CN107575210A - 一种油气井固井水泥石弹性的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种油气井固井水泥石弹性的评价方法。该评价方法包括：确定水泥石的加载速率和卸载速率；确定水泥石的最高加载载荷；确定水泥石实验的温度与压力；确定水泥石的应力应变曲线；以不同循环周期水泥石的应变恢复程度描述水泥石的力学性能，以不同循环周出现的水泥石的破环程度描述水泥石的长期力学完整性。本发明的评价方法为水泥石改性研究和国内外特种水泥浆体系评价提供一个统一的对比平台，对于评价井筒完整性和井寿命周期具有非常重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种评价方法，特别涉及一种固井水泥石弹性的评价方法，属于油气田勘探开发领域。
背景技术
环空带压是复杂天然气井开发生产的主要安全问题，这一问题在世界范围内普遍存在。在墨西哥湾的外大陆架(OCS)地区，大约有15500口生产井、关闭井及临时废弃井。美国矿物管理服务机构(MMS)对该地区井进行了统计，有6692口井约43％至少有一层套管环空带压。在这些环空带压的井中，共有10153层套管环空带压，其中47.1％属于生产套管带压，16.3％属于技术套管带压，26.2％属于表层套管带压，10.4％属于导管带压。该地区大部分井下入几层套管柱，从而使判定环空带压的原因与采取有针对性的补救措施困难，每口井补救费用高达100万美元。在加拿大，环空带压存在于不同类型的井中。南阿尔伯特的浅层气井、东阿尔伯特的重油井和ROCKY山麓的深层气井，都不同程度的存在环空带压问题。在加拿大环空带压问题绝大多数是由于环空封固质量不好，天然气窜至井口造成的。
目前国内的高温深井，如塔里木克拉，四川罗家寨等气田的部分气井不同程度地环空带压，最终直接影响气井的高产、稳产。国内罗家寨、渡口河、铁山坡、卧龙河等气田飞仙关组气藏H2S含量大多在10％-16％，龙岗气田H2S含量也大多在30-180g/m3。高H2S不仅对井下和地面高强度钢材造成严重腐蚀，其强毒性也直接威胁到人身安全，钻井完井风险大，如罗家寨12·23和3·25事件。2009年10月初，大庆油田徐深8-平1井套管泄漏，导致天然气窜至地表，引起井下管柱的侵蚀、腐蚀损坏和油气资源的严重散失。
固井水泥环质量导致的含硫气井技术套管环空带压问题中，酸性介质对水泥环的腐蚀是次要因素，水泥环在工程作业中发生的力学损坏和水泥浆性能的质量是影响水泥环气窜的主要因素。因此，对气井固井过程中，水泥浆性能的跟踪评价和对水泥环后期力学完整性评价对于气井的安全开发是极其重要的。
事实上，每口油气井的开发过程中，都涉及到井筒内压力的交变而导致的水泥环长期封隔问题，如试压前后、持续钻进、关井与生产等过程中力学的交替变化。在这种情况下，韧性水泥的概念被提出来。使水泥环保持较好的韧性，能使水泥环在受到套管内挤力和地层外压力时，具有比普通水泥环更好的弹性形变空间，在各种力学影响下，不在界面出现微间隙，从而延长固井水泥环的长期力学封隔能力，这对于评价井筒安全性和延长油气井寿命具有非常重要的意义。韧性水泥体系是石油工程界固井未来发展的一个主流方向。
韧性水泥，也称柔性水泥、弹性水泥等，其概念为在同等应力状态下变形能力大于普通油井水泥，其主要力学特征表现为：杨氏模量明显低于普通油井水泥，而抗压强度、抗拉强度变化不大。
目前国内外均无水泥石杨氏模量测试的统一标准。对水泥石三轴应力力学性能的测试，主要参考岩石力学性能的测试标准。
油井水泥的试验方法(GB/T 19139-2012)中，规定了油井水泥应用性能，包括密度、抗压强度、非破坏性声波试验、稠化时间、静态失水、渗透率、流变性、胶凝强度、稳定性、井下流体相容性以及北极注水泥试验方法等的测试方法，以及水泥浆在套管和环空内的压降和流态计算方法，但其对于油井水泥的弹性/韧性/柔性力学形变能力的评价规范并未提及。
