一種油氣響應型固井自修復材料的研究及應用

趙勝緒，項先忠，王有偉

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北廊坊 065201）

油氣井注水泥作業(yè)形成的水泥環(huán)通常具有抗壓強度高、彈韌性低、易收縮等特點。在鉆井及后續(xù)作業(yè)（如測試、射孔、增產(chǎn)等）過程中，水泥環(huán)及套管所處的溫度場和壓力場不可避免會發(fā)生大幅度變化，容易引發(fā)膠結界面及水泥環(huán)基體產(chǎn)生微裂縫和微間隙，從而導致油氣層間竄流，進一步形成套管環(huán)空帶壓[1-3]。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，油氣井投產(chǎn)15 至30 年，受環(huán)空帶壓影響的油氣井比例高達50%～60%[4]。解決油氣井環(huán)空帶壓問題最常用的方法是擠水泥，此方法成本高且多數(shù)井在修井后會再次出現(xiàn)環(huán)空帶壓問題。

近年來油氣響應型自修復技術日益成熟，成為解決環(huán)空帶壓問題的新途徑。該技術是在水泥漿中引入對油氣反應靈敏的自修復材料，當發(fā)生油氣竄流時，自修復材料可在數(shù)小時內(nèi)實現(xiàn)膨脹封堵，重建環(huán)空密封，恢復水泥環(huán)完整性，常用的如可膨脹的橡膠粒子，具有響應迅速，效果顯著，但在水泥漿中難以分散的特點[5-7]。目前，國際油服公司斯倫貝謝和哈里伯頓分別擁有FUTUR 和LifeCem 自修復水泥漿技術，并成功應用于治理油氣井環(huán)空帶壓問題及地下儲氣庫等[8-10]。而國內(nèi)對于油氣響應型自修復技術的研究仍處于起步階段，雖然已經(jīng)有研究人員通過引入特殊功能基團，得到了油氣響應型聚合物，并在室內(nèi)取得了良好的實驗效果，但尚未應用于油田現(xiàn)場[11-13]。

SHM 是一種三元共聚高分子油氣響應型自修復材料，具有合適的交聯(lián)度，吸油倍率高，最高使用井底循環(huán)溫度高于140 ℃。本文以該材料為研究對象，以材料吸油倍率及其在水泥石中遇油氣的自修復能力作為評價指標，同時研究了該材料對水泥漿稠化時間及水泥石力學性能的影響，并介紹了該材料在現(xiàn)場作業(yè)中的應用情況。

1 實驗器材與方法

1.1 實驗器材

實驗裝置：電子天平；恒速恒壓泵；高壓中間容器；巖心夾持器；高溫高壓稠化儀；三軸應力試驗機。

實驗材料：煤油；液化石油氣；API G 級水泥、SHM自修復材料；降失水劑；分散劑；消泡劑；加重劑。

1.2 實驗方法

（1）吸油倍率實驗方法：①取15 g 的SHM，用紗布包裹，浸入盛有190 g 煤油的250 mL 燒杯中，并密封放置于30 ℃、75 ℃和120 ℃水浴養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d；②稱量吸油后SHM 的質(zhì)量；③SHM 吸油后的質(zhì)量與初始質(zhì)量的比值即為SHM 的吸油倍率。

（2）水泥石遇油自修復能力實驗方法：①根據(jù)API RP 10B-2《油井水泥試驗方法》配制水泥漿（SHM 加量為10%BWOC），養(yǎng)護水泥石，鉆取水泥石心（Φ2.54×5 cm 圓柱體）；②將人工造縫（裂縫寬度0.1～0.2 mm）的水泥石心放入巖心夾持器，用恒速恒壓泵以一定流速向水泥石泵入煤油；③通過壓力傳感器采集的巖心夾持器入口端的壓力變化，計算出水泥石的滲透率變化，并用天平采集出口端的流體質(zhì)量變化；④以注入壓力、滲透率和流出流體質(zhì)量來評價水泥石的遇油自修復能力。

（3）水泥石遇有機氣體自修復能力實驗方法：①根據(jù)API RP 10B-2《油井水泥試驗方法》配制水泥漿（SHM 加量為10%BWOC），養(yǎng)護水泥石，鉆取水泥石心（Φ2.54×5 cm 圓柱體）；②將人工造縫（裂縫寬度0.1～0.2 mm）的水泥石心放入巖心夾持器，用恒壓液化石油氣罐向水泥石泵入有機氣體；③用氣體流量計監(jiān)測出口端氣體流量，并在出口端進行點火直接觀察火苗大小，以氣體流量和火苗大小變化評價水泥石遇有機氣體的自修復能力。

2 實驗結果與分析

2.1 SHM 的吸油倍率

SHM 是一種三元共聚高分子油氣響應型自修復材料，具有適當?shù)慕宦?lián)度，并形成三維網(wǎng)狀結構。材料遇油或其他有機流體只溶脹而不溶解，油類分子進入到大分子網(wǎng)狀結構中，既展現(xiàn)出自修復作用。吸油倍率可以反映材料在水泥石中遇油自修復能力。通常材料的吸油倍率越高自修復能力越強。

觀察發(fā)現(xiàn)SHM 遇油后成半固體膠體狀，無離析油，表面突起、溶脹明顯。材料在不同溫度的吸油倍率見表1。由表1 結果可以看出，SHM 吸油能力突出，在30 ℃和75 ℃吸油倍率變化不大，均在10 以上，在120 ℃時相對于30 ℃吸油倍率下降了約8%，這是因為在較高的溫度時材料內(nèi)部的交聯(lián)鍵有一定程度的破壞，影響了吸油膨脹性能。常用的幾種遇油膨脹高分子材料，吸油倍率均在2.5～6.5，120 ℃時吸油倍率均較30 ℃吸油倍率下降50%以上。因此，SHM 具有較好的吸油膨脹能力和熱穩(wěn)定性。

