考虑失水影响的固井水泥浆失重模拟实验装置设计

郭胜来，步玉环，柳华杰

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

考虑失水影响的固井水泥浆失重模拟实验装置设计

郭胜来，步玉环，柳华杰

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

固井后环空水泥浆的失重是引起油气井环空窜流的主要原因之一，水泥浆失水引起的水泥浆体积收缩是引起水泥浆的失重的关键之一。在原实验装置的基础上设计了考虑失水影响的固井水泥浆失重模拟实验装置，该装置借鉴了水泥浆失水仪的测试原理，将其模拟地层用的滤网引入到该仪器中，用来模拟具有渗透特性的井壁。利用该仪器测得的水泥浆失重数据更加符合现场实际，且该装置可以实现水泥浆失重数据的全过程自动采集，便于操作和后期数据处理。

固井； 水泥浆； 失重； 实验装置

0 引 言

油气井环空窜流严重影响着油气井的高效开发与油气井寿命[1-4]，引起油气井环空窜流的原因主要有水泥浆顶替效率低形成的窜槽[5-7]，水泥浆凝固过程中水泥浆失重引起的油气水窜[8-10]，及水泥浆凝固后的水泥环应力破坏[11-12]。水泥浆失重是指水泥浆凝固过程中井筒内液柱压力逐渐降低的现象。当水泥浆浆柱压力由于失重而低于地层压力后，地层中的流体就会侵入环空，并沿环空持续上侵，最终在水泥环中形成永久通道，影响油气井正常生产。研究和分析影响水泥浆失重的有关因素，是制定防止环空窜流和提高固井质量措施的关键。为了揭示水泥浆的失重规律，研制了水泥浆失重模拟实验装置，并测试了各因素对水泥浆失重的影响，使人们增强了对水泥浆失重的认识[13]。但是所研制的实验装置偏理想化，所使用的井筒为四周封闭的，无法测试水泥浆失水对水泥浆失重的影响，而实际的井眼是由可渗透的岩石组成的，井眼环空水泥浆内部的自由水在压差作用下会持续的往地层中渗滤，从而造成水泥浆体积的不断减少[14]。水泥浆失重离不开不断增长的胶凝强度与体积收缩两个必要条件[15]，而水泥浆失水对水泥浆体积收缩量影响较大，因而对水泥浆失重具有重要影响。鉴于此，本文设计了一种考虑失水影响的固井水泥浆失重模拟实验装置，便于认识更加符合现场实际的水泥浆失重规律。

1 水泥浆失重的理论基础

水泥浆在环空中的压力变化示意图如图1所示，水泥浆泵注到环空中后，由自身重力产生的静液柱压力为pi，随着水泥的不断水化，水泥浆体积逐渐收缩，水泥浆整体或局部会向下移动或存在向下的移动趋势。但是，由于受到水泥浆与套管壁以及水泥浆与井壁黏附阻力的限制，水泥浆的向下移动会被套管壁和井壁所阻止，套管壁和井壁将给予水泥浆一个向上的承托力F，使得水泥浆在井底产生的静液柱压力降至为pt，从而导致水泥浆“失重”，压力满足以下关系：

pi=pt+F

(1)

图1 水泥浆整体失重示意图

为了更加深入地认识水泥浆的失重，绘制了水泥浆局部失重的示意图(见图2)。将所选取的水泥浆分成3段(段1，段2，段3)，中间段2的高度为Δh，水泥浆段2顶部的初始压力为p1，段2底部的初始压力为p2，水泥浆段2产生的压力为ρg·Δh。随着水泥水化，水泥浆段2受到井壁与套管壁的支撑力为F，水泥浆段3由于体积收缩导致的压力降低值为Δp。以上压力之间满足：

p1+ρg·Δh=p2

(2)

p1+ρg·Δh-F=p2-Δp

(3)

从以上两式可知，水泥浆受到井壁与套管壁给予的支撑力F=Δp，即水泥浆的失重程度取决于水泥浆的收缩程度。但是以上关系的前提条件是套管壁与井壁所提供给水泥浆的最大支撑力(该值取决于水泥浆静胶凝强度的强弱)Fmax>Δp。一旦由于水泥浆收缩产生的压力降Δp达到Fmax，即使水泥浆收缩再严重，水泥浆的失重也不会超过Fmax。总的来说，在水泥浆体积收缩导致的水泥浆浆柱压力的降低大于套管壁与井壁所提供给水泥浆的最大支撑力时，水泥浆的失重取决于水泥浆静胶凝强度的大小；在水泥浆体积收缩导致的水泥浆浆柱压力的降低小于套管壁与井壁所提供给水泥浆的最大支撑力时，水泥浆的失重取决于水泥浆的收缩程度。因而，水泥浆的体积收缩对水泥浆的失重影响非常关键。

