0 引言

水泥环完整性在井的整个寿命周期内极为重要，但由于诸多因素影响，保持水泥环完整性极为困难^[1-2]。水泥石渗透率相对较低(小于0.01 mD)，应不会有明显的环空流体流动，除非水泥环中存在特别的流道。产生流道的原因诸多，如气窜、建井过程中的水泥收缩或生产过程中的水泥降解都会产生流道。重复生产或注水/停注、修井、增产、二次和三次采油导致热循环及压力循环对水泥环会产生不利影响。热采作业中，热循环对水泥环完整性的影响尤为重要^[3-4]。热循环会引起套管、水泥及地层重复膨胀和收缩，从而导致水泥环破裂。潜在的水泥环破裂模式有多种类型，如水泥-套管界面、水泥-地层界面的脱粘会引起微环空，径向裂纹或剪切裂纹会导致水泥中出现裂缝^[5-7]。

为了研究水泥环破裂的原因和机理，研究人员进行了诸多试验。L.G.CARTER等和W.G. BEARDEN等^[8-9]通过试验研究证实粗糙的套管表面和良好的钻井液清除缓解了流体运移，而且还发现水化学接合与剪切粘接之间存在一定的关联。文献[10]认为，低收缩率和较高的水泥弹性有利于提高水泥-套管界面胶接质量。R.B.CARPENTER等^[11]重点研究了作用在环空水泥环上的机械和热载荷对密封能力、诱导脱粘或裂缝的影响。K.J.GOODWIN等^[12]试验研究了压力测试和高温对水泥环破裂的影响。文献[11]构建了特殊的增压剪切胶接测试器，评价了高温高压下的水泥-套管界面胶接质量，发现温度的重复变化明显降低了水泥-套管界面胶接质量。P.B.JACKSON等^[13]研究的重点是套管内部的压力变化，通过测量水泥环渗透性监测水泥裂缝。L.BOUKHELIFA等^[14]利用模拟压力和温度变化过程中套管膨胀和收缩的膨胀和收缩机械装置，评价了不同类型水泥体系的水泥完整性，发现当地层弹性模量较高时，水泥裂缝较少。A.SHADRAVAN等^[15]的重复循环载荷测试确定了疲劳对水泥环完整性的影响。

为了探究脱粘、裂缝或二者是否是引起水泥降解和泄漏的主要原因及产生的泄漏通道的实际形状等问题，挪威科技大学的J.DE ANDRADE等^[16-18]研发了评价环境压力下热循环过程中水泥完整性的独特试验装置，可用不同类型的岩石、套管、水泥体系及钻井液在该装置上进行试验，通过X射线CT表征水泥完整性，可提供脱粘和水泥环裂缝的量化和3D可视化^[19-20]，CT表征结果也可作为数值模拟的输入参数^[21-23]。该装置的主要不足是岩石样品周围无限制，为了模拟真实地下情形，他们对装置进行改进，研发了增压试验装置。为了给后续研究提供借鉴，笔者对试验装置和步骤进行了详细介绍，通过实例证实了其功能和应用潜力，并对其优势和局限性进行了讨论。

1 试验装置和步骤

试验装置与一口井典型的生产套管部分(ø311.15 mm井眼、ø244.48 mm套管)相似，将其几何尺寸缩小到约¼，如图 1所示。该缩小的井筒样品由岩石、钢管(作为套管)和水泥组成，采用模块化设计，可用不同类型的岩石、套管和水泥体系进行试验。该装置已开发了2个版本，第1个版本是常压装置，第2个版本是改进的增压装置，主要差别见图 1^[24-25]。

1.1 材料和样品制备

选择外径60.33 mm、壁厚3.91 mm的碳钢管(无缝X-52)作为套管，套管表面有铣削光泽面、喷砂面和油基钻井液薄膜面3种类型。

岩石为Saltwash North砂岩和Mancos页岩。图 2显示了光泽面套管和岩石样品。岩石样品为圆筒形状，高200 mm，中心孔孔径约为76 mm。常压装置岩石的围岩直径为175 mm，而增压装置岩石的围岩直径为152 mm。砂岩孔隙度约为25%，弹性模量约为5 GPa，而页岩孔隙度介于(6~8)%之间，垂直于层理方向的弹性模量为17 GPa，层理方向的弹性模量为29 GPa。层理方向与页岩样品的横截面一致(见图 2)。

