高飛，李永剛，孫浩，劉應(yīng)民，張興國(guó)，郭小陽(yáng)

（1.中國(guó)石油新疆油田分公司開(kāi)發(fā)公司，新疆克拉瑪依 834000；2.新疆油田公司采油二廠油田工藝研究所，新疆克拉瑪依 834000；3.西南油氣田分公司寶石花鑫盛公司，成都 610051；4.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室×西南石油大學(xué)，成都 610500）

0 引言

為了降低稠油黏度、提高稠油開(kāi)采效率，注蒸汽及火驅(qū)技術(shù)已普遍用于稠油資源開(kāi)發(fā)中[1-7]。注蒸汽開(kāi)采技術(shù)是將溫度高達(dá)300～350 ℃[6]的水蒸氣注入井內(nèi)，利用高溫水蒸氣降低稠油黏度，以提高稠油開(kāi)采效率。在這一過(guò)程中，固井水泥環(huán)的完整性和力學(xué)性能是保證熱力開(kāi)采措施有效實(shí)施的關(guān)鍵[8-9]，一旦超高溫或巨大溫差破壞了水泥環(huán)完整性，將造成注入的高溫水蒸氣向上部低壓地層竄流，降低對(duì)水蒸氣熱的利用效率。因此，準(zhǔn)確掌握固井水泥環(huán)在井底惡劣環(huán)境的力學(xué)性能和完整性，是保證稠油資源高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵，也將為稠油井用固井水泥漿體系的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供依據(jù)。

稠油熱采井大多采用“常溫固井、高溫開(kāi)采”的作業(yè)流程。目前，為了研究開(kāi)采作業(yè)的超高溫對(duì)固井水泥石性能的影響，多采用馬弗爐在干燥條件下，加熱水泥石以模擬井下超高溫環(huán)境。所得研究結(jié)果表明[4,10-11]，加砂固井水泥體系在超高溫、干燥條件下，將出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂及抗壓強(qiáng)度衰退，難以提供良好的層間封隔性能。然而，分析認(rèn)為，該超高溫、干燥模擬環(huán)境與實(shí)際稠油熱采井下超高溫、水蒸氣環(huán)境及水泥石受套管和地層約束等的實(shí)際情況不符[12-13]。因此，在超高溫干燥條件下所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能難以準(zhǔn)確反映固井水泥石在井下的實(shí)際狀態(tài)[14]。

為了進(jìn)一步研究固井水泥石在稠油熱采井下環(huán)境的力學(xué)性能及完整性變化規(guī)律。首先建立了一套模擬稠油熱采井井下超高溫、水蒸氣環(huán)境的固井水泥石養(yǎng)護(hù)裝置及方法。并利用該養(yǎng)護(hù)裝置和方法，以新疆油田稠油區(qū)塊工況為依據(jù)，評(píng)價(jià)了加砂固井水泥體系在注蒸汽開(kāi)采過(guò)程中力學(xué)性能和完整性的演變過(guò)程；并對(duì)比研究了超高溫干燥、水蒸氣環(huán)境對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響；最后，結(jié)合掃描電鏡，初步探索了超高溫干燥、水蒸氣環(huán)境下，固井水泥石微觀結(jié)構(gòu)演變過(guò)程及機(jī)理。該研究將為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)稠油熱采井用固井水泥石的性能、體系設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了更符合實(shí)際的手段以及理論依據(jù)。

1 超高溫固井水泥石養(yǎng)護(hù)模擬裝置及方法建立

稠油熱采作業(yè)一般要經(jīng)歷蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)和火驅(qū)等技術(shù)，而注蒸汽開(kāi)采時(shí)固井水泥環(huán)將面臨300～350 ℃的超高溫，當(dāng)轉(zhuǎn)為火驅(qū)開(kāi)采后局部溫度高達(dá)500～700 ℃。同時(shí)，由于井底的特殊環(huán)境，雖然水泥石所處溫度高達(dá)數(shù)百攝氏度，但其周?chē)允撬魵猸h(huán)境。因此，在養(yǎng)護(hù)模擬裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅需考慮水泥石所處的超高溫環(huán)境，還應(yīng)綜合考慮水蒸氣環(huán)境。

為此，建立了一套超高溫固井水泥石養(yǎng)護(hù)裝置，圖 1為該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 超高溫固井水泥石養(yǎng)護(hù)模擬裝置

