基于循环加载测试的水泥环抗窜能力试验评价*

吴彦先 晁明哲 王雪刚 闫旬国 钟守明 廖华林

(1.新疆油田公司工程技术研究院 2.中国石油集团海洋工程有限公司3.胜利石油工程公司固井技术服务中心 4.中国石油大学(华东)石油工程学院)

0 引 言

水泥浆体系的防气窜性能是影响固井质量的重要因素，水泥浆凝固过程中或凝固以后，由于压裂增产作业与生产过程阶段套管内压周期性变化，发生地层流体侵入井筒或环空带压，大都由水泥浆(环)抗窜能力不足所引起[1-2]。如何评价水泥浆(环)的抗窜能力是提高水泥胶结质量的关键。目前，关于水泥浆体系防气窜能力评价方法主要有气窜潜力系数法(FPF)、水泥浆性能系数法(SPN)、水泥浆响应性能系数法(SRN)、胶凝失水系数法(GELFL)、压力平衡法、阻力系数法以及气/水窜测试仪等[3-8]，但这些方法却难以表征水泥浆凝固后在加、卸载条件下的抗窜能力。P.B.JACKSON等[9]首次进行了套压加载和卸载的水泥环密封试验，观测到了水泥环裂纹和微环隙的产生；C.KOSINOWSKI等[10]研究了G级水泥的循环疲劳极限；J.DE.ANDRADE等[11]建立了一套井筒完整性测试设备，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; A.SHADRAVAN等[12-13]观测到循环加载过程中水泥环的径向裂纹和轴向断裂。陶谦和李勇等[14-15]研究了套管循环加载对水泥环失效轮次的影响。

在工程实际中，如何将各种影响因素与井筒系统完整性评价相结合，通过测试手段获得的数据对环空水泥环的抗窜能力进行分析评判，需要建立更为科学的方法。本文基于多轮次加载的水泥浆体系抗窜能力评价试验装置，分析套管内压的变化对水泥环抗窜能力的影响，以期为页岩油气多级水力压裂过中水泥环的失效机制分析与水泥浆体系优选提供依据。

1 水泥环抗窜能力评价试验装置工作原理与方法

水泥环抗窜能力评价试验装置如图1所示，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，可模拟不同的井下工况(压力和温度变化等)，研究井筒温度和压力参数、套管参数、水泥浆性能、循环加载等因素对水泥环密封性的影响，根据抗渗透能力与失效形式指标评价水泥环的密封特性，得出影响水泥环密封完整性的主要因素及其影响规律。试验装置可以模拟不同温度、压力下的水泥环养护过程，并可在水泥环养护完成后，通过周期性地调节套管压力、水泥环压力模拟诸如水力压裂等不同的井下作业工况，并借助测窜系统控制水泥环两端压力，选择水窜或者气窜模式，通过排水法检验水泥环的完整性，从而实现对破坏形式和失效程度的定量判别。

1—水泥环胶结质量评价分析系统；2—阀门2；3—加压泵；4—储气瓶；5—阀门1；6—水泥环抗渗漏能力分析系统；7—阀门4；8—阀门5；9—量筒；10—下釜盖；11、19—橡胶密封垫；12—加热套；13—釜体；14—岩心；15—泥饼；16—水泥环；17—套管；18—胶结质量测试仪；20—上釜盖；21—阀门3。

井筒模拟系统主要由釜体、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，可以独立实现对围压、套管内压、水泥环上下端压力的控制。在模拟环空中灌注水泥浆，通过加热套、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，模拟不同油气井温度和压力对水泥浆进行养护。

水泥浆养护完成后，通过增压泵和泄压泵与阀门组配合进行套管内压的循环加载，模拟压裂过程中的水泥环受力情况。控制水泥环顶端和底端的压差进行水泥环完整性验证，通过液量/气量记录仪测量液体流量和传感器压力变化，定量计算水泥环综合渗透率，研究不同加载轮次与加载压力下水泥环的失效形式和失效规律。

2 循环加载条件下水泥浆体系抗窜能力分析

2.1 试验步骤

(1)首先组装模拟井筒，将水泥浆配好后倒入模拟井筒环空，然后封装。

(2)将模拟井筒安装到釜体测试系统中，加装位移测量装置，设置套管压力、水泥环压力和围压，然后设置加热温度进行水泥环养护，养护数据由系统自动采集。

(3)水泥环养护到设定时间后，通过循环加载和卸载套管压力模拟井下工况。可设定套管压力不变，调节水泥环上端和下端的压差进行抗窜能力测试；也可设定水泥环上下两端压差不变，调节套管压力进行测试。若在出口出现窜流，则推断水泥环发生破坏。

(4)测窜试验结束后，拆开模拟井筒观察分析水泥环破坏形式。

2.2 不同养护条件抗窜能力对比

水泥浆配方为:G级+0.4%X60L+0.4%X66L+4.5%G80L+4%胶乳+0.15% H40L+35%硅粉+52%H2O。

2.2.1 养护条件1：套管憋压36 MPa

养护温度设置为70 ℃、套管压力36 MPa、水泥环压力和围压为11.6 MPa，养护24 h后进行套压的加载和卸载模拟井筒压力交替变化，然后进行抗窜能力评价试验。

