高温高压下油井水泥环胶结强度测试新方法

徐璧华 卢 翔 谢应权

高温高压下油井水泥环胶结强度测试新方法

徐璧华 卢 翔 谢应权

西南石油大学石油与天然气工程学院

固井注水泥完成后，水泥环与套管（Ⅰ界面）、与地层（Ⅱ界面）的胶结强度是影响固井质量的重要因素，但目前的水泥环胶结强度测量方法不能很好地模拟井下条件水泥环的形成以及泥饼的冲洗过程，致使测量出的胶结强度数据不能很好地为现场施工提供参考。为此，在分析现有测量水泥环胶结强度方法的基础上，提出了一种能够模拟井下条件的水泥环胶结强度的测量新方法，并且研制了相应的测量装置。该装置能够模拟高温高压环境下不同钻井液在岩心上形成泥饼、钻井液泥饼的动态冲洗、水泥环的养护形成过程，并测量出水泥环与岩心、水泥环与模拟套管的界面胶结强度等。结论认为，利用该装置能够开展水泥环动态冲洗与高温高压养护实验，还能测量第一界面与第二界面的胶结强度，较之于以前的方法更能贴合现场的实际，更具有实用价值；但要评价地层岩性、冲洗液体系等因素对胶结强度的影响还需要利用该装置做进一步的深入研究。

固井质量 水泥环 冲洗过程 胶结强度 模拟测量装置 测量方法 评价实验 高温高压

固井注水泥完成后，水泥环与套管（Ⅰ界面）、与地层（Ⅱ界面）两个界面胶结状态的好坏对固井质量有重大的影响。目前，界面胶结强度的影响因素已较为明确，主要有地层压力、地层水渗流、地层岩性、水泥石自身性能、钻井液在地层形成的泥饼以及固井时对滤饼的冲洗效果等[1-8]。目前的测试方法与装置虽然能在高温高压下养护水泥环后连续测出第I、第II界面的剪切胶结性能[9-12]，但是还不能很好地模拟井下水泥环的养护形成、泥饼的形成以及冲洗液动态冲洗过程。

因此，针对以前测试方法的不足和影响因素复杂性，笔者提出了一种新的测试方法并研制了相应装置，在评价胶结性能时，模拟了地层岩心或人造岩心壁面泥饼形成与冲洗过程，模拟了水泥石与上述两个界面同时胶结的情况，更加符合现场实际情况，对提高现场固井质量具有重要的意义。

1 新方法介绍

1.1 实验装置

实验装置为自行研制的固井水泥石胶结性能评价装置，它集三大基本功能为一体：①模拟高温高压下不同钻井液在岩心上形成泥饼；②模拟高温高压下钻井液泥饼的冲洗，可在不同冲洗液、不同冲洗速度、冲洗时间下模拟冲洗效果；③模拟高温高压下水泥环的养护形成，并测量出水泥环与岩心、水泥环与模拟套管的界面胶结强度。图1为固井水泥石胶结性能评价装置实物图，该装置的主体由压力养护釜、电磁驱搅拌器、增压泵、气动液压管路系统、岩心夹持器、模拟套管、强度测试伺服试验机等构成[13]。

图1 固井水泥石胶结性能评价装置实物图

通过改变实验压力、岩心，上述的装置①和②功能还可以实现钻井液（或水泥浆）滤失量、泥饼厚度测量、评价和优选不同冲洗液体系等试验研究。上述的装置①和②功能的整个过程的原理如图2所示。搅拌浆叶置于岩心周围和搅拌浆叶的金属棒顶在岩心顶部保证泥饼形成、冲洗的均匀性以及防止岩心顶部流场受到干扰。

当釜体内加入钻井液时，搅拌器旋转，此时岩心上可形成泥饼，这个过程可模拟泥饼的形成；当釜体内加入冲洗液时，搅拌器旋转，冲洗液可以冲掉岩心上形成的泥饼，这个过程可以模拟泥饼的动态冲洗过程。