表1 SHM 的吸油倍率

2.2 SHM 對水泥石遇油自修復能力的影響

引入SHM 的水泥石遇油后注入壓力、滲透率及質(zhì)量隨時間變化曲線見圖1。由圖1 可以看出，隨著煤油的持續(xù)注入，水泥石的注入壓力逐漸上升，并在4.5 h開始快速上升逼近圍壓；水泥石滲透率逐漸下降為零；從水泥石出口端流出的煤油質(zhì)量逐漸上升，最終不再變化。這表明SHM 遇油快速溶脹對水泥石的微裂縫完成了自修復。

圖1 注入壓力、滲透率及質(zhì)量隨時間變化曲線

2.3 SHM 對水泥石遇有機氣體自修復能力的影響

水泥石末端有機氣體流量及觀察到的火焰大小隨時間變化曲線見圖2、圖3。由圖2、圖3 可以看出，通過裂縫帶水泥石的有機氣體流量隨著時間逐漸減小，末端火焰也越來越小，180 min 后基本實現(xiàn)裂縫的自修復。

圖2 水泥石遇有機氣體末端流量-時間變化曲線

圖3 水泥石遇有機氣體末端火焰隨時間變化曲線

2.4 SHM 對水泥漿稠化時間的影響

為了研究SHM 對水泥漿稠化時間的影響，本文開展了不同加重劑（表2）和不同緩凝劑加量（表3）的水泥漿稠化實驗。由表2 結果可以看出，SHM 對水泥漿稠化時間無明顯影響，與加重劑添加量無明顯關系，說明SHM 在水泥漿中為惰性材料，不影響水泥水化及稠化時間。由表3 結果可以看出，添加SHM 的水泥漿的稠化時間與緩凝劑加量呈正相關，說明SHM 的加入不影響水泥漿的稠化可調(diào)性和規(guī)律性。

表3 不同緩凝劑加量下水泥漿稠化時間（ρ=1.9 g/cm3，T=75 ℃，P=35 MPa）

2.5 SHM 對水泥石機械性能的影響

配制不同SHM 加量（0、6%BWOC、10%BWOC）的水泥漿，并置于75 ℃水浴中養(yǎng)護7 d，然后使用三軸應力試驗機測試水泥石的抗壓強度、拉伸強度、楊氏模量等機械性能參數(shù)，測試結果見圖4。

圖4 水泥石機械性能測試結果

由圖4 可以看出，與不添加SHM 的常規(guī)水泥石相比，添加6%（BWOC）SHM 的水泥石拉伸強度降低了4%，添加10%（BWOC）SHM 的水泥石拉伸強度降低了46%。加入6%（BWOC）SHM 的水泥石楊氏模量和抗壓強度下降約50%，加入10%（BWOC）SHM 的水泥石楊氏模量和抗壓強度下降約60%。由于SHM 是一種三元共聚高分子油氣響應型自修復材料，本身抗壓強度和拉伸強度較低，加量較低（如6%BWOC）時不會對水泥石的拉伸強度產(chǎn)生顯著影響，雖然使抗壓強度下降較為明顯，但仍能滿足現(xiàn)場作業(yè)需求。楊氏模量的降低表明水泥石彈韌性增強，有利于保持水泥環(huán)完整性。因此，SHM 推薦加量在6%（BWOC）以內(nèi)。

3 現(xiàn)場應用

SHM 水泥漿體系在馬來西亞某區(qū)塊進行了現(xiàn)場應用，領漿和尾漿密度分別為1.50 g/cm3和1.68 g/cm3的海水配方，SHM 加量為5%（BWOC），水泥漿性能評價見表4?，F(xiàn)場作業(yè)按設計順利實施，最終水泥返高符合要求。CBL 電測結果顯示固井質(zhì)量良好。同一區(qū)塊前期使用常規(guī)水泥漿體系的鄰井，在固井結束2 d 后即出現(xiàn)環(huán)空帶壓問題。本井采用SHM 水泥漿體系，至今未出現(xiàn)環(huán)空帶壓問題。

表4 尾漿水泥漿性能

針對馬來西亞該區(qū)塊存在的淺層氣中有機氣體易燃易爆和酸性氣體腐蝕水泥環(huán)的難題，SHM 水泥漿體系能夠對有機流體快速響應實現(xiàn)微裂縫和微間隙的自修復，該體系在現(xiàn)場應用取得良好效果。

4 結論

（1）三元共聚高分子油氣響應型自修復材料SHM在30～120 ℃的吸油倍率均在10 左右，具有良好的吸油膨脹能力和熱穩(wěn)定性。

（2）SHM 能夠對煤油及有機氣體快速響應，迅速膨脹，完成水泥石微裂縫的自修復，從而實現(xiàn)水泥石完整性的快速恢復。

（3）SHM 不影響水泥漿稠化時間，能夠有效提高水泥石的彈韌性，能夠較好的滿足施工要求。

（4）SHM 水泥漿體系在馬來西亞某區(qū)塊進行了成功應用，現(xiàn)場施工順利，固井質(zhì)量良好，且至今未出現(xiàn)環(huán)空帶壓現(xiàn)象，取得了良好的現(xiàn)場應用效果。