該裝置主要由以下6大部分組成：①超高溫加熱恒溫系統(tǒng)，用于對(duì)樣品、注入液體、氣體和超高溫密封養(yǎng)護(hù)釜進(jìn)行加熱和恒溫；②超高溫密封養(yǎng)護(hù)釜，用于放置水泥石試樣，并與注入的氣、液一起形成需要模擬的超高溫、水蒸氣或各類(lèi)腐蝕環(huán)境。同時(shí)，自身金屬密封以免水蒸氣、腐蝕性氣液泄漏并腐蝕超高溫加熱恒溫箱；③液體存儲(chǔ)及注入系統(tǒng)，用于存儲(chǔ)并通過(guò)壓差向上驅(qū)動(dòng)隔板向超高溫密封養(yǎng)護(hù)釜注入水蒸氣；④氣體存儲(chǔ)及注入系統(tǒng)，可用于存儲(chǔ)并通過(guò)三通向密封養(yǎng)護(hù)釜注入氣體；⑤背壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于根據(jù)稠油儲(chǔ)層的壓力設(shè)置不同的背壓；⑥冷凝回收系統(tǒng)，用于冷凝、回收和處理從超高溫密封養(yǎng)護(hù)釜排出的氣、液等。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及配方

利用上述實(shí)驗(yàn)裝置及方法，本文重點(diǎn)對(duì)比研究了在超高溫干燥、水蒸氣環(huán)境下，加砂水泥石體系的抗壓強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中所用的高抗硫酸鹽G級(jí)油井水泥由新疆阿克蘇水泥有限公司提供，硅粉由永川石英砂廠提供。表1為利用X射線熒光分析的水泥和硅粉主要化學(xué)成分。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中用于調(diào)控水泥漿性能的降失水劑、早強(qiáng)劑及分散劑均由西部鉆探鉆井工程技術(shù)研究院提供。表2為實(shí)驗(yàn)所用水泥漿體系的配方?；贕B/T 19139—2012標(biāo)準(zhǔn)[15]制備、測(cè)試該水泥漿體系配方如下，其密度為1.90 g/cm3、失水量為40 mL/30 min、流動(dòng)度為22 cm。

1#水泥+40%硅粉+4%早強(qiáng)劑+6%降失水劑+0.8%分散劑+63%水

表1 高抗硫酸鹽G級(jí)油井水泥和硅粉的主要化學(xué)組成 %

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

對(duì)新疆油田稠油井區(qū)塊資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，蒸汽吞吐作業(yè)（315 ℃）的輪次分布在2～14輪次，其中大部分井為6輪次。因此，本文重點(diǎn)研究水泥石在超高溫度（315 ℃）和循環(huán)溫度（室溫～315 ℃）干燥、水蒸氣條件下，養(yǎng)護(hù)6輪次抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，圖 2為養(yǎng)護(hù)溫度的變化過(guò)程。為了模擬稠油井固井“常溫施工、高溫開(kāi)采”過(guò)程，實(shí)驗(yàn)中，首先根據(jù)GB/T 19139—2012標(biāo)準(zhǔn)[15]制備和養(yǎng)護(hù)水泥漿14 d、脫模，并將脫模后的水泥石放入超高溫固井水泥石養(yǎng)護(hù)模擬裝置中，并在圖 2所示的溫度制度養(yǎng)護(hù)水泥石試樣（加熱速率根據(jù)需求調(diào)整）。養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，通過(guò)控制是否向“超高溫密封養(yǎng)護(hù)釜”（如圖 1所示）注入水蒸氣，以控制養(yǎng)護(hù)過(guò)程中試樣所處的干燥或水蒸氣環(huán)境。利用該養(yǎng)護(hù)裝置及方法，本文首先研究了超高溫干燥、水蒸氣環(huán)境下，試樣幾何尺寸、升溫速率對(duì)固井水泥石抗壓強(qiáng)度的影響；其次，對(duì)比研究了超高溫干燥、水蒸氣條件下固井水泥石抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律；最后，結(jié)合掃描電鏡對(duì)比分析了超高溫干燥、水蒸氣環(huán)境下對(duì)固井水泥石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響。