浇注水泥浆之前，将砂岩样品淹没在淡水中大约1 h。应注意的是：为达到饱和状态，1 h可能不够，在以后的试验中，将延长浸泡时间。页岩样品未淹没在淡水中，只是在浇注水泥浆之前，用水浸湿了中心孔。

将G级硅酸盐类水泥与自来水混合，水/水泥比例为0.42，按照API SPEC 10A标准(2010)配备密度1.92 g/cm³的水泥浆，没有加其他添加剂^[25]。

1.2 常压装置

常压装置的纵截面见图 3。热平台的作用是提供热循环和冷却的平台，可提供的温度范围为-50~200 ℃，加热和冷却分别通过电阻和可控的液氮流实现。热板上的温度剖面通过Watlow EZ PM9控制器由计算机控制，操作人员可控制持续时间、升降温速度和热循环次数。平台基座上面的铜棒和绝缘材料厚板可确保从套管内向试验样品理想的径向热传递。铜棒直径略小于套管直径，因此它们之间无直接接触。铜棒顶部几乎与环形密封剂对齐，铜棒上的矿物油薄膜有助于增强径向热传递。

将套管放置在岩石的中心孔内，手动扶正，随后将水泥浆浇注至环空中，将岩石样品保存在密闭容器(存在空气)中，然后放置在预热的烤箱中，在温度66 ℃、环境压力下凝固5 d；为稳定水泥的力学性能，在室内保存样品2周；热循环之前，对样品进行CT扫描，在选定次数的热循环之后，再次进行CT扫描。水泥固结砂岩样品如图 4所示^{[17, 25]}。

1.3 增压装置

常压装置的主要不足在于岩石样品周围无限制，试验过程中水可能蒸发，因此不能用湿水泥进行试验；而且为了保持力学性能稳定，大多数页岩需要保持湿润，因此也不能作为围岩。但是作为盖岩中屏障的水泥环极为重要，用页岩比用砂岩进行试验更有意义。鉴于此，对常压装置进行改进，在水泥固结岩石样品周围设置了增压室(见图 5)，研发了增压装置。

增压装置见图 6，氮气罐和2个压力调节器为岩石和水泥提供可变的、独立的压力，并由2个压力计进行监测。液氮罐为热平台供应液氮，实现冷却功能。套管内充满矿物油，并始终保持常压。试验完成后，由排液口向外排油。

每个样品的试验步骤如下：①加热套管、岩石和增压室组件至66 ℃(水泥固化温度)；②加热增压室1.5 h后，通过注入口向环空中浇注水泥浆，随后立即关闭；③增大岩石周围和水泥上的压力至3.447 5 MPa；④在水泥固化的5 d内，保持压力和温度不变；⑤冷却增压室至室温，而压力保持3.447 5 MPa不变；⑥将增压室与液压系统断开，然后放置在CT扫描仪上，实现水泥环缺陷的可视化；⑦再次连接增压室至液压系统，进行热循环试验；⑧通过计算机控制温度剖面和热循环次数；⑨在步骤⑤和⑥之后，根据需要对增压室进行多次CT扫描^[25]。

1.4 岩石样品温度预测

为预测水泥固结岩石样品的温度变化，利用商业软件ANSYS Workbench v14.5对增压装置热循环试验过程中的瞬态热传递进行模拟。用常压装置热循环试验过程中采集到的温度对数值方法进行校准。模拟过程中考虑了热平台至增压室的热传导和增压室外表面至周围环境的热对流，对流传热系数取5 W/(K·m²)，表 1列出了数值模拟考虑的热特性，所用岩石为砂岩。

热循环过程中的温度间隔选为4~110 ℃。当温度高于110 ℃时，硅酸盐水泥强度会衰减。模拟结果显示，如果热平台的温度间隔设为-1~130 ℃，就会实现水泥环4~110 ℃的温度间隔(见图 7)。单温度循环中顶部水泥-套管和水泥-地层界面温度变化如图 7a所示，而沿着热循环获得的等温分布如图 7b所示。

