高溫高壓下油井水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試新方法

徐璧華 盧 翔 謝應(yīng)權(quán)

高溫高壓下油井水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試新方法

徐璧華 盧 翔 謝應(yīng)權(quán)

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

固井注水泥完成后，水泥環(huán)與套管（Ⅰ界面）、與地層（Ⅱ界面）的膠結(jié)強(qiáng)度是影響固井質(zhì)量的重要因素，但目前的水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)量方法不能很好地模擬井下條件水泥環(huán)的形成以及泥餅的沖洗過程，致使測(cè)量出的膠結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù)不能很好地為現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。為此，在分析現(xiàn)有測(cè)量水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度方法的基礎(chǔ)上，提出了一種能夠模擬井下條件的水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)量新方法，并且研制了相應(yīng)的測(cè)量裝置。該裝置能夠模擬高溫高壓環(huán)境下不同鉆井液在巖心上形成泥餅、鉆井液泥餅的動(dòng)態(tài)沖洗、水泥環(huán)的養(yǎng)護(hù)形成過程，并測(cè)量出水泥環(huán)與巖心、水泥環(huán)與模擬套管的界面膠結(jié)強(qiáng)度等。結(jié)論認(rèn)為，利用該裝置能夠開展水泥環(huán)動(dòng)態(tài)沖洗與高溫高壓養(yǎng)護(hù)實(shí)驗(yàn)，還能測(cè)量第一界面與第二界面的膠結(jié)強(qiáng)度，較之于以前的方法更能貼合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際，更具有實(shí)用價(jià)值；但要評(píng)價(jià)地層巖性、沖洗液體系等因素對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度的影響還需要利用該裝置做進(jìn)一步的深入研究。

固井質(zhì)量 水泥環(huán) 沖洗過程 膠結(jié)強(qiáng)度 模擬測(cè)量裝置 測(cè)量方法 評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn) 高溫高壓

固井注水泥完成后，水泥環(huán)與套管（Ⅰ界面）、與地層（Ⅱ界面）兩個(gè)界面膠結(jié)狀態(tài)的好壞對(duì)固井質(zhì)量有重大的影響。目前，界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響因素已較為明確，主要有地層壓力、地層水滲流、地層巖性、水泥石自身性能、鉆井液在地層形成的泥餅以及固井時(shí)對(duì)濾餅的沖洗效果等[1-8]。目前的測(cè)試方法與裝置雖然能在高溫高壓下養(yǎng)護(hù)水泥環(huán)后連續(xù)測(cè)出第I、第II界面的剪切膠結(jié)性能[9-12]，但是還不能很好地模擬井下水泥環(huán)的養(yǎng)護(hù)形成、泥餅的形成以及沖洗液動(dòng)態(tài)沖洗過程。

因此，針對(duì)以前測(cè)試方法的不足和影響因素復(fù)雜性，筆者提出了一種新的測(cè)試方法并研制了相應(yīng)裝置，在評(píng)價(jià)膠結(jié)性能時(shí)，模擬了地層巖心或人造巖心壁面泥餅形成與沖洗過程，模擬了水泥石與上述兩個(gè)界面同時(shí)膠結(jié)的情況，更加符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)提高現(xiàn)場(chǎng)固井質(zhì)量具有重要的意義。

1 新方法介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為自行研制的固井水泥石膠結(jié)性能評(píng)價(jià)裝置，它集三大基本功能為一體：①模擬高溫高壓下不同鉆井液在巖心上形成泥餅；②模擬高溫高壓下鉆井液泥餅的沖洗，可在不同沖洗液、不同沖洗速度、沖洗時(shí)間下模擬沖洗效果；③模擬高溫高壓下水泥環(huán)的養(yǎng)護(hù)形成，并測(cè)量出水泥環(huán)與巖心、水泥環(huán)與模擬套管的界面膠結(jié)強(qiáng)度。圖1為固井水泥石膠結(jié)性能評(píng)價(jià)裝置實(shí)物圖，該裝置的主體由壓力養(yǎng)護(hù)釜、電磁驅(qū)攪拌器、增壓泵、氣動(dòng)液壓管路系統(tǒng)、巖心夾持器、模擬套管、強(qiáng)度測(cè)試伺服試驗(yàn)機(jī)等構(gòu)成[13]。

圖1 固井水泥石膠結(jié)性能評(píng)價(jià)裝置實(shí)物圖

通過改變實(shí)驗(yàn)壓力、巖心，上述的裝置①和②功能還可以實(shí)現(xiàn)鉆井液（或水泥漿）濾失量、泥餅厚度測(cè)量、評(píng)價(jià)和優(yōu)選不同沖洗液體系等試驗(yàn)研究。上述的裝置①和②功能的整個(gè)過程的原理如圖2所示。攪拌漿葉置于巖心周圍和攪拌漿葉的金屬棒頂在巖心頂部保證泥餅形成、沖洗的均勻性以及防止巖心頂部流場(chǎng)受到干擾。

