黄 鹏 李 杨 李 东 范华冰 刘 冬

(1.长江大学石油工程学院 2.长庆油田分公司第二采油厂工艺研究所3.渤海钻探工程有限公司井下作业分公司 4.渤海钻探工程有限公司第四钻井分公司)

0 引 言

高温高压环境对固井质量提出了严格的要求，固井后形成的套管-水泥环-地层组合体在高温高压状态下受到复杂的温压应力变化[1]，易形成微环隙而造成水泥环密封失效[2-7]，地层流体侵入微环隙向上运移，导致产生环空带压，这对井的寿命、质量及工作人员的人身安全都产生了严重威胁[8-15]。水泥环界面胶结强度是保证油气井密封完整性的重要因素[16-17]。影响井筒完整性的因素很多，例如水泥在水化过程中产生的大量热、井下作业引起井下应力的改变、岩石的蠕变，地下高压流体也会破坏水泥环的胶结面[18-20]。水泥环以及套管的收缩，外来力的改变都会在一定程度上导致水泥环密封失效，通过试验发现，循环加载和卸载套管压力、围压都会导致水泥环密封失效[21]。

国内外学者建立了多种水泥环力学模型和有限元数值模型。许红林等[22]基于厚壁圆筒理论建立了水泥环力学模型，计算了套管和水泥环的应力及应变，并分析了压力和温度共同作用下整个井筒的应力状况。杨燕等[23]应用厚壁圆筒理论建立了套管-水泥环-地层力学模型，在套管内压变化下推导了套管-水泥环和水泥环套管之间的应力理论解。G.W.EVANS等[24]开展了套管-水泥环的机械剪切强度研究。J.C.STORMONT等[16]研究了气体在不同应力条件下微环隙的流动规律，分析了微环隙的渗透率、水力孔径与应力之间的变化关系。K.J.GOODWIN等[25]通过对套管压力的反复加载和卸载，研究了水泥环的渗透率变化规律，以及界面胶结强度随套管应力变化之间的关系。S.P.GOMEZ等[26]通过试验与理论模型、数值模型相结合的方法，开展了界面微环隙渗透率和水力孔径随套压、围压的变化规律，得出水力孔径在判断水泥环密封完整性方面有重要意义。

虽然前人在有关固井水泥环第一界面的径向胶结强度研究方面开展了大量工作，但是有很多考虑不周的地方，比如前人是建立在等效缩小模型上进行的研究，温度和压力较低，不满足南海某油田的要求。鉴于此，本文基于全尺寸高温高压水泥环密封完整性评价装置，运用气窜方法开展测量高温高压固井第一界面径向胶结强度的试验研究，主要分析围压变化和套管内压力变化对高温高压固井第一界面径向胶结强度的影响规律。

1 试验研究

1.1 试验原理和装置

为了模拟井下的高温高压环境，长江大学研制了一套可以模拟测试水泥环界面径向胶结强度的装置。该装置的温度可控制在-20～220 ℃,围压可控制在0～70 MPa,环空压力可控制在0～20 MPa，套管压力可控制在0～50 MPa，地层流体可以是流体或者气体。该装置由温度控制系统、围压控制系统、套管压力控制系统以及数据实时检测系统等组成。

图1是高温高压水泥环密封完整性评价装置示意图。试验中涉及2个胶界面：套管-水泥环第一胶界面和水泥环-模拟地层第二胶界面。套管和水泥环材料性质差别大，水泥环和模拟地层材料性质差别小，所以套管-水泥环第一胶界面胶结强度比水泥环-模拟地层第二胶界面胶结强度小。在试验装置底部用气体增压泵注入氮气来突破套管-水泥环界面，瞬间突破套管-水泥环界面的压力就是套管-水泥环界面的胶结强度，即当上部压力表数值突然变大时，读装置下部压力表读数，该值即为第一界面窜流压力，即第一界面径向胶结强度。

1—流量计；2—上法兰；3—橡胶套；4—加压泵；5—气体加压泵；6—加热棒；7—温度传感器；8—底座；9—水泥环；10—套管；11—手摇泵；12—压力表。

1.2 试验材料

高压釜体及配套装置采用42GrMo材质，配套装置包括耐高温高压氟橡胶密封胶套、耐高温高压氟橡胶密封圈、加热棒、手摇泵、气体增压泵、试压泵、储气罐、混凝土搅拌机、小型振动棒及温度检测仪。制作模拟地层时内衬管采用规格P110钢管，直径230 mm；套管采用外径17.78 mm，厚度9.19 mm；模拟地层外径400 mm，高度1 100 mm。试验所用材料包括沙子、水泥和石子等。试验还选用南海西部某油田抗高温固井水泥浆体系为试验材料，密度2.35 g/cm3。其配方组成如表1所示。

表1 试验用水泥浆配方Table 1 Formula of cement slurry for test

1.3 试验步骤

(1)在做好的模具内制备规格(内外直径和高度)相匹配的地层，按要求在合适的温度和压力下养护3～5 d，养护好地层以后，把地层放入该装置中并在地层外套上橡胶套，在最外面套上斧体，加上上盖，保证密封性。

(2)测试围压系统，如果下端没有液体流出，或者卸下围压打开上盖后没有液体流出，即证明整个围压系统密封良好。

(3)将套管放入中间环空，将按照一定比例配置好的固井水泥浆倒入套管和地层的环形空间，在水泥浆上端加一部分水。

(4)套管内加入导热油，套管-地层剩余的上部空间加满水，装上法兰。

(5)用手摇泵先施加环空压力，防止水泥在高温下沸腾，按照试验要求加围压、套压，给加热棒通电加热整个装置，直到试验设定温度，温度的升高会使环空中水变为蒸汽，这会导致环空压力在加热过程中上升，这时要用手摇泵缓慢泄压，直至达到设定温度且稳定不变，环空压力达到稳定值。

