固井水泥環(huán)自愈合技術(shù)研究及應(yīng)用
——以東方1-1氣田尾管回接固井為例

項(xiàng)先忠，孟青山，符軍放，許偉漢，羅東輝，段 超，趙 慧 .

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北廊坊 065201；2. 中海油服油田化學(xué)事業(yè)部湛江作業(yè)公司，廣東湛江 524051)

固井水泥環(huán)自愈合技術(shù)研究及應(yīng)用
——以東方1-1氣田尾管回接固井為例

項(xiàng)先忠1，孟青山2，符軍放1，許偉漢2，羅東輝2，段 超2，趙 慧2.*

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北廊坊 065201；2. 中海油服油田化學(xué)事業(yè)部湛江作業(yè)公司，廣東湛江 524051)

本文針對油井水泥環(huán)密封失效引起的井口帶壓問題，對油氣響應(yīng)型固井自愈合水泥漿技術(shù)進(jìn)行了研究。研究包括油氣響應(yīng)型自愈合水泥石遇油(煤油)自愈合能力評價(jià)、遇帶壓有機(jī)氣體自愈合能力評價(jià)及自愈合水泥石力學(xué)性能評價(jià)。研究表明：自愈合水泥石即使遭到破壞出現(xiàn)微裂縫/環(huán)隙，當(dāng)油或有機(jī)氣體通過時(shí)，自愈合功能材料能夠即時(shí)被激活，隨時(shí)對竄流通道進(jìn)行有效封堵，重新建立有效水力封隔。另外，固井自愈合水泥石彈性模量低、泊松比高，彈韌性好，不易出現(xiàn)微裂縫/環(huán)隙；溫變/壓變破壞模擬裝置的評價(jià)進(jìn)一步證明，自愈合水泥石不容易被破壞。此油氣響應(yīng)型固井自愈合水泥漿體系在東方1-1氣田尾管回接固井中成功應(yīng)用，至今未出現(xiàn)井口帶壓現(xiàn)象，證明該技術(shù)是解決井口帶壓問題的新途徑，值得做進(jìn)一步的研究與探討。

固井；尾管回接；自愈合水泥漿；井口帶壓；高溫高壓

水泥環(huán)密封失效是油氣井固井經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，針對此現(xiàn)象，國內(nèi)外研究和運(yùn)用了大量防竄水泥漿體系和專用技術(shù)[1-5]；但由于產(chǎn)生微間隙和微裂縫的原因比較復(fù)雜，因此無論采取什么措施都很難完全避免，預(yù)防和處理的難度較大[6-11]。近年來對水泥基材料微裂縫自愈合機(jī)制的建立，為預(yù)防和解決油井井口帶壓問題提供了新的途徑。現(xiàn)有的水泥基材料自愈合技術(shù)主要有微膠囊自愈合、液芯自愈合、滲透結(jié)晶自愈合、聚合物自愈合、油氣響應(yīng)型自愈合等[7]，其中在油井工程中應(yīng)用比較成功的是油氣響應(yīng)型自愈合技術(shù)。早在2007年，Schlumberger公司即研究出FUTUR油氣響應(yīng)型固井自愈合技術(shù)，并成功應(yīng)用在在加拿大阿爾伯特油田的環(huán)空帶壓井及德國、意大利地下儲氣庫井[12-15]。與其他防竄水泥漿體系相比，該水泥漿體系最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠兼顧水泥石微裂縫/環(huán)隙的前期預(yù)防和后期的自我修復(fù)。這是因?yàn)橛蜌忭憫?yīng)型自愈合材料的引入增加了水泥石的彈韌性，同時(shí)在遇到井下帶壓有機(jī)流體時(shí)能夠被激活，產(chǎn)生微膨脹封堵油氣的竄流通道。本論文創(chuàng)新工作思路，即針對此類型的固井自愈合技術(shù)，所用固井自愈合材料吸油倍率在十倍以上，遇帶壓有機(jī)流體后能夠被迅速激活，膨脹、膠結(jié)現(xiàn)象明顯。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

API G水泥來自淄博中昌特種水泥有限公司；自愈合材料PC-SH來自于天津中海油服化學(xué)公司，其密度為0.9 g/cm3。

符合API規(guī)范的配漿設(shè)備及試模，姜堰市杰克機(jī)械廠鉆孔取樣機(jī)，荊州創(chuàng)聯(lián)高溫高壓巖芯流動(dòng)試驗(yàn)儀，TAW-2000型電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)、 200噸壓力動(dòng)態(tài)記錄系統(tǒng)、高精度50 cm×100 cm應(yīng)變引伸計(jì)，水泥石溫變/壓變破壞模擬裝置(發(fā)明專利申請?zhí)枺?01410051851.9)。

