固井水泥浆凝固过程中地层水窜流模拟实验

郭辛阳，宋雨媛，步玉环，郭胜来，王成文

（1. 中国石油大学（华东） 非常规油气开发教育部重点实验室，山东 青岛 266580；2. 中国石油大学（华东） 石油工程学院，山东 青岛 266580；3. 中国石油大学（华东） 石油工程实验教学中心，山东 青岛 266580）

固井是钻完井过程中不可或缺的作业环节，包括下套管和注水泥2个子作业环节。在注水泥作业环节，水泥浆被顶替到套管和地层之间的环形空间，然后进入候凝阶段。随着候凝时间的增长和水泥水化的进行，水泥浆柱的压力会逐渐降低（称为“失重”），当浆柱压力低于地层流体压力后，地层流体就可能侵入和发生窜流，造成固井质量不合格，不仅会影响井的产能和正常生产，而且还会带来严重的环境与安全问题[1-3]。

高压地层水是常见的窜流流体之一，按其来源主要分为2大类：一类是自然地质过程中形成的高压地层水；另一类是注水驱油过程中人为向地层中高压注入的水[4-7]。虽然这2种地层水的来源不同，水中溶解的离子种类和矿化度也有所差异，但窜流的机理是相似的，所以可以统一归结为地层水窜流问题进行研究。

国内外学者自 20世纪六七十年代以来对地层水窜流问题进行了大量的研究，探索了窜流的原因和机理，提出了一些预防窜流的措施，开发了不同的防窜水泥浆体系，部分体系在现场应用后取得了一定的效果[8-12]。由于地层水窜流问题的复杂性，目前对于窜流规律及机理的认识还不够深入，不同学者虽然从不同的方面对窜流问题开展研究并提出了自己的观点，但总体上尚未形成统一的认识[13-16]。

本文针对地层水窜流问题，设计并开展了地层水窜流模拟实验，测量了水泥浆不同凝固状态（即不同候凝时间）时地层水的窜流压力，观察分析了相应状态下的窜流形态，研究了地层水的窜流规律，加深了对地层水窜流的认识，可为预防地层水窜流问题提供依据和指导。

1 地层水窜流模拟实验

1.1 实验原理与方法

在进行固井作业方案设计时，一般设计注水泥作业完成时的水泥浆柱压力大于地层流体压力而小于地层破裂压力，如图1所示，水泥浆柱压力曲线位于地层（水）压力曲线和地层破裂压力曲线之间。由于地层（水）压力随地层深度的增加不是呈线性增加，不同位置处地层（水）压力与注水泥完成时水泥浆柱压力之间的压力差不同，如图1中的1#、2#和3#位置处，3#处压力差最大，2#处压力差次之，1#处压力差最小。

在水泥浆候凝阶段，随着水泥水化的进行，水泥浆柱压力不断降低，当水泥浆柱压力低于地层（水）压力时，地层水就可能侵入水泥浆而发生窜流。因此，初始水泥浆柱压力与地层（水）压力之间的压力差对地层水能否窜流和何时窜流有重要的影响。当该压力差较小时，候凝早期（也即水泥水化早期）阶段引起的水泥浆柱压力下降就会造成水泥浆柱压力低于地层（水）压力，导致地层水侵入形成窜流，如图1中的1#位置处。反之，当压力差较大时，水泥浆要水化更长的时间（也即候凝时间较长）才能导致水泥浆柱压力低于地层（水）压力，此时水泥浆已经具有一定的胶凝强度，具有一定的阻止地层水入侵的能力，所以此时既可能发生窜流，也可能不发生窜流。因此，下面将选取不同候凝时间的水泥浆进行实验，模拟地层水的窜流过程，测量发生窜流的压力，观察和分析相应的窜流形态，分析窜流规律。

图1 地层（水）压力—初始水泥浆柱压力—地层破裂压力剖面示意图

1.2 实验设备

利用自制的窜流模拟实验装置进行地层水窜流模拟实验，装置如图2所示。模拟井筒置于恒温水浴装置中，使水泥浆在可控的恒温环境中进行水化凝固。用高压气瓶驱动高压储水罐中的水侵入水泥浆来模拟地层水的侵入和窜流。通过一系列的阀门和压力表来控制地层水的侵入和测量侵入压力。

图2 地层水窜流模拟实验装置示意图

选用 PVC管来制成模拟井筒，如图 3所示，将PVC管沿纵向平均分成2份，将其中一份下端钻出小孔，用来连接地层水的侵入管线，然后将2份PVC管用粘合剂和密封胶带密封在一起。

