馬西旗 王 超 徐鴻飛 高明星 劉占鏖 易先中 劉航銘
(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 2.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)
棄井是一口井生命周期中不可避免的階段。大量生產(chǎn)井經(jīng)過若干年的油、氣開采后,達(dá)到生產(chǎn)年限末期,急需棄置作業(yè)處理[1-2]。目前,對棄置井的處理大多使用封固材料進(jìn)行永久封堵,以實(shí)現(xiàn)油氣的封隔。常用的封固材料有油井水泥、鉆井液、膨潤土以及其他新型材料等[3]。由于水泥封堵的效果良好,相比其他材料成本低,在實(shí)際作業(yè)中廣泛使用[4-6]。
水泥塞封堵棄置井筒往往面臨著復(fù)雜的地層環(huán)境,許多地區(qū)井底溫度高、壓力高,在高溫高壓條件下,水泥石會加速老化,強(qiáng)度容易衰退。針對各類惡劣環(huán)境,國內(nèi)外工程師研制出了相應(yīng)的特種水泥漿。D.G.CARDNO等[7]通過在水泥漿中添加硅酸鹽,證明添加適當(dāng)硅酸鹽可以在一定程度上改善水泥與套管的膠結(jié)界面。趙軍等[8]研發(fā)出一種抗高溫且防CO2及H2S腐蝕的水泥漿體系,并在油田現(xiàn)場成功應(yīng)用。張興國等[9]研制了一種溫敏性膨脹微膠囊防氣竄劑,添加量不小于2%時(shí)能彌補(bǔ)水泥水化過程中的體積收縮,并且水泥具有良好的防氣竄性能。
為了確保水泥塞密封的完整性,科研人員對注水泥過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究。K.HARESTAD等[10]研發(fā)了注水泥塞工具,該工具能有效防止水泥漿流向工具下部井筒,從而提高水泥塞封固質(zhì)量。D.DENNEY[11]發(fā)明了一種注水泥塞封堵棄置井的有效方法,通過在未固井套管處射孔,沖洗套管外環(huán)空,實(shí)現(xiàn)高效率的注水泥塞封堵。Z.S.ARACKAKUDIYIL等[12]研發(fā)了一種智能橋塞技術(shù),可遠(yuǎn)程控制傳達(dá)指令,通過控制壓力實(shí)現(xiàn)智能橋塞的開啟或關(guān)閉,有效控制井筒內(nèi)部壓力。
筆者創(chuàng)新性地提出將機(jī)械振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到棄置井封堵作業(yè)中,以此來改善封堵水泥塞的力學(xué)性能。在棄置井目標(biāo)封堵井段下入水泥橋塞,注水泥的同時(shí)使用振動(dòng)器直接振動(dòng)水泥漿,通過振動(dòng)作用,排出水泥漿中攜帶的空氣,防止水泥漿出現(xiàn)沉積現(xiàn)象。同時(shí)設(shè)計(jì)了室內(nèi)模擬試驗(yàn),對比分析不同振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間及振動(dòng)幅度等參數(shù)組合下,水泥石力學(xué)性能的變化規(guī)律,利用電鏡掃描觀察水泥試樣斷面微觀結(jié)構(gòu)在振動(dòng)后的變化。所得結(jié)論可為水泥塞封堵作業(yè)模擬試驗(yàn)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),具有工程指導(dǎo)意義。
在試驗(yàn)之前,首先分析機(jī)械振動(dòng)影響水泥石性能的機(jī)理,確保試驗(yàn)是有意義的。從宏觀角度分析,機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)波將能量傳遞到水泥漿顆粒間,改變其相互作用關(guān)系,進(jìn)而影響凝固后水泥的性能。在水泥漿攪拌、灌漿完成后,內(nèi)部存在空隙和氣泡,在激振力作用下,水泥漿內(nèi)部的空氣逐漸上升排出,內(nèi)部的有害孔減少;激振力能有效抑制水泥團(tuán)聚現(xiàn)象,使水泥漿在整個(gè)體系中均勻分布,繼而保證水泥漿凝固后在空間上強(qiáng)度分布均勻[13-16]。
從微觀角度分析,機(jī)械振動(dòng)能夠促進(jìn)水泥的水化反應(yīng),使生成的水化產(chǎn)物有效填充水泥內(nèi)部的微小孔隙,提高水泥的密實(shí)度。水泥與水混合后其中的熟料礦物會與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成水化物,產(chǎn)生大量的C-S-H凝膠分布在水泥礦物顆粒之間。同時(shí),水化反應(yīng)生成的產(chǎn)物還有Ca(OH)2晶體,這些水化產(chǎn)物會將水泥礦物顆粒覆蓋,阻礙水化反應(yīng)進(jìn)一步發(fā)生。此時(shí)施加適當(dāng)激振力,剝離吸附在未水化的水泥顆粒表面的水化產(chǎn)物,促進(jìn)水泥充分水化。振動(dòng)后,C-S-H凝膠充填在水泥礦物顆粒間的孔隙中,使水泥更加密實(shí),以提高水泥強(qiáng)度。
