胡志強(qiáng)， 曹 耐， 張 亢， 李舒展， 李 鑫， 金 鑫

(1. 中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究， 北京 100101； 2. 中國石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院， 北京 102249; 3. 頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 北京 100101)

以往油氣田開發(fā)主要集中于陸地和淺海油氣田，生產(chǎn)過程中環(huán)空帶壓難題可通過泄壓等方法解決[1-2]。在深水油氣田開發(fā)中，由于受水深影響，密閉環(huán)空壓力無法有效釋放，當(dāng)其升高到套管強(qiáng)度極限時(shí)，會(huì)造成套管擠毀或破裂，對(duì)井筒完整性帶來嚴(yán)重危害[3-4]。復(fù)合泡沫材料是由空心玻璃微珠填充到樹脂基體中經(jīng)過混合、成型、固化形成的一種新型復(fù)合材料[5]，具有密度低、強(qiáng)度高、加工性能好等優(yōu)良特性，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。在深水油氣資源開發(fā)中，為解決高溫儲(chǔ)層流體引起的環(huán)空熱膨脹壓力升高現(xiàn)象，在套管外壁安裝一定數(shù)量的復(fù)合泡沫，利用材料的壓縮性能緩解圈閉高壓帶來的危害，保障管柱安全。目前復(fù)合泡沫材料的研究主要集中在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)行為特征方面[6-7]，而針對(duì)復(fù)合泡沫在靜水壓力環(huán)境下力學(xué)特性的研究較少，主要原因在于缺乏靜水壓縮測試的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置，缺乏研究深水復(fù)合泡沫壓縮性能的特殊試驗(yàn)。鑒于上述原因，現(xiàn)創(chuàng)新性地開展對(duì)復(fù)合泡沫材料在靜水壓力下的壓縮性能研究，通過自制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)試制出的復(fù)合泡沫在靜水壓力下的壓縮強(qiáng)度和體積變化率進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同配比、溫度條件下的材料體積壓縮率隨靜水壓力的變化規(guī)律，分析復(fù)合泡沫現(xiàn)場應(yīng)用情況，以期為深水油氣井的設(shè)計(jì)和環(huán)空熱膨脹壓力防治措施優(yōu)選提供依據(jù)。

1 樣品制備與特性分析

1.1 復(fù)合泡沫材料制備

以環(huán)氧樹脂E-51與胺類固化劑593為基體、H60空心玻璃微珠為填充劑、KH550硅烷為改性劑，制備不同微珠填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合泡沫，制備過程如下。

(1)空心玻璃微珠改性處理：用2%的氫氧化鈉溶液進(jìn)行清洗，再用無水乙醇清洗3次，去除表面雜質(zhì)，烘干。在反應(yīng)器中依次加入干燥后的空心玻璃微珠、甲苯和硅烷偶聯(lián)劑，攪拌至形成白色懸浮溶液后，超聲分散10 min，移至110 ℃的油浴鍋中冷凝回流處理4 h，過濾，無水乙醇洗滌三次，80 ℃下真空干燥12 h。

(2)模具預(yù)處理：由于環(huán)氧樹脂具有較高黏接性，為了防止由于復(fù)合材料與磨具黏附，導(dǎo)致脫模困難，必須對(duì)模具進(jìn)行預(yù)處理。首先用丙酮將模具擦拭清洗干凈后，用吹風(fēng)機(jī)吹干，然后用蘸取適量脫模劑將模具均勾涂抹，并室溫放置2 h后，然后再蘸取適量真空桂脂將模具均勾涂抹，再用吹風(fēng)機(jī)吹干待用。

(3)模具預(yù)處理后，將稱量好的環(huán)氧樹脂加入至潔凈的容器中，加入計(jì)量的固化劑和增塑劑，在室溫下用電動(dòng)攪拌機(jī)均勻攪拌15 min后，再加入計(jì)量的空心玻璃微球，將上述原料繼續(xù)攪拌10 min后，釆用真空泵抽真空至一定的負(fù)壓，脫氣，將預(yù)混好復(fù)合材料裝入自制不銹鋼模具中，常壓常溫下固化24 h。