分别在不同实验室对同种油气井固井水泥石(2.25g/cm3)三轴应力力学性能进行测试，结果显示：由于各实验室所取加载速率的不同，最终导致其力学参数存在较大不同，尤其是杨氏模量，测试数据彼此差距最大接近一个数量级。同时，水泥石的杨氏模量随着应力-应变曲线取值区间的不同而不同。如此，可能导致同种水泥石出现多种不同的杨氏模量数值，或测试出的水泥石杨氏模量数值重复性较差，不能反映水泥石的力学本质，这无疑会造成很难准确地评价水泥石在井下环境下的完整性乃至整个井筒的完整性。
因此，有必要针对水泥石杨氏模量测试中存在的问题，开展水泥石力学性能评价研究。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种可以解决水泥石弹性测试参数弹性模量缺乏重复性和准确性的问题，可以客观的反映井下水泥石弹性的评价方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种油气井固井水泥石弹性的评价方法，该油气井固井水泥石弹性的评价方法包括以下步骤：
根据不同工程措施时水泥石的受力以及受力和卸载所需的时间，确定水泥石的加载速率和卸载速率；
获得常规应力-应变曲线，根据不同工程措施时水泥石的受力情况对比常规应力-应变曲线，确定水泥石的最高加载载荷；
确定实验温度和实验压力，在所述实验温度和实验压力下，根据确定的水泥石的加载速率、卸载速率和最高加载载荷，对水泥石进行多周循环三轴应力测试，确定水泥石的应力-应变曲线；
利用不同循环周期水泥石的应变恢复程度，定量描述水泥石的弹性，利用不同循环周的水泥石的破环程度，定性描述水泥石的力学完整性，完成对油气井固井水泥石弹性的评价。
本发明的评价方法可以可针对任意一种工程措施，确定不同的加载速率、卸载速率以及最高加载载荷，不同工程措施是指固井后在油气井中所采取的各种工程措施，如试压、钻井、酸化、压裂等工艺。
在本发明的油气井固井水泥石弹性的评价方法中，优选地，在对油气井固井水泥石弹性进行评价前，先制备实验用水泥石样品，包括以下步骤：
制备实验用水泥浆，根据井下水泥石所处的环境，在模拟的水泥石的温度、压力条件下养护指定时间使其凝固硬化成水泥石，将水泥石加工成标准岩心尺寸，得到水泥石样品。
在本发明的油气井固井水泥石弹性的评价方法中，根据不同工程措施时水泥石的受力以及受力或卸载所需的时间，利用分析软件(《地层套管水泥环力学分析软件系统》(软著登字第0910640号))结合工程措施的实际情况，确定水泥石的加载速率和卸载速率。
在本发明的油气井固井水泥石弹性的评价方法中，优选地，通过三轴应力测试，获得常规应力-应变曲线。
在本发明的油气井固井水泥石弹性的评价方法中，优选地，确定水泥石的最高加载载荷时包括以下步骤：
确定水泥石的最大应变的平均值，根据常规应力-应变曲线，确定最大应变对应的应力值作为最高加载载荷
在本发明的油气井固井水泥石弹性的评价方法中，优选地，根据水泥石的井下深度，确定实验温度和实验压力。
在本发明的油气井固井水泥石弹性的评价方法中，优选地，不同循环周期水泥石的应变恢复程度按照以下公式获得：
(加载发生的最大应变-卸载发生的最小应变)/加载发生的最大应变，得到的数值为水泥石的应变恢复程度，水泥石应变恢复程度越大，说明水泥石的弹性越好。
在本发明的油气井固井水泥石弹性的评价方法中，优选地，定性描述水泥石的力学完整性时，是通过交变载荷测试方法对水泥石进行多周力学测试，观察水泥石如果出现微裂缝或破碎，则该水泥石不能经受后续各种工程措施造成的力学影响，说明不具有力学完整性；
观察水泥石如果没有出现微裂缝或破碎，则该水泥石能经受后续各种工程措施造成的力学影响，说明具有力学完整性。
三轴应力实验中，现有的评价方法对仪器加载、卸载速率的确定具有随意性，而本发明所述实验手段充分考虑不同工程措施下水泥环的受力状况，能更真实反映油气井井下水泥环在固井后续施工中的弹性；
