水泥环径向膨胀收缩实验研究

2021-07-18王福云张华礼郑友志宋文豪何雨黄娟

钻井液与完井液 2021年1期

王福云，张华礼，郑友志，宋文豪，何雨，黄娟

（1.中国石油西南油气田公司工程技术研究院，成都 610017；2.国家能源高含硫气藏开采研发中心采气工程技术研究所，成都 610000；3.中国石油西南油气田分公司开发事业部，成都 610011；4.四川科宏石油天然气工程有限公司，成都 610051）

0 引言

油气井固井注水泥作业的主要目的是对套管外环形空间进行有效封隔，防止油气井钻井、增产作业和生产过程中的地层流体窜流，水泥浆固化过程中及凝固后水泥环径向的膨胀和收缩控制对保障固井质量极为重要。水泥环体积膨胀严重时将挤压套管，引发水泥石开裂，强度衰减从而影响安全生产；水泥环体积收缩会使界面胶结质量出现问题，严重时还会形成微间隙，给油、气、水窜提供通道。如不想办法解决水泥环体积收缩问题，采取再多的工艺措施都是无用的[1-17]。

针对水泥石轴向膨胀收缩评价方面，姚晓[18-19]对水泥块测长法、水泥条测长法、量筒法、水泥柱测长法等水泥膨胀测试方法开展了研究，王伟也对高温膨胀水泥浆膨胀率评价方法进行了优选研究。目前，国内用于测量油井水泥膨胀的方法有量筒液面法、水泥块体积变化法、棒状法等，但用得最多的是棒状的比长仪法；而针对水泥环径向膨胀收缩评价方面，用的最多的是最近发展起来的环状膨胀法，但该方法只能在低于100 ℃的常压下进行实验，无法模拟井下高温高压下进行测试。现有的评价方法都无法真实地反映井下实际工况，需要研究一种在井下高温高压下测试水泥环径向膨胀收缩的装置及方法。该装置需要限制水泥环的轴向形变，且水泥环整体处于高温高压条件下，因此，对测试仪进行改造升级，将高温高压釜体内增加一个自主设计制造的膨胀收缩环，其上下端面固定，内部水泥环的膨胀收缩直接通过径向的橡胶套的形变传递给液体，再由液体传递给活塞及高精度传感器以读取水泥环的径向体积变化量。

通过自主设计制造膨胀收缩环，升级数据采集系统，使测试仪不仅具备了传统方法测试水泥石轴向膨胀收缩的能力，而且具备了水泥环径向膨胀收缩的测试能力。应用该装置和评价方法，对川渝地区在用水泥浆体系（韧性防窜、柔性自应力）的膨胀收缩特性进行评价，找出了水泥浆体系的体积变化特性[20]。同时，在不同温度压力下水泥浆的膨胀收缩临界点测试，对不同井段的水泥浆设计时的体系选用提供重要的实验依据，为水泥石改性研究和特种水泥浆体系评价提供了一个统一的对比平台，为保障川渝气田气井固井质量提供了参考。

1 测试仪改造升级

为了更好地模拟固井水泥环在井下进行测试，设计制造了径向收缩膨胀环，它包括模拟的第1 层套管和模拟的第2 层套管，第1 层套管为弹性材料套管，第2 层套管为钢质套管，第1 层套管和第2层套管之间的环空用于盛放固井水泥样品；在顶部和底部分别设有上盖和下盖，上下盖之间可以用螺丝进行固定以保证水泥样品不能在轴向上发生体积变化。整套测试仪是利用水泥石膨胀收缩引起传输介质的变化，而釜体内活塞带动位移传感器的移动来测量介质的收缩膨胀量，位移传感器采用国际领先的LVDT 传感技术，这样整个系统全部封闭在高温高压环境下，保证了测量的准确性。膨胀收缩环装置及改造后的水泥收缩膨胀仪见图1 及图2。

图1 径向收缩膨胀环实物图

图2 改造后的水泥收缩膨胀仪

2 不同水泥浆体系评价

2.1 实验配方

3 种水泥浆分别取样于：①柔性自应力水泥浆体系（1#配方）：取自ST12 井φ139.7 mm 套管现场大样灰及大样水。②韧性防窜水泥浆体系（2#配方）：取自N209H20-4 井φ139.7 mm 套管现场大样灰及大样水。③纯水泥浆体系（3#配方）：取自嘉华G级水泥+水。

