高溫高壓高含硫氣井固井水泥環(huán)封隔能力評(píng)價(jià)技術(shù)

武治強(qiáng) 劉書(shū)杰 耿亞楠 岳家平 周建良

中海油研究總院

高溫高壓高含硫氣井固井水泥環(huán)封隔能力評(píng)價(jià)技術(shù)

武治強(qiáng) 劉書(shū)杰 耿亞楠 岳家平 周建良

中海油研究總院

隨著中海油海上及海外復(fù)雜油氣田大力開(kāi)發(fā)，高溫高壓高含硫井開(kāi)采數(shù)量不斷增多，固井水泥環(huán)封隔性能失效引起的環(huán)空帶壓或酸性氣體泄漏問(wèn)題，已經(jīng)成為制約高溫高壓高含硫氣田安全作業(yè)和生產(chǎn)的瓶頸。從分析固井水泥環(huán)封隔能力影響因素、失效機(jī)理等方面出發(fā)，總結(jié)了高溫高壓高含硫固井水泥環(huán)封隔能力失效的主要原因，分析認(rèn)為在高溫高壓高含硫條件下水泥石力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)變化是影響水泥環(huán)封隔能力的重要因素之一；結(jié)合高溫高壓高含硫井特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了固井水泥環(huán)封隔能力評(píng)價(jià)思路，建立了固井水泥環(huán)層間封隔能力評(píng)價(jià)方法，提出了改善水泥環(huán)長(zhǎng)期封隔能力的技術(shù)措施，為提高高溫高壓高含硫固井水泥環(huán)密封完整特性和延長(zhǎng)油氣井生產(chǎn)壽命，提供了新的工程技術(shù)發(fā)展方向與解決途徑。

高溫高壓高含硫井；固井；水泥環(huán)；封隔能力；評(píng)價(jià)技術(shù)

隨著海上及海外油氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，高溫高壓高含硫井鉆探數(shù)量日益增多，固井后環(huán)空帶壓和酸性氣體泄漏等問(wèn)題也日漸突出。這些復(fù)雜問(wèn)題一旦發(fā)生，補(bǔ)救措施成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，處置不當(dāng)會(huì)危及人員和平臺(tái)安全，并引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。如何確保固井水泥環(huán)在高溫高壓高含硫環(huán)境中長(zhǎng)期服役，仍能保持較好的封隔能力，是目前固井工程研究領(lǐng)域面臨的瓶頸和難題。筆者從分析水泥環(huán)封隔能力失效原因、失效機(jī)理等方面出發(fā)，初步建立了高溫高壓高含硫條件下水泥環(huán)封隔能力的評(píng)價(jià)方法，為現(xiàn)場(chǎng)固井水泥環(huán)封隔性能評(píng)價(jià)提供參考。

1 失效原因

Failure reason

高溫高壓高含硫井固井結(jié)束后，套管—水泥環(huán)—地層形成了一個(gè)縱向的封隔系統(tǒng)，具備一定的封隔油氣上竄的能力。套管—水泥環(huán)—地層封隔系統(tǒng)在長(zhǎng)期高溫高壓高含硫作業(yè)工況條件下，水泥石強(qiáng)度降低，甚至本體出現(xiàn)裂紋或者結(jié)構(gòu)性破壞，水泥環(huán)與套管、地層2個(gè)界面各自出現(xiàn)微間隙，形成酸性氣體上竄通道，導(dǎo)致固井水泥環(huán)氣體封隔能力失效。

1.1 水泥石高溫強(qiáng)度衰退

Strength decline of set cement caused by high temperature

據(jù)有關(guān)資料表明［1］：常規(guī)硅酸鹽水泥在較低溫度（25～110 ℃）條件下，水泥石的主要物質(zhì)成分是水化硅酸鈣（CSH），具有三維空間網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)特征，是水泥石具有抗?jié)B透、高強(qiáng)度性能的主要物質(zhì)成分；在較高溫度（110～200 ℃）條件下，水泥水化的主要產(chǎn)物水化硅酸鈣凝膠類物質(zhì)將部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗杷岫}（C2SH）晶體，強(qiáng)度低而滲透率高，水泥石性能劣化。當(dāng)溫度達(dá)到200～240 ℃時(shí)，水泥水化的主要產(chǎn)物水化硅酸二鈣（C2SH）晶體生產(chǎn)比例增加，導(dǎo)致強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