圖2 水泥石養(yǎng)護(hù)溫度變化過(guò)程

3 結(jié)果與討論

3.1 試樣尺寸和養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響

在稠油熱采作業(yè)中，固井水泥石不僅要承受注蒸汽時(shí)的超高溫，同時(shí)開(kāi)井生產(chǎn)過(guò)程中，還將承受高達(dá)數(shù)百攝氏度的巨大溫差沖擊。而水泥石屬于非均質(zhì)脆性材料，除了水泥體系在高溫條件下可以發(fā)生的晶型轉(zhuǎn)變改變力學(xué)性能之外，在巨大溫差沖擊下也可能在水泥石中產(chǎn)生裂紋，從而惡化水泥石力學(xué)性能及完整性[16-17]。同時(shí)，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，水泥石試樣的加熱速率及試樣尺寸又是影響試樣受熱均勻程度的關(guān)鍵因素[6]。因此，本文首先研究了不同標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣在超高溫干燥、水蒸氣條件下的抗壓強(qiáng)度變化。目前常用的水泥石養(yǎng)護(hù)模具包括GB/T 19139—2012標(biāo)準(zhǔn)[15]中規(guī)范的50.8 mm×50.8 mm×50.8 mm正方體（方模）及Φ25.4 mm×25.4 mm的圓柱體（小圓柱）試樣[18]，其也常用于評(píng)價(jià)水泥石的三軸力學(xué)性能[17]。

圖3為在相同的養(yǎng)護(hù)條件下（溫度變化過(guò)程如圖2所示，升溫速率為2 ℃/min），方模和小圓柱固井水泥石試樣在蒸汽吞吐作業(yè)階段的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，方模和小圓柱試樣在超高溫干燥、水蒸氣養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，水泥石的抗壓強(qiáng)度均降低，但小圓柱水泥石，在水蒸氣條件下的降幅明顯較小。方模水泥石的抗壓強(qiáng)度，在經(jīng)歷模擬蒸汽吞吐六輪次后，在水蒸氣條件下其抗壓強(qiáng)度從36 MPa降低至18 MPa，降幅高達(dá)50%；在超高溫干燥條件下，其抗壓強(qiáng)度降低為15.4 MPa左右，降幅更是高達(dá)58%。而在水蒸氣條件下，小圓柱試樣的抗壓強(qiáng)度僅從33 MPa降低至31 MPa，降幅約為6%；即使在干燥條件下，也僅從33 MPa降低至24 MPa，降幅約為27%。由此可以看出，與大尺寸的方模水泥石相比，小圓柱水泥石更利于水泥石抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定。分析認(rèn)為，小圓柱試樣的尺寸小、表面大，在升溫過(guò)程中受熱更均勻，有利于減少因受熱不均所致的內(nèi)部裂紋，使水泥石維持更高的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，井下實(shí)際水泥環(huán)厚度難于達(dá)到50 mm，因此，建議室內(nèi)評(píng)價(jià)稠油井用固井水泥石時(shí)，應(yīng)充分考慮試樣尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖3 小圓柱、方模固井水泥石在快速加熱情況下的強(qiáng)度變化

3.2 升溫速率對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響

為了研究升溫速率對(duì)超高溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥石抗壓強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)以1 ℃/min的升溫速率加熱小圓柱水泥石試樣。圖 4為在1 ℃/min的加熱速率下小圓柱水泥石的抗壓強(qiáng)度。可以看出，降低升溫速率后，不論是在干燥環(huán)境還是水蒸氣環(huán)境下，小圓柱水泥石抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)輪次增加而降低的情況均獲得明顯改善。

結(jié)合圖 3所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)快速加熱時(shí)，小圓柱水泥石在水蒸氣和干燥條件下經(jīng)歷六輪次后，其抗壓強(qiáng)度分別下降約為6%和25%。降低加熱速率后，水蒸氣條件下試樣的抗壓強(qiáng)度下不降反升；即使干燥條件養(yǎng)護(hù)后試樣抗壓強(qiáng)度的降幅也僅約為10%。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了加熱速率對(duì)水泥石試樣抗壓強(qiáng)度影響顯著，低加熱速率可使水泥石受熱更均勻，從而減少因受熱不均而對(duì)水泥石的沖擊。圖 5是小圓柱水泥石在超高溫干燥、水蒸氣條件下模擬蒸汽吞吐六輪次后的宏觀狀態(tài)圖?？梢钥闯?，當(dāng)降低水泥石超高溫養(yǎng)護(hù)的升溫速率時(shí)，水泥石表面的裂紋明顯減少，甚至在水蒸氣條件下未發(fā)現(xiàn)裂紋。再次證實(shí)了加熱速度過(guò)快對(duì)水泥石的巨大不利影響，以及水蒸氣環(huán)境有利于保證水泥石完整性。

