天然氣井套間氣竄自修復技術

楊振杰 朱海濤 王嘉淮 羅天雨 王容軍

1.西安石油大學石油工程學院 2.中國石油新疆油田公司采油工藝研究院

天然氣井套間氣竄自修復技術

楊振杰1朱海濤1王嘉淮2羅天雨2王容軍2

1.西安石油大學石油工程學院 2.中國石油新疆油田公司采油工藝研究院

井口套間氣竄即套間帶壓一直是困擾天然氣井安全生產的技術難題，僅靠固井和修井技術難以從根本上解決問題。基于對天然氣井套間氣竄原因的分析和水泥基自修復理論，建立了氣井井口環空氣竄的兩種自修復模式。采用在模擬套管的鋼管中浸泡鉆井液和使用沖擊式造縫儀兩種方法，來模擬固井水泥環損傷后形成的氣竄通道（即微裂縫和微間隙），用GSN滲透結晶型自修復劑配制天然氣井套間氣竄自修復液，在XAN－RC封堵模擬實驗流程中進行了水泥環損傷自修復模擬試驗。結果表明，GSN自修復劑能夠自動滲入氣竄通道，形成滲透結晶水化產物，密閉固井水泥環的微間隙和微裂縫，有較好的自修復效果，明顯提高了損傷水泥環的抗氣竄強度。該研究成果對實現氣井井口環空氣竄的動態即時自修復，保持水泥環封固的可靠性和耐久性，解決氣井環空帶壓問題有重要的工程運用價值。

天然氣井 環空帶壓 固井水泥環 自修復 GSN自修復劑 防治氣竄

由于氣竄引起的天然氣井井口氣體滯留和井口壓力升高（sustained annular pressure）即環空帶壓問題一直是世界上許多油氣田面臨的嚴重問題，使很多氣井存在安全和環境的隱患［1］。我國的四川、克拉瑪依等許多氣田都不同程度地受到井口氣竄的困擾，產生了較大安全和環境壓力。

解決氣井環空帶壓問題的基本方法是采用擠水泥大修井修復方法和化學堵漏修復方法，但由于氣竄通道尺寸微小很難擠入，成功率低，許多損傷井的修復作業需要進行2～3次。如哈薩克斯坦讓那若爾油田在對井口氣竄的油氣井采用在封固段上部射孔注入水泥封堵的辦法，有效期約一個月，多數井在修井后再次發生井口氣竄。

為保證氣田安全高效的開發，必須解決氣井環空帶壓問題。同時地下儲氣庫的建設對氣井水泥環的密閉可靠性和耐久性提出了更高的要求，對氣井水泥環氣竄通道自修復的理論和技術的研究更加緊迫。

為此，本文提出了氣井固井水泥環損傷自修復的技術理念，以此為基礎探索研究預防和解決天然氣井環空帶壓問題的技術與方法。

1 天然氣井形成套間氣竄的原因

天然氣井由于地層壓力高、安全密度窗口窄等原因造成固井難度很大，水泥環對氣層的封固質量難以保證。由于油井水泥本身是一種脆性材料，而且氣井在測試投產后，必然要經歷各種試井、測試和投產作業，使套管和水泥環受到溫度、壓力等各種因素大幅度變化的影響和H2S、CO2等酸性氣體的腐蝕，不可避免地會對固井水泥環的封隔性能產生破壞，即在膠結界面產生微間隙和微裂縫，形成氣體的竄流通道［1－9］，形成套間氣竄和帶壓。由于氣井井身結構和氣層的特點，在某些井段如套管回接段水泥環有可能處于缺水環境，引起固井水泥環的干縮，在膠結界面產生微間隙，形成氣竄的通道。實驗結果證明缺水狀態會破壞界面膠結，引起抗氣竄強度的降低，即使將水泥漿返到地面也能夠形成氣竄通道。因此，這一因素是引起天然氣井氣竄形成環空帶壓的另一個重要原因［10］。

2 天然氣井套間氣竄自修復模式探討

從天然氣井套間氣竄即井口帶壓形成的原因分析可以看出，水泥環氣竄通道的形成原因復雜多變，是一個動態、隨機的過程。常規的擠水泥大修井修復方法是一種靜態的修復工藝，不能有效解決氣井水泥環動態損傷的問題。

建筑行業普通水泥基材料的微裂縫的自修復主要是依靠自身與外部環境的共同作用，在一定的條件下通過特定的化學反應實現微裂縫的自修復。普通水泥基材料的微裂縫自愈合機理主要包括結晶沉淀、滲透結晶等，自愈合過程涉及物理、化學、熱學與力學等方面［11－12］。

借鑒建筑行業水泥基材料的自修復理論，筆者提出的解決天然氣井環空氣竄問題的技術思路是：在不改變現有的固井液體系和施工設備的前提下，通過實施特定的自修復工藝，優化固井水泥環的養護環境，建立氣井固井水泥環氣竄通道即時自修復機制，始終保持水泥環對氣層封固的耐久性和可靠性。根據上述思路建立兩種天然氣井套間氣竄自修復模式。

