吳彥先 晁明哲 王雪剛 閆旬國 鐘守明 廖華林

(1.新疆油田公司工程技術(shù)研究院 2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司3.勝利石油工程公司固井技術(shù)服務(wù)中心 4.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院)

0 引 言

水泥漿體系的防氣竄性能是影響固井質(zhì)量的重要因素，水泥漿凝固過程中或凝固以后，由于壓裂增產(chǎn)作業(yè)與生產(chǎn)過程階段套管內(nèi)壓周期性變化，發(fā)生地層流體侵入井筒或環(huán)空帶壓，大都由水泥漿(環(huán))抗竄能力不足所引起[1-2]。如何評價水泥漿(環(huán))的抗竄能力是提高水泥膠結(jié)質(zhì)量的關(guān)鍵。目前，關(guān)于水泥漿體系防氣竄能力評價方法主要有氣竄潛力系數(shù)法(FPF)、水泥漿性能系數(shù)法(SPN)、水泥漿響應(yīng)性能系數(shù)法(SRN)、膠凝失水系數(shù)法(GELFL)、壓力平衡法、阻力系數(shù)法以及氣/水竄測試儀等[3-8]，但這些方法卻難以表征水泥漿凝固后在加、卸載條件下的抗竄能力。P.B.JACKSON等[9]首次進(jìn)行了套壓加載和卸載的水泥環(huán)密封試驗(yàn)，觀測到了水泥環(huán)裂紋和微環(huán)隙的產(chǎn)生；C.KOSINOWSKI等[10]研究了G級水泥的循環(huán)疲勞極限；J.DE.ANDRADE等[11]建立了一套井筒完整性測試設(shè)備，研究了不同套管居中度和溫度循環(huán)對水泥環(huán)密封性的影響; A.SHADRAVAN等[12-13]觀測到循環(huán)加載過程中水泥環(huán)的徑向裂紋和軸向斷裂。陶謙和李勇等[14-15]研究了套管循環(huán)加載對水泥環(huán)失效輪次的影響。

在工程實(shí)際中，如何將各種影響因素與井筒系統(tǒng)完整性評價相結(jié)合，通過測試手段獲得的數(shù)據(jù)對環(huán)空水泥環(huán)的抗竄能力進(jìn)行分析評判，需要建立更為科學(xué)的方法。本文基于多輪次加載的水泥漿體系抗竄能力評價試驗(yàn)裝置，分析套管內(nèi)壓的變化對水泥環(huán)抗竄能力的影響，以期為頁巖油氣多級水力壓裂過中水泥環(huán)的失效機(jī)制分析與水泥漿體系優(yōu)選提供依據(jù)。

1 水泥環(huán)抗竄能力評價試驗(yàn)裝置工作原理與方法

水泥環(huán)抗竄能力評價試驗(yàn)裝置如圖1所示，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)量評價分析系統(tǒng)組成，可模擬不同的井下工況(壓力和溫度變化等)，研究井筒溫度和壓力參數(shù)、套管參數(shù)、水泥漿性能、循環(huán)加載等因素對水泥環(huán)密封性的影響，根據(jù)抗?jié)B透能力與失效形式指標(biāo)評價水泥環(huán)的密封特性，得出影響水泥環(huán)密封完整性的主要因素及其影響規(guī)律。試驗(yàn)裝置可以模擬不同溫度、壓力下的水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)過程，并可在水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)完成后，通過周期性地調(diào)節(jié)套管壓力、水泥環(huán)壓力模擬諸如水力壓裂等不同的井下作業(yè)工況，并借助測竄系統(tǒng)控制水泥環(huán)兩端壓力，選擇水竄或者氣竄模式，通過排水法檢驗(yàn)水泥環(huán)的完整性，從而實(shí)現(xiàn)對破壞形式和失效程度的定量判別。

1—水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量評價分析系統(tǒng)；2—閥門2；3—加壓泵；4—儲氣瓶；5—閥門1；6—水泥環(huán)抗?jié)B漏能力分析系統(tǒng)；7—閥門4；8—閥門5；9—量筒；10—下釜蓋；11、19—橡膠密封墊；12—加熱套；13—釜體；14—巖心；15—泥餅；16—水泥環(huán)；17—套管；18—膠結(jié)質(zhì)量測試儀；20—上釜蓋；21—閥門3。

井筒模擬系統(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，可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對圍壓、套管內(nèi)壓、水泥環(huán)上下端壓力的控制。在模擬環(huán)空中灌注水泥漿，通過加熱套、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，模擬不同油氣井溫度和壓力對水泥漿進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

