一種油氣響應(yīng)型固井自修復(fù)材料的研究及應(yīng)用

趙勝緒，項(xiàng)先忠，王有偉

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)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(qiáng)度高、彈韌性低、易收縮等特點(diǎn)。在鉆井及后續(xù)作業(yè)（如測(cè)試、射孔、增產(chǎn)等）過程中，水泥環(huán)及套管所處的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)不可避免會(huì)發(fā)生大幅度變化，容易引發(fā)膠結(jié)界面及水泥環(huán)基體產(chǎn)生微裂縫和微間隙，從而導(dǎo)致油氣層間竄流，進(jìn)一步形成套管環(huán)空帶壓[1-3]。有統(tǒng)計(jì)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(dá)50%～60%[4]。解決油氣井環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}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(huì)再次出現(xiàn)環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。

近年來油氣響應(yīng)型自修復(fù)技術(shù)日益成熟，成為解決環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}的新途徑。該技術(shù)是在水泥漿中引入對(duì)油氣反應(yīng)靈敏的自修復(fù)材料，當(dāng)發(fā)生油氣竄流時(shí)，自修復(fù)材料可在數(shù)小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)膨脹封堵，重建環(huán)空密封，恢復(fù)水泥環(huán)完整性，常用的如可膨脹的橡膠粒子，具有響應(yīng)迅速，效果顯著，但在水泥漿中難以分散的特點(diǎn)[5-7]。目前，國(guó)際油服公司斯倫貝謝和哈里伯頓分別擁有FUTUR 和LifeCem 自修復(fù)水泥漿技術(shù)，并成功應(yīng)用于治理油氣井環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}及地下儲(chǔ)氣庫等[8-10]。而國(guó)內(nèi)對(duì)于油氣響應(yīng)型自修復(fù)技術(shù)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(tuán)，得到了油氣響應(yīng)型聚合物，并在室內(nèi)取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，但尚未應(yīng)用于油田現(xiàn)場(chǎng)[11-13]。

SHM 是一種三元共聚高分子油氣響應(yīng)型自修復(fù)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(duì)象，以材料吸油倍率及其在水泥石中遇油氣的自修復(fù)能力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)研究了該材料對(duì)水泥漿稠化時(shí)間及水泥石力學(xué)性能的影響，并介紹了該材料在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中的應(yīng)用情況。

1 實(shí)驗(yàn)器材與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)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(yīng)力試驗(yàn)機(jī)。

實(shí)驗(yàn)材料：煤油；液化石油氣；API G 級(jí)水泥、SHM自修復(fù)材料；降失水劑；分散劑；消泡劑；加重劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）吸油倍率實(shí)驗(yàn)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(hù)箱中養(yǎng)護(hù)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(fù)能力實(shí)驗(yàn)方法：①根據(jù)API RP 10B-2《油井水泥試驗(yàn)方法》配制水泥漿（SHM 加量為10%BWOC），養(yǎng)護(hù)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(jì)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(píng)價(jià)水泥石的遇油自修復(fù)能力。

（3）水泥石遇有機(jī)氣體自修復(fù)能力實(shí)驗(yàn)方法：①根據(jù)API RP 10B-2《油井水泥試驗(yàn)方法》配制水泥漿（SHM 加量為10%BWOC），養(yǎng)護(hù)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(jī)氣體；③用氣體流量計(jì)監(jiān)測(cè)出口端氣體流量，并在出口端進(jìn)行點(diǎn)火直接觀察火苗大小，以氣體流量和火苗大小變化評(píng)價(jià)水泥石遇有機(jī)氣體的自修復(fù)能力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)型自修復(fù)材料，具有適當(dāng)?shù)慕宦?lián)度，并形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。材料遇油或其他有機(jī)流體只溶脹而不溶解，油類分子進(jìn)入到大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，既展現(xiàn)出自修復(fù)作用。吸油倍率可以反映材料在水泥石中遇油自修復(fù)能力。通常材料的吸油倍率越高自修復(fù)能力越強(qiáng)。

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(jié)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(shí)相對(duì)于30 ℃吸油倍率下降了約8%，這是因?yàn)樵谳^高的溫度時(shí)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(shí)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(duì)水泥石遇油自修復(fù)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(shí)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(duì)水泥石的微裂縫完成了自修復(fù)。

圖1 注入壓力、滲透率及質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線

2.3 SHM 對(duì)水泥石遇有機(jī)氣體自修復(fù)能力的影響

水泥石末端有機(jī)氣體流量及觀察到的火焰大小隨時(shí)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(jī)氣體流量隨著時(shí)間逐漸減小，末端火焰也越來越小，180 min 后基本實(shí)現(xiàn)裂縫的自修復(fù)。

圖2 水泥石遇有機(jī)氣體末端流量-時(shí)間變化曲線

圖3 水泥石遇有機(jī)氣體末端火焰隨時(shí)間變化曲線

2.4 SHM 對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

為了研究SHM 對(duì)水泥漿稠化時(shí)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(shí)驗(yàn)。由表2 結(jié)果可以看出，SHM 對(duì)水泥漿稠化時(shí)間無明顯影響，與加重劑添加量無明顯關(guān)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(shí)間。由表3 結(jié)果可以看出，添加SHM 的水泥漿的稠化時(shí)間與緩凝劑加量呈正相關(guān)，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(shí)間（ρ=1.9 g/cm3，T=75 ℃，P=35 MPa）

2.5 SHM 對(duì)水泥石機(jī)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(hù)7 d，然后使用三軸應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試水泥石的抗壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、楊氏模量等機(jī)械性能參數(shù)，測(cè)試結(jié)果見圖4。

圖4 水泥石機(jī)械性能測(cè)試結(jié)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(qiáng)度降低了4%，添加10%（BWOC）SHM 的水泥石拉伸強(qiáng)度降低了46%。加入6%（BWOC）SHM 的水泥石楊氏模量和抗壓強(qiáng)度下降約50%，加入10%（BWOC）SHM 的水泥石楊氏模量和抗壓強(qiáng)度下降約60%。由于SHM 是一種三元共聚高分子油氣響應(yīng)型自修復(fù)材料，本身抗壓強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度較低，加量較低（如6%BWOC）時(shí)不會(huì)對(duì)水泥石的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響，雖然使抗壓強(qiáng)度下降較為明顯，但仍能滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。楊氏模量的降低表明水泥石彈韌性增強(qiáng)，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(chǎng)應(yīng)用

SHM 水泥漿體系在馬來西亞某區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，領(lǐng)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(píng)價(jià)見表4。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)按設(shè)計(jì)順利實(shí)施，最終水泥返高符合要求。CBL 電測(cè)結(jié)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(jié)束2 d 后即出現(xiàn)環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。本井采用SHM 水泥漿體系，至今未出現(xiàn)環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}。

表4 尾漿水泥漿性能

針對(duì)馬來西亞該區(qū)塊存在的淺層氣中有機(jī)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?qū)τ袡C(jī)流體快速響應(yīng)實(shí)現(xiàn)微裂縫和微間隙的自修復(fù)，該體系在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得良好效果。

4 結(jié)論

（1）三元共聚高分子油氣響應(yīng)型自修復(fù)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?qū)γ河图坝袡C(jī)氣體快速響應(yīng)，迅速膨脹，完成水泥石微裂縫的自修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)水泥石完整性的快速恢復(fù)。

（3）SHM 不影響水泥漿稠化時(shí)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(jìn)行了成功應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)應(yīng)用效果。