2.2 结果与讨论

2.2.1 同一样品进行重复性实验

该实验采用1#配方柔性自应力水泥浆体系，水泥浆密度为2.20 g/cm3。按照水泥浆相同的配方进行配浆，分别记为1-1#、1-2#、1-3#，然后装入设备，在120 ℃、21 MPa 下，进行体积稳定性实验，测试水泥浆的体积变化量，结果见图3～图5。从这3 个图中可以看出，对同一个样品在同一个条件下，最大误差为0.46%，重复性较好。

图3 在120 ℃、21 MPa、2 d 下1-1#实验浆的体积稳定性曲线

图4 在120 ℃、21 MPa、2 d 下1-2#实验浆的体积稳定性曲线

图5 在120 ℃、21 MPa、2 d 下1-3#实验浆的体积稳定性曲线

2.2.2 水泥浆体积变化量对比

1）在相同压力不同温度下，对3 种水泥浆体系进行体积变化量评价实验，水泥浆密度均为2.20 g/cm3，实验压力为20 MPa，分别在95 ℃、120 ℃、150 ℃下养护48 h，分别统计3 种不同的水泥浆体系从装入设备开始至实验结束的体积变化，记为ηV，随着不同温度的变化，体积变化情况见表1。由表1 可知，随着温度升高，纯水泥体积变化呈现逐渐减小的过程，柔性自应力和韧性防窜水泥在不同的温度规律性不强；从体积稳定性变化的绝对值来看，柔性自应力水泥与韧性防窜水泥都较纯水泥小，说明2 种水泥浆体系的体积稳定性优于纯水泥。

表1 不同温度下的不同水泥浆体系体积变化量

2）在相同温度不同压力下，对2 种水泥浆体系进行体积变化量评价实验。实验温度为95 ℃，在压力分别为10 MPa、21 MPa、40 MPa下养护48 h，分别统计2 种不同的水泥浆体系从装入设备开始至实验结束的体积变化，记为ηV，随着不同压力下，体积的变化见表2。由表2 可知，随着压力的增加，柔性自应力水泥浆体系由收缩变为膨胀，韧性防窜体系均为收缩，但收缩量呈现减小的趋势；从体积稳定性变化的绝对值来看，韧性防窜体系高于柔性自应力体系。

表2 不同压力下的不同水泥浆体系体积变化量

2.3 不同水泥浆体系临界温度点测试

固井工程对特种水泥体系体积膨胀收缩的要求为在井下高温高压下出现微膨胀特性，更加有利于固井后期防气窜，避免环空带压。特种水泥体系在哪种温度压力下可发生微膨胀，对于不同井段水泥浆设计时体系的选用具有非常重要的意义。因此，非常有必要对特种水泥体系进行膨胀收缩临界点测试。通过增加温度测试点（160 ℃、170 ℃、180 ℃），利用数值拟合回归，找出不同水泥浆体系的临界温度点，如图6～图8 所示。

图6 密度为2.20 g/cm3 韧性防窜水泥浆在不同温度下体积变化量曲线

图7 密度为2.20 g/cm3 柔性自应力水泥浆在不同温度下体积变化量曲线

图8 密度为1.90 g/cm3 柔性自应力水泥浆在不同温度下体积变化量曲线

由图6～图8 可以得出，密度为2.20 g/cm3的韧性防窜水泥浆体积变化量为0 的温度点为157℃；密度为2.20 g/cm3的柔性自应力水泥浆体积变化为0 的温度点约为130 ℃（因与坐标轴有2 个交点，取2 交点的平均值）；密度为1.90 g/cm3的柔性自应力水泥浆体积变化为0 的温度点为160 ℃；从实验室数据来看，不同水泥浆体系在井下工况下超过一定温度后才开始发生微膨胀，因此，不同的水泥浆体系适宜于不同的井段；同一种水泥浆体系随着密度的升高，其膨胀收缩临界点对应的温度降低。