為了模擬棄置井封堵水泥漿在初凝前機(jī)械振動(dòng)對其性能的影響,搭建了機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)平臺,如圖1所示。
1—振動(dòng)臺;2—磁力配重塊;3—振動(dòng)傳感器;4—ABB變頻器;5—信號采集器;6—計(jì)算機(jī)。圖1 變頻振動(dòng)試驗(yàn)裝置Fig.1 Variable frequency vibrator
本次試驗(yàn)的變頻振動(dòng)裝置主要由振動(dòng)臺、磁力配重塊、振動(dòng)傳感器、信號采集器、ABB變頻器和計(jì)算機(jī)組成。振動(dòng)臺通過ABB變頻器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率的調(diào)節(jié),配合磁力配重塊可調(diào)節(jié)振動(dòng)幅度,并且能夠?qū)φ駝?dòng)信號實(shí)時(shí)采集、存儲與分析。
本次試驗(yàn)材料選用四川嘉華G級油氣井專用水泥作為原材料制作試驗(yàn)試樣。按照GB/T 19139—2012 《油井水泥試驗(yàn)方法》進(jìn)行試件制備。水灰比0.44混漿,攪拌均勻,得到密度為1.9 g/cm3的水泥漿。
將水泥漿均勻倒入內(nèi)徑50 mm、高120 mm的圓柱模具內(nèi),在模具頂部留20 mm余量,用于制備膠結(jié)強(qiáng)度測試的水泥試樣。將水泥漿均勻倒入150 mm×150 mm×150 mm的正方體模具,用于制備抗壓、抗拉及滲透率測試的水泥試樣。在水泥漿裝入模具后,將模具放在預(yù)先設(shè)置好振動(dòng)參數(shù)的振動(dòng)臺上。由于振動(dòng)在水泥漿剛澆筑不久后進(jìn)行,水泥漿處于流動(dòng)狀態(tài),所以采用帶模振動(dòng)方法,連同模具一起固定在振動(dòng)臺上。每一組振動(dòng)參數(shù)下經(jīng)過振動(dòng)處理的試樣,在24 h后進(jìn)行脫模。將脫模后的試樣置于常溫常壓下養(yǎng)護(hù)7 d。另外,需制作一組未振動(dòng)試樣用于對比分析。每組均有3個(gè)試樣,每一組數(shù)據(jù)均為3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。
通過振動(dòng)前、后對比,可以直觀地看到,振動(dòng)后的水泥漿試樣上層浮有白色氣泡。這是因?yàn)樵谡駝?dòng)作用下,水泥漿中的氣泡被振破或者排出,使得振動(dòng)后的水泥漿顆粒間隔更小,水泥漿更加密實(shí)。
水泥試樣養(yǎng)護(hù)完成后,通過巖石水鉆機(jī)對150 mm×150 mm×120 mm的正方體試樣取心,得到4塊外徑為50 mm的圓柱試樣。使用巖石切割機(jī)將鉆取出的試樣進(jìn)行切割,得到3塊長100 mm的圓柱試樣,用于抗壓強(qiáng)度測試;得到3塊長25 mm的圓柱試樣,用于抗拉強(qiáng)度測試。
套管與水泥石之間是通過接觸界面間的膠結(jié)力來實(shí)現(xiàn)兩者間力的傳遞和變形協(xié)調(diào)的,所以套管-水泥石的工作性能取決于套管與水泥石之間的膠結(jié)作用。一般情況下,膠結(jié)力是一種組合力,主要由化學(xué)膠結(jié)力、摩擦力和機(jī)械咬合力組成[17]。①化學(xué)膠結(jié)力:在澆注后,由于水泥漿體對鋼管表面氧化層的滲透以及隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,水泥晶體生長和硬化,進(jìn)而會形成化學(xué)膠結(jié)力;②摩擦力:水泥漿凝固后會對套管產(chǎn)生擠壓作用,從而在套管與水泥石間產(chǎn)生摩擦力;③機(jī)械咬合力:水泥與套管接觸時(shí)表面會發(fā)生物理咬合,出現(xiàn)機(jī)械咬合力。在膠結(jié)面破壞過程中,化學(xué)膠結(jié)力會在界面間產(chǎn)生滑移時(shí)立即消失,機(jī)械咬合力承擔(dān)大部分膠結(jié)力。
試樣經(jīng)過7 d養(yǎng)護(hù)后開始進(jìn)行水泥石性能測試。用于膠結(jié)強(qiáng)度測試的試樣使用定制固定工具,將試樣固定在電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上,試驗(yàn)過程中采用位移加載,在1.2 mm/min壓縮速度下將內(nèi)部水泥石從鋼管中擠出,進(jìn)行膠結(jié)強(qiáng)度測定。
