基于拉伸胶结强度的水泥环一界面完整性评价

2021-10-28杨远光方仲旗谢应权

西南石油大学学报(自然科学版) 2021年4期

杨远光，方仲旗，袁彬，谢应权，颜爽

1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川成都610500

2.中国石油西南油气田公司川东北气矿，四川达州635000

引言

油气井生产运行过程中，井筒内压降低使水泥环一界面受到拉伸作用，当拉伸应力大于拉伸胶结强度时，水泥环与套管发生剥离脱落产生微环隙[1-3]。为此，国外学者提出了多种评价水泥环一界面胶结强度的方法，Carter 等[4]通过实验研究了水泥环一界面的胶结问题，将剪切胶结强度定义为套管在水泥环中移动所需的力；Carpenter 等[5]通过特殊的加压剪切装置评估了高温高压下水泥环–套管界面的剪切强度。国内也有多位学者探讨了水泥环界面胶结强度的测试评价方法，徐璧华等[6]提出了一种能够模拟井下条件的水泥环胶结强度测量新方法，并且研制了相应的测试装置；唐世忠等[7]通过对水泥环–套管胶结界面剪切应力的采集，定量计算了水泥环与套管胶结界面的剪切强度；刘小利[8]对比了6 套国内外水泥浆体系水泥环一界面的剪切胶结强度，并将剪切胶结强度作为储气库井柔性水泥浆体系适应性评价关键技术指标之一；朱江林等[9]利用自研装置研究了套管性质和水泥浆性能对水泥环一界面胶结强度的影响；武治强等[10]进行了水力突破和水力流动路径评价实验，发现提高水泥环胶结质量有利于保证套管与水泥环胶结界面水力密封完整性。

然而，上述研究装置和方法均是基于水泥环一界面剪切胶结强度或水力胶结强度提出的。剪切胶结强度主要用于评价水泥环能否悬挂套管（即水泥环一界面轴向受的应力），水力胶结强度主要用于评价水泥环能否有效封隔油、气、水窜流通道。而井筒内压降低使水泥环一界面受到的拉伸应力是径向的，此时若用剪切胶结强度或水力胶结强度来考虑水泥环一界面封隔完整性，就与工程实际不符，可能导致固井水泥浆实验设计、水泥环封隔完整性评价和水泥浆体系优选与实际情况出现较大偏差。因此，需要探索一种能够测试水泥环一界面拉伸胶结强度的装置及方法，为研究水泥浆体系和水泥环一界面封隔完整性提供重要依据。

根据水泥环工作时一界面受力过程，研究出了一界面拉伸胶结强度测试装置并提出了相应的测量方法，并将拉伸胶结强度与剪切胶结强度进行了比较，分析了两种胶结强度之间的关系。此外，将水泥环一界面拉伸胶结强度作为油气井固井水泥浆实验设计、评价水泥环封隔完整性的关键指标和重要依据，对不同水泥浆体系进行了优选研究。

1 拉伸胶结强度测试方法

1.1 实验装置

实验装置为水泥环一界面拉伸胶结强度测试装置，该装置包括浆筒、拉伸胶结面板和浆筒盖，拉伸胶结面板设置在浆筒底部，浆筒盖设置在浆筒顶部，拉伸胶结面板和浆筒盖上分别设置有拉环。图1 为水泥石一界面拉伸胶结强度测试装置示意图，利用电子万能实验机测试拉伸胶结面板和水泥石试件分离瞬间的最大拉力，计算单位胶结界面上的拉力得到水泥石一界面拉伸胶结强度。

图1 水泥石一界面拉伸胶结强度测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of testing device for tensile bond strength of the first interface of cement stone