1.2 水泥石高含硫腐蝕介質(zhì)條件下腐蝕

Corrosion of set cement in high sulfur corrosive medium

據(jù)相關(guān)資料表明［2-4］：在高含硫腐蝕介質(zhì)條件下，水泥石中的膠結(jié)相被酸性腐蝕介質(zhì)消耗，生成了無(wú)膠結(jié)相、體積增大的腐蝕產(chǎn)物，使水泥石內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，局部產(chǎn)生較大的孔隙度和較高的滲透率，甚至出現(xiàn)破裂，水泥石完整性和均質(zhì)性遭到破壞。

1.3 固井一、二界面膠結(jié)不好

Poor cementation quality of the first and second interfaces

在高溫高壓高含硫環(huán)境中固井后，套管—水泥環(huán)—地層封隔系統(tǒng)不僅在常規(guī)外力載荷作用下會(huì)發(fā)生一定的形變，同時(shí)在高溫高壓高含硫環(huán)境下套管會(huì)產(chǎn)生腐蝕，水泥石會(huì)造成高溫強(qiáng)度衰退和酸性腐蝕結(jié)構(gòu)破壞，使得固井一、二界面膠結(jié)質(zhì)量不好，導(dǎo)致固井水泥環(huán)的封隔性能變差。

2 評(píng)價(jià)思路設(shè)計(jì)

Evaluation idea

高溫高壓井高含硫固井結(jié)束后，套管—水泥環(huán)—地層形成了一個(gè)縱向上的氣體封隔系統(tǒng)，檢查封隔系統(tǒng)密封性和持久性，需要開(kāi)展水泥石本體檢測(cè)和固井一、二界面檢測(cè)、水泥環(huán)縱向有效封隔長(zhǎng)度評(píng)估等。其中，水泥環(huán)層間縱向有效封隔長(zhǎng)度是影響封隔能力的一個(gè)關(guān)鍵因素。即使水泥膠結(jié)強(qiáng)度足夠高，若良好膠結(jié)的完整水泥環(huán)縱向長(zhǎng)度太短，也難以承受作業(yè)和生產(chǎn)期間產(chǎn)生的壓差，所以有效的層間封隔也依賴于足夠的有效封隔長(zhǎng)度。

高溫高壓高含硫井對(duì)套管—水泥環(huán)—地層耦合系統(tǒng)完整性和有效封隔長(zhǎng)度比一般井要求更為嚴(yán)格。在高溫高壓高含硫地層作業(yè)和開(kāi)采過(guò)程中，套管、水泥石本體以及膠結(jié)界面受到溫度、酸性環(huán)境影響較大，腐蝕速率一般較快，如果水泥環(huán)層間封隔不好，或者縱向有效長(zhǎng)度不夠，壓差升高到某一數(shù)值，會(huì)快速突破水泥環(huán)的阻隔，產(chǎn)生氣體竄流。結(jié)合高溫高壓高含硫井獨(dú)有特點(diǎn)，通過(guò)分析水泥環(huán)封隔能力失效原因，總結(jié)影響固井水泥環(huán)封隔能力的關(guān)鍵因素，編制了高溫高壓井固井水泥環(huán)封隔能力評(píng)價(jià)思路圖，如圖1所示。

圖1 封隔能力綜合評(píng)價(jià)思路圖Fig.1 Comprehensive evaluation idea of isolation capacity

通過(guò)收集固井的基本信息和相關(guān)測(cè)井曲線結(jié)果，綜合分析封隔系統(tǒng)的缺陷和水泥環(huán)、膠結(jié)界面的力學(xué)性能，同時(shí)分析固井水泥環(huán)縱向上的有效封隔長(zhǎng)度。

3 評(píng)價(jià)方法建立

Evaluation method

3.1 目前評(píng)價(jià)方法存在的不足

Deficiencies of existing evaluation methods

根據(jù)《固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法》標(biāo)準(zhǔn)，水泥環(huán)層間封隔性能評(píng)價(jià)結(jié)論分為：不竄、不竄的可能性很大、竄通的可能性很大、竄通。但是該標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有考慮到高溫高壓高含硫環(huán)境服役中，水泥石性能發(fā)生變化導(dǎo)致的層間封隔性能變差的關(guān)鍵因素。