1.2 泡沫材料特性分析

空心玻璃微珠是一種微小，中空的圓球狀粉末，一般由二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯等無機(jī)材料構(gòu)成。其粒徑10到幾百微米，壁厚小于10 μm，密度在0.1～0.3 g/cm3，內(nèi)部充斥標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體。根據(jù)玻璃微珠在基體中的分散狀況，可以建立不同含量玻璃微珠在環(huán)氧樹脂基體中的結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 空心玻璃微珠在環(huán)氧樹脂基體中的結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of hollow glass beads in the epoxy resin

當(dāng)玻璃微珠填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，泡沫材料承壓強(qiáng)度主要由樹脂骨架承擔(dān)；隨著玻璃微珠含量增加，體系氣相增多，樹脂骨架承壓能力減弱，當(dāng)壓力超過玻璃微珠承壓極限時(shí)，微珠破裂，釋放出體積；當(dāng)壓力繼續(xù)增加，泡沫材料承壓強(qiáng)度再次由樹脂骨架的決定。根據(jù)Gibson-Ashby理論[8]，空心玻璃微珠和樹脂基體均屬于彈性多孔材料，壓縮應(yīng)力應(yīng)變特征可分為3個(gè)階段[9]：線彈性變形、塑性屈服和致密化。當(dāng)壓縮應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，孔壁發(fā)生彈性屈服，應(yīng)力開始保持恒定，產(chǎn)生平臺(tái)。當(dāng)孔壁完全接觸時(shí)，材料本身發(fā)生壓縮，應(yīng)力迅速升高，進(jìn)入致密化階段。

2 試驗(yàn)方案及測試步驟

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)

為了對(duì)試制的復(fù)合泡沫力學(xué)性能有初步了解，首先利用三軸試壓機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)，泡沫樣品尺寸Φ50 mm×25 mm，材料密度0.64 g/cm3，測量出材料彈性模量2.09 GPa，泊松比0.38，屈服強(qiáng)度39.95 MPa。壓縮試驗(yàn)前、后的宏觀形態(tài)如圖2所示。由圖2可以看出，破壞后的試件局部呈現(xiàn)輕微凸起，多條裂紋相互交錯(cuò)，甚至出現(xiàn)材料破壞崩落現(xiàn)象，可見準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮過程中復(fù)合泡沫的破壞形式是樹脂基體的剪切破壞和微珠破裂的綜合表現(xiàn)。

圖2 泡沫樣品壓縮前后照片對(duì)比Fig.2 Sample comparison before and after the compression test

2.2 靜水壓壓縮試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)原理和誤差分析

復(fù)合泡沫下入井筒后浸沒在鉆完井液中，承受靜水壓作用。為了模擬實(shí)際工況，研制出一套靜水壓力測試裝置，對(duì)泡沫材料在靜水壓載環(huán)境下的破壞強(qiáng)度和體積變化率進(jìn)行研究。試驗(yàn)裝置如圖3所示，其試驗(yàn)原理如下：將可壓縮復(fù)合泡沫試件固定在壓力室基座上，通過高壓泵向壓力室內(nèi)注水加壓，記錄進(jìn)液量和壓力的變化，得出泡沫材料體積變化率和壓力之間的關(guān)系。上述試驗(yàn)中液體體積的變化ΔV由以下幾部分構(gòu)成：

圖3 高壓靜水載荷壓縮實(shí)驗(yàn)測試裝置Fig.3 Hydrostatic pressure testing device

ΔV=ΔV0+ΔV1+ΔV2+ΔV3

(1)

式(1)中，ΔV0為可壓縮復(fù)合泡沫的真實(shí)體積變化，m3；ΔV1為由于高壓容器密封不嚴(yán)造成的液體滲漏，對(duì)于密封良好的設(shè)備，可以忽略不計(jì)，m3；ΔV2為高壓容器彈性變形產(chǎn)生的體積變化，m3；ΔV3為液體可壓縮性產(chǎn)生的體積變化，m3。