1.2 实验方法

水泥石拉伸胶结养护模具装配前，将水泥石拉伸胶结养护模具清理干净，在浆筒的内壁和两端、浆筒盖的丝扣和内端面，均匀涂抹一薄层密封脂，用于浆筒端面密封和便于测试结束后水泥石脱模和模具拆卸[11]。将浆筒底端安放在拉伸胶结面板上，并用力压紧防止水泥浆渗漏或浆筒滑动（图2）。

图2 水泥石拉伸胶结强度养护模具Fig.2 Cement stone tensile bonding strength curing mold

将制备好的水泥浆倒入准备好的浆筒至浆筒深度一半左右，当所有浆筒都倒入水泥浆后，用捣棒捣拌每个试样约30 次，再手工搅拌剩余的水泥浆使水泥浆重新悬浮并混合均匀，然后倒满每一浆筒至溢出后，按前面同样方法进行捣拌[12]。捣拌结束后，装上浆筒盖，排出浆筒内的空气和多余的水泥浆。将装满水泥浆的浆筒放入初始温度为24～30°C的高温高压养护釜中，模拟地层温度压力条件养护至凝期[13]。

模拟地层温度压力条件养护至设计凝期后，取出水泥石拉伸胶结强度养护模具，待冷却后将拉力传感器和拉杆上的钢丝绳，分别连接在拉伸胶结面板的拉环和浆筒盖的拉环上，再将连接浆筒盖一端的拉杆和拉力传感器上的拉杆，分别夹在电子万能实验机的上夹具和下夹具中，接通拉力数据显示器，启动计算机拉力测试软件，待拉力数显仪表显示归零后，启动电子万能实验机，测试拉伸胶结面板与水泥石试件分离瞬间的最大拉力（分离后的水泥石与拉伸胶结面板如图3 所示），计算单位胶结界面上的拉力得到水泥石一界面拉伸胶结强度[14]。计算公式如下

图3 水泥石与拉伸胶结面板实物图Fig.3 Physical image of cement stone and stretched cemented panel

式中：p–水泥石一界面拉伸胶结强度，kPa；

F–拉伸胶结面板与水泥石试件分离瞬间的最大拉力，kN；

A–拉伸胶结面板与水泥石胶结的面积，m2；

d–浆筒与拉伸胶结面板胶结端的内径，m。

2 拉伸胶结强度与剪切胶结强度测试

2.1 水泥浆制备

为研究水泥石一界面拉伸胶结强度与剪切胶结强度的关系，评价拉伸胶结强度的影响因素，验证测试拉伸胶结强度测量装置及方法的可靠性，参照GB/T 19139–2012《油井水泥实验方法》，分别配制基浆、纤维增韧水泥浆、膨胀增韧水泥浆、胶乳水泥浆和自愈合水泥浆共5 种不同的水泥浆体系[15-17]，每种水泥浆测试3～5 个平行试样，设计密度为1.90 g/cm3。

2.2 实验结果及数据分析

2.2.1 水泥浆养护压力的影响

利用水泥石一界面拉伸胶结强度测试装置和剪切胶结强度测试装置，分别测试不同养护压力条件下水泥石一界面的拉伸胶结强度和剪切胶结强度，并对两种胶结强度进行对比，如图4 所示（90°C养护2 d）。

图4 不同养护压力条件下水泥石一界面拉伸胶结强度和剪切胶结强度关系Fig.4 The relationship between the tensile bond strength and shear bond strength of the first interface of cement stone under different curing pressures

由图4 可以看出，不同养护压力条件下，水泥石一界面拉伸胶结强度比剪切胶结强度低，但两者变化趋势一致；此外拉伸胶结强度只有剪切胶结强度的0.37～0.45，证明该测试装置及方法具有可靠性。在常压和高压条件下，纤维增韧、膨胀增韧、胶乳和自愈合水泥浆体系与基浆相比，均能明显提高水泥石一界面拉伸胶结强度和剪切胶结强度。

