楊遠(yuǎn)光 ，方仲旗，袁 彬，謝應(yīng)權(quán)，顏 爽

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500

2.中國(guó)石油西南油氣田公司川東北氣礦，四川 達(dá)州635000

引言

油氣井生產(chǎn)運(yùn)行過程中，井筒內(nèi)壓降低使水泥環(huán)一界面受到拉伸作用，當(dāng)拉伸應(yīng)力大于拉伸膠結(jié)強(qiáng)度時(shí)，水泥環(huán)與套管發(fā)生剝離脫落產(chǎn)生微環(huán)隙[1-3]。為此，國(guó)外學(xué)者提出了多種評(píng)價(jià)水泥環(huán)一界面膠結(jié)強(qiáng)度的方法，Carter 等[4]通過實(shí)驗(yàn)研究了水泥環(huán)一界面的膠結(jié)問題，將剪切膠結(jié)強(qiáng)度定義為套管在水泥環(huán)中移動(dòng)所需的力；Carpenter 等[5]通過特殊的加壓剪切裝置評(píng)估了高溫高壓下水泥環(huán)–套管界面的剪切強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)也有多位學(xué)者探討了水泥環(huán)界面膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試評(píng)價(jià)方法，徐璧華等[6]提出了一種能夠模擬井下條件的水泥環(huán)膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)量新方法，并且研制了相應(yīng)的測(cè)試裝置；唐世忠等[7]通過對(duì)水泥環(huán)–套管膠結(jié)界面剪切應(yīng)力的采集，定量計(jì)算了水泥環(huán)與套管膠結(jié)界面的剪切強(qiáng)度；劉小利[8]對(duì)比了6 套國(guó)內(nèi)外水泥漿體系水泥環(huán)一界面的剪切膠結(jié)強(qiáng)度，并將剪切膠結(jié)強(qiáng)度作為儲(chǔ)氣庫(kù)井柔性水泥漿體系適應(yīng)性評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一；朱江林等[9]利用自研裝置研究了套管性質(zhì)和水泥漿性能對(duì)水泥環(huán)一界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響；武治強(qiáng)等[10]進(jìn)行了水力突破和水力流動(dòng)路徑評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)提高水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量有利于保證套管與水泥環(huán)膠結(jié)界面水力密封完整性。

然而，上述研究裝置和方法均是基于水泥環(huán)一界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度或水力膠結(jié)強(qiáng)度提出的。剪切膠結(jié)強(qiáng)度主要用于評(píng)價(jià)水泥環(huán)能否懸掛套管（即水泥環(huán)一界面軸向受的應(yīng)力），水力膠結(jié)強(qiáng)度主要用于評(píng)價(jià)水泥環(huán)能否有效封隔油、氣、水竄流通道。而井筒內(nèi)壓降低使水泥環(huán)一界面受到的拉伸應(yīng)力是徑向的，此時(shí)若用剪切膠結(jié)強(qiáng)度或水力膠結(jié)強(qiáng)度來(lái)考慮水泥環(huán)一界面封隔完整性，就與工程實(shí)際不符，可能導(dǎo)致固井水泥漿實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、水泥環(huán)封隔完整性評(píng)價(jià)和水泥漿體系優(yōu)選與實(shí)際情況出現(xiàn)較大偏差。因此，需要探索一種能夠測(cè)試水泥環(huán)一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度的裝置及方法，為研究水泥漿體系和水泥環(huán)一界面封隔完整性提供重要依據(jù)。

根據(jù)水泥環(huán)工作時(shí)一界面受力過程，研究出了一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試裝置并提出了相應(yīng)的測(cè)量方法，并將拉伸膠結(jié)強(qiáng)度與剪切膠結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了比較，分析了兩種膠結(jié)強(qiáng)度之間的關(guān)系。此外，將水泥環(huán)一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度作為油氣井固井水泥漿實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)水泥環(huán)封隔完整性的關(guān)鍵指標(biāo)和重要依據(jù)，對(duì)不同水泥漿體系進(jìn)行了優(yōu)選研究。

