固井水泥环自愈合技术研究及应用
——以东方1-1气田尾管回接固井为例

项先忠，孟青山，符军放，许伟汉，罗东辉，段 超，赵 慧 .

(1.中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北廊坊 065201；2. 中海油服油田化学事业部湛江作业公司，广东湛江 524051)

固井水泥环自愈合技术研究及应用
——以东方1-1气田尾管回接固井为例

项先忠1，孟青山2，符军放1，许伟汉2，罗东辉2，段 超2，赵 慧2.*

(1.中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北廊坊 065201；2. 中海油服油田化学事业部湛江作业公司，广东湛江 524051)

本文针对油井水泥环密封失效引起的井口带压问题，对油气响应型固井自愈合水泥浆技术进行了研究。研究包括油气响应型自愈合水泥石遇油(煤油)自愈合能力评价、遇带压有机气体自愈合能力评价及自愈合水泥石力学性能评价。研究表明：自愈合水泥石即使遭到破坏出现微裂缝/环隙，当油或有机气体通过时，自愈合功能材料能够即时被激活，随时对窜流通道进行有效封堵，重新建立有效水力封隔。另外，固井自愈合水泥石弹性模量低、泊松比高，弹韧性好，不易出现微裂缝/环隙；温变/压变破坏模拟装置的评价进一步证明，自愈合水泥石不容易被破坏。此油气响应型固井自愈合水泥浆体系在东方1-1气田尾管回接固井中成功应用，至今未出现井口带压现象，证明该技术是解决井口带压问题的新途径，值得做进一步的研究与探讨。

固井；尾管回接；自愈合水泥浆；井口带压；高温高压

水泥环密封失效是油气井固井经常出现的现象，针对此现象，国内外研究和运用了大量防窜水泥浆体系和专用技术[1-5]；但由于产生微间隙和微裂缝的原因比较复杂，因此无论采取什么措施都很难完全避免，预防和处理的难度较大[6-11]。近年来对水泥基材料微裂缝自愈合机制的建立，为预防和解决油井井口带压问题提供了新的途径。现有的水泥基材料自愈合技术主要有微胶囊自愈合、液芯自愈合、渗透结晶自愈合、聚合物自愈合、油气响应型自愈合等[7]，其中在油井工程中应用比较成功的是油气响应型自愈合技术。早在2007年，Schlumberger公司即研究出FUTUR油气响应型固井自愈合技术，并成功应用在在加拿大阿尔伯特油田的环空带压井及德国、意大利地下储气库井[12-15]。与其他防窜水泥浆体系相比，该水泥浆体系最大的优点在于能够兼顾水泥石微裂缝/环隙的前期预防和后期的自我修复。这是因为油气响应型自愈合材料的引入增加了水泥石的弹韧性，同时在遇到井下带压有机流体时能够被激活，产生微膨胀封堵油气的窜流通道。本论文创新工作思路，即针对此类型的固井自愈合技术，所用固井自愈合材料吸油倍率在十倍以上，遇带压有机流体后能够被迅速激活，膨胀、胶结现象明显。

1 试验

1.1 试验材料及仪器

API G水泥来自淄博中昌特种水泥有限公司；自愈合材料PC-SH来自于天津中海油服化学公司，其密度为0.9 g/cm3。

符合API规范的配浆设备及试模，姜堰市杰克机械厂钻孔取样机，荆州创联高温高压岩芯流动试验仪，TAW-2000型电液伺服岩石三轴试验机、 200吨压力动态记录系统、高精度50 cm×100 cm应变引伸计，水泥石温变/压变破坏模拟装置(发明专利申请号：201410051851.9)。

1.2 试验方法及过程

(1)配浆。

依据API R10B规范配制表1中各水泥浆。

表1 水泥浆配方Table 1 The cement slurry formulation

注：水固比表示浆体中水及液体添加剂与浆体中固体材料的质量比，固相体积分数表示浆体中固体材料的体积占总浆体体积的百分数。材料代号PC-G80：降失水剂；PC-F40：分散剂；PC-X60：消泡剂；PC-SH：自愈合材料。

(2)遇油自愈合能力评价。

对表1中水泥浆，采用常压水浴(90℃)养护釜养护24 h。用钻孔取样机对模块取芯(2.54 cm×5 cm)并做断面处理后，放在压力机上造人工裂缝，保证裂缝上下贯通，测量裂缝宽度范围为100～250 μm。将带裂缝的水泥石芯放入高温高压岩芯流动试验仪岩芯夹释器中，启动设备使特定温度、恒定流量的油(煤油)从水泥石芯裂缝流过。本试验通过检测水泥石芯前后压差变化，衡量水泥石芯裂缝封堵修复能力。

