高温高密度水泥浆体系固井胶结面密封性能评价研究_吴朗.pdf

第52 卷第2 期 当 代 化 工 Vol.52，No.2 2023年2月 Contemporary Chemical Industry February，2023 基金项目基金项目：中石油重大攻关项目，工程作业智能支持系统 3.0 构建研究（项目编号：2021T-04-02）及高温高压井固井工程计算模型优化研究与试验（项目编号：CQCJ-2020-06）。收稿日期收稿日期：2022-01-13 作者简介作者简介：吴朗（1986-），男，工程师，硕士，2012 年毕业于西南石油大学并获得硕士学位，研究方向：固井工艺技术。E-mail：wul_。高温高密度水泥浆体系固井胶结面 密封性能评价研究 吴朗，刘世彬，杨川（川庆钻探井下作业公司，四川 成都 610051）摘 要：川中地区高温高压气井环空气窜问题严重，水泥浆体系的体积膨胀性对固井胶结面的密封性能至关重要。采用川中地区现场用高温高密度水泥浆体系，开展了高温高压环境下水泥浆体系的体积膨胀性评价实验，采用体积膨胀率与壁面胶结强度衡量胶结面密封性能，提出了固井胶结面密封性能的主控因素，探索了各主控因素对界面密封性能的影响规律。结果表明：水泥浆体积膨胀性与固井胶结面的初始应力变化规律一致，可作为固井胶结面密封性能评价的关键指标之一；环空补偿压力、水泥浆养护温度、膨胀剂加量是水泥浆体系体积膨胀性的 3 个主控因素；随着环空补偿压力的增大、养护温度升高、膨胀剂加量增大，固井胶结面密封能力增强。研究结果为优选水泥浆体系、优化固井施工工艺提供了理论依据。关 键 词：高温高密度；固井胶结面；防窜；密封；体积膨胀；初始应力 中图分类号：TE357 文献标识码：A 文章编号：1671-0460（2023）02-0338-04 Study on Sealing Performance Evaluation of High Temperature High Density Cement System Cementing Surface WU Lang,LIU Shi-bin,YANG Chuan（Chuanqing Drilling well Operation Company,Chengdu Sichuan 610052,China）Abstract:Air channeling is a serious problem in high temperature and high pressure gas wells in central Sichuan.Volume expansion of cement slurry system is very important for sealing performance of cementing bond surface.Using the high-temperature and high-density cement slurry system used in the central Sichuan area,the volume expansion evaluation experiment of the cement slurry system under high temperature and high pressure environment was carried out.The volume expansion rate and the wall bonding strength were used to measure the sealing performance of the cemented surface.The main control factors were explored,and the influence rules of each main control factor on the interface sealing performance were analyzed.The results show that:the volumetric swelling of cement slurry was consistent with the initial stress of cementing surface,and can be used as one of the key indexes for sealing performance evaluation of cementing surface;Annulus compensation pressure,cement curing temperature and expansion agent dosage were three main controlling factors of volume expansibility of cement slurry system;With the increase of annulus compensation pressure,curing temperature and expansion agent dosage,the sealing ability of cementing surface was enhanced.The results provide a theoretical basis for optimizing cement slurry system and cementing construction technology.Key words:High temperature high density;Cementing surface;Channeling prevention;Seal;Volume expansion;Initial stress 固井是石油开采过程中的重要一环，形成的水泥环能够起到封固地层、防止发生窜流的作用1，然而，随着开采深度的不断增加，地层温压条件也越来越复杂，水泥环发生密封失效而导致的气窜问题越来越严重。