图2 模拟泥饼形成与冲洗过程示意图

1.2 试验方法

利用该装置进行胶结强度模拟测量实验的实验方法如下。

1.2.1 模拟井壁的制备

将石英砂按一定配比混合搅拌均匀后注入制备模具中，在一定外力作用下压实形成未改性的人造岩心，待其晾干且具有一定的强度和硬度后摘去模具，制备成不同渗透率的岩心。对人造岩心进行加工，钻取直径25.4 mm、长75.0 mm的岩样作为模拟井壁。

1.2.2 模拟钻井液泥饼的形成

将岩心装入岩心夹持器上，并将其放入养护釜内。向养护釜内泵入钻井液，养护釜内升温升压至井下的模拟温度和压力。在升温升压前，不启动磁驱动搅拌器以模拟井内钻井液的静滤失。升温升压至设定温度压力后，启动电磁驱搅拌器搅拌钻井液，以模拟钻井液的动失水。根据现场的实际情况设定相应转速。整个过程中打开装置的失水阀以测量钻井液滤失过程中的滤失量。失水完成后，取出岩心夹持器，用“针入法”测量泥饼厚度[14-17]。

1.2.3 模拟钻井液泥饼的冲洗过程

将装入岩心的岩心夹持器放入养护釜内，泵入冲洗液。要使钻井液泥饼被清洗的效果与现场施工时的清洗效果接近，应尽量保持与现场相同的清洗时间和清洗速度。为此，根据现场的实际情况设定相应转速，冲洗时间依据固井实际中冲洗液上返速度和模拟井深来共同决定（即冲洗时间为模拟井深与冲洗上返速度的比值）[18-19]。

1.2.4 模拟水泥浆注入与养护过程

冲洗完成后，取出岩心夹持器，安装水泥石试模（也即模拟套管，内径80 mm，高50 mm），向岩心和水泥石试模环空中灌注水泥浆。将水泥浆倒入至试模深度一半处，当所有试模都倒入水泥浆后，每个试样都用捣棒捣拌约30次，然后手工搅拌剩余的水泥浆以重新悬浮水泥浆组分，并倒入每一试模，之后按前面所述方法进行捣拌（使水泥浆均匀和消除浆体中的气泡，以免后续养护时气泡对胶结强度产生影响）[19]试模装满后，将盖板盖在试模上部。加端盖后放入养护釜内，泵入养护液在一定的温度压力下养护一定龄期（通常为24 h）。

1.2.5 胶结强度测试

养护结束后，整体取出岩心（水泥环的胶结情况如图3所示，形成的水泥环的内径24 mm，外径80 mm，高50 mm），待冷却后再在强度伺服机上测定其强度。

图3 养护完成后水泥环与岩心、模拟套管胶结实物图

胶结强度的测定[15,20-21]采用常规的“压出法”[21]来测定抗压强度值，然后利用公式换算出相应的胶结强度。利用该装置的优点在于可同时测定水泥环与模拟套管（第I界面）、水泥环与岩心（第II界面）的机械胶结强度值，并且还可测定水泥环的抗压强度，一次实验可以获取3个力学性能数据，使得水泥环的胶结质量评价更具说服力。图4为水泥环与模拟套管（第I界面）、水泥与岩心（第II界面）的胶结强度测试实物图。

图4 水泥胶结强度测试实物图

2 评价实验及分析

利用自制的装置进行了一组评价实验，实验情况如下。

2.1 实验材料及参数

1）人造岩心、水泥浆、W21L冲洗液、水基钻井液。

2）90 ℃×8 MPa×转速310 r/min条件下模拟泥饼形成与冲洗过程。

3）110 ℃×21 MPa条件下模拟养护过程。

2.2 实验结果及分析

2.2.1 泥饼形成

在90 ℃×8 MPa×270 min和310 r/min搅拌转速条件下，利用现场用的钻井液进行失水实验后的泥饼形成情况，选取一个样品拍照，如图5-a、图5-b所示。从图中可以看出在动态失水条件下，岩心壁面形成了一层较厚的泥饼，量测其厚度约为1 mm。其中图5-b为拨开泥饼露出岩心壁面的情况以示对比。