2.2.2 試驗(yàn)方案及步驟

(1)將可壓縮復(fù)合泡沫試件固定在壓力室基座上，打開與高壓釜側(cè)壁相連的排氣孔閥門，使高壓釜內(nèi)腔與大氣聯(lián)通。利用高壓釜向容器內(nèi)注水，直至排氣孔閥門有水溢出，說明此時(shí)壓力室內(nèi)已被液體填滿，然后關(guān)閉閥門。

(2)通過高壓泵向容器內(nèi)打壓，按照每2 MPa的壓力梯度逐步加載，并保證每次穩(wěn)壓時(shí)間為30 min，泡沫試樣受靜水壓力作用產(chǎn)生形變，體積不斷變小，直到圍壓達(dá)到設(shè)定的最高壓力時(shí)停止(70 MPa)。

(3)記錄下每一次加載過程中圍壓的讀數(shù)和進(jìn)液量的變化，計(jì)算得出圍壓與液體體積變化關(guān)系。

(4)將與試樣同樣大小的鋼質(zhì)圓柱體置于壓力室底部基座上，重復(fù)步驟(2)～步驟(3)，得到標(biāo)定曲線。

(5)根據(jù)兩條曲線的差值，得到可壓縮復(fù)合泡沫材料試樣靜水壓體積變化關(guān)系(真實(shí)值)，靜水壓-體積應(yīng)變曲線的計(jì)算公式為

(2)

式(2)中：εv為體積應(yīng)變，無因次；ΔV為泡沫材料真實(shí)體積變化量，m3；ΔV0為試驗(yàn)測試值，ΔVc為試驗(yàn)標(biāo)定值，m3；D為泡沫式樣的直徑，m；h為泡沫式樣的高度，m。

3 泡沫壓縮性能分析

靜水壓加載條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與單軸壓縮加載情況類似，復(fù)合泡沫材料的壓縮過程明顯分為彈性變形、屈服破壞和致密化壓縮3個(gè)階段，驗(yàn)證了之前對(duì)復(fù)合泡沫材料在靜水壓力環(huán)境下的壓縮過程的預(yù)測。在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)壓力加載穩(wěn)定后繼續(xù)打壓，發(fā)現(xiàn)無法持續(xù)加載，泵壓表讀數(shù)迅速回落并保持穩(wěn)定，該階段水箱進(jìn)液量顯著增加。此過程即為復(fù)合泡沫材料的塑性屈服階段，材料內(nèi)的空心玻璃微珠連續(xù)破裂，釋放出體積空間，緩解了環(huán)空壓力，此時(shí)的材料的啟動(dòng)壓力要高于單軸壓縮時(shí)的屈服強(qiáng)度。當(dāng)泵壓表加載穩(wěn)定后，水箱進(jìn)液量減小，該階段可認(rèn)為泡沫材料內(nèi)的玻璃微珠已全部破裂，材料壓縮過程轉(zhuǎn)至致密化階段。

此外，由于環(huán)空熱膨脹壓力主要是由高溫效應(yīng)所引起，本試驗(yàn)配制了不同空心玻璃微珠含量(10%、15%、20%、25%、30%)泡沫樣品，測試其在不同環(huán)境溫度(20、40、60 ℃)下的壓縮性能變化規(guī)律，如圖4和圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溫度越高，泡沫材料的啟動(dòng)壓力會(huì)下降，但對(duì)體積壓縮率的影響不明顯；隨著空心玻璃微珠含量的增加，泡沫材料啟動(dòng)壓力會(huì)略微降低，體積壓縮率會(huì)增加[10]。

圖4 不同溫度條件的影響Fig.4 The influence of different temperature

圖5 不同微珠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig.5 The influence of different HGM mass fraction

