高温条件下的固井第一界面水力胶结强度实验研究

张万栋，李炎军，吴 江，杨玉豪，杨焕强

（1中海石油（中国）有限公司湛江分公司2长江大学石油工程学院）

张万栋等.高温条件下的固井第一界面水力胶结强度实验研究.钻采工艺，2019，42（5）：24-26

深水高温高压油气井水泥环面临着高温、高压以及后续施工工况下产生的温度、压力变化等复杂条件［1-2］，容易引起水泥环的密封失效［3-6］，从而导致环空带压的出现，给油气井安全生产带来严重影响。水泥环界面胶结强度作为衡量水泥环密封性的主要因素，研究水泥环界面胶结强度的影响因素及其影响规律对深水高温高压水泥环密封完整性评价具有重要的意义。对此，Carter等［7］率先开展了套管-水泥环界面机械胶结强度的实验研究；Goodwin等［8］通过加载／卸载套管内压，检测水泥环渗透率，开展了水泥环界面失效实验；Jackson等人［9］在Goodwin的实验基础之上，将水泥环养护温度提高到49℃，套管内压以及环空压力提高到6.89 MPa，进行了胶结强度实验；Boukhelifa等人［10］设计了可膨胀和收缩的中心岩心模拟井内套管膨胀和收缩，进行了水泥环拉伸破坏和胶结实验；国内学者主要针对水泥环机械胶结强度开展了实验研究，郭辛阳等［11］利用自主研制的固井界面胶结强度评价装置开展了井下复杂温度条件下的水泥环界面胶结强度实验；杨燕等［12］开展了工作液密度降低对水泥环界面强度影响的研究；徐璧华［13］、杨宝林［14］等开展了滤饼对水泥环界面胶结强度影响的实验研究。

然而，以上研究的水泥环养护温度有限，且水泥环的水力胶结强度测试过程无法在养护条件下实现，基于此，笔者基于研制的全尺寸高温高压水泥环密封完整性评价装置，利用气窜法研究了水泥浆养护温度、养护时间以及温度变化等因素对固井第一界面水力胶结强度的影响。

一、固井第一界面水力胶结强度测试实验

1.实验装置

实验装置由围压施加及控制系统、环空压力施加及控制系统、套管内压施加及控制系统、气体增压系统、温度施加及控制系统、各压力密封系统等组成，温度控制系统可实现20℃～200℃温度的施加与控制，加压泵可实现0～70 MPa套管内压力的施加与控制，装置结构图见图1。

2.实验材料

选用南海西部油田Ø177.8 mm油层套管抗高温固井水泥浆体系为实验材料，密度为2.35 g／cm3，其组成如表1所示。

图1 全尺寸高温高压水泥环密封完整性评价装置总装图

表1 实验用水泥浆体系配方

3.实验步骤

（1）按照一定比例的水泥，黄沙和水制备模拟地层。

（2）依据GB／T 19139-2012《油井水泥试验方法》制备水泥浆，并将制备好的水泥浆加入到套管与地层之间的环空间隙中，水泥浆上端面加入一定量的水，防止因高温而导致水泥浆沸腾。

（3）密封实验装置，加热棒通电，并将试件加热至设置温度，在加热过程中，通过压力控制阀控制水泥环端面压力，使其在水泥浆凝固过程中慢慢释放。

（4）根据实验方案，设定水泥浆养护温度及养护时间。

（5）打开实验装置底端进气阀，利用气体增压系统缓慢增大气体压力，直至水泥环上端有气泡冒出，相比于套管与固井水泥浆的材料性质，模拟地层与固井水泥浆的材料性质差异较小，通过实验发现，水泥环上端的气泡均由固井第一界面冒出，气体窜流压力即为固井第一界面水力胶结强度。

二、实验结果及分析

1.养护温度的影响

套管内温度分别设置120℃、140℃、160℃、180℃、200℃，测试水泥环养护72 h的胶结强度，实验结果如图2所示。

图2 不同养护温度对水泥环封隔能力的影响（72 h）

由图2可以看出，在相同的养护时间条件下，随着养护温度的升高，气窜压力逐渐增大，水泥环封隔能力逐渐增大。

2.养护时间的影响

本实验在200℃条件下，设置水泥环养护时间分别为2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d，测试了高温养护条件下养护时间对水泥环封隔能力的影响，实验结果如图3所示。

图3 不同养护时间对水泥环封隔能力的影响（200℃）

由图3可以看出，在200℃养护条件下，当养护时间达到5 d时，气窜压力达到了最大值1.86 MPa，随着时间的增加气窜压力呈先减小后增加，最终稳定的趋势。

3.温度变化的影响

本实验设置了温度的两种变化情况：初始温度150℃，养护72 h后，分别加温10℃、20℃、30℃、40℃、50℃；初始温度200℃，养护72 h后，分别降低10℃、20℃、30℃、40℃、50℃。研究温度变化对水泥环封隔能力的影响，实验结果如图4、图5所示。

图4 温度升高对水泥环封隔能力的影响

由图4可以看出，在养护温度150℃，养护72 h后，当模拟套管内温度逐渐升高时，突破水泥环所需的气窜压力在逐渐增大，且增长率也越来越大。

图5 温度降低对水泥环封隔能力的影响

由图5可以发现，在养护温度200℃，养护72 h后，当模拟套管内温度逐渐降低时，突破水泥环所需的气窜压力在逐渐减小，且减小速度也越来越大。

三、结论

（1）当养护温度一定时，水力胶结强度随养护时间的增加而呈现增大的趋势，且养护5 d左右时达到最大值，随后基本保持稳定。

（2）在一定的养护时间条件下，随着养护温度升高，固井第一界面胶结强度增大。

（3）固井后期的温度变化对固井第一界面胶结强度影响较大，随着温度的升高与降低，气窜压力也呈现出增加或减少的趋势。