王福云 ，張華禮 ，鄭友志 ，宋文豪，何雨，黃娟

（1.中國石油西南油氣田公司工程技術研究院，成都 610017；2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心采氣工程技術研究所，成都 610000；3.中國石油西南油氣田分公司開發(fā)事業(yè)部，成都 610011；4.四川科宏石油天然氣工程有限公司，成都 610051）

0 引言

油氣井固井注水泥作業(yè)的主要目的是對套管外環(huán)形空間進行有效封隔，防止油氣井鉆井、增產作業(yè)和生產過程中的地層流體竄流，水泥漿固化過程中及凝固后水泥環(huán)徑向的膨脹和收縮控制對保障固井質量極為重要。水泥環(huán)體積膨脹嚴重時將擠壓套管，引發(fā)水泥石開裂，強度衰減從而影響安全生產；水泥環(huán)體積收縮會使界面膠結質量出現(xiàn)問題，嚴重時還會形成微間隙，給油、氣、水竄提供通道。如不想辦法解決水泥環(huán)體積收縮問題，采取再多的工藝措施都是無用的[1-17]。

針對水泥石軸向膨脹收縮評價方面，姚曉[18-19]對水泥塊測長法、水泥條測長法、量筒法、水泥柱測長法等水泥膨脹測試方法開展了研究，王偉也對高溫膨脹水泥漿膨脹率評價方法進行了優(yōu)選研究。目前，國內用于測量油井水泥膨脹的方法有量筒液面法、水泥塊體積變化法、棒狀法等，但用得最多的是棒狀的比長儀法；而針對水泥環(huán)徑向膨脹收縮評價方面，用的最多的是最近發(fā)展起來的環(huán)狀膨脹法，但該方法只能在低于100 ℃的常壓下進行實驗，無法模擬井下高溫高壓下進行測試。現(xiàn)有的評價方法都無法真實地反映井下實際工況，需要研究一種在井下高溫高壓下測試水泥環(huán)徑向膨脹收縮的裝置及方法。該裝置需要限制水泥環(huán)的軸向形變，且水泥環(huán)整體處于高溫高壓條件下，因此，對測試儀進行改造升級，將高溫高壓釜體內增加一個自主設計制造的膨脹收縮環(huán)，其上下端面固定，內部水泥環(huán)的膨脹收縮直接通過徑向的橡膠套的形變傳遞給液體，再由液體傳遞給活塞及高精度傳感器以讀取水泥環(huán)的徑向體積變化量。

通過自主設計制造膨脹收縮環(huán)，升級數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使測試儀不僅具備了傳統(tǒng)方法測試水泥石軸向膨脹收縮的能力，而且具備了水泥環(huán)徑向膨脹收縮的測試能力。應用該裝置和評價方法，對川渝地區(qū)在用水泥漿體系（韌性防竄、柔性自應力）的膨脹收縮特性進行評價，找出了水泥漿體系的體積變化特性[20]。同時，在不同溫度壓力下水泥漿的膨脹收縮臨界點測試，對不同井段的水泥漿設計時的體系選用提供重要的實驗依據(jù)，為水泥石改性研究和特種水泥漿體系評價提供了一個統(tǒng)一的對比平臺，為保障川渝氣田氣井固井質量提供了參考。

1 測試儀改造升級

為了更好地模擬固井水泥環(huán)在井下進行測試，設計制造了徑向收縮膨脹環(huán)，它包括模擬的第1 層套管和模擬的第2 層套管，第1 層套管為彈性材料套管，第2 層套管為鋼質套管，第1 層套管和第2層套管之間的環(huán)空用于盛放固井水泥樣品；在頂部和底部分別設有上蓋和下蓋，上下蓋之間可以用螺絲進行固定以保證水泥樣品不能在軸向上發(fā)生體積變化。整套測試儀是利用水泥石膨脹收縮引起傳輸介質的變化，而釜體內活塞帶動位移傳感器的移動來測量介質的收縮膨脹量，位移傳感器采用國際領先的LVDT 傳感技術，這樣整個系統(tǒng)全部封閉在高溫高壓環(huán)境下，保證了測量的準確性。膨脹收縮環(huán)裝置及改造后的水泥收縮膨脹儀見圖1 及圖2。

圖1 徑向收縮膨脹環(huán)實物圖

圖2 改造后的水泥收縮膨脹儀

2 不同水泥漿體系評價

2.1 實驗配方

3 種水泥漿分別取樣于：①柔性自應力水泥漿體系（1#配方）：取自ST12 井φ139.7 mm 套管現(xiàn)場大樣灰及大樣水。②韌性防竄水泥漿體系（2#配方）：取自N209H20-4 井φ139.7 mm 套管現(xiàn)場大樣灰及大樣水。③純水泥漿體系（3#配方）：取自嘉華G級水泥+水。