对于单温度循环，热板控制输入如下：①在室温下，以1.5 ℃/min的速率加热热板；②加热热板至130 ℃，保持恒温4 h；③以1.5 ℃/min的速率冷却至-1 ℃，保持恒温4 h；④以1.5 ℃/min的速率加热热板至室温^[25]。

2 X射线CT表征分析

通过测量X射线的衰减，CT扫描仪生成一摞水泥固结岩石样品的投影图像，继而被重建为2D横截面图像。根据样品和电压、电流、探测器数量及扫描时间等扫描参数的不同，CT图像分辨率在100~200 mm之间不等。但是，一些水泥环缺陷可能比这个分辨率小，因此目前不可能探测到。用AVIZO软件分析样品的CT数据和3D重建。

利用CT图像获得3D体积和可视化的过程如图 8所示，图 8a为CT图像的典型实例。从图可以看出，环空中的水泥含有裂缝和空隙，而且在某些区域，水泥-套管界面和水泥-地层界面胶接质量也很差。在图 8b中，根据强度阈值梯度对水泥环中的脱粘区域和空隙进行分割，并用不同的颜色表示，蓝色表示水泥-套管交界面的空隙，绿色表示水泥-地层界面的空隙，红色表示水泥环中的空隙和裂缝。图 8c和图 8d说明了一摞2D CT图像组合成3D体积的过程，然后提取脱粘体积和空隙作为一个单一数据组(见图 8e)。

为了评价每个样品水泥-套管界面和水泥-地层界面的胶接质量，通过查找水泥与套管、水泥与地层的直接接触面计算胶接比例，100%的胶接相当于整个交界面上材料的完美接触，而0%的胶接相当于材料之间没有直接接触。另外，还计算了水泥环中的裂缝/空隙体积百分比，计算结果表明水泥存在潜在的泄漏风险。这在水泥环缺陷3D重建CT图像中得以体现^[25]。

3 试验结果

为了演示增压装置的功能和实用性，在不同套管表面和不同岩石情况下进行试验，为了对比，在适当位置也显示了常压装置的试验结果^[25]。

3.1 不同套管表面

为了模拟现场情形，选择铣削光泽面、喷砂面和油基钻井液薄膜面3种表面的钢管作为套管，并且所有样品都用Saltwash North砂岩作为围岩。图 9显示了常压装置和增压装置样品重建的CT可视化效果。表 2列出了水泥胶接和裂缝百分比。

从图 9和表 2可以看出，增压装置比常压装置提供了更好的初次注水泥作业，其可能原因是压力增大或混合过程中水泥浆中滞留的气泡(气泡尺寸随着压力的增大而减小)导致水泥的应力状态差异。油基钻井液薄膜面套管样品的水泥-套管界面胶接质量最差，这可能由钻井液引起，但压力增大提高了胶接质量；喷砂面套管样品也存在相对较差的水泥-套管界面胶接质量，这可能是套管表面粗糙，滞留了空气的原因。如果是这样，泵入而不是浇注水泥浆应能提高胶接质量。

3种不同套管表面样品增压装置的热循环结果见图 10和图 11。从图可见，3种套管表面样品的水泥环完整性没有明显差别，因此不能确定热循环过程中套管表面对水泥环完整性有决定性影响。

观察所有样品发现，热循环过程中脱粘和开裂从已有的缺陷和裂缝开始，这说明良好的初次注水泥作业极为重要，这与之前的研究结果一致^{[17, 24]}。

3.2 不同地层

选择Saltwash North砂岩和Mancos页岩代表常见的地层岩石，砂岩作为储层岩石，页岩作为盖层。用页岩作为盖层的水泥环完整性试验极为重要，这是因为环空水泥通常充当盖层中的屏障。在这些试验中使用了光泽面套管。热循环前、后样品的水泥环完整性CT可视化效果如图 12所示，胶接和裂缝量化结果如图 13所示，并与图 10和图 11中砂岩样品试验结果进行对比。

