水泥封固段长度对固井胶结面密封能力影响的试验研究

岳家平,耿亚楠,武治强 (中海石油(中国)有限公司北京研究中心，北京 100028)

黄志强,曲路路,郑双进 (长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

在油气井全生命周期内，水泥环起着封隔油气层、保护套管的重要作用，是保持井筒完整性的关键所在[1]。由于固井后试压、试油、压裂等不同作业工况导致的温压变化，使得水泥环密封完整性面临着巨大挑战[2～4]，近年来国内外学者针对温压变化对固井胶结面密封能力的影响开展了实验研究，分析发现养护温度、养护时间及温度变化等直接影响固井胶结强度[5～8]，另外水泥封固长度对固井胶结面密封能力也有不可忽视的影响，即便水泥环胶结良好，如果水泥环纵向长度太短，也难以承受作业期间产生的压差，所以有效的水力密封必须依赖于足够的有效胶结长度[9～13]。在水泥环返深对固井胶结面密封能力的影响研究方面，张波等[14]分析认为降低水泥环返深能够降低持续环空压力的上升速度和极限值，可以通过降低水泥环返深把环空压力极限值控制在环空最大允许压力以下。陈正茂[15]通过数值模拟手段分析了水泥环返深附近区域固井一界面和二界面的受力情况，分析认为增大水泥环高度有利于改善水泥环的轴向受拉状态；针对高温高压气井，一方面应适当提高水泥环高度以改善水泥环顶面以下局部范围内的受力状况，另一方面可通过改善水泥浆性能提高顶部水泥段与套管以及地层的胶结强度，从而保证胶结面的完整性。从以上调研可以看出，水泥环封固段长度及界面胶结强度对于保障井筒完整性及油气安全生产十分重要。笔者基于自研的水泥环密封完整性评价试验装置，运用气窜法测试了高温高压养护条件下不同封固段长度水泥环的气密封能力，试验结论对于指导深水高温高压气井水泥返深设计具有一定的指导意义。

1 仪器设备

1.1 水泥环密封完整性评价装置

水泥环密封完整性评价装置(自制)主要包括井筒模拟系统、压力施加与控制系统、温度施加与控制系统、气窜模拟系统、数据采集控制系统以及室内模拟声波测井仪，水泥环密封完整性评价装置实物如图1所示。模拟井筒高度为1m，模拟井筒外径为400mm，可模拟8in井眼内下7in套管固井工况，模拟井径扩大率为0%～15%，围压与套管内压施加能力为70MPa，气窜压力施加能力为20MPa，温度施加能力为-5～200℃，模拟套管居中度为50%～100%。运用该装置可开展不同水泥封固长度、不同温度、不同压力以及温度压力循环交变条件下的水泥环密封完整性评价试验。

1.2 室内模拟声波测井仪

室内模拟声波测井仪采用单发双收声系(1个声波发射探头+2个声波接收探头)，声波发射探头距1#接收探头43cm，距2#接收探头68.5cm，可以模拟现场进行声幅测井，实物图如图2所示。声波发射探头发射声波以一定角度斜入射至套管、水泥环、地层，然后在套管、水泥环、地层中传播，并折射至声波测井仪被声波探头接收，纵向分辨率0.17m。

2 试验结果及讨论

2.1 岩石力学参数测试

表1 南海某油田固井水泥浆体系配方

为深入研究水泥环密封完整性失效机理，针对密度为2.15g/cm3的固井水泥浆体系开展单轴岩石力学参数测试试验，试验选用南海某油田固井水泥浆体系为试验材料(密度为2.15g/cm3)，其组成配方如表1所示，岩石力学参数测试结果数据如表2所示。由表2可知，在150℃条件下，随着养护时间的延长，水泥环在7d左右抗压强度逐渐趋于平稳，抗压强度约为18MPa，弹性模量约为5.5GPa，表明在水泥环本体未发生破坏的工况下，地层流体通过水泥环本体窜流的可能性较小。