在我国塔里木盆地2以及南海莺-琼盆地3等地区均出现了严重的环空带压，严重威胁着油气井的安全生产4。现有研究表明，由于各种工况使井筒内压力不断变化，使水泥环本体破坏或胶结界面破坏，是环空带压发生的原因5-8。通过对水泥浆进行优化，得到与井下环境相适应的水泥浆体系，对保持井筒完整具有积极作用9；针对水泥环产生的胶结失效问题，可以通过提高水泥环的胶结强度达到提高水泥环密封能力的目的10-12。因此，需要开展水泥浆体系的密封能力评价实验，通过实验测量出水泥浆体系的胶结强度，找出影响水泥石胶结强度的主要因素，最终提出对水泥浆体系的优化建议 13-14。基于此利用高温高密度水泥浆体积膨胀仪开展密封性能评价研究，该仪器能够测量不同水泥浆体系在高温高压下的体积变化及壁面胶结强度。重点分析膨胀剂、环空补偿压力、养护温度对水泥浆体系的膨胀率及壁面胶结强度的影响规律，旨在找出DOI:10.13840/21-1457/tq.2023.02.015 第 52 卷第 2 期 吴朗，等：高温高密度水泥浆体系固井胶结面密封性能评价研究 339 提高水泥浆体系胶结面密封性能的方法，从而降低环空带压问题发生的概率。1 水泥浆体积膨胀性实验 1.1 实验仪器与原理 1.1.1 实验仪器 实验用高温高压水泥浆体积膨胀仪结构如图 1所示。实验装置由养护杯、加热装置、压力泵、压力传感器、位移传感器等部件组成，该仪器能模拟井下高温高压条件，可连续测量水泥浆在塑性状态和硬化状态下的膨胀率，数据采集管理软件可记录整个试验过程，并能生成温度、压力、水泥浆高度增量随时间的变化曲线。其最高温度可达 180，最高压力可达 30 MPa，能够满足川中地区高温高压的要求。图 1 高温高压水泥浆体积膨胀仪 Fig.1 High temperature and high pressure cement mud volume dilatometer 1.1.2 实验原理 高温高压水泥浆体积膨胀仪可以在水泥浆养护的过程中测量膨胀率，随后使用凝固的水泥石试件测量壁面胶结强度。实验时将配置好的水泥浆倒入养护杯中，在水泥浆上端安放一个带有滤网的活塞，活塞的末端连接至位移传感器，水泥浆养护过程中体积会不断变化，从而带动活塞上下移动，位移传感器可以测量出活塞的位移量，自动计算出水泥浆的膨胀率。实验时养护杯置于反应釜中。反应釜上端使用密封盖进行密封，装置上端设有加压管线，可以泵入白油，模拟水泥浆的养护压力，反应釜周围设有加热装置，可设置 0180 的养护温度。养护完成后将密封盖拆除，随后通过压力泵在装置的底端施加压力，将凝固的水泥试件顶出，通过压力传感器可以测量顶出水泥试件时的临界压力，该临界压力即该配方的壁面胶结强度。1.2 实验材料 研究选用了川中地区现场用水泥浆体系开展了水泥浆体积膨胀性评价实验，水泥浆配方如下：嘉华G级水泥570 g+铁矿粉260 g+硅粉170 g+3%SD77（增韧剂）+0.3%SD35（分散剂）+3.5%SD130（降失水剂）+0.3%SD210（缓凝剂）。1.3 实验步骤 该实验具体操作方式如下：1）制备水泥浆，制备时按照 GB/T 191392012进行操作。2）将水泥浆注入养护杯中，注浆过程中，浆杯内浆体过量，之后用挤压装置把多余的浆体压出，得到浆杯内真正的用浆量（保证浆杯内液面以上的壁面上没有残余的浆体）。3）装置的顶盖上涂抹一层润滑油，防止顶盖与水泥浆黏连。4）在浆杯上放置滤网时，滤网要压实水泥浆，直到滤网不能继续下移为止。5）安装装置，将浆杯放入反应釜，同时在浆杯放入反应釜之前保证反应釜内壁面及底面无异物。6）排出养护杯内的气体，以免影响膨胀率测试结果。7）设定实验温度及压力，开始养护。8）实验开始后应时刻关注装置内温度、压力变化情况，在温度、压力达到设定值时，对实时测量的膨胀率进行清零，避免因温度、压力变化对最终测量结果产生干扰。9）养护设定时间后，读取数据，关闭加热系统，对装置进行泄压操作，冷却后进行壁面胶结强度的测量。10）取出养护杯，将养护杯的底部插在指定的加压管线上，加压将水泥石顶出，顶出过程该装置可以自动测量壁面胶结强度。实验后的水泥石试件如图 2 所示。图 2 实验后的水泥石试件 Fig.2 The cement stone specimen after experiment 340 当 代 化 工 2023年2月 2 结果与讨论 基于以上实验仪器与实验方法，开展了环空补偿压力、养护温度、膨胀剂加量对水泥浆体积膨胀率的影响评价实验。2.1 膨胀剂加量的影响 固井水泥浆中通常加入膨胀剂从而产生一定的界面初始接触应力，通过在水泥浆中添加膨胀剂SDP-1，达到提高水泥环界面密封性能目的，实验中加入的膨胀剂加量分别为 0、10、20、30、40、50 g，实验测得的体积膨胀率及壁面胶结强度如 图 3 和图 4 所示。图 3 膨胀剂加量对膨胀率的影响 Fig.3 Influence of expansion agent dosage on expansion rate 图 4 膨胀剂加量对壁面胶结强度的影响 Fig.4 Influence of expansion agent dosage on wall bonding strength 根据实验结果可以看出，随着膨胀剂含量的增大，水泥浆养护过程中体积变化由原先的收缩变为膨胀，壁面胶结强度也逐渐增大，说明增大膨胀剂的含量增加有助于提高固井胶结界面的密封能力。