首先进行套压的快速卸载和加载，加载最大套压至44 MPa，加载和卸载5次，测窜压差保持13.5 MPa，水泥环未出现窜流；然后给套管加压至44 MPa，憋压30 min再泄压，共加载和卸载6次，测窜压差维持在10 MPa以上，未出现窜流(中间质量突变属于人为按动天平，检查数据是否正常传输)，后将测窜压差提高到19 MPa，仍然未出现窜流。拆开模拟井筒发现水泥环完整，未出现微环隙和微裂纹，在测试压力变化范围内，水泥环密封性良好，如图2所示。

图2 养护条件1水泥环测窜试验数据Fig.2 Channeling test data of cement sheath under curing condition 1

2.2.2 养护条件2：套管内初始压力为0

设套管压力为0，其他条件与上述相同，养护24 h后进行套压的加载和卸载模拟井筒压力交替变化，然后进行测窜试验，结果如图3～图5所示。

如图3所示，保持水泥环上下两端测窜压差5 MPa，快速将套压加至39 MPa憋压，憋压5 min后开始出现水窜，测窜质量成直线上升关系，满足达西渗流定律；降低测窜压差后窜流停止(期间将量桶中的水倒空以免超出天平量程)，升高测窜压差窜流继续。推测此时水泥环出现了具有一定渗透性的微裂纹，但是微裂纹的渗透性较弱，在较大的压差才发生渗流。

图3 养护条件2第1次测窜试验数据Fig.3 Data of the first channeling test under curing condition 2

如图4所示，重新将套压卸载至0，维持测窜压差在3 MPa左右，逐渐增加测窜压差，水泥环出现渗流，推测水泥环与套管界面出现了微环隙。

图4 养护条件2第2次测窜试验数据Fig.4 Data of the second channeling test under curing condition 2

如图5所示，维持约2 MPa的测窜压差(低于微环隙开始渗流的压差3 MPa，以此排除微环隙的影响)，逐渐升高套压验证微裂纹是否存在。首先加压至20 MPa并憋压7 min，泄压后逐渐增加套压，当套压升至35 MPa时出现明显的窜流(低于之前的窜流40 MPa)，可以推测水泥环确实存在微裂纹，并且在加载与卸载过程中水泥环微裂纹更加明显，在更低的套压下就会出现窜流。

图5 养护条件2第3轮测窜试验数据Fig.5 Data of the third channeling test under curing condition 2

打开模拟套筒，发现水泥环出现了呈对称分布的两条裂纹，在两条裂纹垂直方向还存在一条未贯穿水泥环的微裂纹，套管与水泥环可自由活动，在0套压候凝条件下，套管加载和卸载作用导致套管与水泥环胶结面产生微间隙。

2.3 不同水泥浆体系抗窜能力对比

配方1：G级+4%胶乳+2%降失水+44%水+0.5%消泡剂+0.7%缓凝剂+2%弹性材料+5%微硅，水泥浆密度1.85 g/cm3。利用水泥环抗窜能力评价装置测试循环加载套压条件下水泥环的完整性能。养护温度95 ℃，升温时间1 h，养护时间72 h。

(1)养护完成后，开始进行套压循环加载模拟水力压裂作业，分阶段共循环加载30轮次，每轮次最大压力38 MPa，加到最高压力后维持5 min，然后泄压至0，维持5 min，继续下一轮次加载，未出现窜流现象。

(2)加载30轮次之后，泄围压和水泥环顶端压力，打开冷却阀门开始降温，然后取出模拟井筒，拆出水泥环，发现其未出现径向裂纹和界面微环隙。

配方2：密度为1.60 g/cm3的低水泥浆体系，配方为：G级+10%3MWZ+10%WG+3%JB-1+4%SW-1A+3%SNP+{2%ST300C+23%ST800L+0.6%SXY-2+0.5%ST200R+0.1%ST500L}+52%H2O+0.5%DL-500。

按配方1的养护条件和试验流程，每轮次加最大压力35 MPa，循环加载第5轮次时发生窜流，随着加载轮次的增加，窜流速度加快，水泥环出现了密封完整性失效，如图6所示。拆出水泥环观察，水泥环存在径向裂纹和一界面微环隙。

图6 配方2多轮次加载测窜试验数据Fig.6 Channeling test data of Formula 2 under multi-cycle loading conditions

按API标准测试，配方1和配方2每30 min的失水量分别为32和27 mL，静胶凝强度48 Pa到240 Pa的过渡时间分别为28和24 min，按水泥浆性能系数法(SPN)和气/水窜测试仪分析，两种体系的抗窜能力接近。但经过多轮次加载和卸载得到的水泥浆体系抗窜能力却存在较大差异。页岩油气水平井多采用分段压裂进行储层改造，井筒压力存在多轮次循环变化，开展基于循环加载测试的水泥浆体系抗窜能力评价，有助于设计出更合理的水泥浆体系，并选取更科学的施工参数。

3 结论与认识

(1)利用可循环变载条件的水泥环抗窜能力试验评价装置，可根据水泥环渗流量(渗透率)和失效特征评价水泥环的抗窜能力。在套管内压循环变载条件下，水泥环出现一界面微间隙和微裂纹破坏。

(2)在套管内压循环变载条件下，相同的水泥浆体系在不同的候凝条件、不同体系在相同候凝条件呈现出不同的抗窜能力。

(3)对实施多级压裂的页岩油气水平井水泥浆体系性能评价时，增加多轮次变载条件下水泥环抗窜能力评价，有助于设计优选出更合理的水泥浆体系，保证井筒的密封完整性。