防氣竄與腐蝕水泥漿體系研究及應(yīng)用

侯云翌，王 濤

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075）

固井氣竄是指在水泥漿候凝過程中地層中的氣進(jìn)入水泥與套管或水泥與井壁的間隙之間形成層間竄流通道，嚴(yán)重者甚至?xí)纬裳鼐残纬蓺飧Z通道竄至井口，在井口冒氣，嚴(yán)重影響氣井生產(chǎn)安全。而對(duì)于已經(jīng)在運(yùn)行的CCUS 工程中的二氧化碳驅(qū)油與封存區(qū)塊，由于地層中含有較高壓力的二氧化碳，無論是老井修復(fù)還是新井加密，氣竄都是影響井筒完整性及生產(chǎn)安全的風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。除此之外，還要考慮二氧化碳對(duì)水泥環(huán)的腐蝕影響。前人對(duì)防氣竄水泥漿體系及防氣竄評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了很多研究，羅俊豐等[1]基于南海流花深水區(qū)塊氣竄的機(jī)理和原因，開發(fā)了一種新型抗高溫聚合物/膠乳防氣竄水泥漿體系，具有抗高溫、低濾失量、防氣竄等特點(diǎn)；張興國等[2]以丙烯腈等聚合物為壁材，異丁烷為芯材，采用懸浮聚合法制備了一種溫敏性膨脹微膠囊防氣竄劑，加量大于等于2%時(shí)能彌補(bǔ)水泥水化過程中的體積收縮，其反應(yīng)溫度為65 ℃，最佳溫度為83 ℃。針對(duì)近年來大型壓裂對(duì)固井有新的技術(shù)要求，周芝琴等[3]以熱塑性高分子聚合物材料為外加劑，開發(fā)了一種新型增韌防竄水泥漿體系，該體系水泥石的彈性模量較低，具有較強(qiáng)的防竄和抗沖擊能力；巢貴業(yè)等[4]、楊國勝等[5]、鐘福海等[6]分別針對(duì)研究區(qū)塊的氣竄特性，分別開發(fā)了同時(shí)具備塑性、防漏或高密度屬性的防竄水泥漿，并取得了較好的應(yīng)用效果。對(duì)于防二氧化碳腐蝕水泥漿，主要是通過加入新的材料，通過提高水泥石的致密性來抵抗腐蝕，如聚合物型[7-8]、細(xì)小顆粒填充型[9]、耐腐蝕材料[10]。綜上所述，當(dāng)前的防氣竄和防腐蝕水泥漿主要集中于在常規(guī)水泥漿基礎(chǔ)之上的單個(gè)定向?qū)傩愿脑欤瑢?duì)于CCUS 工程中既要考慮氣竄，又要兼顧二氧化碳腐蝕水泥漿體系的研究較少。以下針對(duì)二氧化碳注采區(qū)域井的固井需求，開發(fā)了一種防氣竄與腐蝕水泥漿體系，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用水泥為G 級(jí)油井水泥，消泡劑、緩凝劑為國內(nèi)某外加劑廠家，防氣竄劑A 為發(fā)氣膨脹型防氣竄劑，防氣竄劑B 為聚合物類防氣竄劑，在未加防氣竄劑條件下不同早強(qiáng)劑、緩凝劑水泥漿實(shí)驗(yàn)相關(guān)配方見表1。

表1 不同實(shí)驗(yàn)配方及實(shí)驗(yàn)條件

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及方法

水泥漿稠化時(shí)間采用0712 型雙缸增壓稠化儀測(cè)試，失水測(cè)試采用0705 型高溫高壓失水儀進(jìn)行測(cè)試，防竄實(shí)驗(yàn)采用OFITE 靜膠凝強(qiáng)度分析儀進(jìn)行測(cè)試，水泥漿流變采用HTD-6ST 型六速黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，水泥石抗壓強(qiáng)度采用YJ-2000 型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，二氧化碳腐蝕實(shí)驗(yàn)采用YC09 型高溫高壓反應(yīng)釜進(jìn)行測(cè)試。上述實(shí)驗(yàn)方法參考GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》。水泥石二氧化碳腐蝕實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為28 d，溫度、壓力均為80 ℃、30 MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)水泥漿體系防氣竄效果評(píng)價(jià)