1 拉伸膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為水泥環(huán)一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試裝置，該裝置包括漿筒、拉伸膠結(jié)面板和漿筒蓋，拉伸膠結(jié)面板設(shè)置在漿筒底部，漿筒蓋設(shè)置在漿筒頂部，拉伸膠結(jié)面板和漿筒蓋上分別設(shè)置有拉環(huán)。圖1 為水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試裝置示意圖，利用電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)炷z結(jié)面板和水泥石試件分離瞬間的最大拉力，計(jì)算單位膠結(jié)界面上的拉力得到水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度。

圖1 水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of testing device for tensile bond strength of the first interface of cement stone

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

水泥石拉伸膠結(jié)養(yǎng)護(hù)模具裝配前，將水泥石拉伸膠結(jié)養(yǎng)護(hù)模具清理干凈，在漿筒的內(nèi)壁和兩端、漿筒蓋的絲扣和內(nèi)端面，均勻涂抹一薄層密封脂，用于漿筒端面密封和便于測(cè)試結(jié)束后水泥石脫模和模具拆卸[11]。將漿筒底端安放在拉伸膠結(jié)面板上，并用力壓緊防止水泥漿滲漏或漿筒滑動(dòng)（圖2）。

圖2 水泥石拉伸膠結(jié)強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)模具Fig.2 Cement stone tensile bonding strength curing mold

將制備好的水泥漿倒入準(zhǔn)備好的漿筒至漿筒深度一半左右，當(dāng)所有漿筒都倒入水泥漿后，用搗棒搗拌每個(gè)試樣約30 次，再手工攪拌剩余的水泥漿使水泥漿重新懸浮并混合均勻，然后倒?jié)M每一漿筒至溢出后，按前面同樣方法進(jìn)行搗拌[12]。搗拌結(jié)束后，裝上漿筒蓋，排出漿筒內(nèi)的空氣和多余的水泥漿。將裝滿水泥漿的漿筒放入初始溫度為24～30°C的高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜中，模擬地層溫度壓力條件養(yǎng)護(hù)至凝期[13]。

模擬地層溫度壓力條件養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)凝期后，取出水泥石拉伸膠結(jié)強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)模具，待冷卻后將拉力傳感器和拉桿上的鋼絲繩，分別連接在拉伸膠結(jié)面板的拉環(huán)和漿筒蓋的拉環(huán)上，再將連接漿筒蓋一端的拉桿和拉力傳感器上的拉桿，分別夾在電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)的上夾具和下夾具中，接通拉力數(shù)據(jù)顯示器，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)拉力測(cè)試軟件，待拉力數(shù)顯儀表顯示歸零后，啟動(dòng)電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，測(cè)試?yán)炷z結(jié)面板與水泥石試件分離瞬間的最大拉力（分離后的水泥石與拉伸膠結(jié)面板如圖3 所示），計(jì)算單位膠結(jié)界面上的拉力得到水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度[14]。計(jì)算公式如下

圖3 水泥石與拉伸膠結(jié)面板實(shí)物圖Fig.3 Physical image of cement stone and stretched cemented panel

式中：p–水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度，kPa；

F–拉伸膠結(jié)面板與水泥石試件分離瞬間的最大拉力，kN；

A–拉伸膠結(jié)面板與水泥石膠結(jié)的面積，m2；

d–漿筒與拉伸膠結(jié)面板膠結(jié)端的內(nèi)徑，m。

2 拉伸膠結(jié)強(qiáng)度與剪切膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試

2.1 水泥漿制備

為研究水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度與剪切膠結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系，評(píng)價(jià)拉伸膠結(jié)強(qiáng)度的影響因素，驗(yàn)證測(cè)試?yán)炷z結(jié)強(qiáng)度測(cè)量裝置及方法的可靠性，參照GB/T 19139–2012《油井水泥實(shí)驗(yàn)方法》，分別配制基漿、纖維增韌水泥漿、膨脹增韌水泥漿、膠乳水泥漿和自愈合水泥漿共5 種不同的水泥漿體系[15-17]，每種水泥漿測(cè)試3～5 個(gè)平行試樣，設(shè)計(jì)密度為1.90 g/cm3。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.2.1 水泥漿養(yǎng)護(hù)壓力的影響

