氣井水泥環(huán)長期密封失效機理及預(yù)防措施

陶 謙

(1頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室 2中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院)

在國內(nèi)外天然氣井中，環(huán)空帶壓現(xiàn)象比較普遍。在墨西哥灣OCS地區(qū)，15 500口生產(chǎn)、關(guān)閉及臨時廢棄井中，約6 692口井(43%)至少有一層套管環(huán)空帶壓，套管帶壓總數(shù)為10 153層。其中，47.1%屬于生產(chǎn)套管帶壓，16.3%屬于技術(shù)套管帶壓，26.2%屬于表層套管帶壓，10.4%屬于導(dǎo)管帶壓。由于大部分氣井擁有多層套管結(jié)構(gòu)，從而為判定事故原因和實施針對性補救措施帶來困難，每口井平均補救費用高達(dá)100多萬美元。在我國，中石油塔里木油田分公司克拉2、迪那2等氣田已經(jīng)出現(xiàn)90多口井生產(chǎn)套管起壓現(xiàn)象，2008年克拉2氣田投入生產(chǎn)的14口井中，有12口井生產(chǎn)套管帶壓。普光主體投產(chǎn)的35口氣井中有28口井油套帶壓，13口井技套帶壓，9口井表套帶壓，給氣井的長期生產(chǎn)帶來安全隱患[1-4]。

一、水泥環(huán)密封能力的物理模擬試驗裝置和程序

目前國內(nèi)外學(xué)者主要通過數(shù)值模擬和簡單物理模擬試驗開展水泥環(huán)密封能力的評價[5-6]。為了研究實際工況條件下，井下溫度、壓力變化對長齡期過程中水泥環(huán)密封能力的影響規(guī)律，針對?139.7 mm生產(chǎn)套管，采用全尺寸試驗裝置，開展了物理模擬試驗研究。

圖1 水泥環(huán)密封性評價裝置

1內(nèi)筒 2水泥環(huán) 3外筒 4冷卻管 5溫度傳感器 6加熱管 7上密封蓋 8下密封蓋 9氣體流量計 10溫度、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣流量調(diào)節(jié)表 11系統(tǒng)/加熱開關(guān) 12氣源 13壓力跟蹤泵 14控制與記錄系統(tǒng)

裝置原理及試驗方法(圖1所示)：內(nèi)筒采用?139.7 mm全尺寸生產(chǎn)套管，外筒采用不同壁厚的?244.5 mm模擬地層金屬筒，采用平面應(yīng)變理論，能夠模擬壓裂過程水泥環(huán)受到相同大小應(yīng)力時，與地層產(chǎn)生相同大小的變形量，實現(xiàn)地層對水泥環(huán)的同等力學(xué)約束；澆注水泥漿，并在模擬地層溫度壓力環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間72 h；通過壓力和溫度控制系統(tǒng)模擬井筒內(nèi)部壓力和溫度變化規(guī)律；通過在水泥環(huán)底部注氣，測試水泥環(huán)的密封能力(4個實時氣體檢查口)和應(yīng)力應(yīng)變。

二、水泥石長齡期產(chǎn)物、力學(xué)性能及膨脹收縮的演化規(guī)律

結(jié)合水泥石自身力學(xué)性能、水化產(chǎn)物、微觀結(jié)構(gòu)，以及水泥石膨脹收縮特性等內(nèi)因，并考慮井下溫度、壓力變化等外因影響，對水泥環(huán)密封能力的影響內(nèi)因開展研究，探索高壓氣井套管環(huán)空帶壓形成機制。