1.2 試驗(yàn)方法及過程

(1)配漿。

依據(jù)API R10B規(guī)范配制表1中各水泥漿。

表1 水泥漿配方Table 1 The cement slurry formulation

注：水固比表示漿體中水及液體添加劑與漿體中固體材料的質(zhì)量比，固相體積分?jǐn)?shù)表示漿體中固體材料的體積占總漿體體積的百分?jǐn)?shù)。材料代號PC-G80：降失水劑；PC-F40：分散劑；PC-X60：消泡劑；PC-SH：自愈合材料。

(2)遇油自愈合能力評價(jià)。

對表1中水泥漿，采用常壓水浴(90℃)養(yǎng)護(hù)釜養(yǎng)護(hù)24 h。用鉆孔取樣機(jī)對模塊取芯(2.54 cm×5 cm)并做斷面處理后，放在壓力機(jī)上造人工裂縫，保證裂縫上下貫通，測量裂縫寬度范圍為100～250 μm。將帶裂縫的水泥石芯放入高溫高壓巖芯流動(dòng)試驗(yàn)儀巖芯夾釋器中，啟動(dòng)設(shè)備使特定溫度、恒定流量的油(煤油)從水泥石芯裂縫流過。本試驗(yàn)通過檢測水泥石芯前后壓差變化，衡量水泥石芯裂縫封堵修復(fù)能力。

(3)遇有機(jī)氣體自愈合能力評價(jià)。

將(2)中帶裂縫的水泥石芯放入高溫高壓巖芯流動(dòng)試驗(yàn)儀巖芯夾釋器后，將夾釋器前的管線連接到0.5 MPa的煤氣源，夾釋器后面連接氣體流量計(jì)，測量流經(jīng)帶裂縫的水泥石柱天然氣的流量變化，尾氣采取燃燒的方式處理。

(4)自愈合水泥石力學(xué)性能評價(jià)。

①用TAW-2000型電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)測量自愈合水泥石波松比和彈性模量；②采用水泥石溫變/壓變破壞模擬裝置(發(fā)明專利申請?zhí)枺?01410051851.9 )實(shí)現(xiàn)套管內(nèi)溫度壓力交替變化，使套管在一定范圍內(nèi)重復(fù)膨脹和縮小，從而不斷給套管外的水泥環(huán)一定的破壞應(yīng)力；通過監(jiān)測是否發(fā)生氣竄判斷水泥環(huán)是否出現(xiàn)微環(huán)隙/裂縫封隔失，從而達(dá)到檢驗(yàn)水泥石力學(xué)性能的目的。

2 結(jié)果與討論

2.1 遇油自愈合能力評價(jià)

本試驗(yàn)通過測量水泥石芯前后壓差變化，以承壓能力衡量自愈合能力，設(shè)定壓差達(dá)到7 MPa的水泥石完成裂縫自愈合，評價(jià)結(jié)果如圖1所示。

圖1 自愈合水泥石遇油自愈合能力評價(jià)Fig.1 Self-healing capability in oil

圖1中黑線為帶裂縫的普通水泥石通油前后的壓差變化，紅線為帶裂縫加自愈合材料的水泥石通油后的壓差變化。由圖1可以看出，常規(guī)水泥石在通煤油后，隨著時(shí)間的推移，帶裂縫的水泥石芯前后壓差變化不大，說明常規(guī)水泥石不具備裂縫自我修復(fù)能力；自愈合水泥石在通煤油后隨著時(shí)間的推移，帶裂縫的水泥石芯前后壓差越來越大，1 h后達(dá)到7 MPa，說明自愈合水泥石遇油具備自愈合的能力。

2.2 遇有機(jī)氣體自愈合能力評價(jià)

本試驗(yàn)采取恒定壓力檢測流量的方法完成，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可見，自愈合水泥石通過帶壓有機(jī)氣體1 h后，氣體通過量減少95%以上，可認(rèn)為已經(jīng)完成對氣流通道的封堵；而普通水泥石不具備自愈合功能，24 h后通過的有機(jī)氣體量并沒有減少。

圖2 自愈合水泥石遇帶壓有機(jī)氣體自愈合能力評價(jià)Fig.2 Self-healing capability in pressured organic gas

