劉保波，陳 彬，李 彬，魏裕森，龐東豪，傅 超

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司 廣東深圳 518054；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司 廣東深圳 518000；3.中國石油大學(北京) 北京 102249)

0 引言

提高固井質量有助于延長油水井開采壽命，增加勘探開發(fā)效益[1]。封固系統(tǒng)中第一膠結面和第二膠結面作為薄弱環(huán)節(jié)，很容易因為膠結質量問題導致封隔性能失效。由于海上現(xiàn)場不具備進行相關實驗研究的條件，因此有必要在室內開展相關模擬實驗[2]，研究深水淺層不同型號的固井水泥界面的膠結強度及密封質量。

1 實驗設計

1.1 實驗變量

1.1.1 水泥類型

本次實驗采用標號為425#、525#和海上固井G 級水泥3 種類型的水泥。3 種類型的水泥均為純水泥，不摻入任何添加劑。

1.1.2 候凝時間

本實驗分別為2、4、5、6、8、10、12、13、18、24 h，共計10 個實驗點。

1.1.3 套管尺寸本次實驗的套管尺寸分別為2 in(50.8 mm)和3 in(76.2 mm)。

1.2 實驗方案

1.2.1 套管布置方案

實驗池尺寸為140 cm×105 cm×100 cm(長×寬×高)，共布置2 in(50.8 mm)和3 in(76.2 mm)套管各3 根，間隔均為35 cm，套管間距及套管與實驗池側壁大于3 倍的套管直徑，以消除邊界效應。各套管在實驗池中的位置見圖1。

圖1 套管位置示意俯視圖Fig.1 Top view of position of casing

1.2.2 密封性和膠結強度實驗方案

將固井模具放置在設計位置，在模具周圍壓緊土層，插入實驗套管，在環(huán)空處注入水泥。待水泥基本成型后取出模具，在實驗土層上方注水，等待候凝時間。圖2 為密封性和膠結強度的實驗準備工作。

圖2 密封性和膠結強度實驗準備工作Fig.2 Preparations for sealing and bonding strength experiments

到達候凝時間點時，用加壓管線連接套管和加壓泵，向套管內極為緩慢地注氣加壓；憋壓一段時間后，觀察泥線處剛剛出現(xiàn)氣泡返出時，氣壓的大小和位置；持續(xù)注氣，連續(xù)觀察氣泡數(shù)量、位置及氣壓大小的變化情況，驗證第一膠結面和第二膠結面的固井密封性。

在上述每一個候凝時間點氣密性測試結束時，立刻卸下加壓裝置，將套管與拉力裝置連接；勻速上提套管直至任一膠結界面發(fā)生破壞，記錄上提過程中拉力的最大值；觀察膠結面的破壞情況，記錄拉力數(shù)據(jù)。密封性和膠結強度測試實驗見圖3，套管、水泥環(huán)示意圖見圖4。

圖3 密封性和膠結強度測試實驗圖Fig.3 Experimental diagram of sealing and bonding strength testing

圖4 套管、水泥環(huán)示意圖Fig.4 Schematic diagram of casing and cement sheath

2 實驗結果分析

2.1 氣密性測試實驗現(xiàn)象及實驗結果

本實驗設定候凝時間為2、4、5、6、8、10、12、13、18、24 h。具體實驗數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 套管氣密性測試實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Data of casing airtightness test

候凝2 h 后，使用3 種水泥進行套管固結，套管的第一膠結面均有氣泡冒出。說明候凝2 h 時間過短，第一膠結面強度極低。

候凝4 h 后，使用425#、525# 2 種普通硅酸鹽水泥固結的套管在第一膠結面、第二膠結面均有氣泡冒出；而使用G 級水泥固結的套管只有第二膠結面有氣泡冒出。此時G 級水泥第一膠結面達到固結密封。