當(dāng)釜體內(nèi)加入鉆井液時(shí)，攪拌器旋轉(zhuǎn)，此時(shí)巖心上可形成泥餅，這個(gè)過程可模擬泥餅的形成；當(dāng)釜體內(nèi)加入沖洗液時(shí)，攪拌器旋轉(zhuǎn)，沖洗液可以沖掉巖心上形成的泥餅，這個(gè)過程可以模擬泥餅的動(dòng)態(tài)沖洗過程。

圖2 模擬泥餅形成與沖洗過程示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

利用該裝置進(jìn)行膠結(jié)強(qiáng)度模擬測(cè)量實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法如下。

1.2.1 模擬井壁的制備

將石英砂按一定配比混合攪拌均勻后注入制備模具中，在一定外力作用下壓實(shí)形成未改性的人造巖心，待其晾干且具有一定的強(qiáng)度和硬度后摘去模具，制備成不同滲透率的巖心。對(duì)人造巖心進(jìn)行加工，鉆取直徑25.4 mm、長(zhǎng)75.0 mm的巖樣作為模擬井壁。

1.2.2 模擬鉆井液泥餅的形成

將巖心裝入巖心夾持器上，并將其放入養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)。向養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)泵入鉆井液，養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)升溫升壓至井下的模擬溫度和壓力。在升溫升壓前，不啟動(dòng)磁驅(qū)動(dòng)攪拌器以模擬井內(nèi)鉆井液的靜濾失。升溫升壓至設(shè)定溫度壓力后，啟動(dòng)電磁驅(qū)攪拌器攪拌鉆井液，以模擬鉆井液的動(dòng)失水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況設(shè)定相應(yīng)轉(zhuǎn)速。整個(gè)過程中打開裝置的失水閥以測(cè)量鉆井液濾失過程中的濾失量。失水完成后，取出巖心夾持器，用“針入法”測(cè)量泥餅厚度[14-17]。

1.2.3 模擬鉆井液泥餅的沖洗過程

將裝入巖心的巖心夾持器放入養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)，泵入沖洗液。要使鉆井液泥餅被清洗的效果與現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)的清洗效果接近，應(yīng)盡量保持與現(xiàn)場(chǎng)相同的清洗時(shí)間和清洗速度。為此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況設(shè)定相應(yīng)轉(zhuǎn)速，沖洗時(shí)間依據(jù)固井實(shí)際中沖洗液上返速度和模擬井深來共同決定（即沖洗時(shí)間為模擬井深與沖洗上返速度的比值）[18-19]。

1.2.4 模擬水泥漿注入與養(yǎng)護(hù)過程

沖洗完成后，取出巖心夾持器，安裝水泥石試模（也即模擬套管，內(nèi)徑80 mm，高50 mm），向巖心和水泥石試模環(huán)空中灌注水泥漿。將水泥漿倒入至試模深度一半處，當(dāng)所有試模都倒入水泥漿后，每個(gè)試樣都用搗棒搗拌約30次，然后手工攪拌剩余的水泥漿以重新懸浮水泥漿組分，并倒入每一試模，之后按前面所述方法進(jìn)行搗拌（使水泥漿均勻和消除漿體中的氣泡，以免后續(xù)養(yǎng)護(hù)時(shí)氣泡對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度產(chǎn)生影響）[19]試模裝滿后，將蓋板蓋在試模上部。加端蓋后放入養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)，泵入養(yǎng)護(hù)液在一定的溫度壓力下養(yǎng)護(hù)一定齡期（通常為24 h）。

1.2.5 膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試

養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，整體取出巖心（水泥環(huán)的膠結(jié)情況如圖3所示，形成的水泥環(huán)的內(nèi)徑24 mm，外徑80 mm，高50 mm），待冷卻后再在強(qiáng)度伺服機(jī)上測(cè)定其強(qiáng)度。

圖3 養(yǎng)護(hù)完成后水泥環(huán)與巖心、模擬套管膠結(jié)實(shí)物圖

膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)定[15,20-21]采用常規(guī)的“壓出法”[21]來測(cè)定抗壓強(qiáng)度值，然后利用公式換算出相應(yīng)的膠結(jié)強(qiáng)度。利用該裝置的優(yōu)點(diǎn)在于可同時(shí)測(cè)定水泥環(huán)與模擬套管（第I界面）、水泥環(huán)與巖心（第II界面）的機(jī)械膠結(jié)強(qiáng)度值，并且還可測(cè)定水泥環(huán)的抗壓強(qiáng)度，一次實(shí)驗(yàn)可以獲取3個(gè)力學(xué)性能數(shù)據(jù)，使得水泥環(huán)的膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)更具說服力。圖4為水泥環(huán)與模擬套管（第I界面）、水泥與巖心（第II界面）的膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試實(shí)物圖。

圖4 水泥膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試實(shí)物圖

2 評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)及分析

利用自制的裝置進(jìn)行了一組評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)情況如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及參數(shù)

1）人造巖心、水泥漿、W21L沖洗液、水基鉆井液。

2）90 ℃×8 MPa×轉(zhuǎn)速310 r/min條件下模擬泥餅形成與沖洗過程。

3）110 ℃×21 MPa條件下模擬養(yǎng)護(hù)過程。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 泥餅形成