图3 模拟井筒

1.3 水泥浆及其性能

水泥浆选用现场常规水泥浆配方，组成为：嘉华G级水泥（水灰比0.44）+ 5%降失水剂BXF-200L +0.3%分散剂USZ + 0.1%消泡剂。测试了水泥浆在窜流实验温度（60 ℃）下的稠化性能作为参考，如图4所示。可以看出，初期水泥浆稠度一直维持在 10 Bc左右，在75 min和90 min有小幅度波动；当稠化时间超过 120 min，稠度逐渐有明显的增加；然后迅速增加，大约在150 min达到30 Bc，在160 min左右达到70 Bc，从30 Bc到70 Bc所用的时间较短，水泥浆直角稠化特性较明显，说明该水泥浆防窜性能较好。

图4 水泥浆稠化性能曲线

测试了水泥浆在窜流温度（60 ℃）条件下静胶凝强度的变化，如图5所示。实验时初始温度为室温19 ℃，缓慢加热30 min后至60 ℃保持稳定。由图5可以看出，测量初期，水泥浆的静胶凝强度随着时间的增加缓慢线性增长，当时间达到225 min之后开始迅速增加。

图5 水泥浆静胶凝强度曲线

水泥浆的稠化性能在动态搅拌的情况下测得，静胶凝强度在静态条件下测得。水泥浆的候凝过程是静态条件，与静胶凝强度的测量条件一致，因此窜流模拟实验参照静胶凝强度曲线选择不同的窜流时间点，分别为 120、180、220 min，如图 5中红圆点所示，这些时间点水泥浆的胶凝强度较小，流体侵入的阻力较小，极易发生窜流。下面将分别在这些时间点进行地层水窜流实验，观察窜流形态，分析窜流规律。

1.4 实验步骤

（1）按照API RECOMMENDED PRACTICE 10B-2 Recommended Practice for Testing Well Cements中的方法配制水泥浆，将配好的水泥浆灌入模拟井筒中预定高度。

（2）将恒温水浴装置提前升温至 30 ℃，并设置成缓慢加热30 min后至60 ℃保持稳定，与静胶凝强度测试的实验条件一致，将灌入水泥浆的模拟井筒迅速放置于恒温水浴装置，并开始计时。

（3）当计时时间分别达到120、180、220 min时，逐渐打开阀门让地层水侵入水泥浆发生窜流，至模拟井筒中水泥浆上部有地层水窜出且温度流动时停止实验，记录该过程中压力表的最大压力值（即窜流压力）。为了方便观察窜流的路径及形态，在地层水中加入红墨水染色。

（4）记录完窜流压力后，关闭地层水阀门，候凝至水泥浆凝固完成。

（5）取出水泥柱，观察地层水沿水泥浆柱表面的窜流痕迹，切开水泥浆柱，观察地层水在内部的窜流痕迹，分析不同情况下的窜流形态。

2 实验结果与分析

2.1 窜流现象及窜流压力

1）窜流现象。

不同候凝时间的窜流现象有所不同，从水泥浆顶部端面观察到的窜流现象如图6所示。当水泥浆候凝时间为120 min时，地层水从水泥浆顶部端面内部中的某一点缓慢窜出，出现窜流后的窜流速度比较稳定。当水泥浆候凝时间为180 min时，地层水从水泥浆顶部端面与模拟井筒管壁胶结界面的2个区域窜出，窜流较突然且窜出速度较快。当水泥浆候凝时间为220 min时，地层水从水泥浆顶部端面与模拟井筒管壁胶结界面的某一点窜出，窜出速度较慢。

图6 不同候凝时间水泥浆顶部端面俯视的窜流现象

2）窜流压力。

不同候凝时间的窜流压力如图7所示。可以看出，随着候凝时间增长，窜流压力逐渐增大。候凝时间为120 min时，地层水的窜流压力很低，几乎测不出来，说明此时地层水很容易侵入水泥浆发生窜流。候凝时间为180 min时，窜流压力为0.05 MPa左右，有一定的窜流阻力。候凝时间为 220 min时，窜流压力为0.25 MPa，有较大的窜流阻力。

图7 不同候凝时间的窜流压力

2.2 窜流形态

1）候凝120 min的窜流。

候凝120 min时的窜流形态如图8所示。从图8(a)可以看出，地层水的侵入点非常明显，周围被染成了红色。将侵入点附近的水泥柱半剖开，如图8(b)所示，发现了地层水的窜流通道，地层水沿水泥内部发生窜流。将水泥柱沿与轴线垂直的方向折断，如图 8(c)所示，从断面图中也发现了内部窜流通道。综合半剖图和断面图可以判断地层水的窜流通道尺寸比较小，通道截面近似为圆形，通道走向不固定，窜流方向具有随机性，与图6中观察到的窜流现象是一致的，窜流通道如图9所示。