形成氣竄的原因主要為常規(guī)水泥漿在候凝過程中由液態(tài)-膠凝態(tài)-固態(tài)的相態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，由于失重降低了對(duì)地層壓力的平衡，因此，常規(guī)水泥漿凝結(jié)過程中的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展是固井防氣竄的重要指標(biāo)之一。對(duì)無防氣竄劑的常規(guī)水泥漿體系的靜膠凝強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表2。由以上測(cè)試結(jié)果可知，常規(guī)水泥漿過渡時(shí)間隨著緩凝劑的加量增加而增加、隨著早強(qiáng)劑加量的增加而減小、隨著溫度的升高而減小，對(duì)于影響效果而言，溫度對(duì)常規(guī)水泥漿靜膠凝強(qiáng)度從48 Pa到240 Pa 的過渡時(shí)間的影響最為顯著，其次為緩凝劑，早強(qiáng)劑對(duì)其影響最弱，說明早強(qiáng)劑主要對(duì)常規(guī)水泥漿的24 h 早期強(qiáng)度發(fā)揮作用，對(duì)其候凝過程中的靜膠凝強(qiáng)度貢獻(xiàn)較弱。且無論通過調(diào)節(jié)早強(qiáng)劑或者緩凝劑均無法顯著改變其靜膠凝過渡時(shí)間長的特點(diǎn)，因此，需引入新的外加劑以改變其特性。

表2 實(shí)驗(yàn)配方及測(cè)試結(jié)果

2.2 防氣竄劑優(yōu)選

防氣竄劑主要作用為注水泥及候凝過程中防止氣體運(yùn)移以提高固井質(zhì)量的一種外加劑。目前常用的主要為發(fā)氣膨脹型防氣竄劑和聚合物類防氣竄劑，如丁苯膠乳或聚乙烯醇（PVA）。以下分別通過膨脹實(shí)驗(yàn)、靜膠凝強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、防二氧化碳腐蝕實(shí)驗(yàn)對(duì)這兩種防氣竄劑進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.1 膨脹實(shí)驗(yàn) 發(fā)氣膨脹型防氣竄劑的主要作用機(jī)理是依靠水泥水化產(chǎn)物晶體膨脹使其體積產(chǎn)生微膨脹，補(bǔ)償因水泥漿（石）收縮而形成的通道以達(dá)到防氣竄的目的。分別將無防氣竄劑的1#水泥漿和加入2%發(fā)氣膨脹型防氣竄劑的2#水泥漿80 ℃攪拌預(yù)置，之后倒入250 mL 量筒進(jìn)行80 ℃水浴靜置，靜置1 h 后見圖1（a）。從圖1 可以看出，1#無發(fā)氣膨脹型防氣竄劑的水泥漿體積沒有變化，而2#加入發(fā)氣膨脹型防氣竄劑的水泥漿已經(jīng)顯著膨脹，體積超過了250 mL 線，水泥漿的上方出現(xiàn)了一定量的氣泡。經(jīng)過2 h 測(cè)試后，2#水泥漿體積見圖1（b），水泥漿的體積膨脹率已經(jīng)超過了20%以上，說明該類防氣竄劑的膨脹效果較好，可以較好的補(bǔ)償水泥石收縮。

2.2.2 靜膠凝強(qiáng)度實(shí)驗(yàn) 聚合物類防氣竄劑延緩水泥漿發(fā)生氣竄的主要作用機(jī)理是縮短靜膠凝發(fā)展的過渡時(shí)間，使得水泥漿失重到產(chǎn)生掛壁強(qiáng)度之間的氣竄危險(xiǎn)時(shí)間盡量縮短，以減少氣竄的發(fā)生，控制氣竄距離。分別測(cè)試無防氣竄劑和加入2%聚合物類防氣竄劑水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見圖2。由圖2 可以看出，與未加入防氣竄劑的空白樣相比，加入2%聚合物類防氣竄劑后水泥漿的過渡時(shí)間縮短至原來的四分之一，且強(qiáng)度發(fā)展更快，說明該防氣竄劑的防氣竄效果極好。