现有评价水泥石弹性的主要指标是杨氏模量，而不同加载速率或不同的应力-应变曲线取值区间均导致了水泥石的杨氏模量值缺乏重复性和准确性。本发明在交变载荷下不同循环周的应变恢复程度真实反映各种水泥石的弹性，为油气井特种水泥体系的研发提供了统一的对比平台；
现有对水泥石长期力学完整性的评价主要依赖于水泥石在不同温度压力下养护后单轴抗压强度数据，不能反映固井后续持续的工程措施对水泥环的力学伤害程度，本发明通过在多周循环压力和模拟实际井下温度的条件下对水泥石进行三轴应力测试，可定性、真实地反映水泥石长期力学完整性。
本发明的油气井固井水泥石弹性的评价方法，为认清水泥石在井下环境下的力学实质奠定科学的实验室理论基础，为建立水泥石弹性评价规范提供技术支持，为韧性水泥石的研发提供评价手段，并最终确保油气井整个井筒的完整性。
本发明的油气井固井水泥石弹性的评价方法，为水泥石改性研究和国内外特种水泥浆体系评价提供一个统一的对比平台，为真实地反映井下水泥环力学实质提供有力的技术支撑，对于评价井筒完整性和井寿命周期具有非常重要的意义。
附图说明
图1为实施例中的纯水泥应力-应变曲线图。
图2为实施例中的纯水泥交变载荷下应力-应变曲线图。
图3为实施例中的国内韧性水泥应力-应变曲线图。
图4为实施例中的国内韧性水泥交变载荷下应力-应变曲线图。
图5为实施例中的国内柔性水泥应力-应变曲线图。
图6为实施例中的国内柔性水泥交变载荷下应力-应变曲线图。
图7为实施例中的国外弹性水泥应力-应变曲线图。
图8为实施例中的国外弹性水泥交变载荷下应力-应变曲线图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
以下实施例中采用的是川渝气田X气井7寸尾管固井水泥浆(国内韧性水泥浆，密度2.30g/cm3)现场取样和纯水泥(水灰比0.44，密度1.90g/cm3)，养护试验条件为：温度119℃和压力20.7MPa。
实施例1
本实施例提供了一种油气井固井水泥石弹性的评价方法，具体包括以下步骤：
到固井现场取水泥大样和现场药水；
按API规范制备和养护现场取样水泥(国内韧性水泥浆体系，密度2.30g/cm3)和纯水泥(水灰比0.44，密度1.90g/cm3)，高温高压养护(养护温度119℃，养护压力20.7MPa，养护时间为7天)结束后，取心或以标准岩心模具直接养护水泥，制备标准岩芯尺寸的水泥石试样(Φ25.4mm×50.8mm)；
加载速率和卸载速率的确定：利用西南油气田公司研发的《地层套管水泥环力学分析软件系统》(软著登字第0910640号)计算，井深5000m，177.8mm套管固井，钻井液密度2.20g/cm3，试压压力30MPa时，加载速率和卸载速率分别为1.6kN/min和3.2kN/min；
常规应力应变曲线的获得：在加载速率为1.6kN/min的情况下，对纯水泥和国内韧性水泥做三轴应力测试，直到水泥石破坏，得到常规应力应变曲线，如图1和图3；
交变载荷的最高加载载荷的确定：《地层套管水泥环力学分析软件系统》(软著登字第0910640号)计算，井深5000m，177.8mm套管固井，钻井液密度2.20g/cm3，试压压力30MPa时，水泥环的最大应变为0.1811％，在图1的纯水泥应力-应变曲线图和图3的国内韧性水泥应力-应变曲线图中找到相应的应力值分别为8.6MPa和8.7MPa，以此值作为交变载荷的最高加载载荷；
按加载速率和卸载速率分别为1.6kN/min和3.2kN/min，最高加载载荷分别为8.6MPa和8.7MPa，对纯水泥石和国内韧性水泥进行6个循环周交变载荷下的三轴应力测试，得到应力-应变曲线，见图2和图4。
利用以下公式计算水泥石每个循环周应变恢复程度：(加载发生的最大应变—卸载发生的最小应变)/加载发生的最大应变，并以此数据对比评价两种水泥石的弹性/柔性/韧性；同时，在交变载荷过程中，观察水泥石在不同循环周的破坏程度(水泥石是否出现裂纹、破碎等)，并以此破坏程度来对比评价两种水泥石的长期力学完整性。
