深水浅层固井胶结强度影响因素分析

2019-09-25王欢欢杨进刘正礼徐佳俊孟令雨洪佳瑶田波汪文星

石油钻采工艺 2019年3期

王欢欢杨进刘正礼徐佳俊孟令雨洪佳瑶田波汪文星

1.中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院；2.中海石油(中国)有限公司深圳分公司

固井系统胶结强度的好坏直接影响石油钻探开发的效益和安全［1-4］。其中，一界面和二界面是封固系统的薄弱环节，很容易出现胶结质量问题，导致封隔性能的失效［5-6］。在温度较低的情况下,深水油气井中水泥浆的稠化时间将会延长，并且抗压强度较低，流变性能较差［7］。BZ1-2井由于固井质量不佳，在600～800 m处遇到浅层气，产生窜槽，导致事故发生。

目前，已有学者研究了套管表面湿润性、温度、地层条件等因素对固井胶结强度的影响［8-12］。初步实践表明，可以通过改变一、二界面的性质以及钻井固井工艺等来改善界面胶结质量［13-15］。考虑深水浅部地层的特殊性，基于综合调研分析，开展了深水浅部地层固井室内模拟实验，研究水泥强度、候凝时间和套管尺寸对浅层固井胶结强度的影响，为合理进行浅层固井的设计提供指导。

1 室内模拟实验

室内模拟实验原型不能是任意的，必须遵循一定的相似准则才能得出符合要求的结果。在本实验中需要满足以下主要条件：(1)模拟浅层土成分与南海区块浅层土成分相同或相近；(2)水泥采用现场使用的高强度水泥(G级水泥)为实验基准，并选取强度低于G级水泥的2种水泥(425#水泥和525#水泥)开展对比实验；(3)实验所用套管模型采用海上常用的Ø660.4 mm二开固井套管按照1∶8.666 7相似比例缩小后得到，即实验套管柱外径为Ø76.2 mm，为了验证模拟套管与正常尺寸套管固井胶结强度规律变化的一致，同时进行了Ø50.4 mm和Ø114.3 mm套管的模拟实验；(4)根据浅层固井设计相关标准的调研结果，依据标准中的设计原则和计算公式，按照相似比计算水泥环厚度、井眼尺寸及深度：Ø50.4 mm套管的井眼尺寸为Ø72.12 mm；Ø76.2 mm套管的井眼尺寸为Ø106.68 mm；Ø114.3 mm套管的井眼尺寸为Ø162.56 mm，井眼深度约为25 cm。

1.1 实验装置

实验池尺寸为 160 cm ×160 cm ×60 cm (长×宽×高)，共布置Ø50.4 mm、Ø72.12 mm和Ø114.3 mm套管各3根，间隔均为40 cm，套管间距及套管与实验池侧壁的距离均大于3倍的套管直径，同时每一排和每一列都布置不同尺寸的套管，以消除边界效应。

9根套管编号及位置如图1所示，其中：Ø50.4 mm套管编号为：1#、4#、7#；Ø72.12 mm套管标号为：2#、5#、8#；Ø114.3 mm 套管标号为：3#、6#、9#。

图1 实验套管布置方案俯视图Fig.1 Plan view of layout scheme of simulated casing

1.2 实验流程

(1)实验室下覆土层后，将固井模具预置于设计位置 (图2)。

图2 深水浅层固井胶结强度模拟实验示意图Fig.2 Schematic simulation experiment on the cementing strength of shallow cementing in deep water

(2)在固井模具周边敷设土层，反复压实静置直至密实，静置24 h。

(3)在模具内插入实验套管并注水泥。

(4)水泥基本成型时小心取出模具，在实验土层上方注水形成水层，等待候凝时间点，从候凝2 h开始至24 h，每隔0.5 h设置一个候凝时间点，共设45个候凝时间点。

(5)在达到设置的候凝时间点结束时，将套管与拉力装置连接。

(6)匀速上提套管直至任一胶结界面发生破坏，记录上提过程中拉力的最大值。

(7)观察胶结面的破坏情况和拉力数据。

(8)重新配置相同的土样和水泥环模型，改变设定的候凝时间重复上述步骤。

上述方法可以测量土质环境下不同型号水泥浆的胶结强度。基于上述所得压力值计算水泥的胶结强度为σ=F/S。其中，σ为水泥的胶结强度，MPa；F为上述所得压力值，kN；S为水泥环的受力面表面积，m2。

套管与水泥胶结强度的变化可以体现在上提力的变化上［2］。当候凝时间较短时，水泥环未完全固结在套管上，钢管桩可从水泥环内胶结面(第一胶结面)提出；当第一胶结面达到胶结强度，上提钢管桩时，水泥环会与钢管桩一同从模拟地层中被拔出［5］。