水泥石膠結(jié)強(qiáng)度測試試驗(yàn)力-位移曲線如圖2所示。OA段隨著位移載荷逐漸變大,試驗(yàn)力近似線性增大,到A點(diǎn)時(shí)到達(dá)最大值。隨后載荷曲線下降,膠結(jié)開始逐漸破壞,到B點(diǎn)時(shí)完全破壞,界面間只有摩擦力作用。B點(diǎn)后水泥石進(jìn)一步被擠出,摩擦力逐漸減小。
圖2 膠結(jié)強(qiáng)度測試試驗(yàn)力-位移曲線Fig.2 Force-displacement curve of cementing strength test
膠結(jié)力的大小和水泥石與套管的接觸面積成正比,因此膠結(jié)強(qiáng)度更能反映水泥石與套管的膠結(jié)狀況。水泥石膠結(jié)強(qiáng)度計(jì)算式為[18]:
(1)
式中:p1為水泥石膠結(jié)強(qiáng)度,MPa;F1為液壓機(jī)最大試驗(yàn)力,即膠結(jié)力,N;S1為水泥石與套管的接觸面積,mm2。
在棄置井封堵工程中,油氣井水泥石抗壓強(qiáng)度是評價(jià)封堵質(zhì)量重要的指標(biāo)之一,科研工作者一直致力于如何提高水泥石的抗壓強(qiáng)度。本文研究振動(dòng)條件下抗壓強(qiáng)度變化,進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)。抗壓強(qiáng)度測試參照ASTM C39—1996標(biāo)準(zhǔn)[19],加載速度為0.6 mm/min,直至試驗(yàn)力下降超過峰值的60%停止試驗(yàn)。
水泥石抗壓強(qiáng)度測試試驗(yàn)力-位移曲線如圖3所示。
圖3 抗壓強(qiáng)度測試試驗(yàn)力-位移曲線Fig.3 Force-displacement curve of compressive strength test
在載荷作用下水泥逐漸被壓縮變形,在A點(diǎn)水泥石到達(dá)抗壓極限。AB段試樣進(jìn)入破壞階段,曲線急劇下降。水泥石沿著力加載方向出現(xiàn)裂紋,隨后破碎。抗壓強(qiáng)度計(jì)算式為:
(2)
式中:p2為水泥石抗壓強(qiáng)度,MPa;F2為試件破壞載荷,N;S2為水泥石受壓面面積,mm2。
水泥石抵抗拉應(yīng)力破壞的能力表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度。由于水泥石本身固有的材料屬性,水泥石的抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度。通常進(jìn)行水泥石巴西劈裂試驗(yàn),用劈裂抗拉強(qiáng)度來表示水泥石的抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)方法參照 ASTM C496—1996標(biāo)準(zhǔn)[20],加載速度為0.6 mm/min,直至試樣破壞停止試驗(yàn)。
圖4是抗拉強(qiáng)度測試試驗(yàn)力-位移曲線。OA段試樣開始彈性變形,在A點(diǎn)達(dá)到載荷峰值,之后進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段。微小裂縫首先從試樣內(nèi)部產(chǎn)生,隨后向兩端迅速延伸??估瓘?qiáng)度計(jì)算式為[21]:
圖4 抗拉強(qiáng)度測試試驗(yàn)力-位移曲線Fig.4 Force-displacement curve of tensile strength test
(3)
式中:p3為水泥石抗拉強(qiáng)度,MPa;F3為試件破壞載荷,N;D為試件直徑,mm;h為試件厚度,mm。
水泥石試樣滲透率使用氣體滲透率儀進(jìn)行測試。將試樣放入巖心夾持器的膠套內(nèi),試驗(yàn)裝置連接完整保持密封,并測量室溫。給試樣施加環(huán)壓,保證環(huán)壓始終大于氣體驅(qū)替壓力1~2 MPa。打開氣源瓶,讀取3個(gè)壓力點(diǎn)出口端氣體流量值,分別計(jì)算出滲透率,取平均值。氣體滲透率計(jì)算式為:
(4)
式中:Kg為氣體滲透率,mD;μ為氣體黏度,mPa·s;l為巖心長度,cm;A為巖心截面積,cm2;Qg為氣體測定流量,cm3/min;p0為大氣壓,MPa;pg為氣體驅(qū)替壓力,MPa。
水泥石試樣使用JSM-IT300A掃描電鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析,要將水泥石試樣制備成直徑小于3 cm、厚度小于1 cm較為規(guī)則的碎塊,并對碎塊表面進(jìn)行噴金處理。在高真空條件下對樣品斷面分別進(jìn)行放大掃描成像。