候凝5 h 后，使用425#、525#、G 級3 種水泥進行實驗套管固結，水泥環(huán)的第二膠結面均有氣泡冒出。此時3 種水泥第一膠結面均達到固結密封。

候凝10 h 后，使用425#、525# 2 種水泥固結的套管在第二膠結面有氣泡冒出，而使用G 級油井水泥固結的套管在實驗池的邊緣有氣泡冒出。此時G 級水泥第二膠結面達到固結密封。

候凝13 h 后，使用425#、525#、G 級3 種水泥進行實驗的套管固結，氣泡全部在第二膠結面以外、接近實驗池邊緣的地方冒出。此時3 種水泥第二膠結面均達到固結密封。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制2 in(50.6 mm)套管氣密性隨時間變化圖如圖5，3 in(76.2 mm)套管氣密性隨時間變化圖如圖6。

圖5 2 in套管氣密性隨時間變化圖Fig.5 Variation diagram of airtightness of 2 in casing with time

圖6 3 in套管氣密性隨時間變化圖Fig.6 Variation diagram of airtightness of 3 in casing with time

由圖可知，隨著時間的增加，氣壓值的增加趨勢變緩，G 級水泥第一、第二膠結面固結密封時效均高于425#水泥和525#水泥。

2.2 膠結性測試實驗現(xiàn)象及實驗結果

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，2 h 之前，所有套管均從水泥環(huán)中拔出；4 h 時，低標號水泥均從水泥環(huán)中拔出，中標號水泥和G 級水泥套管連同水泥環(huán)從土壤中拔出；6 h 及以后，3 種標號水泥均為套管加水泥環(huán)從土壤中拔出。

2.2.1 水泥漿與隔水導管之間的膠結強度分析

隔水導管與水泥膠結強度的變化可以體現(xiàn)在側向摩擦力的變化上，可以通過實驗測出水泥環(huán)與鋼管樁及土壤的平均側向摩擦力，即側向摩擦力的變化反映了膠結強度的變化。表2 為前6 h 套管膠結強度測試實驗數(shù)據(jù)，繪制不同標號水泥漿與套管之間內摩擦力隨時間變化曲線，如圖7。

圖7 不同標號水泥漿與套管之間內摩擦力隨時間變化圖Fig.7 Variation of internal friction between cement paste with different grades and casing with time

表2 前6 h套管膠結強度測試實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Data of casing bond strength test in first 6 h

2.2.2 水泥漿與海底土之間的膠結強度分析

固井6 h 之前，鋼管樁從水泥環(huán)中拔出，所以在此只給出6 h 之后水泥漿與海底土之間的膠結強度的變化，見表3。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制不同標號水泥漿與海底土之間內摩擦力隨時間變化曲線，如圖8。

表3 6 h后套管膠結強度測試實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Data of casing bond strength test after 6 h

續(xù)表3

圖8 不同標號水泥漿與海底土之間內摩擦力隨時間變化圖Fig.8 Variation of internal friction between cement paste with different grades and submarine soil with time

由實驗數(shù)據(jù)不難看出，3 種標號的水泥隨著候凝固結時間的增加，第二界面膠結強度增加趨勢放緩[3]；3 種標號水泥第一、第二膠結面的單位面積摩擦力均隨著套管尺寸的增加而減小。

3 結論

綜合上述實驗結果，得出結論如下：

①水泥漿硬度的差異對淺部弱膠結地層固井第二膠結面密封性的影響較小，但候凝時間對固井第二膠結面密封性的影響較大，適當延長候凝時間比提高水泥強度更有助于固井第二膠結面密封性能的提高?？紤]淺層地質災害，建議延長固井候凝時間，以確保第二膠結面膠結質量。

②由于低標號水泥與G 級水泥在氣密性和膠結強度方面相差較小，可以考慮研發(fā)低標號固井水泥以及配套添加劑代替G 級水泥用于淺部地層固井作業(yè)，以降低成本。