圖4 小圓柱水泥石在慢速加熱情況下的強(qiáng)度變化

圖5 不同情況下模擬蒸汽吞吐四輪次后的水泥石形貌

3.3 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)水泥石微觀結(jié)構(gòu)的影響

結(jié)合上述對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度（圖3和圖4）和宏觀狀態(tài)（圖5）的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可以看出，在不同養(yǎng)護(hù)條件后水泥石的宏觀狀態(tài)和力學(xué)性能存在明顯差異。為了進(jìn)一步分析導(dǎo)致該變化的原因和機(jī)理，實(shí)驗(yàn)利用掃描電鏡分別測(cè)試了常溫養(yǎng)護(hù)14 d、超高溫水蒸氣養(yǎng)護(hù)6輪次和超高溫干燥養(yǎng)護(hù)6輪次后水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)果如圖 6所示。對(duì)比分布不同養(yǎng)護(hù)條件下水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，可以看出常溫養(yǎng)護(hù)14 d后，水泥石內(nèi)部水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)致密（如圖 6（a）所示）。對(duì)比超高溫養(yǎng)護(hù)后水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，可以看出超高溫養(yǎng)護(hù)后水泥石的微觀結(jié)構(gòu)變得疏松（如圖 6（b）和（c）所示）。但對(duì)比干燥和水蒸氣養(yǎng)護(hù)后水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，在干燥條件下養(yǎng)護(hù)后水泥石的微觀結(jié)構(gòu)明顯更加疏松，原本致密的水化產(chǎn)物變得疏松多孔。這一微觀結(jié)構(gòu)的改變可能導(dǎo)致水泥石中產(chǎn)生大量的裂紋，從而降低水泥石的力學(xué)性能。

圖6 不同條件下養(yǎng)護(hù)后水泥石微觀結(jié)構(gòu)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在室內(nèi)評(píng)價(jià)稠油井用固井水泥體系時(shí)，不應(yīng)只考慮養(yǎng)護(hù)目標(biāo)溫度，還應(yīng)綜合考慮養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，樣品尺寸、加熱速率及養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)試樣性能的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)減小試樣尺寸、降低升溫速率及水蒸氣環(huán)境下，有利于保證水泥石試樣受熱均勻，從而維持水泥石的抗壓強(qiáng)度。結(jié)合該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中建議通過(guò)控制井筒加熱階段注入蒸汽的溫度和注入速率，從而降低井筒加熱階段水泥環(huán)的升溫速率，使其受熱均勻，從而減少溫差大對(duì)水泥環(huán)的沖擊，保證井筒水泥環(huán)的力學(xué)性能及完整性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)超高溫水蒸氣養(yǎng)護(hù)裝置的建立，并結(jié)合新疆油田現(xiàn)場(chǎng)工況，對(duì)固井加砂水泥漿在超高溫水蒸氣和干燥條件下水泥石體系的抗壓強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)分析，可以得出以下結(jié)論。

1.與之前用馬弗爐超高溫、干燥養(yǎng)護(hù)水泥石，模擬稠油熱采工況的模擬方法相比，本文提出的超高溫固井水泥石養(yǎng)護(hù)模擬方法及裝置，充分考慮了加熱速度、水蒸氣環(huán)境和水泥石尺寸等對(duì)模擬結(jié)果的影響，能更真實(shí)模擬稠油熱采固井水泥石在井下的實(shí)際情況，以提高室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性和可靠性。

2.使用小尺寸的水泥石、降低水泥石的加熱速率和水蒸氣水濕環(huán)境，均有利于稠油熱采井固井水泥石在后續(xù)工況中減少內(nèi)部裂紋、維持更高的抗壓強(qiáng)度并保證水泥環(huán)的完整性。尤其加熱速度過(guò)快對(duì)水泥石的負(fù)面影響巨大，為此，不僅要在模擬過(guò)程中進(jìn)行充分的考慮，更建議在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)優(yōu)化蒸汽溫度、注汽速率等工藝措施，降低注蒸汽過(guò)程中固井水泥環(huán)的加熱速率，以減少加熱速率過(guò)快對(duì)水泥環(huán)造成的傷害。

3.研究初步證實(shí)該實(shí)驗(yàn)裝置及方法，能有效用于評(píng)價(jià)固井水泥石在真實(shí)井下超高溫、水蒸氣環(huán)境的力學(xué)性能，為后期研究超高溫、干燥和水蒸氣條件對(duì)固井水泥石力學(xué)性能和完整性的影響機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。