表2 岩石力学参数测试结果表

2.2 水泥环胶结面CT扫描测试

微型水泥环胶结试件实物图如图3所示，水泥环一界面试验前后CT扫描孔隙图如图4所示，水泥环二界面试验前后CT扫描孔隙图如图5所示，图中分别用蓝色和红色标注试验前后一界面和二界面的孔隙变化。对比图4和图5可以发现，气窜试验前一界面和二界面孔隙度均较小，气窜试验后一界面和二界面孔隙度大幅增大，表明一界面和二界面为的气体的主要窜流通道；由于该微型试验装置模拟套管和模拟井壁均采用PEK材质加工，表面光洁度相差无几，一、二界面胶结强度相当，所以一、二界面均有气体窜流通过。

2.3 水泥环密封完整性评价

按照水泥∶细沙∶水(质量比)为1∶3∶0.5的配比配制水泥砂浆制做模拟地层，养护约8h后拆开地层模具，取出模拟套管，继续养护模拟地层7d，养护结束后将模拟地层装入模拟井筒，并试围压。将7in套管置入模拟井筒，按照表1所示的配方配制水泥浆，将水泥浆倒入试验装置的模拟环空，向套管内注入导热油，下入模拟声波测井仪，密封试验装置。

运用温度控制系统将导热油加热至160℃，并施加环空压力5MPa，施加围压15MPa，施加套管内压9.5MPa，养护72h；待水泥浆养护结束后，首先进行模拟声幅测井，测试水泥环胶结良好状态下的声幅值，然后运用气窜系统测试水泥环封隔的气窜压力，并记录水泥环失效时的气体体积流量。按照上述试验过程分别测试水泥环封隔长度0.2、0.6、1m 3种工况条件下的气窜压力测试结果数据如表3所示，由表3不难发现，随着水泥环封固长度的增加，水泥环气窜压力逐渐增大。因此，延长水泥环有效封固长度，增大水泥环界面胶结面积，有助于防止地层流体窜流至井口形成环空带压。对表3中的数据进行拟合，得到了试验工况胶结条件下的气窜压力(y)随水泥环封固长度(x)的变化关系式：

y=0.2125x+0.9958

表3 不同水泥环封固高度条件下的气窜压力试验结果

2.4 声波幅度测井模拟

针对水泥环高度为1m工况下的模拟井筒进行声波幅度测井模拟，测井曲线如图6所示。其中图6(a)为1#探头接收到的套管波曲线，图6(b)为2#探头接收到的套管波曲线。

由图6可以看出，水泥环被气窜突破后1#探头接收到的套管波曲线中首波幅度为212mV，2#探头接收到的套管波曲线中首波幅度为116mV，比水泥环被气窜突破前探头接收到的套管首波幅度明显增大，表明该试验工况条件下套管与水泥环胶结良好。气窜试验后，水泥环一界面被气体突破形成了微环隙，造成声波幅度测井值增大，表明试验所测气窜压力数据有效，也进一步验证了固井胶结面为气窜的主要通道。

3 结论

1)水泥环岩石力学参数测试和水泥环胶结面CT扫描测试结果表明，在水泥环本体未发生破坏条件下，水泥环胶结面为气体的主要窜流通道。为了保证水泥环密封完整性，提高水泥环与套管和井壁的胶结强度十分关键。

2)基于不同水泥环封固长度的水泥环密封完整性试验，得到了水泥环气窜压力随封固段长度的变化规律。随着封固段长度的增加，气窜压力逐步增大，表明增大水泥封固段长度有助于防止地层流体窜至井口形成环空带压。

3)针对水泥环高度为1m工况下模拟井筒进行了气窜试验前后的声波幅度测井模拟，测井结果表明，气窜试验前套管与水泥环胶结良好，气窜试验后水泥环一界面被气体突破形成了微环隙，进一步验证了固井胶结面为气窜主要通道的结论。