1.水泥石水化產(chǎn)物及孔隙度

為了探索不同水泥漿體系在不同環(huán)境下長齡期水化產(chǎn)物的發(fā)展規(guī)律，為了對比不同溫度、水泥石滲透率、水泥石力學(xué)性能對水泥環(huán)密封能力的影響規(guī)律，對4套低溫配方和4套高溫配方開展研究[7]。低溫配方為：①嘉華G級油井水泥+5%降失水劑(FSAM)+44%水；②嘉華G級油井水泥+5%降失水劑(FSAM)+12%丁苯膠乳(DC200)+1.2%膠乳穩(wěn)定劑(SD-2)+1%分散劑(DSZ)+ 44%水；③嘉華G級油井水泥+5%降失水劑(FSAM)+5%彈性材料(SFP-1)+12%丁苯膠乳(DC200)+1.2%膠乳穩(wěn)定劑(SD-2)+1.2%分散劑(DZS)+44%水；④嘉華G級油井水泥+5%降失水劑(FSAM)+5%彈性材料(SFP-1)+44%水。高溫配方為(130℃試驗條件)：①嘉華G級油井水泥+35%硅粉(120目)+5%降失水劑(FSAM)+44%水；②嘉華G級油井水泥+35%硅粉(120目)+5%降失水劑(FSAM)+ 12%丁苯膠乳(DC200)+1.2%膠乳穩(wěn)定劑(SD-2)+1.2%分散劑(DZS)+44%水；③嘉華G級油井水泥+35%硅粉(120目)+5%降失水劑(FSAM)+5%彈性材料(SFP-1)+12%丁苯膠乳(DC200)+1.2%膠乳穩(wěn)定劑(SD-2)+1.2%分散劑(DZS)+44%H2O；④嘉華G級油井水泥+35%硅粉(120目)+5%降失水劑(FSAM)+5%彈性材料(SFP-1) +44%水。

在溫度80℃和壓力20 MPa養(yǎng)護(hù)環(huán)境測試配方1、配方2、配方3、配方4水泥石30 d、90 d、270 d水化產(chǎn)物中，30 d、90 d主要產(chǎn)物為C-S-H凝膠和Ca(OH)2，以及部分未水化的水泥熟料礦物，270 d主要水化產(chǎn)物仍為C-S-H凝膠，晶態(tài)水化產(chǎn)物主要是Ca(OH)2以及少量C2SH2，水化產(chǎn)物與早齡期相比，并未發(fā)生顯著變化， 270 d齡期水泥熟料減少，說明長齡期過程水化反應(yīng)一直存在。在溫度130℃和壓力20 MPa養(yǎng)護(hù)環(huán)境下測試7 d和270 d，水化產(chǎn)物主要產(chǎn)物為C-S-H凝膠和部分未參與水化的SiO2，隨著齡期的增加，SiO2的衍射峰強度降低，說明SiO2繼續(xù)參與反應(yīng)，形成C-S-H凝膠。270 d齡期晶態(tài)水化產(chǎn)物主要是雪鈣硅石(C5S6H5)，以及由C2SH2部分轉(zhuǎn)化而成的C2SH，硅鈣比增加，長齡期產(chǎn)物中仍有SiO2的衍射峰，說明還有未反應(yīng)的硅粉存在。通過測試80℃和130℃水化產(chǎn)物表明，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，水泥石水化產(chǎn)物相對穩(wěn)定。

在80℃和130℃養(yǎng)護(hù)條件下測試不同配方7 d和270 d齡期的水泥石孔徑分布主要在10～100 nm范圍內(nèi)，添加有膠乳等納米填充材料的水泥漿體系(配方3)，相比常規(guī)水泥漿孔隙度降低6.8% ～18.8%；添加有彈性顆粒等功能性彈性材料，相比常規(guī)水泥漿體系孔隙度增加2.6% ～10.3%。整體而言，相同水泥漿體系隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，其孔隙度呈下降趨勢，水泥石的防竄能力增強，7 d養(yǎng)護(hù)齡期與270 d齡期相比，降低幅度為5.5% ～12.5%。