棄置井下入水泥塞封堵后,水泥塞與套管界面的膠結(jié)強(qiáng)度、水泥塞抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度都是影響封堵質(zhì)量,保證井筒密封完整性的關(guān)鍵參數(shù)。為分析振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間和振動(dòng)幅度對封堵水泥塞性能的影響,首先開展正交試驗(yàn),分析機(jī)械振動(dòng)各參數(shù)影響水泥石性能的一般規(guī)律,得到機(jī)械振動(dòng)的最佳參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,通過單一變量控制試驗(yàn)方法,分別分析振動(dòng)三因素的影響規(guī)律。
本試驗(yàn)考察3個(gè)因素對水泥塞力學(xué)性能的影響效果,每種因素考慮5種水平的影響,為3因素5水平的正交試驗(yàn),選取L25(56)正交表,共設(shè)計(jì)26組試驗(yàn),試驗(yàn)方案及結(jié)果如表1所示。表1中,0號試驗(yàn)為未振動(dòng)的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)振動(dòng)頻率取5、10、15、20及25 Hz,振動(dòng)時(shí)間取2、4、6、8及10 min,振動(dòng)幅度取值1、3、5、2及4 mm。
表1 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 1 Orthogonal test scheme and results
不同振動(dòng)參數(shù)對試樣膠結(jié)強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度增幅效果的影響如圖5所示。
圖5 水泥石力學(xué)性能對比曲線Fig.5 Mechanical property comparison curve of hardened cement
由圖5可以看出,經(jīng)機(jī)械振動(dòng)后各組水泥石的強(qiáng)度相較于未振動(dòng)均有明顯提高,其中振動(dòng)頻率15 Hz、振動(dòng)時(shí)間6 min、振動(dòng)幅度3 mm時(shí)(試驗(yàn)組13)增強(qiáng)效果最為明顯,膠結(jié)強(qiáng)度提高了51%,抗壓強(qiáng)度提高了38%,抗拉強(qiáng)度提高了20%。通過正交試驗(yàn)的極差分析,各因素對水泥石強(qiáng)度的影響為:振動(dòng)頻率>振動(dòng)幅度>振動(dòng)時(shí)間。
為進(jìn)一步研究單一振動(dòng)因素對水泥石力學(xué)性能的影響,在振動(dòng)頻率15 Hz、振動(dòng)時(shí)間6 min及振動(dòng)幅度3 mm試驗(yàn)組條件下,分別研究振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間及振動(dòng)幅度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)水泥石的力學(xué)性能。試驗(yàn)方案如表2所示。
表2 對比試驗(yàn)方案Table 2 Comparative test scheme
水泥石強(qiáng)度增幅隨振動(dòng)頻率的變化如圖6所示。由圖6可知,在振動(dòng)頻率較低時(shí),隨著振動(dòng)頻率加快,水泥石強(qiáng)度逐漸增加,在10 Hz時(shí),抗壓強(qiáng)度小幅度降低。在15 Hz振動(dòng)頻率下,水泥石強(qiáng)度增幅最大。在振動(dòng)頻率達(dá)到15 Hz以后,繼續(xù)增大振動(dòng)頻率反而會有不利影響,所以振動(dòng)頻率在15 Hz最為合適。
圖6 振動(dòng)頻率與水泥石力學(xué)性能變化曲線Fig.6 Variation of mechanical property of hardened cement with vibration frequency
通過振動(dòng)時(shí)間對水泥石力學(xué)性能影響試驗(yàn),繪制不同時(shí)間下水泥石力學(xué)性能變化曲線,結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出,經(jīng)過機(jī)械振動(dòng)后,水泥石的強(qiáng)度相比未振動(dòng)處理試樣有了大幅度提升。在2~4 min時(shí)間內(nèi),水泥石強(qiáng)度隨著時(shí)間變化迅速提升,在到達(dá)6 min時(shí)趨于穩(wěn)定。6 min之后繼續(xù)振動(dòng)對水泥石性能影響不大,所以振動(dòng)時(shí)間達(dá)到6 min即可。