2.2 环空补偿压力的影响 为提高水泥环界面密封性能，注水泥结束后，环空通常补偿一定的压力，使套管产生径向收缩变形，待水泥浆凝固后，将此压力释放，变形的套管由于膨胀作用产生一定的恢复力，提高了套管与水泥环的界面接触力。为评价环空补偿压力对水泥环界面密封性能的影响，设置了环空补偿压力分别为2、4、6、8、10、12 MPa，实验测得的体积膨胀率及壁面胶结强度如图 5 和图 6 所示。图 5 环空补偿压力对膨胀率的影响 Fig.5 Influence of annulus compensation pressure on expansion rate 图 6 环空补偿压力对壁面胶结强度的影响 Fig.6 Influence of annulus compensating pressure on wall cementation strength 根据实验结果可知，当环空补偿压力增大时，水泥浆养护过程中体积变化基本一致，因此环空补偿压力与水泥浆体系的膨胀率无关；而随着环空补偿压力增大，壁面胶结强度也出现了一定程度的增大，其主要原因是环空补偿压力卸载后养护杯会发生体积收缩，与水泥石胶结更加紧密，最终使密封能力更强。2.3 养护温度的影响 为探究不同井深处水泥浆体系的固井胶结面密封性能，设置了养护温度分别为 150、140、130、120、110、100，实验测得的体积膨胀率及壁面胶结强度如图 7 和图 8 所示。根据实验结果可知，随着温度的升高，水泥浆 第 52 卷第 2 期 吴朗，等：高温高密度水泥浆体系固井胶结面密封性能评价研究 341 养护过程中膨胀率出现一定程度的上升，壁面胶结强度也逐渐增大，说明温度越高，固井胶结界面的密封能力越高。图 7 养护温度对膨胀率的影响 Fig.7 Influence of curing temperature on expansion rate 图 8 养护温度对壁面胶结强度的影响 Fig.8 Influence of curing temperature on wall bonding strength 3 现场应用 四川盆地双鱼石-河湾场构造带温度和压力高，属于典型的高温高压气井，该区域前期环空带压问题严重，以双鱼-X 井为例，从水泥浆体系优选与固井工艺优化两方面开展了现场应用。该井 4 开采用241.3 mm 钻头钻至井深 7 470.00 m 中完，拟下入184.15 mm 尾管封固 3 690.007 470.00 m 井段，垂深为 3 5806 520 m，封隔不同压力层系，为下步钻进创造条件，尾管封固段内的水泥浆上下循环温度分别为 105、150。为提高固井胶结面的密封性能，采用以上胶结面密封性能评价方法对膨胀剂加量进行了优选，优选后的膨胀剂加量为 4.1%。为提高水泥环界面初始应力，采用的环空补偿压力为10 MPa。采用优化后的水泥浆体系进行封固作业，施工过程顺利，固井后未发生气窜现象，声幅测井解释结果表明，优良井段占 73.1%，综合评定为 优质。4 结 论 1）通过开展高温高密度水泥浆体积膨胀性实验，测试出了不同水泥浆体系的膨胀率及壁面胶结强度，可以为后续开展水泥浆体系优化提供依据。2）根据实验测试结果可知，提高水泥浆体系的膨胀剂加量、增大环空补偿压力和提高养护温度，可以提高水泥浆体系的胶结强度，最终实现密封性能的提高。参考文献：1TORBJRN V,ARILD S,ERLING F,et al.Plug&abandonment of offshore wells:ensuring long-term well integrity and cost-efficiency J.Journal of Petroleum Science and Engineering,2019,173:478-491.2杨向同，沈新普，王克林，等.完井作业油管柱失效的力学机理J.天然气工业，2018，38（7）：92-98.3谢玉洪，李绪深，徐新德，等.莺琼盆地高温高压领域天然气成藏与勘探大突破J.中国石油勘探，2016,21（4）：19-29.4沈吉云，石林，李勇，等.大压差条件下水泥环密封完整性分析及展望J.天然气工业,2017（4）:98-108.5万浩东，杨远光，邓天安，等.适用于储气库固井自愈合水泥浆体系J.油田化学，2019，36（1）：53-57.6杨远光，方仲旗，袁彬，等.基于拉伸胶结强度的水泥环一界面完整性评价J.西南石油大学学报（自然科学版），2021，43（4）：183-190.7刘洋，严海兵，余鑫，等.井内压力变化对水泥环密封完整性的影响及对策J.天然气工业，2014，34（4）：95-98.8钟兴强.深水厚岩层固井水泥浆体系构建及其性能评价J.当代化工，2021，50（6）:1496-1499.9李娟，郭辛阳，步玉环.变内压条件下膨胀水泥与地层机械性能的匹配J.当代化工，2017，46（7）：1375-1377.10武治强，刘书杰，耿亚楠，等.高温高压高含硫气井固井水泥环封隔能力评价技术J.石油钻采工艺，2016，38（6）：787-790.11武治强，岳家平，李强，等.套管与水泥环胶结界面水力密封完整性评价实验研究J.中国海上油气，2018，30（6）：129-134.12 刘洋.水泥浆防气窜关键性能及防气窜能力评价方法研究D.成都：西南石油大学，2012.13徐璧华，卢翔，谢应权.高温高压下油井水泥环胶结强度测试新方法J.天然气工业，2016，36（11）：65-69.14吴彦先，晁明哲，王雪刚，等.基于循环加载测试的水泥环抗窜能力试验评价J.石油机械，2021，49（9）：61-65.