利用水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試裝置和剪切膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試裝置，分別測(cè)試不同養(yǎng)護(hù)壓力條件下水泥石一界面的拉伸膠結(jié)強(qiáng)度和剪切膠結(jié)強(qiáng)度，并對(duì)兩種膠結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，如圖4 所示（90°C養(yǎng)護(hù)2 d）。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)壓力條件下水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度和剪切膠結(jié)強(qiáng)度關(guān)系Fig.4 The relationship between the tensile bond strength and shear bond strength of the first interface of cement stone under different curing pressures

由圖4 可以看出，不同養(yǎng)護(hù)壓力條件下，水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度比剪切膠結(jié)強(qiáng)度低，但兩者變化趨勢(shì)一致；此外拉伸膠結(jié)強(qiáng)度只有剪切膠結(jié)強(qiáng)度的0.37～0.45，證明該測(cè)試裝置及方法具有可靠性。在常壓和高壓條件下，纖維增韌、膨脹增韌、膠乳和自愈合水泥漿體系與基漿相比，均能明顯提高水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度和剪切膠結(jié)強(qiáng)度。

在高壓（本文實(shí)驗(yàn)壓力為21 MPa）條件下養(yǎng)護(hù)時(shí)，膠乳水泥漿體系改善水泥石膠結(jié)性能效果最顯著，水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度和剪切膠結(jié)強(qiáng)度分別提高了107.4%和89.7%。在常壓條件下養(yǎng)護(hù)時(shí)，膨脹增韌水泥漿體系改善水泥石膠結(jié)性能效果最顯著，拉伸膠結(jié)強(qiáng)度和剪切膠結(jié)強(qiáng)度分別提高了107.4%和89.7%，但膠乳水泥漿體系效果較高壓條件下出現(xiàn)了明顯的降低，拉伸膠結(jié)強(qiáng)度和剪切膠結(jié)強(qiáng)度分別僅提高了39.3%和26.3%。這是由于膠乳水泥漿存在較多微小氣泡，在常壓條件下養(yǎng)護(hù)時(shí)，泡沫氣泡受熱膨脹且部分附著在膠結(jié)界面上，減小了水泥石的有效膠結(jié)面積，導(dǎo)致水泥石一界面拉伸和剪切膠結(jié)強(qiáng)度偏低，而在高壓條件下養(yǎng)護(hù)時(shí)，由于壓力作用，抑制了膠乳泡沫受熱膨脹，從而提高了水泥石一界面的膠結(jié)質(zhì)量。

2.2.2 水泥漿養(yǎng)護(hù)溫度的影響

為研究水泥漿養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度的影響，在21 MPa 下養(yǎng)護(hù)2 d，分別測(cè)試了養(yǎng)護(hù)溫度為45、90、100 和130°C時(shí)水泥石一界面的拉伸膠結(jié)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。水泥漿在130°C條件下養(yǎng)護(hù)時(shí)，加入了30%的石英砂，防止水泥石在高溫條件下發(fā)生強(qiáng)度衰退，影響水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果[18-19]。

圖5 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.5 Influence of cement slurry curing temperature on the tensile bond strength of the first interface of cement stone

從圖5 可以看出，在不同的養(yǎng)護(hù)溫度條件下纖維增韌、膨脹增韌、膠乳和自愈合水泥漿體系均能明顯提高水泥石一界面的拉伸膠結(jié)強(qiáng)度。隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度逐漸增大，膠乳水泥漿體系水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度逐漸大于纖維增韌、膨脹增韌以及自愈合水泥漿體系。

在100°C條件下養(yǎng)護(hù)時(shí)，水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度較45°C和90°C養(yǎng)護(hù)時(shí)有了明顯提高，而養(yǎng)護(hù)溫度高于100°C時(shí)，水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于平緩。這是由于水泥水化受溫度的影響，溫度較低時(shí)水泥水化不充分，導(dǎo)致水泥石膠結(jié)性能較差，而升至一定養(yǎng)護(hù)溫度時(shí)，水泥水化程度隨溫度的上升趨于平緩。