2.1 已經發生套間氣竄天然氣井的自修復模式

1）對發生井口環空氣竄，固井水泥漿已返到地面的天然氣井，將天然氣井井口壓力卸掉，然后將裝有自修復液的高壓密封容器連接到天然氣井的套間氣竄環空，使用泵車將自修復液擠入井口的氣竄套間水泥環，施工時保持擠入壓力高于當時的井口帶壓值3～5 MPa。施工后保留自修復劑高壓容器，帶壓養護。

2）對發生井口環空氣竄，固井水泥漿未返到地面的天然氣井，將天然氣井井口壓力卸掉，然后將自修復液替入天然氣井的套間氣竄環空，置換原有套間環空流體，然后關井帶壓養護，養護壓力高于當時的井口帶壓值3～5 MPa。

2.2 容易發生氣竄和井口帶壓問題的天然氣井固井防治氣竄的技術模式

1）研究能夠對固井水泥環損傷進行自修復的固井前置液，放置在水泥環的上部。一旦水泥環出現損傷，氣竄通道形成，前置液中的自修復化學劑就會自動滲入氣竄通道，通過化學反應對氣竄通道進行即時動態自修復，密閉氣竄通道。

2）對于需要固井液返到地面的天然氣井，水泥漿可以返到離井口200 m左右，水泥環上部用自修復前置液代替，方便在井口定期對套間水泥環擠注補充自修復液和水分。

3）對于儲氣庫的老井封堵，可以在老井套管內注入水泥塞后，在水泥塞上部放置具有自修復性能的環空保護液，隨時對水泥塞出現的氣竄通道進行即時動態自修復。

3 套間氣竄自修復劑試驗研究

3.1 試驗儀器和試驗材料

1）XAN－RC封堵模擬實驗流程，西安石油大學研制，實驗壓力50 MPa，主要用于樣品界面膠結強度即抗氣竄強度的測試，具體測試方法見本文參考文獻［10］。

2）XAN－ZF重力沖擊式造縫儀，西安石油大學研制，主要用于樣品微裂縫的模擬。

3）GSN自修復劑，為滲透結晶型油井水泥基自修復劑，西安石油大學研制；油井水泥為嘉華G級油井水泥；礦渣為安陽鋼鐵公司產品，細度150目；NJ－1即油田固井專用羧基丁苯膠乳，樣品取自中國石油蘭州化學工業公司膠乳研制中心；CW－1是一種晶格膨脹劑，樣品取自中原油田固井公司。CMC、K－PAM、JT－888和PAC均為鉆井液聚合物處理劑，樣品取自濮陽中原三力實業有限公司；原油樣品取自中原油田采油三廠；GS－1為硅粉，細度120目，樣品取自河南新鄉第七化工廠。

3.2 試驗研究

3.2.1 用鋼管浸泡鉆井液的方法模擬一界面的氣竄通道

先讓模擬套管的鋼管（直徑25 cm，長80 cm）浸泡鉆井液（兩種鉆井液體系）24 h，然后再往被鋼管浸泡后的鋼管中注入固井液，由此在固井液與套管內壁的膠結界面產生微間隙，模擬油層套管內水泥環形成微間隙而發生氣竄的工況。浸泡鋼管鉆井液配方見表1，模擬固井液配方見表2，試驗結果見表3。

表1 模擬套管的鋼管浸泡方案表

表2 模擬固井液體系配方表

從試驗結果可以看出：

1）鋼管浸泡鉆井液后，對與所研究的3種油井水泥漿配方而言抗氣竄強度均很低。

2）3種油井水泥漿配方與鋼管形成的微間隙，經過GSN自修復劑的修復后，試樣的抗氣竄強度明顯提高。

表3 微間隙模擬樣品自修復試驗抗氣竄強度結果表 MPa

3）比較而言，油井水泥凈漿和基漿＋30%GS－1的兩個固井液配方的修復效果最好，隨著養護修復時間的增加，抗氣竄強度穩定增加和保持。

對膠乳固井液、膠乳膨脹型固井液和礦渣固井液3種體系進行了相同的試驗。試驗配方見表4，試驗結果見表5，浸泡鉆井液的體系為聚合物鉆井液。

從試驗結果中可以看出：所有試驗的固井液體系在套管內壁存在鉆井液的情況下（模擬微間隙），抗氣竄強度都不理想。經過GSN修復劑修復后，抗氣竄強度都明顯提高，隨著養護修復時間的增加，修復效果越好。

3.2.2 用沖擊造縫儀模擬固井水泥環微裂縫形成的氣竄通道

按標準配制0.44水灰比的油井水泥凈漿，將其倒入準備好的干凈鋼管中，搖勻顛實，封好鋼管的上下端，放入老化罐中120℃空氣養護24 h。將養護好的鋼管在車床上截成小段，每段長10.6 mm。在空氣中放置1周，然后通過自行研制的XAN－ZF重力沖擊式造縫儀對樣品進行沖擊造縫，直至出現微裂縫，測定的抗氣竄強度為零。在不同的養護條件下，養護樣品到規定時間，測其抗氣竄強度的變化值。試驗結果見表6，造縫前后和修復前后試樣變化情況見圖1。