图5 泥饼形成实物照片

2.2.2 冲洗泥饼

图6所示为在90 ℃×8 MPa×10 min的冲洗条件下用W21L冲洗液冲洗泥饼后的岩心壁面的情况。从图6中可以看出，经过冲洗后岩心壁面仍有一层薄薄的泥饼，在岩心的某些部分甚至能看到出露的岩心（白色部分所示）。对比图5和图6能很直观地得出，W21L冲洗液具有一定的冲洗效果，当然其冲洗效果的评价还需进一步的实验研究。

图6 岩心壁面泥饼冲洗效果图

2.2.3 水泥环力学性能测试

水泥与模拟套管（第I界面）、水泥与岩心（第II界面）的胶结强度数据如表1所示。

表1 水泥环测试的胶结强度表 MPa

从表1中可以看出，由该方法模拟测试的胶结强度稳定性高，而且能同时测量两个胶结面的胶结强度。水泥与模拟套管（第I界面）的胶结强度比水泥与岩心（第II界面）的胶结强度大。当第I界面胶结强度升高时，相应的第II界面胶结强度升高。

3 结论及建议

1）研制出一套水泥环胶结强度模拟测量装置，该装置能够实现泥饼的动态形成与冲洗、水泥浆养护以及水泥环的胶结强度测试。

2）模拟测量装置测量胶结强度的实验方法可以定性和定量地分析出岩心壁面形成泥饼的情况、冲洗液对岩心壁面泥饼的冲洗效果以及水泥环与两个界面的胶结强度、水泥环的抗压强度。

3）该模拟测量装置提供了一种新的研究界面胶结强度的手段，能模拟水泥石与两个界面同时胶结的情况，一定程度上更能贴合现场的实际，具有实用价值。要评价地层岩性、冲洗液体系等因素对胶结强度的影响还需利用该装置做进一步的深入研究。

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(修改回稿日期 2016-09-08 编 辑 凌 忠）

A new bonding strength measurement method for oil well cement sheath under high temperatures and high pressures

Xu Bihua, Lu Xiang, Xie Yingquan
(School of Oil & Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China)

The bonding strength of cement-casing interface (interface I) and cement-formation interface (interface II) is an important factor affecting cementing quality. However, the current cement bonding strength measurement methods cannot simulate appropriately the formation of cement sheath and the flushing process of mud cake in wellbore conditions, so the measured bonding strength cannot be well used as the reference for field operation. In this paper, the existing cement bonding strength measurement methods were analyzed. Then, a new method which can simulate the cement bonding strength under the condition of the well was put forward, and the corresponding measurement device was developed. The device can be used to simulate the curing process of cement sheath, the dynamic flushing of mud cake and the mud cake which is made of drilling fluids on the cores under high temperatures and high pressures (HTHP). It can also be used to measure the bonding strength of cement-core interface and cement-simulated casing interface. To sum up, this device can be used for the experiments on dynamic flushing and HTHP curing of cement sheath and the bonding strength measurement of interfaces I and II. Compared with the previous methods, this new method is more applicable and practical. whereas a further study by use of this method and device is needed to evaluate the impact of lithology, flushing fluid system, etc. on the bonding strength.

Cement job quality; Cement sheath; Flushing process; Bonding strength; Simulated measurement device; Measurement method; Evaluation experiment; High temperatures and high pressures (HTHP)

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.11.008

徐璧华等.高温高压下油井水泥环胶结强度测试新方法.天然气工业，2016, 36(11): 65-69.

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 11, pp.65-69, 11/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

国家“十二五”重大科技专项“低渗油气田完井关键技术”（编号：2011ZX05022-006-005HZ）。

徐璧华，1964年生，副教授，硕士；主要从事油气固井工程研究与教学工作。地址：（610500）四川省成都市新都大道8号。电话：（028）83032926。ORCID: 0000-0003-1284-0026。E-mail:xubh@vip.163.com