2. 水泥石力學(xué)性能演化規(guī)律

圖2為不同配方水泥漿體系在不同齡期內(nèi)的抗壓強度變化規(guī)律，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，水泥石抗壓強度增加，100 d后逐步趨于穩(wěn)定。實驗結(jié)果表明，在穩(wěn)定的外部環(huán)境下，水泥石長期力學(xué)性能無劣化現(xiàn)象，具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性。

圖2 不同齡期水泥石抗壓強度

3.水泥石的膨脹收縮特性

水泥石基體收縮是影響環(huán)空水泥環(huán)密封能力的關(guān)鍵內(nèi)因。參照ISO 10426《常壓下油井水泥收縮與膨脹的測定》開展圓環(huán)水泥石膨脹收縮測試試驗，測試環(huán)境分別為干環(huán)境(絕濕，70℃)和濕環(huán)境(水浴，70℃)。圖3為配方1和配方3在兩種環(huán)境下的收縮測試，由圖3可知，在濕環(huán)境下水泥環(huán)的收縮量要小于干環(huán)境的收縮量。主要原因在于濕潤環(huán)境保證了水泥的充分水化，同時降低了干環(huán)境下毛管力引起水泥石的體積收縮。試驗表明，初凝后測試水泥石的收縮量均小于0.2%，但是該值亦能導(dǎo)致環(huán)空密封失效，尤其是在干環(huán)境下。水泥漿凝固后收縮率大于0.1%時，第二界面微環(huán)隙>0.01 mm，界面劣化易導(dǎo)致環(huán)空帶壓[7-8]。

圖3 不同齡期水泥石彈性模量

通過分析水泥石長齡期力學(xué)性能、水化產(chǎn)物及收縮特性表明，在干環(huán)境下，水泥石均表現(xiàn)出一定的收縮特性，從水泥石自身密封能力演化規(guī)律而言，干燥環(huán)境下水泥石收縮是導(dǎo)致水泥環(huán)密封能力降低的主要原因之一。

三、套管內(nèi)溫度、壓力變化對水泥環(huán)密封能力影響規(guī)律

1. 溫度對水泥環(huán)密封能力的試驗評價

采用水泥環(huán)密封能力評價裝置，選取配方1在20℃～70℃范圍內(nèi)開展溫度交替變化， 測試水泥環(huán)密封能力。在20℃養(yǎng)護(hù)水泥漿72 h后，當(dāng)溫度上升至70℃后，實測水泥環(huán)周向拉伸應(yīng)力到達(dá)3.5 MPa，大于2.5 MPa臨界拉升應(yīng)力。當(dāng)完成第一次升溫后降溫，水泥環(huán)二界面光纖式氣泡檢測儀能夠檢測到段塞式氣泡，界面出現(xiàn)劣化，溫度變化導(dǎo)致水泥環(huán)第二界面產(chǎn)生了劣化。在經(jīng)歷4次升溫，3次降溫，水泥環(huán)二界面密封失效，導(dǎo)致環(huán)空氣竄，見圖4所示。

圖4 界面氣體流量檢查

2. 壓力對水泥環(huán)密封能力的試驗評價

氣井生產(chǎn)過程中存在由熱效應(yīng)導(dǎo)致的完井液膨脹現(xiàn)象，進(jìn)而引起套壓升高。在60℃恒溫養(yǎng)護(hù)條件下，測試35 MPa循環(huán)加載方式水泥環(huán)密封能力。試驗方案如下：套管內(nèi)升壓至35 MPa，穩(wěn)壓10 min，卸壓至0 MPa，實現(xiàn)連續(xù)周期增壓和卸壓來模擬采氣過程中套內(nèi)壓力的變化，環(huán)空底部注氣壓力2.0 MPa，連續(xù)測試水泥環(huán)密封能力。