圖7 振動(dòng)時(shí)間與水泥石力學(xué)性能變化曲線Fig.7 Variation of mechanical property of hardened cement with vibration time
水泥石強(qiáng)度增幅隨振動(dòng)幅度的變化如圖8所示。由圖8可以看出:在振動(dòng)幅度增大時(shí),水泥石強(qiáng)度迅速提升,振動(dòng)幅度3 mm時(shí)曲線達(dá)到峰值;繼續(xù)加大振動(dòng)幅度,水泥石強(qiáng)度增幅將大幅度下降,其中膠結(jié)強(qiáng)度增幅下降達(dá)到17%。這是因?yàn)檫^大的振動(dòng)幅度會導(dǎo)致水泥出現(xiàn)離析、泌水,從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。
圖8 振動(dòng)幅度與水泥石力學(xué)性能變化曲線Fig.8 Variation of mechanical property of hardened cement with vibration amplitude
由正交試驗(yàn)結(jié)果可知:在振動(dòng)頻率15 Hz、振動(dòng)時(shí)間6 min及振動(dòng)幅度3 mm與振動(dòng)頻率25 Hz、振動(dòng)時(shí)間8 min、振動(dòng)幅度3 mm的振動(dòng)參數(shù)下,水泥石性能最優(yōu);在振動(dòng)頻率5 Hz、振動(dòng)時(shí)間10 min、振動(dòng)幅度4 mm與振動(dòng)頻率25 Hz、振動(dòng)時(shí)間10 min及振動(dòng)幅度5 mm的振動(dòng)參數(shù)下性能較差。因此,選取以下5組試樣進(jìn)行水泥石滲透率測試,結(jié)果如表3所示。
表3 滲透率測試結(jié)果Table 3 Permeability test results
表3中試驗(yàn)組1、2、3及4的振動(dòng)參數(shù)如下:試驗(yàn)組1振動(dòng)頻率5 Hz、振動(dòng)時(shí)間10 min、振動(dòng)幅度4 mm;試驗(yàn)組2振動(dòng)頻率15 Hz、振動(dòng)時(shí)間6 min、振動(dòng)幅度3 mm;試驗(yàn)組3振動(dòng)頻率25 Hz、振動(dòng)時(shí)間8 min、振動(dòng)幅度3 mm;試驗(yàn)組4振動(dòng)頻率25 Hz、振動(dòng)時(shí)間10 min、振動(dòng)幅度5 mm。
測試結(jié)果表明:未振動(dòng)時(shí)滲透率為2.67×10-3mD,試驗(yàn)組2滲透率最小,相比于未振動(dòng)的水泥試樣,振動(dòng)后各組試樣滲透率均明顯減小。水泥石的滲透率大小與孔隙半徑有關(guān),滲透率越小,孔隙就越小,水泥的密封性能就越好。
采用掃描電鏡測試的方法分析水泥石振動(dòng)前、后的微觀結(jié)構(gòu),其斷面放大200倍微觀結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 水泥石樣品微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Microstructure of hardened cement sample
由圖9可知,未振動(dòng)水泥石斷面結(jié)構(gòu)松散,存在明顯的裂紋,甚至存在較大的氣孔。振動(dòng)后的水泥石基本沒有裂縫和氣孔,在空間上均勻分散,更加密實(shí)。因此振動(dòng)后水泥石力學(xué)強(qiáng)度更高。
(1)試驗(yàn)結(jié)果表明,機(jī)械振動(dòng)對水泥石膠結(jié)強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度提升效果非常明顯。振動(dòng)頻率15 Hz、振動(dòng)時(shí)間6 min、振動(dòng)幅度3 mm時(shí)為最佳激振組合。各因素對水泥石強(qiáng)度影響為:振動(dòng)頻率>振動(dòng)幅度>振動(dòng)時(shí)間。
(2)通過各因素單獨(dú)影響分析試驗(yàn),對于常規(guī)密度水泥漿,水泥石膠結(jié)強(qiáng)度隨參數(shù)變化影響最大。在振動(dòng)頻率達(dá)到15 Hz、振動(dòng)時(shí)間6 min、振動(dòng)幅度3 mm前,水泥石強(qiáng)度都是提高的;繼續(xù)增大參數(shù)反而會有不利影響。
(3)水泥的密封性能與滲透率有關(guān),機(jī)械振動(dòng)能夠減小水泥石的滲透率;掃描電鏡結(jié)果表明,經(jīng)過機(jī)械振動(dòng)處理能夠有效消除水泥石內(nèi)氣孔,減少裂紋,使水泥石更加均勻致密。