在高压（本文实验压力为21 MPa）条件下养护时，胶乳水泥浆体系改善水泥石胶结性能效果最显著，水泥石一界面拉伸胶结强度和剪切胶结强度分别提高了107.4%和89.7%。在常压条件下养护时，膨胀增韧水泥浆体系改善水泥石胶结性能效果最显著，拉伸胶结强度和剪切胶结强度分别提高了107.4%和89.7%，但胶乳水泥浆体系效果较高压条件下出现了明显的降低，拉伸胶结强度和剪切胶结强度分别仅提高了39.3%和26.3%。这是由于胶乳水泥浆存在较多微小气泡，在常压条件下养护时，泡沫气泡受热膨胀且部分附着在胶结界面上，减小了水泥石的有效胶结面积，导致水泥石一界面拉伸和剪切胶结强度偏低，而在高压条件下养护时，由于压力作用，抑制了胶乳泡沫受热膨胀，从而提高了水泥石一界面的胶结质量。

2.2.2 水泥浆养护温度的影响

为研究水泥浆养护温度对水泥石一界面拉伸胶结强度的影响，在21 MPa 下养护2 d，分别测试了养护温度为45、90、100 和130°C时水泥石一界面的拉伸胶结强度，实验结果如图5 所示。水泥浆在130°C条件下养护时，加入了30%的石英砂，防止水泥石在高温条件下发生强度衰退，影响水泥石一界面拉伸胶结强度测试结果[18-19]。

图5 养护温度对水泥石一界面拉伸胶结强度的影响Fig.5 Influence of cement slurry curing temperature on the tensile bond strength of the first interface of cement stone

从图5 可以看出，在不同的养护温度条件下纤维增韧、膨胀增韧、胶乳和自愈合水泥浆体系均能明显提高水泥石一界面的拉伸胶结强度。随着养护温度的升高，水泥石一界面拉伸胶结强度逐渐增大，胶乳水泥浆体系水泥石一界面拉伸胶结强度逐渐大于纤维增韧、膨胀增韧以及自愈合水泥浆体系。

在100°C条件下养护时，水泥石一界面拉伸胶结强度较45°C和90°C养护时有了明显提高，而养护温度高于100°C时，水泥石一界面拉伸胶结强度增长趋势趋于平缓。这是由于水泥水化受温度的影响，温度较低时水泥水化不充分，导致水泥石胶结性能较差，而升至一定养护温度时，水泥水化程度随温度的上升趋于平缓。

2.2.3 水泥浆养护时间的影响

为研究水泥浆养护时间对水泥石一界面拉伸胶结强度的影响，在相同养护温度（90°C）压力（21 MPa）条件下，测试了1、2、3、5 和7 d的水泥石一界面的拉伸胶结强度，实验结果如图6 所示。

图6 养护时间对水泥石一界面拉伸胶结强度的影响Fig.6 Influence of cement slurry curing time on the tensile bond strength of the first interface of cement stone

从图6 可以看出，在不同养护龄期下，纤维增韧、膨胀增韧、胶乳和自愈合水泥浆体系均能明显提高水泥石一界面的拉伸胶结强度，且随着养护时间的增加，水泥石一界面拉伸胶结强度逐渐增大。

当养护时间为1 d 时，胶乳水泥浆体系改善水泥石一界面拉伸胶结强度效果较差，与基浆相比拉伸胶结强度仅提高了27.9%。当养护时间达到2 d时，胶乳水泥浆体系水泥石一界面拉伸胶结强度大于纤维增韧、膨胀增韧以及自愈合水泥浆体系，与基浆相比拉伸胶结强度提高了107.4%。

3 水泥环一界面完整性分析实例

3.1 水泥环一界面封隔有效性评价

水泥环一界面拉伸胶结强度能否满足拉伸应力需求，是判断水泥环一界面封隔有效性的关键。应用厚壁圆筒理论对套管–水泥环–地层力学模型进行分析[20-22]，可得到不同井筒压降下水泥环一界面受到的拉伸应力值。

