固井自修復(fù)水泥性能評價方法研究

雷鑫宇，李小可，于小榮，張直建，齊志剛，胡 潔

(1.中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司，成都 610041;2.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，成都 610500;3.中國石化勝利油田鉆井工藝研究院，山東東營 257000;4.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津塘沽 300450)

常規(guī)固井水泥環(huán)由于剛性較強(qiáng)，在完井和增產(chǎn)改造過程中易因為受到?jīng)_擊、震動而產(chǎn)生裂紋，即使在正常生產(chǎn)階段，復(fù)雜的地層應(yīng)力波動、地層蠕動也可能導(dǎo)致水泥環(huán)出現(xiàn)微裂隙［1］。微裂隙繼續(xù)延伸發(fā)育，最終可能造成水泥環(huán)封固失效的嚴(yán)重后果。因此，使水泥環(huán)具備受損后自診斷和自修復(fù)能力的新技術(shù)—固井自修復(fù)水泥技術(shù)，成為近年來固井液的研究熱點(diǎn)［2］。

自修復(fù)水泥作為固井水泥行業(yè)一種新興的特種水泥體系，其自修復(fù)性能尚未有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)供技術(shù)人員參照，大多是實驗者參照自愈合混凝土的評價方法，結(jié)合油井水泥試驗方法自行設(shè)立評價指標(biāo)進(jìn)行。然而，自愈合混凝土和固井自修復(fù)水泥之間巨大的差異，使這一處理方式存在較大缺陷。筆者設(shè)計了一套新的評價方法，并對此方法的完善進(jìn)行展望。

1 油氣井自修復(fù)水泥與自愈合混凝土的差異

雖然自愈合混凝土的測試方法對設(shè)立油氣井自修復(fù)水泥的自修復(fù)效果的評價方法具有較高的借鑒價值，然而兩者的差異顯著［3］。首先，二者所處的環(huán)境不同，混凝土多處在開放的大氣環(huán)境中，而固井水泥基本是在密閉的井下，浸沒流體包括地層水、原油和乳化油等，溫度和壓力也隨井深變化;其次，油井水泥添加劑的種類多，水泥漿配方復(fù)雜性高;最后，界面膠結(jié)情況不同，混凝土只需考慮水泥基材料自身的膠結(jié)，而固井水泥環(huán)則有與地層的第二界面膠結(jié)和與套管的第一界面膠結(jié)。因此，有必要對現(xiàn)有可借鑒的評價方法進(jìn)行校正，對簡單可行的新評價方法進(jìn)行探索，從而提高實驗結(jié)果對現(xiàn)場應(yīng)用的指導(dǎo)價值。

2 固井自修復(fù)水泥性能評價方法

在文獻(xiàn)調(diào)研和研究室前期研究成果的基礎(chǔ)上［4－7］，建立了一套簡單實用的自修復(fù)效果評價方法。該方法主要針對作用機(jī)理為微膨脹和滲透結(jié)晶的固井自修復(fù)材料。

自修復(fù)水泥配方為:嘉華G級水泥+3%微硅+0.8%改性聚乙烯醇型降失水劑SWJ－7+1.2%醇醛縮合型分散劑SWJZ－1+2%滲透結(jié)晶型自修復(fù)劑CW－3(F);水灰比:0.46。

2.1 水泥試樣的微裂縫模擬

將養(yǎng)護(hù)成型的水泥石固定在壓力機(jī)夾持裝置上，用自制刀具在恒定的緩速壓力加載下對水泥石進(jìn)行人工造縫，人造微裂縫統(tǒng)一為φ25 mm×25 mm或φ50 mm×50 mm。制縫結(jié)果及規(guī)格見圖1和圖2。

圖1 “一字”型微裂縫

圖2 “十字”型微裂縫

在人造微裂縫時，為模擬水泥環(huán)受地層擠壓蠕動或射孔試油施工等造成的微裂縫，將水泥石首次損傷時的裂縫制成“一”字型裂縫。而在油氣井實際生產(chǎn)的過程中，還會遇到壓裂、二次壓裂等施工的情況，水泥環(huán)亦會受到重復(fù)的損傷，故在養(yǎng)護(hù)一定齡期后為考察自修復(fù)效果的持續(xù)性，于首次壓開處重復(fù)壓開裂縫，或于原裂縫垂直位置處再造一裂縫，形成“十”字型裂縫。通過這一方法可考察微裂縫形態(tài)對自修復(fù)效果的影響。

2.2 固井自修復(fù)水泥養(yǎng)護(hù)裝置

為模擬水泥環(huán)所處的復(fù)雜井下條件，設(shè)計了一套水泥試件養(yǎng)護(hù)裝置。該裝置通過支架將釜體空間分為3部分，可同時考察3種養(yǎng)護(hù)介質(zhì)下水泥試件自修復(fù)效果，在增強(qiáng)模擬性的同時，提高了設(shè)備的利用效率。實驗中養(yǎng)護(hù)條件為75℃、8 MPa。圖3為養(yǎng)護(hù)裝置的示意圖。