2.2 結果與討論

2.2.1 同一樣品進行重復性實驗

該實驗采用1#配方柔性自應力水泥漿體系，水泥漿密度為2.20 g/cm3。按照水泥漿相同的配方進行配漿，分別記為1-1#、1-2#、1-3#，然后裝入設備，在120 ℃、21 MPa 下，進行體積穩(wěn)定性實驗，測試水泥漿的體積變化量，結果見圖3～圖5。從這3 個圖中可以看出，對同一個樣品在同一個條件下，最大誤差為0.46%，重復性較好。

圖3 在120 ℃、21 MPa、2 d 下1-1#實驗漿的體積穩(wěn)定性曲線

圖4 在120 ℃、21 MPa、2 d 下1-2#實驗漿的體積穩(wěn)定性曲線

圖5 在120 ℃、21 MPa、2 d 下1-3#實驗漿的體積穩(wěn)定性曲線

2.2.2 水泥漿體積變化量對比

1）在相同壓力不同溫度下，對3 種水泥漿體系進行體積變化量評價實驗，水泥漿密度均為2.20 g/cm3，實驗壓力為20 MPa，分別在95 ℃、120 ℃、150 ℃下養(yǎng)護48 h，分別統(tǒng)計3 種不同的水泥漿體系從裝入設備開始至實驗結束的體積變化，記為ηV，隨著不同溫度的變化，體積變化情況見表1。由表1 可知，隨著溫度升高，純水泥體積變化呈現(xiàn)逐漸減小的過程，柔性自應力和韌性防竄水泥在不同的溫度規(guī)律性不強；從體積穩(wěn)定性變化的絕對值來看，柔性自應力水泥與韌性防竄水泥都較純水泥小，說明2 種水泥漿體系的體積穩(wěn)定性優(yōu)于純水泥。

表1 不同溫度下的不同水泥漿體系體積變化量

2）在相同溫度不同壓力下，對2 種水泥漿體系進行體積變化量評價實驗。實驗溫度為95 ℃，在壓力分別為10 MPa、21 MPa、40 MPa下養(yǎng)護48 h，分別統(tǒng)計2 種不同的水泥漿體系從裝入設備開始至實驗結束的體積變化，記為ηV，隨著不同壓力下，體積的變化見表2。由表2 可知，隨著壓力的增加，柔性自應力水泥漿體系由收縮變?yōu)榕蛎?，韌性防竄體系均為收縮，但收縮量呈現(xiàn)減小的趨勢；從體積穩(wěn)定性變化的絕對值來看，韌性防竄體系高于柔性自應力體系。

表2 不同壓力下的不同水泥漿體系體積變化量

2.3 不同水泥漿體系臨界溫度點測試

固井工程對特種水泥體系體積膨脹收縮的要求為在井下高溫高壓下出現(xiàn)微膨脹特性，更加有利于固井后期防氣竄，避免環(huán)空帶壓。特種水泥體系在哪種溫度壓力下可發(fā)生微膨脹，對于不同井段水泥漿設計時體系的選用具有非常重要的意義。因此，非常有必要對特種水泥體系進行膨脹收縮臨界點測試。通過增加溫度測試點（160 ℃、170 ℃、180 ℃），利用數(shù)值擬合回歸，找出不同水泥漿體系的臨界溫度點，如圖6～圖8 所示。

圖6 密度為2.20 g/cm3 韌性防竄水泥漿在不同溫度下體積變化量曲線

圖7 密度為2.20 g/cm3 柔性自應力水泥漿在不同溫度下體積變化量曲線

圖8 密度為1.90 g/cm3 柔性自應力水泥漿在不同溫度下體積變化量曲線

由圖6～圖8 可以得出，密度為2.20 g/cm3的韌性防竄水泥漿體積變化量為0 的溫度點為157℃；密度為2.20 g/cm3的柔性自應力水泥漿體積變化為0 的溫度點約為130 ℃（因與坐標軸有2 個交點，取2 交點的平均值）；密度為1.90 g/cm3的柔性自應力水泥漿體積變化為0 的溫度點為160 ℃；從實驗室數(shù)據(jù)來看，不同水泥漿體系在井下工況下超過一定溫度后才開始發(fā)生微膨脹，因此，不同的水泥漿體系適宜于不同的井段；同一種水泥漿體系隨著密度的升高，其膨脹收縮臨界點對應的溫度降低。

3 結論與建議

1.針對現(xiàn)有評價方法無法模擬水泥環(huán)在高溫高壓條件下的徑向體積變化，在分析固井水泥石軸向體積穩(wěn)定性評價方法的基礎上，自主設計制造具有徑向膨脹收縮測試功能的儀器，形成一套固井水泥環(huán)徑向膨脹收縮測試裝置和評價方法，為特種水泥漿體系在不同井段的選用提供了技術支撐。

2.對韌性防竄水泥漿體系及柔性自應力水泥漿體系的膨脹收縮臨界點進行了測試，對支撐水泥漿設計提供支撐數(shù)據(jù)，有利于固井后期防氣竄，避免環(huán)空帶壓。

3.開展高溫高壓條件下水泥環(huán)徑向膨脹收縮特性測試，建立相應的評價標準，為真實客觀的反映水泥環(huán)在井下的實際狀況提供技術支撐。