根据常用套管设计标准，模型计算参数如下：套管弹性模量206 GPa，泊松比0.30，套管内径121.4 mm，套管外径139.7 mm；水泥环弹性模量6 GPa，泊松比0.20，水泥环外径215.9 mm；地层弹性模量15 GPa，泊松比0.25[1，23]。同时，根据岩石力学理论，地层边界超过井眼半径的5～6 倍时对井周应力的影响极小，故井壁围岩半径取井眼半径的10 倍，即2 159 mm[24]。

利用模型计算获得的水泥环一界面拉伸应力和膨胀增韧水泥浆体系一界面胶结强度，对膨胀增韧水泥浆体系水泥环一界面封隔有效性进行评价。设油气井生产运行过程中井筒内压最大降低15.00 MPa，水泥环一界面拉伸应力计算及膨胀增韧水泥浆体系评价结果见表1。

表1 水泥环一界面拉应力计算值及膨胀增韧体系水泥石胶结强度Tab.1 The calculated value of tensile stress at the first interface of the cement sheath and the cement stone bond strength of the expansion and toughening system

由表1 可知，随着井筒内压逐渐降低，水泥环一界面所受到的拉伸应力呈逐渐上升趋势，且井筒内压每降低1.00 MPa，水泥环一界面拉伸应力增加约0.16 MPa，当井筒内压降低15.00 MPa 时，水泥环一界面所受拉伸应力约2.39 MPa。

当固井采用膨胀增韧水泥浆体系时，若用剪切胶结强度来考虑水泥环一界面封隔完整性时，不会出现微环隙，而实际水泥环一界面受拉伸应力后可能会产生微环隙。若用拉伸胶结强度进行水泥环一界面封隔完整性分析，在井筒压降小于7.90 MPa 时不会出现微环隙，大于7.90 MPa 时会出现微环隙。因此，在评价水泥环一界面封隔有效性时，应采用水泥环一界面拉伸胶结强度作为重要依据之一，有利于保证水泥环一界面封隔完整性，更符合工程实际。

3.2 固井水泥浆体系设计及优选

为保证水泥环一界面封隔完整性，综合考虑基本的固井施工要求，对膨胀增韧水泥浆、胶乳水泥浆和自愈合水泥浆体系进行评价，并优选出井筒内压降低15.00 MPa 时满足水泥环一界面拉伸胶结强度要求的水泥浆体系。实验条件：养护温度90°C，压力21.00 MPa，养护时间7 d。

增韧材料加量对水泥石一界面拉伸胶结强度的影响见图7，可以看出，水泥石一界面的拉伸胶结强度随膨胀增韧剂和胶乳的加量增加而增大，而自愈合剂加量大于5.0%时，水泥石一界面拉伸胶结强度不再随自愈合剂加量的增加而增大。这是由于自愈合剂加量较大时，有较多的自愈合颗粒悬浮在水泥浆浆体表面，导致多余自愈合剂无法对水泥石的胶结性能起到明显的改善作用。

图7 增韧材料加量对水泥石一界面拉伸胶结强度的影响Fig.7 Influence of toughening material addition on the tensile bond strength of the first interface of cement stone

当韧性材料加量为7.5% 时，膨胀增韧和自愈合水泥浆体系水泥石一界面拉伸胶结强度分别为2.05 MPa 和2.18 MPa，均小于井筒压降为15.00 MPa时水泥环一界面所受的拉伸应力，此时水泥环与套管发生剥离脱落产生微环隙。而胶乳水泥浆体系改善水泥石一界面拉伸胶结强度效果最显著，当胶乳加量为7.5%时，水泥石一界面拉伸胶结强度达到2.51 MPa，大于井筒压降为15.00 MPa 时水泥环一界面拉应力2.39 MPa，满足水泥环一界面拉伸胶结强度大于其拉伸应力的要求，故选择胶乳水泥浆体系。