3.2 水泥石力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能變化指數(shù)K的確定

Determination of mechanical and structural change index K of set cement

高溫高壓高含硫條件下，水泥石力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能上的變化，定義為特定環(huán)境下的水泥石性能變化指數(shù)，標(biāo)記為K。K表征了長(zhǎng)期在高溫高壓高含硫環(huán)境中服役的水泥石力學(xué)性能（如水泥石強(qiáng)度、滲透率、孔隙度和結(jié)構(gòu)）變化的程度。

變化指數(shù)K是通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M固井用水泥石在高溫高壓高含硫條件下，水泥石的力學(xué)性能以及其結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的影響程度來(lái)標(biāo)定的，比如以水泥石抗壓強(qiáng)度性能指標(biāo)為例，某一固井用水泥石在高溫高壓高含硫條件下，水泥石強(qiáng)度降低至原始強(qiáng)度的40%，初步確定K值為0.4，結(jié)合滲透率、孔隙度以及水泥石結(jié)構(gòu)變化情況，考慮其他各性能指標(biāo)對(duì)水泥石整體性能的影響，上調(diào)或下修K值。

3.3 評(píng)價(jià)方法的建立

Development of evaluation method

結(jié)合目前高溫高壓高含硫井固井水泥環(huán)層間封隔失效特點(diǎn)，建立了一套高溫高壓高含硫井固井水泥環(huán)封隔能力評(píng)價(jià)方法，見(jiàn)表1。

表1 高溫高壓高含硫條件下水泥環(huán)封隔能力綜合評(píng)價(jià)Table 1 Comprehensive evaluation parameters of isolation capacity of cement sheath under high temperature,high pressure and high sulfur

4 室內(nèi)評(píng)價(jià)手段

Laboratory evaluation technology

2015年中海油研制了一套固井水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置，用來(lái)初步評(píng)價(jià)水泥環(huán)封隔能力，裝置概念圖如圖2所示。

圖2 固井水泥環(huán)密封性能評(píng)價(jià)裝置Fig.2 Cement sheath isolation capacity evaluation device

通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，初步建立起了突破壓力與水泥環(huán)封隔長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 水泥試樣長(zhǎng)度與最大突破壓力關(guān)系Table 2 Relationship of cement sample length vs.maximum breaking pressure

通過(guò)以上6組密封實(shí)驗(yàn)，得到水泥環(huán)封隔長(zhǎng)度與最大突破壓力之間的對(duì)應(yīng)圖版，如圖3所示。

圖3 突破壓力與有效封隔長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship of breaking pressure vs.effective isolation length

通過(guò)該圖版的建立，可以獲得某種特定水泥環(huán)封隔一定壓力所需要的最小有效封隔長(zhǎng)度，對(duì)后續(xù)開(kāi)展高溫高壓高含硫井固井水泥環(huán)有效封隔能力評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)和借鑒意義。

5 封隔能力改善措施

Isolation capacity improvement measures

5.1 水泥石改性技術(shù)

Set cement modification technology

高溫高壓高含硫條件下，水泥石被H2S腐蝕后強(qiáng)度降低，主要原因是腐蝕產(chǎn)物為CaSO4等，水化產(chǎn)物強(qiáng)度低，并且易導(dǎo)致水泥石產(chǎn)生裂紋，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均質(zhì)性被破壞，滲透率升高，孔隙度增大。國(guó)內(nèi)外資料表明［5-6］：通過(guò)對(duì)水泥材料進(jìn)行改性或在體系中加入膠乳、樹(shù)脂、微硅、粉煤灰等改性材料，能夠制備高致密性的水泥石，減少水泥漿水化過(guò)程中的水化孔隙，降低水泥石的滲透率，在一定程度上降低或減緩了水泥石在高含硫酸性介質(zhì)環(huán)境中的腐蝕速率。

5.2 新型水泥材料技術(shù)