4 泡沫套管現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 案例井基本信息

A1井位于西非AKPO油田深水海域[11]，水深1 362 m，鉆完井深度3 517 m，油藏儲(chǔ)層127 ℃，地溫梯度為0.043 ℃/m，油井投產(chǎn)后易產(chǎn)生環(huán)空熱膨脹壓力升高的現(xiàn)象，威脅井筒安全。復(fù)合泡沫材料通過粘黏劑與套管模塊化組裝成泡沫套管[5]，如圖6所示。為了下套管過程方便，只在套管本體上安裝泡沫模塊，通常每根12.1 m長的套管上安裝9.4 m長的泡沫材料。根據(jù)套管間環(huán)空間隙的大小，泡沫模塊壁厚通常尺寸范圍在25.4～38.1 mm，為了減少泡沫套管對(duì)環(huán)空間隙阻塞效應(yīng)，可采取模塊對(duì)裝的方式消除影響。

圖6 泡沫套管模塊化組裝Fig.6 Foam casing wrap assembly

4.2 環(huán)空壓力風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)各層環(huán)空風(fēng)險(xiǎn)安裝不同數(shù)量的泡沫套管[12]，計(jì)算各層套管環(huán)空壓力的變化情況，如圖7所示。由圖7可以看出，在安裝了泡沫套管后，B環(huán)空的環(huán)空壓力呈現(xiàn)出3個(gè)階段：在第1階段，泡沫套管彈性壓縮，環(huán)空壓力隨著溫度的增加而緩慢上升，同時(shí)泡沫套管長度越長，壓力下降幅度越大；在第2階段，泡沫套管屈服破環(huán)，當(dāng)環(huán)空壓力上升至泡沫套管啟動(dòng)壓力臨界值，可壓縮泡沫材料內(nèi)部空心玻璃微珠全部破裂，釋放出環(huán)空體積空間，吸收環(huán)空壓力，該階段環(huán)空壓力急劇下降；在第3階段，泡沫套管開始致密化壓縮，由于泡沫套管長度和體積的限制，環(huán)空圈閉壓力將隨著溫度的增長重新開始上升，此時(shí)主要依靠可壓縮泡沫材料的樹脂基體塑性形變釋放體積空間。

圖7 各層環(huán)空壓力的變化情況Fig.7 APB change under different annulus

4.3 泡沫套管設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)套管柱強(qiáng)度極限的分析，設(shè)計(jì)出各層環(huán)空中安裝泡沫套管的合理數(shù)量，表1給出了A1井各層環(huán)空泡沫套管設(shè)計(jì)參數(shù)。通過A1井投產(chǎn)多年的結(jié)果顯示，全井段各層環(huán)空壓力均正常，未曾出現(xiàn)因?yàn)榄h(huán)空壓力問題導(dǎo)致的井下套管擠毀、破裂等事故，證實(shí)了采用泡沫套管技術(shù)能夠有效控制環(huán)空壓力的上升，保障管柱安全和井筒完整性。

表1 泡沫套管設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Foam casing design parameters

5 結(jié)論

(1)通過自制的裝置對(duì)試制的新型復(fù)合泡沫材料壓縮力學(xué)特性進(jìn)行了靜水壓載試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新材料壓縮過程具有彈性壓縮、屈服破環(huán)和致密化壓縮三個(gè)階段；當(dāng)環(huán)空壓力達(dá)到復(fù)合泡沫材料啟動(dòng)壓力時(shí)，空心玻璃微珠全部破裂，釋放出體積空間吸收環(huán)空壓力。

(2)對(duì)不同溫度環(huán)境(20、40、60 ℃)和微珠填充量(10%、15%、20%、25%、30%)的復(fù)合泡沫材料進(jìn)行了靜水壓載實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溫度越高，泡沫材料的啟動(dòng)壓力會(huì)下降，但對(duì)體積壓縮率的影響不明顯；隨著空心玻璃微珠含量的增加，泡沫材料啟動(dòng)壓力會(huì)略微降低，體積壓縮率會(huì)增加。這為解決深水環(huán)空壓力上升問題提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

(3)通過對(duì)A1井深水泡沫套管現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例分析，驗(yàn)證了本研究成果的合理性可行性。針對(duì)A1井進(jìn)行泡沫套管優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別在B環(huán)空和C環(huán)空12、6根泡沫套管，可以最有效、經(jīng)濟(jì)的控制環(huán)空壓力上升，保障管柱安全和井筒完整性。