(3)遇有机气体自愈合能力评价。

将(2)中带裂缝的水泥石芯放入高温高压岩芯流动试验仪岩芯夹释器后，将夹释器前的管线连接到0.5 MPa的煤气源，夹释器后面连接气体流量计，测量流经带裂缝的水泥石柱天然气的流量变化，尾气采取燃烧的方式处理。

(4)自愈合水泥石力学性能评价。

①用TAW-2000型电液伺服岩石三轴试验机测量自愈合水泥石波松比和弹性模量；②采用水泥石温变/压变破坏模拟装置(发明专利申请号：201410051851.9 )实现套管内温度压力交替变化，使套管在一定范围内重复膨胀和缩小，从而不断给套管外的水泥环一定的破坏应力；通过监测是否发生气窜判断水泥环是否出现微环隙/裂缝封隔失，从而达到检验水泥石力学性能的目的。

2 结果与讨论

2.1 遇油自愈合能力评价

本试验通过测量水泥石芯前后压差变化，以承压能力衡量自愈合能力，设定压差达到7 MPa的水泥石完成裂缝自愈合，评价结果如图1所示。

图1 自愈合水泥石遇油自愈合能力评价Fig.1 Self-healing capability in oil

图1中黑线为带裂缝的普通水泥石通油前后的压差变化，红线为带裂缝加自愈合材料的水泥石通油后的压差变化。由图1可以看出，常规水泥石在通煤油后，随着时间的推移，带裂缝的水泥石芯前后压差变化不大，说明常规水泥石不具备裂缝自我修复能力；自愈合水泥石在通煤油后随着时间的推移，带裂缝的水泥石芯前后压差越来越大，1 h后达到7 MPa，说明自愈合水泥石遇油具备自愈合的能力。

2.2 遇有机气体自愈合能力评价

本试验采取恒定压力检测流量的方法完成，试验结果如图2所示。由图2可见，自愈合水泥石通过带压有机气体1 h后，气体通过量减少95%以上，可认为已经完成对气流通道的封堵；而普通水泥石不具备自愈合功能，24 h后通过的有机气体量并没有减少。

图2 自愈合水泥石遇带压有机气体自愈合能力评价Fig.2 Self-healing capability in pressured organic gas

2.3 自愈合水泥石力学性能评价

2.3.1 水泥石单轴压缩变形试验

本试验采用TAW-2000型电液伺服岩石三轴试验机，配合200吨压力动态记录系统及高精度应变引伸计，通过联想计算机及试验机配套数据分析软件，获得自愈合水泥石单轴压缩及变形试验结果，见表2。

表2 水泥石力学参数测定表Table 2 Cement mechanical properties

由表1可见，在水泥浆中加入自愈合材料后抗压强度达到现场要求，弹性模量降低35%，即自愈合水泥石脆性降低、弹韧性增加、机械性能更好、更不容易出现微裂缝/环隙，这可通过以下试验进一步验证。

2.3.2 温变/压变破坏模拟装置评价

本试验采用3种1.90 g/cm3不同水泥浆体系做对比试验，试验温度为90℃，加载压力为6895 kPa，试验结果如图3～图5所示。由图3可见，在试验条件下，常规水泥石压力循环加载6次后出现气窜现象。由图4可见，在试验条件下，胶乳加量10%的水泥石压力循环加载10次后出现气窜现象。由图5可见，在试验条件下，自愈合水泥石压力循环加载15次后，仍未出现气窜现象。此试验说明弹性模量低的自愈合水泥石弹韧性好，在不破坏自愈合水泥环的主体和胶结面完整性前提下，能够跟随套管在一定范围内一起膨胀或者收缩，即自愈合水泥石在界面产生胶结强度后保持性更好，整个水泥环水力封隔不容易被破坏，不容易出现微裂缝/环隙，从而可有效避免出现油气窜流通道问题。

3 固井自愈合水泥浆现场应用

3.1 应用背景及设计方案

图3 常规水泥石试验结果Fig.3 The experimental results of conventional cement stone

图4 胶乳水泥石试验结果Fig.4 The experimental results of latex cement stone

东方1-1气田位于南海北部大陆架西区的莺歌海盆地，在此气田的固井尾管回接过程中存在固井第一胶结面易形成微间隙、生产后期应力破坏以及高温破坏水泥环造成井口套管环空带压风险的缺点。陆地油田尾管回接曾使用气体膨胀水泥浆体系、晶格膨胀水泥浆体系、套管外封隔器辅助固井工艺等技术，虽然起到了一定的效果，但生产后期仍存在不同程度的井口带压现象。中海油服油化事业部湛江作业公司联合中海油服油化研究院经过深入的研究，提出“三重防线”的设计方案，其中固井自愈合水泥浆作为最后一道防线在尾管回接中应用，如图6所示。固井自愈合水泥浆在尾管回接的有限刚性空间内，更能充分发挥水泥石杨氏模量低、弹韧性好、力学性能优良、不易出现微裂缝/环隙等优点，有效保证了尾管回接水泥浆长期有效的水力封隔，为解决生产后期不同程度井口带压问题打下坚实的基础。