圖2 聚合物類防氣竄劑靜膠凝強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 防二氧化碳腐蝕實(shí)驗(yàn) 由以上測(cè)試結(jié)果可知，兩種防氣竄劑在各自的領(lǐng)域均具有較好的作用效果。為了進(jìn)一步為CCUS 運(yùn)行井進(jìn)行篩選，還需對(duì)兩種防氣竄劑的防二氧化碳腐蝕效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。分別測(cè)試上述兩種防氣竄劑加入水泥石后耐二氧化碳腐蝕特性，評(píng)價(jià)方式為對(duì)腐蝕前后不同樣品的抗壓強(qiáng)度分別進(jìn)行測(cè)試，通過腐蝕后的強(qiáng)度衰減率來評(píng)價(jià)水泥石耐二氧化碳腐蝕特性。腐蝕前，水泥石的養(yǎng)護(hù)時(shí)間為48 h，測(cè)試結(jié)果見圖3。由圖3 可以看出，無添加劑（空白樣）、A劑、B 劑三種水泥石樣品在腐蝕后的抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了不同程度的衰減，三者的衰減率分別為44.7%、57.1%、8.1%。分析認(rèn)為，加入發(fā)氣膨脹型防氣竄劑（A劑）的水泥石耐二氧化碳腐蝕效果最差，主要原因是膨脹后水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為疏松了，二氧化碳可以侵入水泥石基體更深處。而聚合物類防氣竄劑（B 劑）的耐二氧化碳腐蝕效果最好，應(yīng)是得益于其聚合物在水泥石內(nèi)部形成的較強(qiáng)的孔隙充填，減緩了二氧化碳的侵入。因此，對(duì)于CCUS 運(yùn)行井，應(yīng)選用B 劑為防氣竄劑。

圖3 不同水泥石腐蝕前后的抗壓強(qiáng)度對(duì)比

2.3 防氣竄與腐蝕水泥漿體系

在防氣竄劑優(yōu)選及現(xiàn)有水泥漿體系實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)配方優(yōu)化，形成了防氣竄與腐蝕水泥漿體系，體系的配方為：G 級(jí)水泥+5.5%降失水劑+2.5%B劑+0.7%分散劑。水泥漿的各項(xiàng)性能指標(biāo)見表3。由表3 可知，該水泥漿體系早期強(qiáng)度高，失水少，自由水含量為0，水泥漿上下密度差小于0.010 g/cm3，具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。水泥漿的稠化過渡時(shí)間僅為1 min，靜膠凝強(qiáng)度從48 Pa 到240 Pa 的過渡時(shí)間為25 min，較短的稠化過渡時(shí)間和極快的靜膠凝強(qiáng)度過渡發(fā)展使其表現(xiàn)出了優(yōu)越的防氣竄性能，能夠滿足CCUS 運(yùn)行井的固井需求。

表3 水泥漿體系的綜合性能

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

上述防氣竄與腐蝕水泥漿體系，在國內(nèi)某二氧化碳驅(qū)油與封存區(qū)內(nèi)的XTC-3 井進(jìn)行了應(yīng)用。該井井深2 400 m，水泥返高2 138 m，為防止二氧化碳沿該井套管外環(huán)空上竄泄漏，特對(duì)水泥返高以上井段進(jìn)行二次固井修復(fù)。但該區(qū)前期已經(jīng)注入了一定量的二氧化碳，套管外二次固井具有較大的氣竄風(fēng)險(xiǎn)。為消除風(fēng)險(xiǎn)，在水泥返高以上100 m 處進(jìn)行射孔，建立循環(huán)，先后注入前置隔離沖洗液5 m3、防氣竄與腐蝕水泥漿25 m3、后隔離液2 m3，清水頂替到位后關(guān)井候凝48 h 后測(cè)井。CBL-VDL 測(cè)井結(jié)果顯示，該井二次固井井段固井質(zhì)量合格率達(dá)到了91%，表明該水泥漿體系在防氣竄方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。該井后期轉(zhuǎn)為二氧化碳注入井，目前已運(yùn)行2 年，未檢測(cè)到任何的二氧化碳泄漏。表明防氣竄與腐蝕水泥漿體系具有較好的防二氧化碳腐蝕效果，能夠阻止二氧化碳沿水泥環(huán)縱向、橫向的侵入，保護(hù)套管和井口裝置的安全。

4 結(jié)論

（1）未添加防氣竄劑時(shí)，常規(guī)水泥漿體系水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展緩慢，防氣竄效果較差，無法滿足含氣井的固井需求。

（2）發(fā)氣膨脹型防氣竄劑和聚合物類防氣竄劑均具有較好的防氣竄功能，但當(dāng)應(yīng)用井存在防氣竄和防二氧化碳腐蝕的雙重需求時(shí)，應(yīng)選用聚合物類防氣竄劑，發(fā)氣膨脹型防氣竄劑水泥石的抗二氧化碳腐蝕能力較差。

（3）防氣竄與腐蝕水泥漿體系具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐二氧化碳腐蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以提高應(yīng)用井的固井質(zhì)量和耐二氧化碳腐蝕能力。