2 水泥强度对水泥环胶结性能的影响

2.1 水泥强度对第一界面胶结性能的影响

不同标号的水泥环，在经过不同候凝时间后，上提力随时间的变化趋势见图3。在候凝时间小于2 h的情况下，所有模拟套管均能从水泥环中拔出，表现为第一胶结面被破坏；候凝时间达到4 h时，425#水泥所环绕的套管可从水泥环中拔出，525#水泥和G级水泥连同套管一同从土壤中拔出；候凝6 h及以后，3种标号的水泥均为套管加水泥环从土壤中拔出，表现为第二胶结面被破坏。

图3 第一界面胶结强度随候凝时间的变化趋势Fig.3 Variation trend of the cementing strength of the first interface with the waiting on cement

3种强度水泥环的胶结强度均随候凝时间的延长而增加，G级水泥与钢管桩完全固结所需候凝时间为4.5 h，425#和525#水泥与钢管桩达到完全固结所需候凝时间为5 h。通过变化趋势图可以看出，在3种水泥达到第一界面胶结要求时，胶结强度由大到小依次排序为：G级水泥，525#水泥，425#水泥。

2.2 水泥类型对第二界面胶结强度的影响

在第一胶结面达到胶结强度要求时，通过装置上提钢管桩，水泥环会连同钢管桩一起从地层中拔出，该过程中最大的上提力可反应水泥环第二胶结面的胶结强度。在不同的候凝时间点上提钢管桩，上提力曲线见图4。

图4 第二界面胶结强度随候凝时间的变化趋势Fig.4 Variation trend of the cementing strength of the second interface with the waiting on cement

由实验可见，G级水泥第二胶结面胶结强度高于525#水泥和425#水泥，强度差值在8 h时达到最大，但随着时间的延长，G级水泥胶结强度与525#、425#水泥胶结强度的差值变小。在后期，不同强度水泥的胶结强度已趋近相同。

由此说明，水泥环界面强度发展规律与水泥本身强度有关，但所选的3种水泥到后期的水泥强度趋于相近，因此可考虑用低强度的水泥浆进行深水浅部地层固井作业，以节约成本。

2.3 候凝时间对水泥环胶结强度的影响

水泥候凝时间也是影响深水浅层固井质量的重要因素之一。如果候凝时间不够，水泥没有完全凝固，水泥环的性质不稳定，强度低，进行下一步钻井施工时易产生安全事故。反之，水泥候凝时间过长，针对管外水泥浆充填不好的水泥环，容易造成评价过高，增加时间成本［3-4，6］。通过进行模拟深水浅层固井工况的上提测试实验，采集上提套管过程所需的最大拉力，以检验水泥不同候凝时间的固结效果。在不同的候凝时间点上提套管，测量上提力。把实验数据绘制在图表中如图5所示。

图5 不同标号水泥环上提所需拉力随时间变化Fig.5 Variation of the pulling force for uplifting the cement sheath of different grades with the time

3种水泥环的胶结强度均随候凝时间的延长而增加。随着候凝固结时间的延长，第二界面胶结强度增加趋势放缓，说明适当增加候凝时间提高水泥环的胶结强度，但候凝时间不宜太长，后续可进行最佳候凝时间范围研究，保证时间成本与胶结强度最优化。

3 套管尺寸对水泥环胶结强度的影响

3.1 套管尺寸对第一界面胶结强度的影响

提取实验中相同类型水泥，不同套管尺寸情况下，套管与水泥环之间的胶结强度随候凝时间变化的数据如图6所示。通过综合对比分析实验数据可以看出，3种不同套管尺寸的水泥环胶结强度都随着固井候凝时间延长而增加，但胶结强度的增加量逐渐降低，变化趋势一致。所以按照比例尺缩小的室内模拟实验可以反映真实固井情况下胶结质量的变化，利用本文设计的模拟实验进行固井胶结强度的分析具有可行性。

图6 套管尺寸对于第一界面胶结强度的影响Fig.6 Effect of casing size on cementation strength of the first cementation surface

3.2 套管尺寸对第二界面胶结强度的影响

提取实验中相同类型水泥，不同套管尺寸情况下，水泥环与地层之间的交接强度随候凝时间变化的数据如图7所示。通过综合对比分析实验数据可以看出，3种水泥的胶结强度在不同尺寸套管之间的对比会有波动，但在后期稳定的阶段，使用3种类型的水泥进行固井时，按水泥环胶结强度排序为：Ø50.4 mm套管＞Ø76.2 mm套管＞Ø162.56 mm套管；但3种套管尺寸条件下，胶结强度都随时间而增加，且其变化趋势一致。