表4 固井液試驗配方與性能表

表5 微間隙模擬樣品自修復試驗抗氣竄強度結果表 MPa

由表6和圖1的試驗結果可以看出，經過人工造縫的試樣，抗氣竄強度為零；經過放入20%GSN的修復液中養護修復后，抗氣竄強度明顯恢復，比在清水中的養護效果好許多。試驗結果還表明，對水泥環微裂縫的修復需要一定的時間，一般要求大于20 d；隨著時間的加長，修復效果越好，修復的耐久性就好。從圖1可以看出，形成裂縫的試樣經過GSN修復劑養護后，裂縫愈合情況良好，具有明顯的修復效果。

表6 微裂縫模擬樣品自修復試驗結果表

圖1 模擬微裂縫的切片樣品自修復前后裂縫的愈合情況圖

4 機理分析

GSN自修復劑通過以下兩個途徑達到對天然氣井氣竄通道自修復的目的。

1）當天然氣井出現氣竄通道時，GSN自修復液通過滲透作用，使其特殊的活性化學物質在氣竄通道（微裂縫或微間隙）中傳輸，形成不溶性的化學晶體，膠結密閉損傷部位，實現對固井水泥環損傷的自動修復。

2）GSN自修復劑，能夠激發固井水泥漿固化體中的未水化的膠凝物質發生二次或多次水化反應，實現對固井水泥環損傷的自動修復。

5 結論

1）氣井完井投產后由于測試、開采過程中各種復雜因素的影響，固井水泥環的封固性能會受到不同程度的破壞，而且其影響是動態隨機的。為保證天然氣井的安全生產，防治井口套間帶壓，研究氣井固井水泥環的自修復技術具有重要的工程意義。

2）模擬試驗表明，用GSN自修復劑配制的自修復液能夠滲透到微裂縫和微間隙中，通過結晶沉淀和多次水化反應機理密閉氣竄通道，提高試樣的抗氣竄強度，實現對固井水泥環氣竄通道的自動修復，有效解決天然氣井固井氣竄和套間帶壓問題。

3）本文提出的天然氣井套間氣竄自修復模式和防治模式，對解決天然氣井的井口帶壓問題和提高固井質量，保持固井水泥環的完整性和耐久性有重要的工程意義。在實際實施中還需結合現場實際研究具體的工藝技術，研究相應的現場配套設備。

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On self－healing technology for gas channeling in the cemented annulus

Yang Zhenjie1，Zhu Haitao1，Wang Jiahuai2，Luo Tianyu2，Wang Rongjun2
（1.School of Petroleum Engineering，Xi＇an Shiyou University，Xi＇an，Shaanxi 710065，China；2.Oil Production and Technology Research Institute，Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Karamay，Xinjiang 834000，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.55－58，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Gas breakthrough or gas channeling in a cemented wellbore annuli has long been a technical challenge threatening the safety of gas production activities.It is not to be radically solved merely by well cementing and workover techniques.Herein in this paper，we proposed two self－healing models based on the analysis of causes of gas breakthrough and the cement base self－healing theory for annular gas breakthrough at the well head.We simulated the gas channels（i.e.，microcracks and microgaps）formed in a damaged cement sheath by injecting drilling fluid into the steel pipes as the casings and by using a fracture－generating impact to generate cracks.Then we used GSN penetrative crystallization－type self－healing agent to prepare the gas breakthrough self－healing fluid.Finally we performed cement sheath damage self－healing experiment in the process of an XAN－RC plugging simulation.As shown in the experiment，the GSN self－healing fluid could automatically seep into the gas channels to form a penetrative crystallization－type hydration product that sealed the microgaps and microcracks in the cement sheath.This self－healing capability obviously helped improve the resistance of the cement sheath to gas breakthrough.The research findings are of significant engineering values to realizing the dynamic and prompt self－healing for annular pressure buildup（APB）at gas well heads，maintaining the reliability and durability of cement sheaths，and solving APB problems as a result.

gas well，annular pressure buildup（APB），cement sheath，self－healing，GSN self－repairing agent，gas channeling prevention

楊振杰等.天然氣井套間氣竄自修復技術.天然氣工業，2012，32（10）：55－58.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.013

國家自然科學基金項目“油氣井固井水泥環損傷自修復機理與方法研究”（編號：51174166）和陜西省教育廳專項科研計劃項目“油氣井固井水泥環損傷自修復機理研究”（編號：11JK0786）。

楊振杰，1958年生，教授級高級工程師，博士；長期在油田從事鉆井鉆井液技術和科研工作，現在西安石油大學從事科研與教學工作。地址：（710065）陜西省西安市電子二路18號。電話：（029）88383013。

（修改回稿日期 2012－08－02 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.013

Yang Zhenjie，professor－level senior engineer，born in 1958，holds a Ph.D degree.He has long been engaged in research of drilling fluids at oil fields.

Add：No.18，Dianzi＇er Rd.，Xi＇an，Shaanxi 710065，P.R.China