从图 12和图 13可以看出，热循环过程中，砂岩样品的水泥环完整性变化比页岩样品的大，且其水泥-地层界面胶接质量和裂缝体积都有微小变化，而泥岩样品仅水泥-套管界面胶接质量发生变化。这些结果与文献[14]和[24]的试验结果一致。L.BOUKHELIFA等发现，硬围岩(即高弹性模量)引起水泥环中的裂缝较少，热循环过程中从已存在的缺陷开始脱粘。应注意的是：页岩和砂岩样品之间水泥环质量有很大差别，特别是胶接至地层(绿色)和水泥环中的缺陷(红色)。迄今为止，虽然已经做过的平行试验太少，不能得到决定性的结论，但是该差别可能是水泥凝固之前从水泥环向岩石的流体损失引起。与页岩相比，砂岩更高的孔隙度导致更多的流体损失，因此砂岩样品的水泥环比页岩样品水泥环的缺陷和空隙多。如果在水泥浆中添加降滤失剂，则会在一定程度上解决该问题。

4 讨论与分析

虽然新型试验装置和试验步骤为水泥环完整性测定和认识提供了新的机会，有诸多优势，但也存在一些局限性，尤其是在现场条件下。

4.1 主要优势

(1) 试验装置采用模块化设计，可用不同类型的岩石、套管、水泥体系及钻井液进行试验，而且还可对不同水泥添加剂、水泥体系及其他环形密封剂材料进行评价。

(2) 应用试验装置可进行热循环试验，加热与冷却过程中可控制升、降温速度和持续时间，从而控制温度变化。

(3) X射线CT是一个强大的、非破坏性的表征技术，可实现水泥环中微环空和裂缝的3D可视化，还可量化水泥-套管界面、水泥-地层界面的脱粘分离及水泥环中裂缝占比。

4.2 局限性

(1) 试验装置按比例缩小，这在轴向上具有重要意义，但或许在径向上特别重要。它与现场全尺寸装置相比，产生了不同的应力状态，而且装置中产生的微环空和裂缝可能不按比例缩小。因此，热循环试验结果和次数并不能代表现场情况。

(2) 外边界条件与现场有很大不同。增压装置中的岩石外径仅为152 mm，而现场岩石的外径尺寸为无限大，热循环过程中，会极大地阻止套管和水泥膨胀。装置中岩石周围无限制的缺乏会导致岩石产生热膨胀，从而解释了热循环过程中水泥环完整性无明显变化。

(3) 试验装置中，水泥浆浇注入环空，这与现场泵入方式明显不同。如果能实现泵入方式，那么初次注水泥质量将会得到提高。

(4) 因为水泥固化温度为66 ℃，而CT扫描在室温下进行，所以温度降低影响了水泥环质量。故第一次CT扫描获得的水泥环初始状态与固化后水泥环实际初始状态不同。

(5) 径向上CT扫描仪的分辨率只限于100~200 mm，观察不到小于该分辨率的任何裂缝和脱粘区域。因此，热循环过程中，有可能不能观察到并量化样品中发生的水泥降解，而且套管X射线散射可能影响试验结果。

(6) 通过模拟预测了样品的温度分布，没有进行直接测量，因此不知道特定时间样品的实际温度，特别是页岩样品，因为其模拟基于砂岩进行。

5 结论与建议

(1) 新型水泥环完整性可视化和量化试验装置可用不同类型的岩石、套管、水泥体系及钻井液进行试验，通过X射线CT扫描能够实现水泥环完整性的量化和3D可视化。

(2) 虽然试验结果未必代表现场情形，但该新型试验装置很适合定性研究不同间隙、井眼尺寸和岩石类型对不同水泥体系完整性的影响，从而深刻认识水泥环降解机理。

(3) 建议对试验装置和试验步骤进行改进，实现岩石周围更多的限制及水泥浆泵入方式，并使用分辨率更高的CT扫描仪，从而观察微小裂缝的脱粘区域。在此基础上，进行更多类型的岩石、不同尺寸套管及不同水泥体系的试验，为多环境下的现场施工提供借鉴。