水泥漿養(yǎng)護(hù)完成后，通過增壓泵和泄壓泵與閥門組配合進(jìn)行套管內(nèi)壓的循環(huán)加載，模擬壓裂過程中的水泥環(huán)受力情況?？刂扑喹h(huán)頂端和底端的壓差進(jìn)行水泥環(huán)完整性驗(yàn)證，通過液量/氣量記錄儀測量液體流量和傳感器壓力變化，定量計(jì)算水泥環(huán)綜合滲透率，研究不同加載輪次與加載壓力下水泥環(huán)的失效形式和失效規(guī)律。

2 循環(huán)加載條件下水泥漿體系抗竄能力分析

2.1 試驗(yàn)步驟

(1)首先組裝模擬井筒，將水泥漿配好后倒入模擬井筒環(huán)空，然后封裝。

(2)將模擬井筒安裝到釜體測試系統(tǒng)中，加裝位移測量裝置，設(shè)置套管壓力、水泥環(huán)壓力和圍壓，然后設(shè)置加熱溫度進(jìn)行水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動采集。

(3)水泥環(huán)養(yǎng)護(hù)到設(shè)定時間后，通過循環(huán)加載和卸載套管壓力模擬井下工況?？稍O(shè)定套管壓力不變，調(diào)節(jié)水泥環(huán)上端和下端的壓差進(jìn)行抗竄能力測試；也可設(shè)定水泥環(huán)上下兩端壓差不變，調(diào)節(jié)套管壓力進(jìn)行測試。若在出口出現(xiàn)竄流，則推斷水泥環(huán)發(fā)生破壞。

(4)測竄試驗(yàn)結(jié)束后，拆開模擬井筒觀察分析水泥環(huán)破壞形式。

2.2 不同養(yǎng)護(hù)條件抗竄能力對比

水泥漿配方為:G級+0.4%X60L+0.4%X66L+4.5%G80L+4%膠乳+0.15% H40L+35%硅粉+52%H2O。

2.2.1 養(yǎng)護(hù)條件1：套管憋壓36 MPa

養(yǎng)護(hù)溫度設(shè)置為70 ℃、套管壓力36 MPa、水泥環(huán)壓力和圍壓為11.6 MPa，養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行套壓的加載和卸載模擬井筒壓力交替變化，然后進(jìn)行抗竄能力評價試驗(yàn)。

首先進(jìn)行套壓的快速卸載和加載，加載最大套壓至44 MPa，加載和卸載5次，測竄壓差保持13.5 MPa，水泥環(huán)未出現(xiàn)竄流；然后給套管加壓至44 MPa，憋壓30 min再泄壓，共加載和卸載6次，測竄壓差維持在10 MPa以上，未出現(xiàn)竄流(中間質(zhì)量突變屬于人為按動天平，檢查數(shù)據(jù)是否正常傳輸)，后將測竄壓差提高到19 MPa，仍然未出現(xiàn)竄流。拆開模擬井筒發(fā)現(xiàn)水泥環(huán)完整，未出現(xiàn)微環(huán)隙和微裂紋，在測試壓力變化范圍內(nèi)，水泥環(huán)密封性良好，如圖2所示。

圖2 養(yǎng)護(hù)條件1水泥環(huán)測竄試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.2 Channeling test data of cement sheath under curing condition 1

2.2.2 養(yǎng)護(hù)條件2：套管內(nèi)初始壓力為0

設(shè)套管壓力為0，其他條件與上述相同，養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行套壓的加載和卸載模擬井筒壓力交替變化，然后進(jìn)行測竄試驗(yàn)，結(jié)果如圖3～圖5所示。

如圖3所示，保持水泥環(huán)上下兩端測竄壓差5 MPa，快速將套壓加至39 MPa憋壓，憋壓5 min后開始出現(xiàn)水竄，測竄質(zhì)量成直線上升關(guān)系，滿足達(dá)西滲流定律；降低測竄壓差后竄流停止(期間將量桶中的水倒空以免超出天平量程)，升高測竄壓差竄流繼續(xù)。推測此時水泥環(huán)出現(xiàn)了具有一定滲透性的微裂紋，但是微裂紋的滲透性較弱，在較大的壓差才發(fā)生滲流。

圖3 養(yǎng)護(hù)條件2第1次測竄試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.3 Data of the first channeling test under curing condition 2

如圖4所示，重新將套壓卸載至0，維持測竄壓差在3 MPa左右，逐漸增加測竄壓差，水泥環(huán)出現(xiàn)滲流，推測水泥環(huán)與套管界面出現(xiàn)了微環(huán)隙。

圖4 養(yǎng)護(hù)條件2第2次測竄試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.4 Data of the second channeling test under curing condition 2

