循环加载下水泥环密封完整性评价试验装置 *

关志刚 廖华林 林志伟 谢士远 赵效锋

(1. 新疆油田公司工程技术研究院 2.中国石油大学(华东)石油工程学院3.中国石化中原油田分公司石油工程技术研究院)

0 引 言

钻完井及生产过程中套管内压与井筒温度变化是水泥环失效的主要影响因素。套管与水泥环组合体的损坏过程比较复杂，当套管持续高压或压力过高时，水泥石弹性变形会超过其屈服极限，造成水泥环本体出现裂纹，导致其密封完整性失效[1-3 ]。水泥石与套管的弹性模量、泊松比和屈服强度都不相同，当井内压力变化使水泥石与套管变形不协调时，水泥环发生塑性变形，形成微间隙[4-6]。

目前，关于水泥环密封特性主要通过水泥环胶结强度特性测量，室内测试主要采用剪切胶结强度试验仪、钻屑-油井水泥混合浆固化体抗压强度测定法、水渗流模拟装置、泥饼剪切强度与含水量试验仪、光谱分析仪、粘结强度分析仪以及固井二界面封隔能力仿真评价装置[7-10]。文献[11-15] 通过套压加载卸载水泥环密性试验装置，观测到水泥环径向裂纹、轴向断裂和微环隙的产生，研究了不同套管居中度和温度循环对水泥环密封性的影响; 文献[16-17]研究了水泥环的循环疲劳极限和套管循环加载对水泥环失效轮次的影响。但上述研究关于套管内压循环变载条件下，水泥环的失效机制以及其抗渗透能力与胶结质量之间的相互关系尚不明晰。为此，本文设计了一种可模拟循环变载工况的水泥环密封完整性评价试验装置，采用该装置可对套管在内压和温度加卸载条件下水泥环的密封特性进行评价，为合理的水泥浆体系设计优选及生产参数优化提供依据。

1 试验装置

水泥环密封完整性评价试验装置(见图1)主要由井筒模拟系统、水泥环抗渗漏能力分析系统和水泥环胶结质量评价分析系统组成。

1—增压泵；2—传感器；3—阀门1；4—胶圈；5—加热套；6—釜体；7—岩心胶套；8—岩心；9—泥饼；10—水泥环；11—套管；12—滤网；13—上釜盖；14—压板；15—泄压泵；16—液量与气量记录仪；17—下釜盖。图1 水泥环密封完整性评价试验装置Fig.1 Test device for evaluating the integrity of cement sheath seal

1.1 井筒模拟系统

该系统主要由釜体、上釜盖、下釜盖、加热套、增压泵、泄压泵、阀门组和压力传感器等组成。釜体上有水泥环顶压口、水泥环底压口、套管内压口和围压口，可放置模拟地层的环形柱状岩心，通过在岩心内灌注钻井液，在岩心内外形成压差，经过一定时间后在岩心内壁可形成泥饼。泥饼形成后，放空釜体内的钻井液，在岩心内置入套管，在套管与岩心之间的环空间隙灌注水泥浆，采用加热套、热电耦和温度传感器控制釜体内温度，通过增压泵和阀门组控制釜体内压力，在模拟油气井井筒条件下养护，水泥浆候凝形成水泥环。

1.2 水泥环抗渗漏能力分析系统

该系统由数据采集分析系统、液量或气量记录装置及压力传感器等组成。水泥浆凝固后，通过增压泵和泄压泵与阀门组配合控制水泥环顶端与底端的压差，采用液量或气量记录仪测量液体流量或传感器记录压力变化，记录相应流量和压力随时间的变化曲线，根据流量和达西定律计算水泥环胶结面渗透率，或发生水穿或气穿时水泥环两端压差大小来评价水泥环密封能力。

1.3 水泥环胶结质量评价分析系统

该系统由数据采集分析系统、超声波发生装置和胶结质量测试仪组成。基于水泥环胶结质量评价中变密度测井原理，由超声波发生装置发射超声波，通过胶结质量测试仪分析超声波在模拟井筒中的传播规律，从而评价水泥环胶结质量。