測試循環(huán)加載過程水泥環(huán)應(yīng)力應(yīng)變(圖5所示)，在12個周期測試中，水泥環(huán)外側(cè)受到周向拉升應(yīng)力小于2 MPa，徑向壓應(yīng)力峰值變化范圍21.5～25.6 MPa，在相同載荷下峰值應(yīng)變增加，主要表現(xiàn)為二界面殘余應(yīng)變的累積效應(yīng)，導(dǎo)致測量應(yīng)力值增加。通過上述加卸載試驗表明：循環(huán)加載對水泥環(huán)與套管、地層之間膠結(jié)界面的劣化存在重要影響，水泥環(huán)殘余應(yīng)變累積促使水泥環(huán)與套管之間產(chǎn)生了環(huán)隙，導(dǎo)致了環(huán)空氣竄(圖6所示)。

圖5 35 MPa加卸載條件水泥環(huán)應(yīng)力測試

圖6 35 MPa加卸載氣竄測試

四、改善水泥環(huán)長期密封能力方法

1. 改善水泥石力學(xué)性能和收縮特性

基于前人研究，結(jié)合本文試驗結(jié)果，改善高壓氣井水泥環(huán)長期密封能力的方法主要包括：① 控制水泥石的收縮；② 改善水泥石力學(xué)性能[10-11]，防止長期界面劣化。

配方3為膠乳韌性水泥漿體系，與常規(guī)水泥漿相比，其彈性模量低，滲透率低。在60℃下養(yǎng)護(hù)100 d，水泥石體積收縮量僅0.08%。35 MPa條件下開展加卸載測試，加卸載100次，未發(fā)生氣竄，壓力狀態(tài)見圖7所示。配方3水泥石彈性模量為6.5 GPa，具備了較好的彈性變形能力，單軸抗壓強度18.5 MPa，循環(huán)加載未出現(xiàn)圖5所示的累積殘余應(yīng)變累積效應(yīng)，保證了水泥石的長期密封能力。由此可知，改善水泥石力學(xué)性能，能夠有效緩解水泥石長齡期連續(xù)環(huán)空帶壓現(xiàn)象。

2. 降低水泥石滲透率

針對水泥石滲透率在不同壓差下導(dǎo)致的非連續(xù)環(huán)空帶壓現(xiàn)象， 對配方1和配方3開展水泥石密封能力測試。如圖8所示，配方1和配方3在不同壓差時，存在一定的突破壓力，即封固完整的水泥環(huán)，在上下壓差足夠大時，總能導(dǎo)致氣竄，且壓力越高，突破時間越短，越易導(dǎo)致環(huán)空帶壓現(xiàn)象。相比配方1，配方3滲透率降低66.7%，配方3表現(xiàn)出良好的抗?jié)B能力，相同條件下具有較高的突破壓力，因此降低水泥石的滲透率，可以有效控制水泥環(huán)緩滲導(dǎo)致的環(huán)空帶壓現(xiàn)象。

圖7 水泥環(huán)加載與徑向應(yīng)力

圖8 水泥環(huán)氣體突破壓力測試

五、結(jié)論與認(rèn)識

(1)通過水泥石長齡期水化產(chǎn)物、微孔結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)、膨脹收縮等參數(shù)的測試試驗分析發(fā)現(xiàn)，水泥環(huán)干縮是影響水泥環(huán)密封性能的重要因素之一，控制水泥石的干縮效應(yīng)，將顯著提升水泥環(huán)長期密封能力。

(2)高壓氣井生產(chǎn)過程中，溫度變化引起的水泥石自應(yīng)力以及壓力變化產(chǎn)生的殘余應(yīng)變累積，將導(dǎo)致水泥石膠結(jié)界面劣化，影響水泥環(huán)長期密封能力。

(3)水泥石自身的滲透特性，易促使水泥環(huán)出現(xiàn)緩滲帶壓現(xiàn)象，導(dǎo)致高壓氣井出現(xiàn)普遍帶壓現(xiàn)象。

(4)通過改善水泥石力學(xué)性能及降低滲透率，能夠有效的降低高壓氣井在長期生產(chǎn)過程中的環(huán)空帶壓現(xiàn)象。

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