图2、图4是纯水泥和国内韧性水泥体系在考虑试压工程措施(井深5000m，177.8mm套管固井，钻井液密度2.20g/cm3，试压压力30MPa)、交变载荷下测试后的应力-应变曲线图，从图中可以看到，两种水泥石在每个循环周均呈现应变随应力降低而不同程度地降低的过程，也就是说，两种水泥石在交变载荷下均呈现出了一定的弹性(或柔性或韧性)，为对比分析，利用两种水泥石在各个循环周下应变恢复的程度来定量描述其弹性(或柔性或韧性)弹性的优劣，同时利用各循环周出现的水泥石的破坏程度来定性描述水泥石的长期力学完整性。
1、水泥石应变恢复的程度
从图2、图4曲线中可得：纯水泥在6个交变载荷循环周的应变恢复程度分别为0.072，0.067，0.061，0.056，0.051，0.050；国内韧性水泥在5个交变载荷循环周的应变恢复程度分别为0.0461，0.0561，0.0593，0.0572，0.0609。国内韧性水泥在第6个交变载荷循环周时出现破环。
(1)对比第1个循环周水泥石应变恢复的程度，国内韧性水泥的应变恢复的程度比纯水泥石低，这并不能说明纯水泥石的弹性或柔性或韧性比国内韧性水泥石要好。经过分析认为，由于纯水泥是只用了油井G级水泥，以0.44水灰比配制的1.90g/cm3的常规密度水泥石(其工程性能，包括稳定性、稠化时间等均不满足相关规定和要求)沉降稳定性不好，所形成的水泥石较为密实，在加载过程中，水泥石直接进入弹性/柔性/韧性形变阶段，而国内韧性水泥石由于考虑了综合工程性能，在其体系中加入了不同的增加韧性、弹性或柔性的外掺料，体系稳定造成所形成的晶体结构具有一定的孔隙空间，从而在初期加载荷卸载时，存在一个被压实的阶段，这个阶段并不反映出其体系的弹性/柔性/韧性力学形变能力。从后期看，国内韧性水泥石从第4个循环周开始，其应变恢复的程度就超过纯水泥了。
(2)从交变载荷的结果看，两种水泥石弹性对比的结果为：国内韧性水泥石>纯水泥石。
2、水泥石的破坏程度
对两种水泥石交变载荷试验过程中观察可知：国内韧性水泥在第6个交变载荷循环周时出现破环，说明两种水泥石长期力学完整性对比的结果为：纯水泥石>国内韧性水泥石。
实施例2
本实施例提供了一种油气井固井水泥石弹性的评价方法，具体包括以下步骤：
两次到储气库注采井固井现场取水泥大样和现场药水(国外弹性水泥和国内柔性水泥)；
按API规范制备和养护现场取样水泥：国外弹性水泥，密度1.75g/cm3和国内柔性水泥，密度1.75g/cm3)，高温高压养护(养护温度58℃，养护压力20.7MPa，养护时间为7天)结束后，取心或以标准岩心模具直接养护水泥，制备标准岩芯尺寸的水泥石试样(Φ25.4mm×50.8mm)；
加载速率和卸载速率的确定：利用西南油气田公司研发的《地层套管水泥环力学分析软件系统》(软著登字第0910640号)计算，井深3000m，177.8mm套管固井，采气60×l04m3/d、注气90×l04m3/d左右时，加载速率和卸载速率分别为0.5kN/min和2.0kN/min；
常规应力应变曲线的获得：在加载速率为0.5kN/min的情况下，对国内柔性水泥和国外弹性水泥做三轴应力测试，直到水泥石破坏，得到常规应力应变曲线，如图5和图7；
交变载荷的最高加载载荷的确定：利用西南油气田公司研发的《地层套管水泥环力学分析软件系统》(软著登字第0910640号)计算，井深3000m，177.8mm套管固井，注气90×l04m3/d、采气60×l04m3/d左右时，水泥环的最大应变为0.1624％，在图5国内柔性水泥应力-应变曲线图和图7国外弹性水泥应力-应变曲线图中找到相应的应力值分别为8.5MPa和7.8MPa，以此值作为交变载荷的最高加载载荷；
按加载速率和卸载速率分别为0.5kN/min和2.0kN/min，最高加载载荷分别为8.5MPa和7.8MPa，对国内柔性水泥和国外弹性水泥进行6个循环周交变载荷下的三轴应力测试，得到应力-应变曲线，见图6和图8。