2.2.3 水泥漿養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響

為研究水泥漿養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度的影響，在相同養(yǎng)護(hù)溫度（90°C）壓力（21 MPa）條件下，測(cè)試了1、2、3、5 和7 d的水泥石一界面的拉伸膠結(jié)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.6 Influence of cement slurry curing time on the tensile bond strength of the first interface of cement stone

從圖6 可以看出，在不同養(yǎng)護(hù)齡期下，纖維增韌、膨脹增韌、膠乳和自愈合水泥漿體系均能明顯提高水泥石一界面的拉伸膠結(jié)強(qiáng)度，且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度逐漸增大。

當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 d 時(shí)，膠乳水泥漿體系改善水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度效果較差，與基漿相比拉伸膠結(jié)強(qiáng)度僅提高了27.9%。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到2 d時(shí)，膠乳水泥漿體系水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度大于纖維增韌、膨脹增韌以及自愈合水泥漿體系，與基漿相比拉伸膠結(jié)強(qiáng)度提高了107.4%。

3 水泥環(huán)一界面完整性分析實(shí)例

3.1 水泥環(huán)一界面封隔有效性評(píng)價(jià)

水泥環(huán)一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度能否滿足拉伸應(yīng)力需求，是判斷水泥環(huán)一界面封隔有效性的關(guān)鍵。應(yīng)用厚壁圓筒理論對(duì)套管–水泥環(huán)–地層力學(xué)模型進(jìn)行分析[20-22]，可得到不同井筒壓降下水泥環(huán)一界面受到的拉伸應(yīng)力值。

根據(jù)常用套管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，模型計(jì)算參數(shù)如下：套管彈性模量206 GPa，泊松比0.30，套管內(nèi)徑121.4 mm，套管外徑139.7 mm；水泥環(huán)彈性模量6 GPa，泊松比0.20，水泥環(huán)外徑215.9 mm；地層彈性模量15 GPa，泊松比0.25[1，23]。同時(shí)，根據(jù)巖石力學(xué)理論，地層邊界超過井眼半徑的5～6 倍時(shí)對(duì)井周應(yīng)力的影響極小，故井壁圍巖半徑取井眼半徑的10 倍，即2 159 mm[24]。

利用模型計(jì)算獲得的水泥環(huán)一界面拉伸應(yīng)力和膨脹增韌水泥漿體系一界面膠結(jié)強(qiáng)度，對(duì)膨脹增韌水泥漿體系水泥環(huán)一界面封隔有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)。設(shè)油氣井生產(chǎn)運(yùn)行過程中井筒內(nèi)壓最大降低15.00 MPa，水泥環(huán)一界面拉伸應(yīng)力計(jì)算及膨脹增韌水泥漿體系評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

表1 水泥環(huán)一界面拉應(yīng)力計(jì)算值及膨脹增韌體系水泥石膠結(jié)強(qiáng)度Tab.1 The calculated value of tensile stress at the first interface of the cement sheath and the cement stone bond strength of the expansion and toughening system

由表1 可知，隨著井筒內(nèi)壓逐漸降低，水泥環(huán)一界面所受到的拉伸應(yīng)力呈逐漸上升趨勢(shì)，且井筒內(nèi)壓每降低1.00 MPa，水泥環(huán)一界面拉伸應(yīng)力增加約0.16 MPa，當(dāng)井筒內(nèi)壓降低15.00 MPa 時(shí)，水泥環(huán)一界面所受拉伸應(yīng)力約2.39 MPa。

當(dāng)固井采用膨脹增韌水泥漿體系時(shí)，若用剪切膠結(jié)強(qiáng)度來(lái)考慮水泥環(huán)一界面封隔完整性時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)微環(huán)隙，而實(shí)際水泥環(huán)一界面受拉伸應(yīng)力后可能會(huì)產(chǎn)生微環(huán)隙。若用拉伸膠結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行水泥環(huán)一界面封隔完整性分析，在井筒壓降小于7.90 MPa 時(shí)不會(huì)出現(xiàn)微環(huán)隙，大于7.90 MPa 時(shí)會(huì)出現(xiàn)微環(huán)隙。因此，在評(píng)價(jià)水泥環(huán)一界面封隔有效性時(shí)，應(yīng)采用水泥環(huán)一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度作為重要依據(jù)之一，有利于保證水泥環(huán)一界面封隔完整性，更符合工程實(shí)際。

