6 GPa，其組成如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用水泥漿體系配方

3. 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

通過測(cè)試氣體突破水泥環(huán)的壓力進(jìn)行水泥環(huán)封隔能力評(píng)價(jià)，為防止模擬地層中的游離液及養(yǎng)護(hù)過程中的水泥漿進(jìn)入到氣管線，實(shí)驗(yàn)前對(duì)裝置的進(jìn)氣口進(jìn)行處理，采用200目紗網(wǎng)與高磁力磁鐵封隔進(jìn)氣口(如圖2)，從而只允許氣體通過；實(shí)驗(yàn)過程中施加的圍壓模擬地應(yīng)力，環(huán)空壓力模擬水泥漿液柱壓力，本實(shí)驗(yàn)通過控制環(huán)空壓力大小模擬水泥漿的失重壓力，套管內(nèi)壓力模擬井內(nèi)工作液液柱壓力。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

3.2.1 模擬地層的制備

為模擬不同硬度的地層，采用R52.5標(biāo)號(hào)的水泥與黃砂、水通過不同配比的水泥砂漿澆筑到預(yù)制的模具中，形成不同強(qiáng)度及硬度的地層，地層配比及其力學(xué)參數(shù)如表2所示。制備前，為了脫模方便，首先對(duì)預(yù)制模具進(jìn)行處理，處理過程包括模具的表面涂抹一層黃油并貼上兩層不透水的牛皮紙；其次，將配制好的水泥砂漿澆筑到模具中，12 h后取出模具的內(nèi)襯管，24 h后拆除模具，并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，7 d后形成滿足強(qiáng)度要求的模擬地層試件。

3.2.2 水泥漿的配制

水泥漿的配制與養(yǎng)護(hù)采用如下方法：首先，安裝氟橡膠膠套以及高壓釜體，并將最外層法蘭與高壓釜體連接，下入套管；其次，利用高轉(zhuǎn)速攪拌機(jī)配制一定量的水泥漿，并將水泥漿沿套管外壁緩慢注入到模擬地層與套管之間的環(huán)空中，其中，水泥漿上部與法蘭間留有10 cm的高度并注滿水。

圖2 氣體突破水泥環(huán)示意圖表2 模擬地層配比及參數(shù)

材料配比彈性模量/GPa泊松比抗壓強(qiáng)度/MPaR52.5水泥∶黃砂∶水1∶2∶0.428.90.34621∶3∶0.420.60.35551∶6∶0.44.80.48.7

3.2.3 各壓力控制

安裝所有法蘭及高壓管線并完成套管內(nèi)注滿水、加熱系統(tǒng)通電等操作步驟，并將加熱控制系統(tǒng)調(diào)整到實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)溫度；通過壓力控制系統(tǒng)將圍壓控制到20 MPa、環(huán)空壓力15 MPa、套管內(nèi)壓力30 MPa。

3.2.4 水泥漿失重模擬

在實(shí)際固井過程中，由于水泥漿凝固過程中的失重現(xiàn)象，套管-水泥環(huán)-地層組合體應(yīng)力發(fā)生改變，為了模擬水泥漿的失重壓力，待實(shí)驗(yàn)裝置溫度、壓力穩(wěn)定48 h后，將環(huán)空壓力按照水泥漿失重后密度降至1.0 g/cm3的情況逐步釋放一定值。

3.2.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

打開下法蘭上的進(jìn)氣閥，逐步提高氣體增壓系統(tǒng)壓力，直到裝置上法蘭出氣口有氣泡冒出，記錄此時(shí)氣體增壓泵的壓力，并將此時(shí)的氣體竄流壓力作為水泥環(huán)封隔能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1. 水泥漿養(yǎng)護(hù)溫度的影響

為了評(píng)價(jià)水泥漿養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥環(huán)封隔能力的影響，在相同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間(2 d)測(cè)試了120℃、140℃、160℃、180℃、200℃溫度下的氣體竄流壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

對(duì)于同樣的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，氣體竄流壓力逐漸增大，且超過160℃時(shí)，竄流壓力增大趨勢(shì)減緩；說明地層溫度越高，相同時(shí)間內(nèi)的水泥環(huán)封隔能力越強(qiáng)。

圖3 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥環(huán)封隔能力的影響

2. 水泥漿養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響

本實(shí)驗(yàn)在相同養(yǎng)護(hù)溫度(160℃)條件下測(cè)試了1 d、2 d、3 d、5 d、7 d的封隔能力，結(jié)果如圖4所示。

圖4 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥環(huán)封隔能力的影響

對(duì)于同樣的養(yǎng)護(hù)溫度，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，氣體竄流壓力逐漸增大，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過3 d時(shí)，竄流壓力基本不變；說明固井后3 d左右的時(shí)間水泥環(huán)的封隔能力達(dá)到峰值。

3. 水泥環(huán)封隔長度的影響

本實(shí)驗(yàn)所用水泥漿密度2.35 g/cm3，水泥漿失重后的密度1.0 g/cm3，實(shí)驗(yàn)所取水泥環(huán)封隔段長度分別為200 mm、400 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm、1 200 mm，則實(shí)驗(yàn)時(shí)分別將環(huán)空壓力降低2.65 MPa、5.3 MPa、7.95 MPa、10.6 MPa、13.25 MPa、15.9 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 水泥環(huán)封隔段長度對(duì)封隔能力的影響

隨著水泥環(huán)封隔段長度的增加，水泥環(huán)封隔能力呈線性增加的趨勢(shì)，因此，對(duì)于氣井，應(yīng)盡可能增大水泥環(huán)封隔段長度。

4. 套管偏心的影響

設(shè)置了10%、20%、30%等3種套管偏心度，模擬地層分別采用表2所示配比，分別用Ec、Ef代表水泥環(huán)與地層的彈性模量，進(jìn)行了套管偏心對(duì)水泥環(huán)封隔能力的影響實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 套管偏心對(duì)水泥環(huán)封隔能力的影響

對(duì)于不同的地層與水泥環(huán)彈性模量比，隨著套管偏心度的增大，氣體竄流壓力減小，說明套管偏心對(duì)水泥環(huán)的封隔能力有較大影響，同時(shí)，套管偏心對(duì)水泥環(huán)封隔能力的影響與Ec/Ef有關(guān)，Ec/Ef之比越接近于1，水泥環(huán)封隔能力越好。

三、結(jié)論

(1)全尺寸高溫高壓水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置可施加200℃高溫、70 MPa圍壓及套管內(nèi)壓力、40 MPa環(huán)空壓力，模擬套管偏心及井徑擴(kuò)大率等實(shí)際井眼條件。

(2)環(huán)空竄流壓力隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高或養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增大后基本不變的趨勢(shì)，水泥環(huán)封隔段長度的增加有助于對(duì)環(huán)空氣體的封隔，套管偏心對(duì)水泥環(huán)的封隔能力有較大影響，套管偏心下的水泥環(huán)封隔能力受地層與水泥環(huán)彈性模量比的影響。