图5 自愈合水泥石试验结果图Fig.5 The experimental results of self-healing cement stone

图6 尾管回接“三重防线”示意Fig.6 The three lines of defense in packer-type liner tieback

3.2 固井自愈合水泥浆配方及性能评价

(1) 自愈合水泥浆配方及基本性能见表3：

表3 自愈合水泥浆基本性能表Table 3 The properties of self-healing cement

(2)稠化时间。

对上述自愈合水泥浆配方中缓凝剂PC-H40L加量调整，试验结果见表4。由表4可见，自愈合水泥浆配方稠化时间可调，不存在缓凝剂加量的敏感情况，另外停开机试验曲线正常。

表4 自愈合水泥浆缓凝剂加量与稠化时间表Table 4 The thickening time of self-healing cement

(3)水泥石耐温性。

将上述配方进行超声波(静胶凝)强度测试试验，试验温度为140 ℃，试验时间而336 h，结果如图7所示。由图7可见，水泥石在140 ℃经过336 h后未出现热衰退现象，强度仍保持不变。

3.3 应用结果

在现场配浆过程中，自愈合材料能够用常规方法均匀混入油井水泥中，在水泥浆中分布均匀，浆体稳定、流变形好，且与上层树脂水泥浆体系有良好的兼容性。本次作业于2014年11月份在东方1-1区块完成自愈合水泥浆体系5口尾管回接固井，第一口井测井质量优(图8)，至今仍未出现井口带压现象，成功解决了第一界面胶结不好及尾管回接井口带压问题。

图7 水泥石静胶凝强度结果图Fig.7 The static gel strength of cement slurry

图8 尾管回接电测固井质量Fig.8 The Electrical measurement of cementing quality

4 结论

(1)油气响应型自愈合水泥石杨氏模量低、波松比高、脆性低、韧性好、机械性能好、承受应力破坏能力强，更不容易出现微裂缝/环隙，水泥环完整性更不容易被破坏。

(2)若由于地层应力变化或温度变化等引起自愈合水泥石出现裂缝，并有带压有机流体通过时，自愈合水泥石能够在不中断生产的情况下自动完成对微裂缝/环隙的封堵，保证水泥环的长久封隔。

(3)所选自愈合材料能够用常规方法均匀混入油井水泥中， 与常规固井水泥浆体系有良好的兼容性。自愈合水泥浆在流变、强度、稠化、失水、浆体稳定性、耐温性等常规性能方面均达到固井要求。

(4)本次固井自愈合水泥浆在东方1-1尾管回接固井的成功应用，说明固井自愈合水泥浆技术是保证水泥环长久完整性、解决井口带压问题的有效途径，值得做进一步的研究与探讨。

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TheStudyandApplicationofSelf-healingCement—Taking the Drilling Liner Cementing Technique of Dongfang 1-1 Gas Field as an Example

Xiang Xianzhong1, Meng Qingshan2, Fu Junfang1, Xu Weihan2, Luo Donghui2, Duan Chao2, Zhao Hui2

(1.OilfieldChemicalsR&DInstitute,COSL,Langfang,Hebei065201,China; 2.OilfieldServicesLimitedOilfieldChemicalsZhanjiangBranch,Zhanjiang,Guangdong524051,China)

In order to deal with sustained casing pressure caused by seal failure of cement sheath, the hydrocarbon response self-healing cement has been researched. The research to the self-healing cement stone included self-healing capability in oil, self-healing capability in pressured organic gas, mechanical property evaluation. If the self-healing cement was destroyed, the pressured hydrocarbon flowed into micro-fracture, the material would be activated and plug the channel. The effective hydraulic isolation would be established again. While the self-healing cement stone has low elasticity modulus, high Poisson’s Ratio and better mechanical properties. And the evaluation of the destroyed simulation device by temperature & pressure change proved that the self-healing cement stone is more difficult to be destroyed. The self-healing cement technology was successful applied to the packer-type liner tieback cementing in the DF1-1 block. No sustained casing pressure has occurred so far. It was proved that self-healing cement slurry is a new measure to deal with the sustained casing pressure.

cement stone; packer-type liner tieback; self-healing cement; sustained casing pressure; HTHP

项先忠(1980—)，男，硕士，工程师，主要从事油田固井研发及相关工艺技术工作。邮箱：xiangxzh@cosl.com.cn.

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