如圖5所示，維持約2 MPa的測竄壓差(低于微環(huán)隙開始滲流的壓差3 MPa，以此排除微環(huán)隙的影響)，逐漸升高套壓驗(yàn)證微裂紋是否存在。首先加壓至20 MPa并憋壓7 min，泄壓后逐漸增加套壓，當(dāng)套壓升至35 MPa時出現(xiàn)明顯的竄流(低于之前的竄流40 MPa)，可以推測水泥環(huán)確實(shí)存在微裂紋，并且在加載與卸載過程中水泥環(huán)微裂紋更加明顯，在更低的套壓下就會出現(xiàn)竄流。

圖5 養(yǎng)護(hù)條件2第3輪測竄試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Data of the third channeling test under curing condition 2

打開模擬套筒，發(fā)現(xiàn)水泥環(huán)出現(xiàn)了呈對稱分布的兩條裂紋，在兩條裂紋垂直方向還存在一條未貫穿水泥環(huán)的微裂紋，套管與水泥環(huán)可自由活動，在0套壓候凝條件下，套管加載和卸載作用導(dǎo)致套管與水泥環(huán)膠結(jié)面產(chǎn)生微間隙。

2.3 不同水泥漿體系抗竄能力對比

配方1：G級+4%膠乳+2%降失水+44%水+0.5%消泡劑+0.7%緩凝劑+2%彈性材料+5%微硅，水泥漿密度1.85 g/cm3。利用水泥環(huán)抗竄能力評價裝置測試循環(huán)加載套壓條件下水泥環(huán)的完整性能。養(yǎng)護(hù)溫度95 ℃，升溫時間1 h，養(yǎng)護(hù)時間72 h。

(1)養(yǎng)護(hù)完成后，開始進(jìn)行套壓循環(huán)加載模擬水力壓裂作業(yè)，分階段共循環(huán)加載30輪次，每輪次最大壓力38 MPa，加到最高壓力后維持5 min，然后泄壓至0，維持5 min，繼續(xù)下一輪次加載，未出現(xiàn)竄流現(xiàn)象。

(2)加載30輪次之后，泄圍壓和水泥環(huán)頂端壓力，打開冷卻閥門開始降溫，然后取出模擬井筒，拆出水泥環(huán)，發(fā)現(xiàn)其未出現(xiàn)徑向裂紋和界面微環(huán)隙。

配方2：密度為1.60 g/cm3的低水泥漿體系，配方為：G級+10%3MWZ+10%WG+3%JB-1+4%SW-1A+3%SNP+{2%ST300C+23%ST800L+0.6%SXY-2+0.5%ST200R+0.1%ST500L}+52%H2O+0.5%DL-500。

按配方1的養(yǎng)護(hù)條件和試驗(yàn)流程，每輪次加最大壓力35 MPa，循環(huán)加載第5輪次時發(fā)生竄流，隨著加載輪次的增加，竄流速度加快，水泥環(huán)出現(xiàn)了密封完整性失效，如圖6所示。拆出水泥環(huán)觀察，水泥環(huán)存在徑向裂紋和一界面微環(huán)隙。

圖6 配方2多輪次加載測竄試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.6 Channeling test data of Formula 2 under multi-cycle loading conditions

按API標(biāo)準(zhǔn)測試，配方1和配方2每30 min的失水量分別為32和27 mL，靜膠凝強(qiáng)度48 Pa到240 Pa的過渡時間分別為28和24 min，按水泥漿性能系數(shù)法(SPN)和氣/水竄測試儀分析，兩種體系的抗竄能力接近。但經(jīng)過多輪次加載和卸載得到的水泥漿體系抗竄能力卻存在較大差異。頁巖油氣水平井多采用分段壓裂進(jìn)行儲層改造，井筒壓力存在多輪次循環(huán)變化，開展基于循環(huán)加載測試的水泥漿體系抗竄能力評價，有助于設(shè)計(jì)出更合理的水泥漿體系，并選取更科學(xué)的施工參數(shù)。

3 結(jié)論與認(rèn)識

(1)利用可循環(huán)變載條件的水泥環(huán)抗竄能力試驗(yàn)評價裝置，可根據(jù)水泥環(huán)滲流量(滲透率)和失效特征評價水泥環(huán)的抗竄能力。在套管內(nèi)壓循環(huán)變載條件下，水泥環(huán)出現(xiàn)一界面微間隙和微裂紋破壞。

(2)在套管內(nèi)壓循環(huán)變載條件下，相同的水泥漿體系在不同的候凝條件、不同體系在相同候凝條件呈現(xiàn)出不同的抗竄能力。

(3)對實(shí)施多級壓裂的頁巖油氣水平井水泥漿體系性能評價時，增加多輪次變載條件下水泥環(huán)抗竄能力評價，有助于設(shè)計(jì)優(yōu)選出更合理的水泥漿體系，保證井筒的密封完整性。