2.3 自愈合水泥石力學(xué)性能評價(jià)

2.3.1 水泥石單軸壓縮變形試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用TAW-2000型電液伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，配合200噸壓力動(dòng)態(tài)記錄系統(tǒng)及高精度應(yīng)變引伸計(jì)，通過聯(lián)想計(jì)算機(jī)及試驗(yàn)機(jī)配套數(shù)據(jù)分析軟件，獲得自愈合水泥石單軸壓縮及變形試驗(yàn)結(jié)果，見表2。

表2 水泥石力學(xué)參數(shù)測定表Table 2 Cement mechanical properties

由表1可見，在水泥漿中加入自愈合材料后抗壓強(qiáng)度達(dá)到現(xiàn)場要求，彈性模量降低35%，即自愈合水泥石脆性降低、彈韌性增加、機(jī)械性能更好、更不容易出現(xiàn)微裂縫/環(huán)隙，這可通過以下試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.3.2 溫變/壓變破壞模擬裝置評價(jià)

本試驗(yàn)采用3種1.90 g/cm3不同水泥漿體系做對比試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為90℃，加載壓力為6895 kPa，試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖5所示。由圖3可見，在試驗(yàn)條件下，常規(guī)水泥石壓力循環(huán)加載6次后出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象。由圖4可見，在試驗(yàn)條件下，膠乳加量10%的水泥石壓力循環(huán)加載10次后出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象。由圖5可見，在試驗(yàn)條件下，自愈合水泥石壓力循環(huán)加載15次后，仍未出現(xiàn)氣竄現(xiàn)象。此試驗(yàn)說明彈性模量低的自愈合水泥石彈韌性好，在不破壞自愈合水泥環(huán)的主體和膠結(jié)面完整性前提下，能夠跟隨套管在一定范圍內(nèi)一起膨脹或者收縮，即自愈合水泥石在界面產(chǎn)生膠結(jié)強(qiáng)度后保持性更好，整個(gè)水泥環(huán)水力封隔不容易被破壞，不容易出現(xiàn)微裂縫/環(huán)隙，從而可有效避免出現(xiàn)油氣竄流通道問題。

3 固井自愈合水泥漿現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景及設(shè)計(jì)方案

圖3 常規(guī)水泥石試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 The experimental results of conventional cement stone

圖4 膠乳水泥石試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 The experimental results of latex cement stone

東方1-1氣田位于南海北部大陸架西區(qū)的鶯歌海盆地，在此氣田的固井尾管回接過程中存在固井第一膠結(jié)面易形成微間隙、生產(chǎn)后期應(yīng)力破壞以及高溫破壞水泥環(huán)造成井口套管環(huán)空帶壓風(fēng)險(xiǎn)的缺點(diǎn)。陸地油田尾管回接曾使用氣體膨脹水泥漿體系、晶格膨脹水泥漿體系、套管外封隔器輔助固井工藝等技術(shù)，雖然起到了一定的效果，但生產(chǎn)后期仍存在不同程度的井口帶壓現(xiàn)象。中海油服油化事業(yè)部湛江作業(yè)公司聯(lián)合中海油服油化研究院經(jīng)過深入的研究，提出“三重防線”的設(shè)計(jì)方案，其中固井自愈合水泥漿作為最后一道防線在尾管回接中應(yīng)用，如圖6所示。固井自愈合水泥漿在尾管回接的有限剛性空間內(nèi)，更能充分發(fā)揮水泥石楊氏模量低、彈韌性好、力學(xué)性能優(yōu)良、不易出現(xiàn)微裂縫/環(huán)隙等優(yōu)點(diǎn)，有效保證了尾管回接水泥漿長期有效的水力封隔，為解決生產(chǎn)后期不同程度井口帶壓問題打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖5 自愈合水泥石試驗(yàn)結(jié)果圖Fig.5 The experimental results of self-healing cement stone

圖6 尾管回接“三重防線”示意Fig.6 The three lines of defense in packer-type liner tieback

3.2 固井自愈合水泥漿配方及性能評價(jià)

(1) 自愈合水泥漿配方及基本性能見表3：

表3 自愈合水泥漿基本性能表Table 3 The properties of self-healing cement

(2)稠化時(shí)間。

對上述自愈合水泥漿配方中緩凝劑PC-H40L加量調(diào)整，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可見，自愈合水泥漿配方稠化時(shí)間可調(diào)，不存在緩凝劑加量的敏感情況，另外停開機(jī)試驗(yàn)曲線正常。