该装置能够实现模拟井眼条件下钻井液泥饼形成、水泥浆注入、水泥浆凝固、水泥环密封性失效等过程。采用水泥环第一、第二界面抗渗漏能力和胶结质量测井相结合的评价方法，研究水泥环胶结质量与环空水泥环水力封隔能力的影响因素，建立界面胶结质量与水力封隔能力的对应关系，为井筒的密封性评价提供依据。通过模拟不同的井下工况，研究井筒温度压力参数、套管参数、水泥浆性能、地层流体、泥饼厚度和水泥环厚度等因素对水泥环密封性的影响，根据水泥环胶结质量测井评价指标和胶结面抗渗透能力指标评价水泥环的密封特性，分析影响水泥环密封性关键因素，为油气井水泥浆设计及井筒环空密封性评价提供依据。

2 试验流程

2.1 模拟井筒壁面泥饼的形成

可根据地质要求制作选取不同渗透性的岩心，模拟不同渗透特性地层。岩心套入端面为实面而侧面为含网孔的胶套，在井筒静压条件下可形成不同厚度的泥饼。如图1所示，关闭阀门1、阀门4和阀门5，开启阀门2、阀门3和阀门6。将用专用装置制作好的环形柱状岩心套入含网孔的胶套管内置入釜中，压上压板，将钻井液注入釜内，旋上釜盖及堵塞。打开氮气瓶阀门，调节氮气压力，在岩心内壁与外壁面压差的作用下，经过一定的时间后在岩心内壁面形成泥饼。此时关闭氮气瓶阀门，开启阀门1、释放压力后，旋出釜盖和压板，用专用卡尺测量泥饼厚度，或取出岩心，根据岩心泥饼形成前后岩心的质量差，计算出泥饼厚度。

2.2 模拟井下工况下水泥浆的凝固过程

泥饼形成后，打开下釜盖，清空釜体内钻井液，重新旋入下釜盖，将滤网放置岩心底部后将岩心放入釜体内，置入套管，通过灌注的方式在套管和岩心形成的环空内注入预先配置好的水泥浆，压入压板，旋入上釜盖。打开阀门1、阀门2和阀门3，关闭阀门4、阀门5和阀门6，用增压泵给井下套管内和环空加压，加热套通电工作，实现模拟井筒工况下水泥浆的凝固。温度和压力可根据井下条件设定，压力0～40 MPa，温度20～150 ℃。

2.3 模拟不同套管尺寸和环空间隙

套管尺寸可根据需要选取，实现不同套管尺寸与环空间隙组合条件下水泥环密封性的模拟。

2.4 模拟环空微间隙形成

选用可小弹性变形套管材料，水泥浆灌注完成后，打开阀门1、阀门2和阀门3，关闭阀门4、阀门5和阀门6，通过增压泵给釜体增压，并控制釜体压力大小，此时套管内、外的压力相同，水泥浆在规定的时间养护凝固成水泥环后，打开阀门4，通过泄压泵泄压并控制管内压力。套管释放部分压力后，由于套管外的压力大于管内压力，套管收缩，在水泥环和套管的胶结面产生微环隙，微环隙的大小与套管材料的变形特性和套管内外的压差有关，通过选取套管材料和控制套管内外压差，可以控制环空微间隙的大小。间隙尺寸可计算或测量。

2.5 水泥环加载对其密封特性的影响

水泥浆凝固完成后，关闭阀门1，增压泵继续增压，通过釜体上的套管内压口，套管内压力增大或减小，使套管产生弹性或塑性变形，从而使水泥环内部形成裂纹或胶结面损坏，导致密封性降低或完全失效，在不同加载条件下分析水泥环的密封特性。

3 试验情况

2018年11月至2019年12月，应用水泥环密封完整性评价试验装置开展了不同套管尺寸与加载条件、模拟射孔及套管循环加卸载等水泥环密封性评价试验，分析了不同工况下水泥环的失效形式。

3.1 不同套管尺寸及加载条件下水泥环的失效形式

水泥浆配方为：胜维G级水泥+1.5%降失效剂+1.0%分散剂+消泡剂，水泥浆密度1.85 g/cm3。将水泥浆完全充满环形空间，形成完整水泥环，模拟非射孔条件。采用水泥环密封完整性评价试验装置模拟得到不同套管尺寸、不同加载条件下水泥环的失效形式，试验参数见表1，结果见图2。

表1 不同加载条件下水泥环失效试验参数Table 1 Failure test parameters of cement sheath under different loading conditions

图2 不同加载条件下水泥环的失效形式Fig.2 Failure modes of cement sheath under different loading conditions

从图2可以看出水泥环的主要失效形式有径向拉伸失效、本体剪切破坏和一界面胶结破坏。这表明该装置可以评价不同井筒工况、不同水泥浆体系和加载条件下水泥环的失效形式，从而对水泥环的失效机理与水泥浆配方进行分析评价。