3.2 固井水泥漿體系設(shè)計(jì)及優(yōu)選

為保證水泥環(huán)一界面封隔完整性，綜合考慮基本的固井施工要求，對(duì)膨脹增韌水泥漿、膠乳水泥漿和自愈合水泥漿體系進(jìn)行評(píng)價(jià)，并優(yōu)選出井筒內(nèi)壓降低15.00 MPa 時(shí)滿足水泥環(huán)一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度要求的水泥漿體系。實(shí)驗(yàn)條件：養(yǎng)護(hù)溫度90°C，壓力21.00 MPa，養(yǎng)護(hù)時(shí)間7 d。

增韌材料加量對(duì)水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度的影響見圖7，可以看出，水泥石一界面的拉伸膠結(jié)強(qiáng)度隨膨脹增韌劑和膠乳的加量增加而增大，而自愈合劑加量大于5.0%時(shí)，水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度不再隨自愈合劑加量的增加而增大。這是由于自愈合劑加量較大時(shí)，有較多的自愈合顆粒懸浮在水泥漿漿體表面，導(dǎo)致多余自愈合劑無(wú)法對(duì)水泥石的膠結(jié)性能起到明顯的改善作用。

圖7 增韌材料加量對(duì)水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.7 Influence of toughening material addition on the tensile bond strength of the first interface of cement stone

當(dāng)韌性材料加量為7.5% 時(shí)，膨脹增韌和自愈合水泥漿體系水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度分別為2.05 MPa 和2.18 MPa，均小于井筒壓降為15.00 MPa時(shí)水泥環(huán)一界面所受的拉伸應(yīng)力，此時(shí)水泥環(huán)與套管發(fā)生剝離脫落產(chǎn)生微環(huán)隙。而膠乳水泥漿體系改善水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度效果最顯著，當(dāng)膠乳加量為7.5%時(shí)，水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度達(dá)到2.51 MPa，大于井筒壓降為15.00 MPa 時(shí)水泥環(huán)一界面拉應(yīng)力2.39 MPa，滿足水泥環(huán)一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度大于其拉伸應(yīng)力的要求，故選擇膠乳水泥漿體系。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)油氣井工作時(shí)水泥環(huán)一界面受力過程，研制了一種水泥石拉伸膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試裝置并提出了相應(yīng)的測(cè)量方法，該裝置能夠模擬水泥環(huán)一界面受拉伸應(yīng)力的作用，能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)水泥環(huán)一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試。

（2）在不同壓力條件下養(yǎng)護(hù)凝結(jié)成的水泥石，其拉伸膠結(jié)強(qiáng)度與剪切膠結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律一致，且水泥石拉伸膠結(jié)強(qiáng)度約是剪切膠結(jié)強(qiáng)度的0.37～0.45。此外，在一定養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間范圍內(nèi)，水泥石一界面拉伸膠結(jié)強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度或時(shí)間的增加而增大。

（3）進(jìn)行水泥環(huán)一界面封隔完整性評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)采用拉伸膠結(jié)強(qiáng)度判斷水泥環(huán)一界面受到拉伸應(yīng)力后是否會(huì)產(chǎn)生微環(huán)隙。如果采用剪切膠結(jié)強(qiáng)度判斷可能會(huì)導(dǎo)致工程實(shí)際中水泥環(huán)封隔完整性失效。

（4）膨脹增韌水泥漿體系、膠乳水泥漿體系和自愈合水泥漿體系均能改善水泥石一界面的拉伸膠結(jié)強(qiáng)度。但在井筒內(nèi)壓降低較大時(shí)，膠乳體系能更好地保證水泥環(huán)一界面的封隔完整性。