Novel cement material technology

目前國(guó)內(nèi)外固井采用常規(guī)的硅酸鹽水泥材料，該種水泥材料在水化生成Ca（OH）2和C-S-H等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物含硫介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后生成CaSO4等膨脹型腐蝕產(chǎn)物，導(dǎo)致水泥石強(qiáng)度降低［7-9］。基于高含硫水泥石腐蝕機(jī)理，選用鋁酸鹽水泥或磷鋁酸鹽水泥等非硅酸鹽水泥應(yīng)用于固井作業(yè)，這些水泥石材料水化產(chǎn)物不產(chǎn)生Ca（OH）2，在一定程度上能夠減少或降低酸性介質(zhì)的腐蝕作用，提高水泥石的長(zhǎng)期耐腐蝕性能。

6 結(jié)論

Conclusions

（1）通過(guò)分析高溫高壓井高含硫井固井水泥環(huán)封隔能力失效原因，總結(jié)影響固井水泥環(huán)封隔能力的關(guān)鍵因素，考慮水泥石長(zhǎng)期服役環(huán)境中性能變化對(duì)封隔性能的影響，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)測(cè)井技術(shù)，設(shè)計(jì)了高溫高壓井高含硫固井水泥環(huán)封隔能力評(píng)價(jià)思路圖。

（2）針對(duì)高溫高壓高含硫井固井水泥環(huán)封隔能力評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，認(rèn)為水泥石的長(zhǎng)期性能穩(wěn)定性是不可或缺的一個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)因素，提出了水泥石力學(xué)或結(jié)構(gòu)性能變化指數(shù)K值，初步建立了一套溫高壓高含硫條件下水泥環(huán)層間封隔能力評(píng)價(jià)方法。

（3）針對(duì)高溫高壓高含硫井固井水泥石長(zhǎng)期力學(xué)性能穩(wěn)定性，提出相關(guān)措施。分別從不同的角度，提高水泥石耐腐蝕性能，保證水泥環(huán)長(zhǎng)期封隔效果。

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Evaluation technology for isolation capacity of cement sheath in HTHP high-sulfur gas wells

WU Zhiqiang,LIU Shujie,GENG Ya’nan,YUE Jiaping,ZHOU Jianliang
CNOOC Research Institute,Beijing 100028,China

As CNOOC develops offshore and overseas complex oil and gas fields vigorously,there are more and more HTHP (high temperature and high pressure) high-sulfur wells.And the annulus pressure or acidic gas leakage caused by the isolation failure of cement sheath is the bottle neck which restricts the safe operation and production of HTHP high-sulfur gas fields.In this paper,the main reasons for the isolation failure of cement sheath in HTHP high-sulfur wells were analyzed from the aspects of influence factors and failure mechanisms.It is indicated that the mechanical and structural change of set cement is one of the main factors influencing the isolation capacity of cement sheath under high temperature,high pressure and high sulfur.Then,based on the characteristics of HTHP high-sulfur wells,the evaluation idea on the isolation capacity of cement sheath was proposed,the evaluation method on the interlayer isolation capacity of cement sheath was established,and the technical measures to improve long-term isolation capacity of cement sheath were developed.In this way,it provides the new technical development direction and solution for improving the isolation integrity of cement sheath in HTHP high-sulfur wells and prolonging the service life of oil and gas wells.

HTHP high-sulfur well;cementing;cement sheath;isolation capacity;evaluation technology

武治強(qiáng)，劉書(shū)杰，耿亞楠，岳家平，周建良.高溫高壓高含硫氣井固井水泥環(huán)封隔能力評(píng)價(jià)技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：787-790.

TE256

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0787-04

10.13639/j.odpt.2016.06.014

:WU Zhiqiang,LIU Shujie,GENG Ya’nan,YUE Jiaping,ZHOU Jianliang.Evaluation technology for isolation capacity of cement sheath in HTHP high-sulfur gas wells［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):787-790.

2016-10-16）

〔編輯 薛改珍〕

國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題“海上油氣井壓力完整性及壽命評(píng)估技術(shù)研究”（編號(hào)：2011ZX05024-003-04）。

武治強(qiáng)（1985-），2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事海上鉆井工程設(shè)計(jì)和研究工作。通訊地址：（100028）北京市朝陽(yáng)區(qū)太陽(yáng)宮南街6號(hào)院中海油大廈。電話：010-84526769。E-mail:wuzhq2@cnooc.com.cn