3.2 模拟射孔条件下水泥环失效特征

配方1： 550 g G级水泥+270 g水+4 g消泡剂，90 ℃条件下常温养护48 h。研究纯水泥体系在围压20 MPa时模拟射孔条件下水泥环完整性，模拟井筒见图3a，射孔孔径10 mm，孔深10 mm，套管壁厚2 mm。测试数据如图4所示。试验过程如下。

图3 模拟射孔条件下纯水泥浆水泥环失效形式Fig.3 The failure mode of pure slurry cement sheath under simulated perforation conditions

图4 模拟射孔条件下配方1密封完整性测试数据Fig.4 Seal integrity test data of cement sheath of formula 1 under simulated perforation conditions

(1)首先加载围压至20 MPa，保持7 min水泥环压力未上升，表明水泥环密封性良好；再在水泥环上端施加压力至7 MPa，保持30 min，水泥环下端未窜。

(2)卸载水泥环上端压力至0，逐渐增加套管压力，当套管压力增大至21.2 MPa时压力发生突变(见图4圆圈处)，水泥环上端开始带压，说明此时水泥环已经发生破坏。

(3)逐渐增大水泥环下端验窜压力以验证下端水泥环完整性。当验窜压力增大至13 MPa时套管开始带压(见图4竖线)，此时下端水泥环开始窜漏。泄载所有压力，冷却井筒至室温，拆除井筒观察水泥环破坏形式，如图3b所示。由图3b可见，从上端射孔处开始水泥环出现了严重的轴向拉伸破坏，水泥环断裂成层状，第一界面出现微环隙。

配方2：46.6%F/W+0.5%X60L+1.0%F46S+6.0%G80L+0.5%消泡剂+6.0%固化剂+35.0%硅粉，养护条件和模拟射孔方案与配方1相同。测试数据如图5所示。试验时，首先加载围压至20 MPa，保持7 min水泥环压力未上升，井筒密封性良好；再在水泥环上端施加压力至7 MPa，保持30 min下端未窜。当套压增压至34.7/38.2/38.1 MPa三轮次没有破坏，再加载至35.7 MPa时下端窜流。拆开后发现射孔处出现大量裂纹，射孔裂纹出现连接转向，上端出现径向裂纹，如图6所示。

图5 模拟射孔条件下配方2密封完整性测试数据Fig.5 Seal integrity test data of cement sheath of formula 2 under simulated perforation conditions

图6 模拟射孔条件下配方2 水泥环失效形式Fig.6 Failure morphology of cement sheath of formula 2 under simulated perforation conditions

3.3 循环加卸载条件下抗窜能力评价

粉煤灰体系配方，密度1.60 g/cm3，套管壁厚2 mm，90 ℃养护72 h，模拟非射孔条件下周期性加卸载套压，测试分析水泥环密封完整性。测试数据如图7所示。依次加套压15、20、25和30 MPa并卸载，水泥环未出现破坏；增大套压至35 MPa，水泥环下端出现缓慢的水滴，继续加载两个轮次35 MPa套压，窜流速度保持不变，呈水滴流出，水泥环发生轻微破坏，出现微裂编纹，如图8所示。根据排出水质量，环空水泥环(胶结面)有效渗透率为2.62 mD。

图7 循环变载条件下水泥环密封性测试数据Fig.7 Test data of cement sheath tightness under cyclic variable load conditions

图8 循环变载条件下水泥环失效形式Fig.8 Cement sheath failure mode under cyclic variable load conditions

4 结 论

(1)循环加载下水泥环密封完整性评价试验装置可根据失效特征和水泥环抗窜能力等评价水泥环密封完整性，在模拟井筒压力和温度变化条件下，对不同水泥浆体系的密封性能进行评价，并可以对水泥封固段两端压差下渗漏量进行测量，为套管环空水泥环密封完整性研究提供了一种试验手段。

(2)循环变载条件下，不同的井筒组合和水泥浆体系配方对水泥环密封完整性的影响不同，多轮次加卸载条件下水泥环会出现拉伸、本体剪切与微环隙等多种失效形式。

(3)在进行水泥环密封完整性评价时，一方面应对各个工况下的最大压力进行评价，判断是否会造成水泥环本体破坏，另一方面应综合考虑油气井生命周期各个阶段的压力变化，判断是否造成固井胶结界面的破坏。