水泥类型对固井水泥环胶结强度与密封性影响的研究

刘保波，陈 彬，李 彬，魏裕森，庞东豪，傅 超

(1.中海石油深海开发有限公司 广东深圳 518054；2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 广东深圳 518000；3.中国石油大学(北京) 北京 102249)

0 引言

提高固井质量有助于延长油水井开采寿命，增加勘探开发效益[1]。封固系统中第一胶结面和第二胶结面作为薄弱环节，很容易因为胶结质量问题导致封隔性能失效。由于海上现场不具备进行相关实验研究的条件，因此有必要在室内开展相关模拟实验[2]，研究深水浅层不同型号的固井水泥界面的胶结强度及密封质量。

1 实验设计

1.1 实验变量

1.1.1 水泥类型

本次实验采用标号为425#、525#和海上固井G 级水泥3 种类型的水泥。3 种类型的水泥均为纯水泥，不掺入任何添加剂。

1.1.2 候凝时间

本实验分别为2、4、5、6、8、10、12、13、18、24 h，共计10 个实验点。

1.1.3 套管尺寸本次实验的套管尺寸分别为2 in(50.8 mm)和3 in(76.2 mm)。

1.2 实验方案

1.2.1 套管布置方案

实验池尺寸为140 cm×105 cm×100 cm(长×宽×高)，共布置2 in(50.8 mm)和3 in(76.2 mm)套管各3 根，间隔均为35 cm，套管间距及套管与实验池侧壁大于3 倍的套管直径，以消除边界效应。各套管在实验池中的位置见图1。

图1 套管位置示意俯视图Fig.1 Top view of position of casing

1.2.2 密封性和胶结强度实验方案

将固井模具放置在设计位置，在模具周围压紧土层，插入实验套管，在环空处注入水泥。待水泥基本成型后取出模具，在实验土层上方注水，等待候凝时间。图2 为密封性和胶结强度的实验准备工作。

图2 密封性和胶结强度实验准备工作Fig.2 Preparations for sealing and bonding strength experiments

到达候凝时间点时，用加压管线连接套管和加压泵，向套管内极为缓慢地注气加压；憋压一段时间后，观察泥线处刚刚出现气泡返出时，气压的大小和位置；持续注气，连续观察气泡数量、位置及气压大小的变化情况，验证第一胶结面和第二胶结面的固井密封性。

在上述每一个候凝时间点气密性测试结束时，立刻卸下加压装置，将套管与拉力装置连接；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；观察胶结面的破坏情况，记录拉力数据。密封性和胶结强度测试实验见图3，套管、水泥环示意图见图4。

图3 密封性和胶结强度测试实验图Fig.3 Experimental diagram of sealing and bonding strength testing

图4 套管、水泥环示意图Fig.4 Schematic diagram of casing and cement sheath

2 实验结果分析

2.1 气密性测试实验现象及实验结果

本实验设定候凝时间为2、4、5、6、8、10、12、13、18、24 h。具体实验数据记录见表1。

表1 套管气密性测试实验数据Tab.1 Data of casing airtightness test

候凝2 h 后，使用3 种水泥进行套管固结，套管的第一胶结面均有气泡冒出。说明候凝2 h 时间过短，第一胶结面强度极低。

候凝4 h 后，使用425#、525# 2 种普通硅酸盐水泥固结的套管在第一胶结面、第二胶结面均有气泡冒出；而使用G 级水泥固结的套管只有第二胶结面有气泡冒出。此时G 级水泥第一胶结面达到固结密封。

候凝5 h 后，使用425#、525#、G 级3 种水泥进行实验套管固结，水泥环的第二胶结面均有气泡冒出。此时3 种水泥第一胶结面均达到固结密封。

候凝10 h 后，使用425#、525# 2 种水泥固结的套管在第二胶结面有气泡冒出，而使用G 级油井水泥固结的套管在实验池的边缘有气泡冒出。此时G 级水泥第二胶结面达到固结密封。

候凝13 h 后，使用425#、525#、G 级3 种水泥进行实验的套管固结，气泡全部在第二胶结面以外、接近实验池边缘的地方冒出。此时3 种水泥第二胶结面均达到固结密封。

根据实验数据，绘制2 in(50.6 mm)套管气密性随时间变化图如图5，3 in(76.2 mm)套管气密性随时间变化图如图6。

图5 2 in套管气密性随时间变化图Fig.5 Variation diagram of airtightness of 2 in casing with time

图6 3 in套管气密性随时间变化图Fig.6 Variation diagram of airtightness of 3 in casing with time

由图可知，随着时间的增加，气压值的增加趋势变缓，G 级水泥第一、第二胶结面固结密封时效均高于425#水泥和525#水泥。

2.2 胶结性测试实验现象及实验结果

在实验过程中发现，2 h 之前，所有套管均从水泥环中拔出；4 h 时，低标号水泥均从水泥环中拔出，中标号水泥和G 级水泥套管连同水泥环从土壤中拔出；6 h 及以后，3 种标号水泥均为套管加水泥环从土壤中拔出。

2.2.1 水泥浆与隔水导管之间的胶结强度分析

隔水导管与水泥胶结强度的变化可以体现在侧向摩擦力的变化上，可以通过实验测出水泥环与钢管桩及土壤的平均侧向摩擦力，即侧向摩擦力的变化反映了胶结强度的变化。表2 为前6 h 套管胶结强度测试实验数据，绘制不同标号水泥浆与套管之间内摩擦力随时间变化曲线，如图7。

图7 不同标号水泥浆与套管之间内摩擦力随时间变化图Fig.7 Variation of internal friction between cement paste with different grades and casing with time

表2 前6 h套管胶结强度测试实验数据Tab.2 Data of casing bond strength test in first 6 h

2.2.2 水泥浆与海底土之间的胶结强度分析

固井6 h 之前，钢管桩从水泥环中拔出，所以在此只给出6 h 之后水泥浆与海底土之间的胶结强度的变化，见表3。根据实验数据绘制不同标号水泥浆与海底土之间内摩擦力随时间变化曲线，如图8。

表3 6 h后套管胶结强度测试实验数据Tab.3 Data of casing bond strength test after 6 h

续表3

图8 不同标号水泥浆与海底土之间内摩擦力随时间变化图Fig.8 Variation of internal friction between cement paste with different grades and submarine soil with time

由实验数据不难看出，3 种标号的水泥随着候凝固结时间的增加，第二界面胶结强度增加趋势放缓[3]；3 种标号水泥第一、第二胶结面的单位面积摩擦力均随着套管尺寸的增加而减小。

3 结论

综合上述实验结果，得出结论如下：

①水泥浆硬度的差异对浅部弱胶结地层固井第二胶结面密封性的影响较小，但候凝时间对固井第二胶结面密封性的影响较大，适当延长候凝时间比提高水泥强度更有助于固井第二胶结面密封性能的提高。考虑浅层地质灾害，建议延长固井候凝时间，以确保第二胶结面胶结质量。

②由于低标号水泥与G 级水泥在气密性和胶结强度方面相差较小，可以考虑研发低标号固井水泥以及配套添加剂代替G 级水泥用于浅部地层固井作业，以降低成本。