图2 水泥浆局部失重示意图

水泥浆的体积收缩包括化学收缩与失水收缩，水泥总的化学收缩可以达到6%，但是水泥浆初凝前仅为0.5%(水泥浆失重发生在初凝以前)[16]，水泥失水收缩与水泥浆的失水量有关，100 g常规密度水泥浆失水5 g，水泥浆体积收缩量就会接近10%。因而，水泥浆失水导致的收缩对水泥浆失重的影响是不可忽视的。

图3是利用穆海鹏等[13]研发的水泥浆失重测试仪测试的具有不同收缩特性的水泥浆的静液柱压力随水泥浆静胶凝强度发展的变化情况。从图3可知，在相同的水泥浆静胶凝强度下，体积收缩量大的水泥浆的失重程度也大，在一定程度上验证了理论的正确性。

图3 体积收缩对水泥浆失重的影响

2 考虑失水影响的水泥浆失重模拟装置设计

2.1实验装置的设计

本实验设计的关键在于借鉴水泥浆失水测试仪的滤网来作为水泥浆失重模拟井筒中的模拟地层材料。本实验装置主要由模拟井筒、支架、加压系统、数据(压力)采集系统组成。

(1) 模拟井筒。井筒的模拟井壁由325目滤网与60目衬网和带有数个圆孔的钢管组成，用于模拟渗透性地层；井筒的模拟套管由钢管制成，套管底部与井筒底盖为螺纹密封连接，防止环空流体进入套管内部；水泥浆由井筒顶部灌入，在水泥浆与井筒底面之间分别是3 cm高的海绵与5 cm高的自来水，使用海绵与自来水的目的是防止水泥浆污染损害压力传感器。

(2) 支架。主要起到固定井筒，并控制井筒倾斜角度(模拟不同的井眼倾斜情况)的作用。

(3) 加压系统。主要由氮气瓶及阀门管线组成，用来给水泥浆施加不同的顶部压力，从而可以模拟不同压差下的水泥浆失水对水泥浆失重的影响。

(4) 数据采集系统。主要由压力传感器与电脑组成，用于采集不同时间水泥浆柱的压力变化。

图4 考虑失水影响的水泥浆失重模拟实验装置示意图

2.2实验装置的操作流程

(1) 根据模拟套管与模拟井眼尺寸，计算充填模拟环空所需的水泥浆体积。

(2) 圆环型海绵内表面采用双面胶固定在模拟套管合适位置，并将黏贴有海绵的套管装入井眼内。

(3) 向装置环空中缓缓注入自来水至海绵顶部，然后将配制好的水泥浆缓缓注入到预定位置。

(4) 模拟井眼的顶盖装好，连接好氮气，向模拟井眼中施加预定压力。

(5) 模拟井眼调整到预定的倾斜角度。

(6) 打开电脑数据采集软件，进行数据采集。

2.3评价方法

利用采集的实验数据，绘制出压力随时间的变化图，通过对比不同测试条件下(不同水泥浆配方、不同井眼压力、不同井斜角等)水泥浆压力与时间的变化关系，来评价各因素对水泥浆失重的影响。

3 结 语

在相同的水泥浆胶凝强度下，水泥浆的体积收缩微弱差异对水泥浆失重都有较大影响，若将失水造成的水泥浆体积收缩考虑在内，水泥浆的失重将会发生更大变化。本文设计的水泥浆失重仪考虑了对水泥浆失重影响较大的水泥浆失水这一关键因素，使得测试的失重数据更加符合现场实际，并且可以实现水泥浆失重数据的全过程自动采集，便于操作和后期数据处理。

该实验装置还可在高校实验教学中发挥重要作用，利用该装置测得的关于水泥浆失重的实验规律，可以把专业课中抽象的理论变成实际可以观察到的实验现象呈现在学生面前，使学生在便于接受抽象的理论知识的同时加深对水泥浆失重的认识。

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Design of the Experimental Setup to Measure the Cement Slurry Weight Loss under Consideration of Fluid Loss

GUOShenglai,BUYuhuan,LIUHuajie

(College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,Shandong,China)

The weight loss of the cement slurry is one of the main causes of the oil and gas well annular channeling after cementing.The volume shrinkage of the cement slurry caused by the fluid loss has a great effect on the weight loss of the cement slurry.However,the experimental setup designed for the measurement of the cement slurry weight loss could not satisfy this situation.Therefore,a new experimental setup was designed to realize this.The principle of the measurement for the cement slurry fluid loss was used for a reference.The filter screen of the filtration instrument which could simulate the formation was introduced in the new setup to simulate the permeable wall of a well.The test result was more consistent with the site actual.Furthermore,this new setup could achieve the automatic data acquisition during the whole test process,which is very beneficial to the operation and the data processing.

cementing; cement slurry; weight loss; experimental instrument

2016-11-03

教育部重点基础研究发展计划(973)项目(2015CB251202)

郭胜来(1986-)，男，河北衡水人，博士生，讲师，现主要从事油气井固井，油气井流体力学领域的教学与科研工作。

Tel.:18764219579; E-mail:guoshenglaiupc@163.com

TE 256

：A

1006-7167(2017)07-0050-03