2）候凝180 min的窜流。

图8 候凝时间120 min时的窜流形态

图9 候凝时间120 min时的窜流通道

候凝 180 min时的窜流形态如图 10所示。从图10(a)可以看出，地层水侵入点附近形成了一个空穴，说明地层水侵入后先在该处形成聚集，当积水量达到一定量时才开始进一步形成窜流通道；水泥柱与模拟井筒的接触面有2条明显的窜流痕迹，说明地层水侵入后沿水泥柱和模拟井筒胶结面发生了窜流，形成了2条窜流通道，且窜流通道不再是点窜，而是2个区域，与图6中的窜流现象对应。将水泥柱沿与轴线垂直的方向折断，如图10(b)所示，从断面图中没有发现水泥柱内部有窜流通道。综合整体图和断面图可以判断，地层水的窜流通道位于水泥柱和井筒的胶结面，且形成了2条窜流通道，窜流通道不是点窜而是2个区域，但2条窜流通道的宽度不同，在水泥柱内部未形成窜流通道，如图11所示。

图10 候凝时间180 min时的窜流形态

3）候凝220 min的窜流。

图11 候凝时间180 min时的窜流通道

候凝 220 min时的窜流形态如图 12所示。从图12(a)可以看出，地层水侵入点附近也形成了一个空穴，但空穴体积较候凝180 min时要大，说明地层水侵入后先在该处形成较大量聚集，当积水量达到一定大小时发生窜流，形成窜流通道；水泥柱与模拟井筒的接触面有明显的窜流痕迹，说明地层水侵入后沿水泥环和井筒胶结面发生了窜流，形成了窜流通道；窜流通道的下部较宽、上部较窄，最后缩成一点，与图6中上端面观察到的窜流现象一致。将水泥柱沿与轴线垂直的方向折断，如图12(b)所示，从断面图中没有发现水泥柱内部有窜流通道。综合整体图和断面图可以判断，地层水的窜流通道位于水泥柱和井筒的胶结面，只形成了一条窜流通道，且窜流通道随着窜流前进逐渐变窄，在水泥柱内部未形成窜流通道，如图13所示。

图12 候凝时间220 min时的窜流形态

图13 候凝时间220 min时的窜流通道

2.3 地层水窜流规律

根据上述3种候凝时间的窜流压力和窜流形态分析，结合水泥水化硬化理论，分析地层水窜流规律如下：当水泥浆候凝时间较短时，例如候凝 120 min，水泥还没有开始大量水化，内部形成的胶凝网状结构比较弱，水泥浆总体上还呈浆状，此时地层水侵入的阻力和压力都比较小，侵入后很容易沿内部窜流形成窜流通道，形成的窜流通道尺寸也比较小；随着水泥浆候凝时间增长，例如候凝 180 min，水泥水化量逐渐增多，水泥内部形成较强的胶凝网状结构，水泥浆总体上已经变为胶凝态，此时地层水侵入的阻力和压力增大，侵入的地层水因为阻力较大已经不能沿内部形成窜流通道，而是在侵入点附近聚集，当聚集到一定压力后，地层水突破薄弱的胶结界面，沿胶结界面形成窜流通道，由于此时胶结界面的胶结强度不够，形成了多条窜流通道且窜流通道具有一定的宽度；候凝时间进一步增长，例如候凝 220 min，水泥水化量进一步增加，水泥内部胶凝网状结构进一步增强，界面胶结强度进一步增大，侵入的地层水需要在侵入点附近积累到更大的压力后才能突破胶结界面形成窜流通道，且地层水沿窜流通道流动时压力逐渐降低，窜流通道的宽度逐渐变小。

3 结语

随着水泥浆候凝时间的增长，窜流压力逐渐增大。水泥浆候凝时间较短时，水泥内部形成的胶凝网状结构比较弱，地层水易侵入水泥浆内部形成窜流通道，且窜流通道尺寸较小。随着水泥浆候凝时间增长，水泥内部形成的胶凝网状结构强度增大，地层水因为阻力较大已经不能侵入水泥浆内部形成窜流通道，而是在侵入点附近先聚集累积到一定压力后，再突破胶结界面形成窜流通道。时间越长，聚集累积的水量和压力越大。候凝时间较短时，形成多条窜流通道，且通道宽度较大；候凝时间较长时，只能形成一条窜流通道，且窜流通道的宽度逐渐变小。