(6)按要求保持一定的围压、套压和温度，养护至试验要求的天数。养护好之后，应用气体增压泵打开阀门通入氮气，当上部压力表突然变大时记下装置下部压力表的数值，该读数就是突破压力，即第一界面径向胶结强度。

本试验考虑围压变化和套压变化对套管-水泥环胶结面强度的影响，当整个试验样本养护好以后，通过改变围压和套压来分别分析二者对套管-水泥环胶结面强度的影响。整个试验过程中发现气泡只从套管-水泥环界面溢出，如图2所示，这与上文谈到的套管-水泥环第一胶界面优先突破一致。

图2 气泡从套管-水泥环第一界面溢出Fig.2 Bubble overflows from casing-cement ring first interface

2 试验结果与分析

2.1 围压变化对界面胶结强度的影响

在环空压力5 MPa、套压10 MPa、试验温度180 ℃、养护3 d时，测量围压变化对固井界面水力胶结强度的影响。围压每升高10 MPa，稳定10 min后再测量。试验结果如图3所示。试验方案设置如表2所示。

图3 围压变化对窜流压力的影响Fig.3 Influence of confining pressure on crossflow pressure

表2 围压变化对窜流压力影响 MPa

由图3可知，有效的套管-水泥环微环隙水力孔径的大小与围压有一定的关系，微环隙的出现对井环隙间内流体的流动有很大影响。试样最大围压加载到70 MPa时，窜流压力随着围压的增大呈非线性增长，窜流压力-围压曲线的斜率越来越大，说明窜流压力增大的速度越来越快。卸载围压时，窜流压力随着围压的减小而减小，呈非线性变化，窜流压力始终比同围压下加载时的窜流压力大，窜流压力下降的曲线路径趋势大致与加载时相同。

微环隙面对正应力的响应与微环隙表面粗糙度的大小一致，增大的围压使水泥环的表面发生塑性形变，提高了微环隙面的界面刚度，会造成窜流压力随着围压的增大而呈非线性增大，而卸载时的窜流压力始终比同围压下加载时的窜流压力大也说明了这一点。

2.2 套管内压力变化对界面胶结强度的影响

在环空压力5 MPa、围压40 MPa、试验温度180 ℃、养护3 d时，测量套压变化对固井界面水力胶结强度的影响。套压每升高10 MPa，稳定10 min后再测量，试验方案设置如表3所示。试验结果如图4所示。

由图4可知，在套压为10 MPa、窜流压力为6.15 MPa时，随着套压升高，窜流压力呈非线性升高，并且窜流压力升高的速度越来越慢，最后趋于稳定。该现象说明试件养护好后，增加套管压力可以增加套管-水泥环之间的水力胶结强度，进而提高水泥环的密封性能。套压加载到最大值50 MPa后开始卸载，每次卸载10 MPa并维持10 min，最终卸载至10 MPa，然后再测量套管-水泥环界面在此套压下的窜流压力。

表3 套压变化对窜流压力影响 MPa

图4 套管压力变化对窜流压力的影响Fig.4 Influence of casing pressure on crossflow pressure

由图4可知，窜流压力随着套管压力的卸载而减小，卸载时窜流压力曲线在加载时窜流压力曲线的下方，加载与卸载时的窜流压力曲线走势基本相同。卸载过程中的窜流压力小于同套压状态下加载过程中的窜流压力，这表明在加载过程中水泥环发生了塑性形变，存在不可恢复的残余应变，但是套管在此压力变化范围内处于弹性变形，套管和水泥环之间的胶结力变小，套管-水泥环界面有可能产生微环隙而导致窜流压力变小。

根据厚壁圆筒理论模型，套管和地层围岩都是理想弹性体，水泥环为理想弹塑性体，并且水泥环的屈服准则满足Mohr-Coulomb准则。随着套管内压力的升高，水泥环内壁首先进入塑性状态，当套管内压力继续增大时，水泥环的塑性区域由内壁沿外径方向增大，水泥环被分为塑性区和弹性区。当套压达到某一数值时，水泥环整体进入塑性状态。

3 结 论

(1)在温度、环压和套压一定时，围压加载阶段窜流压力随着围压的增大而呈非线性增大，并且窜流压力增大的速度越来越快；围压卸载阶段窜流压力随着围压的减小而减小，呈非线性变化，窜流压力始终比同围压下加载时的窜流压力大，窜流压力下降的曲线路径趋势大致与加载时相同。

(2)在温度、围压和环压一定时，套管压力卸载过程中的窜流压力小于同套压状态下加载过程中的窜流压力，这表明在加载过程中水泥环发生了塑性形变，存在不可恢复的残余应变，但是套管在此压力变化范围内处于弹性变形，套管和水泥环之间的胶结力就变小，套管-水泥环界面有可能产生微环隙而导致窜流压力变小。所以，在开采井的后期要管控好开采时的井底压力，防止套压上升然后下降时套管-水泥环之间微环隙的产生。

(3)围压的变化会降低该井的的第一胶结面强度。在油井的开采后期，周围邻井压裂引起地应力的改变会对该井的第一胶结面强度产生影响，因此在固井时应该用更好的固井工艺和满足条件的水泥浆体系。