表4 自愈合水泥漿緩凝劑加量與稠化時(shí)間表Table 4 The thickening time of self-healing cement

(3)水泥石耐溫性。

將上述配方進(jìn)行超聲波(靜膠凝)強(qiáng)度測試試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為140 ℃，試驗(yàn)時(shí)間而336 h，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，水泥石在140 ℃經(jīng)過336 h后未出現(xiàn)熱衰退現(xiàn)象，強(qiáng)度仍保持不變。

3.3 應(yīng)用結(jié)果

在現(xiàn)場配漿過程中，自愈合材料能夠用常規(guī)方法均勻混入油井水泥中，在水泥漿中分布均勻，漿體穩(wěn)定、流變形好，且與上層樹脂水泥漿體系有良好的兼容性。本次作業(yè)于2014年11月份在東方1-1區(qū)塊完成自愈合水泥漿體系5口尾管回接固井，第一口井測井質(zhì)量優(yōu)(圖8)，至今仍未出現(xiàn)井口帶壓現(xiàn)象，成功解決了第一界面膠結(jié)不好及尾管回接井口帶壓問題。

圖7 水泥石靜膠凝強(qiáng)度結(jié)果圖Fig.7 The static gel strength of cement slurry

圖8 尾管回接電測固井質(zhì)量Fig.8 The Electrical measurement of cementing quality

4 結(jié)論

(1)油氣響應(yīng)型自愈合水泥石楊氏模量低、波松比高、脆性低、韌性好、機(jī)械性能好、承受應(yīng)力破壞能力強(qiáng)，更不容易出現(xiàn)微裂縫/環(huán)隙，水泥環(huán)完整性更不容易被破壞。

(2)若由于地層應(yīng)力變化或溫度變化等引起自愈合水泥石出現(xiàn)裂縫，并有帶壓有機(jī)流體通過時(shí)，自愈合水泥石能夠在不中斷生產(chǎn)的情況下自動(dòng)完成對微裂縫/環(huán)隙的封堵，保證水泥環(huán)的長久封隔。

(3)所選自愈合材料能夠用常規(guī)方法均勻混入油井水泥中， 與常規(guī)固井水泥漿體系有良好的兼容性。自愈合水泥漿在流變、強(qiáng)度、稠化、失水、漿體穩(wěn)定性、耐溫性等常規(guī)性能方面均達(dá)到固井要求。

(4)本次固井自愈合水泥漿在東方1-1尾管回接固井的成功應(yīng)用，說明固井自愈合水泥漿技術(shù)是保證水泥環(huán)長久完整性、解決井口帶壓問題的有效途徑，值得做進(jìn)一步的研究與探討。

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TheStudyandApplicationofSelf-healingCement—Taking the Drilling Liner Cementing Technique of Dongfang 1-1 Gas Field as an Example

Xiang Xianzhong1, Meng Qingshan2, Fu Junfang1, Xu Weihan2, Luo Donghui2, Duan Chao2, Zhao Hui2

(1.OilfieldChemicalsR&DInstitute,COSL,Langfang,Hebei065201,China; 2.OilfieldServicesLimitedOilfieldChemicalsZhanjiangBranch,Zhanjiang,Guangdong524051,China)

In order to deal with sustained casing pressure caused by seal failure of cement sheath, the hydrocarbon response self-healing cement has been researched. The research to the self-healing cement stone included self-healing capability in oil, self-healing capability in pressured organic gas, mechanical property evaluation. If the self-healing cement was destroyed, the pressured hydrocarbon flowed into micro-fracture, the material would be activated and plug the channel. The effective hydraulic isolation would be established again. While the self-healing cement stone has low elasticity modulus, high Poisson’s Ratio and better mechanical properties. And the evaluation of the destroyed simulation device by temperature & pressure change proved that the self-healing cement stone is more difficult to be destroyed. The self-healing cement technology was successful applied to the packer-type liner tieback cementing in the DF1-1 block. No sustained casing pressure has occurred so far. It was proved that self-healing cement slurry is a new measure to deal with the sustained casing pressure.

cement stone; packer-type liner tieback; self-healing cement; sustained casing pressure; HTHP

項(xiàng)先忠(1980—)，男，碩士，工程師，主要從事油田固井研發(fā)及相關(guān)工藝技術(shù)工作。郵箱：xiangxzh@cosl.com.cn.

TE19

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