圖3 水泥試件養(yǎng)護(hù)裝置示意

3 水泥試樣的自修復(fù)性能評價

3.1 抗壓強(qiáng)度

流體經(jīng)人造裂縫滲入水泥石內(nèi)部，激活自修復(fù)材料，自修復(fù)材料的內(nèi)向作用改善了水泥石的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了致密性，使水泥試件的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期延長而提高。以恒定加載速度加壓至水泥石破碎，根據(jù)壓力機(jī)讀數(shù)計算水泥石抗壓強(qiáng)度。表1為造縫自修復(fù)水泥試件經(jīng)養(yǎng)護(hù)一定齡期后的抗壓強(qiáng)度。

表1 自修復(fù)水泥抗壓強(qiáng)度

由表1可見，分層養(yǎng)護(hù)下的水泥石強(qiáng)度發(fā)育具有明顯差異。由于自修復(fù)劑CW－3(F)的有效成分主要為水溶性，故滲入流體為水時，強(qiáng)度發(fā)育更快。

3.2 膠結(jié)強(qiáng)度/多次膠結(jié)強(qiáng)度

膠結(jié)強(qiáng)度/二次膠結(jié)強(qiáng)度體現(xiàn)水泥石在自修復(fù)材料外向作用下微膨脹的效果。例如，水泥石在經(jīng)重復(fù)頂替后經(jīng)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)仍存在膠結(jié)強(qiáng)度，則既能提供二次膠結(jié)能力使松動的水泥環(huán)重新膠結(jié)，也可提供擠壓閉合作用力促進(jìn)微裂縫閉合。

圖4 養(yǎng)護(hù)1 d后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)時間對膠結(jié)強(qiáng)度的影響

圖5 養(yǎng)護(hù)3 d后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)時間對膠結(jié)強(qiáng)度的影響

圖6 養(yǎng)護(hù)7 d后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)時間對膠結(jié)強(qiáng)度的影響

將配制好的自修復(fù)水泥漿倒模，一定條件下養(yǎng)護(hù)1 d，3 d等不同齡期后測試膠結(jié)強(qiáng)度，此次頂替僅進(jìn)行至可讀取數(shù)據(jù)即可，并不完全脫模，再將具模試件放回養(yǎng)護(hù)釜中養(yǎng)護(hù)，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)1 d，3 d等不同齡期后取出，按照類似方法多次測試膠結(jié)強(qiáng)度。以第一界面(水泥環(huán)與套管的膠結(jié)面)為例，測試自修復(fù)水泥的膠結(jié)/多次膠結(jié)強(qiáng)度，并與凈漿(未加CW－3(F)的水泥漿)比較，結(jié)果見圖4、圖5、圖6和圖7。自修復(fù)水泥石的多次膠結(jié)強(qiáng)度明顯高于凈漿水泥石，在重復(fù)頂替后，自修復(fù)水泥石的膠結(jié)強(qiáng)度下降趨勢明顯平緩。

圖7 養(yǎng)護(hù)14 d后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)時間對膠結(jié)強(qiáng)度的影響

3.3 滲透率

自修復(fù)水泥環(huán)出現(xiàn)微裂縫后，滲入水激活滲透結(jié)晶成分，生成結(jié)晶體堵塞微裂縫，阻止了微裂縫的繼續(xù)發(fā)育，降低了水泥石滲透率，維持了水泥環(huán)的封固性。將自修復(fù)水泥石試件人工制造微裂縫后測定初始滲透率，在75℃、8 MPa條件下養(yǎng)護(hù)相應(yīng)齡期后取出測定不同齡期的滲透率，結(jié)果見表2。

表2 自修復(fù)水泥滲透率

由表2可見，分層養(yǎng)護(hù)下的水泥石滲透率具有明顯差異。養(yǎng)護(hù)介質(zhì)為水時，微裂縫愈合情況較好，滲透率明顯降低。

4 結(jié)論與建議

針對以滲透結(jié)晶和微膨擠壓兩種作用機(jī)理的自修復(fù)水泥體系，設(shè)計了一套專用養(yǎng)護(hù)裝置并建立了配套的評價方法。養(yǎng)護(hù)裝置提高了對水泥環(huán)所處復(fù)雜環(huán)境的模擬程度和儀器的使用效率。評價方法簡單實用，實驗數(shù)據(jù)豐富可靠。結(jié)合近年來固井自修復(fù)水泥的發(fā)展趨勢和工程施工需要，對其評價方法的完善提出以下建議:

1)利用造縫儀或射孔槍進(jìn)行模擬造縫［8］，可使微裂縫的形態(tài)更加多樣化。

2)利用XRD分析儀和元素分析儀對自修復(fù)水泥石微裂縫斷面的晶體礦物成分進(jìn)行分析，了解其物相組成，可對自修復(fù)機(jī)制有更深入的研究。

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［4］陳大鈞，雷鑫宇，李芹，等.雙重強(qiáng)化界面膠結(jié)強(qiáng)度技術(shù)［J］.鉆井液與完井液，2014，31(1):57 －59.

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［8］楊振杰，馬成云，朱海濤，等.自修復(fù)固井前置液實驗研究［J］.鉆井液與完井液，2013，30(2):55 －58.