在90 ℃×8 MPa×270 min和310 r/min攪拌轉(zhuǎn)速條件下，利用現(xiàn)場(chǎng)用的鉆井液進(jìn)行失水實(shí)驗(yàn)后的泥餅形成情況，選取一個(gè)樣品拍照，如圖5-a、圖5-b所示。從圖中可以看出在動(dòng)態(tài)失水條件下，巖心壁面形成了一層較厚的泥餅，量測(cè)其厚度約為1 mm。其中圖5-b為撥開泥餅露出巖心壁面的情況以示對(duì)比。

圖5 泥餅形成實(shí)物照片

2.2.2 沖洗泥餅

圖6所示為在90 ℃×8 MPa×10 min的沖洗條件下用W21L沖洗液沖洗泥餅后的巖心壁面的情況。從圖6中可以看出，經(jīng)過沖洗后巖心壁面仍有一層薄薄的泥餅，在巖心的某些部分甚至能看到出露的巖心（白色部分所示）。對(duì)比圖5和圖6能很直觀地得出，W21L沖洗液具有一定的沖洗效果，當(dāng)然其沖洗效果的評(píng)價(jià)還需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

圖6 巖心壁面泥餅沖洗效果圖

2.2.3 水泥環(huán)力學(xué)性能測(cè)試

水泥與模擬套管（第I界面）、水泥與巖心（第II界面）的膠結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水泥環(huán)測(cè)試的膠結(jié)強(qiáng)度表 MPa

從表1中可以看出，由該方法模擬測(cè)試的膠結(jié)強(qiáng)度穩(wěn)定性高，而且能同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)膠結(jié)面的膠結(jié)強(qiáng)度。水泥與模擬套管（第I界面）的膠結(jié)強(qiáng)度比水泥與巖心（第II界面）的膠結(jié)強(qiáng)度大。當(dāng)?shù)贗界面膠結(jié)強(qiáng)度升高時(shí)，相應(yīng)的第II界面膠結(jié)強(qiáng)度升高。

3 結(jié)論及建議

1）研制出一套水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度模擬測(cè)量裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)泥餅的動(dòng)態(tài)形成與沖洗、水泥漿養(yǎng)護(hù)以及水泥環(huán)的膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。

2）模擬測(cè)量裝置測(cè)量膠結(jié)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)方法可以定性和定量地分析出巖心壁面形成泥餅的情況、沖洗液對(duì)巖心壁面泥餅的沖洗效果以及水泥環(huán)與兩個(gè)界面的膠結(jié)強(qiáng)度、水泥環(huán)的抗壓強(qiáng)度。

3）該模擬測(cè)量裝置提供了一種新的研究界面膠結(jié)強(qiáng)度的手段，能模擬水泥石與兩個(gè)界面同時(shí)膠結(jié)的情況，一定程度上更能貼合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際，具有實(shí)用價(jià)值。要評(píng)價(jià)地層巖性、沖洗液體系等因素對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度的影響還需利用該裝置做進(jìn)一步的深入研究。

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(修改回稿日期 2016-09-08 編 輯 凌 忠）

A new bonding strength measurement method for oil well cement sheath under high temperatures and high pressures

Xu Bihua, Lu Xiang, Xie Yingquan
(School of Oil & Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China)

The bonding strength of cement-casing interface (interface I) and cement-formation interface (interface II) is an important factor affecting cementing quality. However, the current cement bonding strength measurement methods cannot simulate appropriately the formation of cement sheath and the flushing process of mud cake in wellbore conditions, so the measured bonding strength cannot be well used as the reference for field operation. In this paper, the existing cement bonding strength measurement methods were analyzed. Then, a new method which can simulate the cement bonding strength under the condition of the well was put forward, and the corresponding measurement device was developed. The device can be used to simulate the curing process of cement sheath, the dynamic flushing of mud cake and the mud cake which is made of drilling fluids on the cores under high temperatures and high pressures (HTHP). It can also be used to measure the bonding strength of cement-core interface and cement-simulated casing interface. To sum up, this device can be used for the experiments on dynamic flushing and HTHP curing of cement sheath and the bonding strength measurement of interfaces I and II. Compared with the previous methods, this new method is more applicable and practical. whereas a further study by use of this method and device is needed to evaluate the impact of lithology, flushing fluid system, etc. on the bonding strength.

Cement job quality; Cement sheath; Flushing process; Bonding strength; Simulated measurement device; Measurement method; Evaluation experiment; High temperatures and high pressures (HTHP)

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.11.008

徐璧華等.高溫高壓下油井水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試新方法.天然氣工業(yè)，2016, 36(11): 65-69.

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 11, pp.65-69, 11/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

國(guó)家“十二五”重大科技專項(xiàng)“低滲油氣田完井關(guān)鍵技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05022-006-005HZ）。

徐璧華，1964年生，副教授，碩士；主要從事油氣固井工程研究與教學(xué)工作。地址：（610500）四川省成都市新都大道8號(hào)。電話：（028）83032926。ORCID: 0000-0003-1284-0026。E-mail:xubh@vip.163.com