利用以下公式计算水泥石每个循环周应变恢复程度：(加载发生的最大应变—卸载发生的最小应变)/加载发生的最大应变，并以此数据对比评价两种水泥石的弹性/柔性/韧性；同时，在交变载荷过程中，观察水泥石在不同循环周的破坏程度(水泥石是否出现裂纹、破碎等)，并以此破坏程度来对比评价两种水泥石的长期力学完整性。
1、水泥石应变恢复的程度
从图6、图8曲线中可得：国内柔性水泥在6个交变载荷循环周的应变恢复程度分别为0.0681，0.768，0.074，国内柔性水泥在第4个交变载荷循环周时出现裂缝；国外弹性水泥在6个交变载荷循环周的应变恢复程度分别为0.0842，0.082，0.082，0.067，0.0784，0.0762，国外弹性水泥石仍保持完整，并且在前三周交变载荷过程中，国外弹性水泥石的应变恢复程度均高于国内柔性水泥石的应变恢复程度。
从交变载荷的结果看，两种水泥石弹性对比的结果为：国外弹性水泥石>国内柔性水泥石。
2、水泥石的破坏程度
对两种水泥石交变载荷试验过程中观察可知：国内柔性水泥在第3个交变载荷循环周时出现破环，而国外弹性水泥石经过6个交变载荷循环周后仍保持完整，说明两种水泥石长期力学完整性对比的结果为：国外弹性水泥石>国内韧性水泥石。
以上实施例说明，本发明的油气井固井水泥石弹性的评价方法，为水泥石改性研究和国内外特种水泥浆体系评价提供一个统一的对比平台，为真实地反映井下水泥环力学实质提供有力的技术支撑，对评价井筒完整性和井寿命周期具有重要的意义。
Claims (7)
1.一种油气井固井水泥石弹性的评价方法，其特征在于，该油气井固井水泥石弹性的评价方法包括以下步骤：
根据不同工程措施时水泥石的受力以及受力和卸载所需的时间，确定水泥石的加载速率和卸载速率；
获得常规应力-应变曲线，根据不同工程措施时水泥石的受力情况对比所述常规应力-应变曲线，确定水泥石的最高加载载荷；
确定实验温度和实验压力，在所述实验温度和实验压力下，根据确定的水泥石的加载速率、卸载速率和最高加载载荷，对水泥石进行多周循环三轴应力测试，确定水泥石的应力-应变曲线；
利用不同循环周期水泥石的应变恢复程度，定量描述水泥石的力学性能，利用不同循环周的水泥石的破环程度，定性描述水泥石的力学完整性，完成对油气井固井水泥石力学性能的评价。
2.根据权利要求1所述的油气井固井水泥石力学性能的评价方法，其特征在于，在对油气井固井水泥石弹性进行评价前，还包括制备实验用水泥石样品的步骤：
制备实验用水泥浆，根据井下水泥石所处的环境，在模拟的水泥石的温度、压力条件下养护指定时间使水泥浆凝固硬化成水泥石，将水泥石加工成标准岩心尺寸，得到水泥石样品。
3.根据权利要求1所述的油气井固井水泥石弹性的评价方法，其特征在于，通过三轴应力测试，获得常规应力-应变曲线。
4.根据权利要求1所述的油气井固井水泥石弹性的评价方法，其特征在于，确定水泥石的最高加载载荷时包括以下步骤：
确定水泥石的最大应变的平均值，根据常规应力-应变曲线，确定最大应变对应的应力值作为最高加载载荷。
5.根据权利要求1所述的油气井固井水泥石弹性的评价方法，其特征在于，根据水泥石的井下深度，确定实验温度和实验压力。
6.根据权利要求1所述的油气井固井水泥石弹性的评价方法，其特征在于，不同循环周期水泥石的应变恢复程度按照以下公式获得：
(加载发生的最大应变-卸载发生的最小应变)/加载发生的最大应变，得到的数值为水泥石的应变恢复程度，水泥石应变恢复程度越大，说明水泥石的弹性越好。
7.根据权利要求1所述的油气井固井水泥石弹性的评价方法，其特征在于，定性描述水泥石的力学完整性时，是通过交变载荷测试方法对水泥石进行多周力学测试，观察水泥石如果出现微裂缝或破碎，则该水泥石不能经受后续各种工程措施造成的力学影响，说明不具有力学完整性；
观察水泥石如果没有出现微裂缝或破碎，则该水泥石能经受后续各种工程措施造成的力学影响，说明具有力学完整性。
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