高溫高壓高含硫氣井固井水泥環封隔能力評價技術

武治強 劉書杰 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封隔能力評價技術

武治強 劉書杰 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雜油氣田大力開發，高溫高壓高含硫井開采數量不斷增多，固井水泥環封隔性能失效引起的環空帶壓或酸性氣體泄漏問題，已經成為制約高溫高壓高含硫氣田安全作業和生產的瓶頸。從分析固井水泥環封隔能力影響因素、失效機理等方面出發，總結了高溫高壓高含硫固井水泥環封隔能力失效的主要原因，分析認為在高溫高壓高含硫條件下水泥石力學性能和結構變化是影響水泥環封隔能力的重要因素之一；結合高溫高壓高含硫井特點，設計了固井水泥環封隔能力評價思路，建立了固井水泥環層間封隔能力評價方法，提出了改善水泥環長期封隔能力的技術措施，為提高高溫高壓高含硫固井水泥環密封完整特性和延長油氣井生產壽命，提供了新的工程技術發展方向與解決途徑。

高溫高壓高含硫井；固井；水泥環；封隔能力；評價技術

隨著海上及海外油氣勘探開發的不斷深入，高溫高壓高含硫井鉆探數量日益增多，固井后環空帶壓和酸性氣體泄漏等問題也日漸突出。這些復雜問題一旦發生，補救措施成本高、風險大，處置不當會危及人員和平臺安全，并引起巨大的經濟損失和人員傷亡。如何確保固井水泥環在高溫高壓高含硫環境中長期服役，仍能保持較好的封隔能力，是目前固井工程研究領域面臨的瓶頸和難題。筆者從分析水泥環封隔能力失效原因、失效機理等方面出發，初步建立了高溫高壓高含硫條件下水泥環封隔能力的評價方法，為現場固井水泥環封隔性能評價提供參考。

1 失效原因

Failure reason

高溫高壓高含硫井固井結束后，套管—水泥環—地層形成了一個縱向的封隔系統，具備一定的封隔油氣上竄的能力。套管—水泥環—地層封隔系統在長期高溫高壓高含硫作業工況條件下，水泥石強度降低，甚至本體出現裂紋或者結構性破壞，水泥環與套管、地層2個界面各自出現微間隙，形成酸性氣體上竄通道，導致固井水泥環氣體封隔能力失效。

1.1 水泥石高溫強度衰退

Strength decline of set cement caused by high temperature

據有關資料表明［1］：常規硅酸鹽水泥在較低溫度（25～110 ℃）條件下，水泥石的主要物質成分是水化硅酸鈣（CSH），具有三維空間網絡的微觀結構特征，是水泥石具有抗滲透、高強度性能的主要物質成分；在較高溫度（110～200 ℃）條件下，水泥水化的主要產物水化硅酸鈣凝膠類物質將部分轉變為水化硅酸二鈣（C2SH）晶體，強度低而滲透率高，水泥石性能劣化。當溫度達到200～240 ℃時，水泥水化的主要產物水化硅酸二鈣（C2SH）晶體生產比例增加，導致強度進一步降低。

1.2 水泥石高含硫腐蝕介質條件下腐蝕

Corrosion of set cement in high sulfur corrosive medium

據相關資料表明［2-4］：在高含硫腐蝕介質條件下，水泥石中的膠結相被酸性腐蝕介質消耗，生成了無膠結相、體積增大的腐蝕產物，使水泥石內部出現裂紋，局部產生較大的孔隙度和較高的滲透率，甚至出現破裂，水泥石完整性和均質性遭到破壞。

1.3 固井一、二界面膠結不好

Poor cementation quality of the first and second interfaces

在高溫高壓高含硫環境中固井后，套管—水泥環—地層封隔系統不僅在常規外力載荷作用下會發生一定的形變，同時在高溫高壓高含硫環境下套管會產生腐蝕，水泥石會造成高溫強度衰退和酸性腐蝕結構破壞，使得固井一、二界面膠結質量不好，導致固井水泥環的封隔性能變差。

2 評價思路設計

Evaluation idea

高溫高壓井高含硫固井結束后，套管—水泥環—地層形成了一個縱向上的氣體封隔系統，檢查封隔系統密封性和持久性，需要開展水泥石本體檢測和固井一、二界面檢測、水泥環縱向有效封隔長度評估等。其中，水泥環層間縱向有效封隔長度是影響封隔能力的一個關鍵因素。即使水泥膠結強度足夠高，若良好膠結的完整水泥環縱向長度太短，也難以承受作業和生產期間產生的壓差，所以有效的層間封隔也依賴于足夠的有效封隔長度。

高溫高壓高含硫井對套管—水泥環—地層耦合系統完整性和有效封隔長度比一般井要求更為嚴格。在高溫高壓高含硫地層作業和開采過程中，套管、水泥石本體以及膠結界面受到溫度、酸性環境影響較大，腐蝕速率一般較快，如果水泥環層間封隔不好，或者縱向有效長度不夠，壓差升高到某一數值，會快速突破水泥環的阻隔，產生氣體竄流。結合高溫高壓高含硫井獨有特點，通過分析水泥環封隔能力失效原因，總結影響固井水泥環封隔能力的關鍵因素，編制了高溫高壓井固井水泥環封隔能力評價思路圖，如圖1所示。

圖1 封隔能力綜合評價思路圖Fig.1 Comprehensive evaluation idea of isolation capacity

通過收集固井的基本信息和相關測井曲線結果，綜合分析封隔系統的缺陷和水泥環、膠結界面的力學性能，同時分析固井水泥環縱向上的有效封隔長度。

3 評價方法建立

Evaluation method

3.1 目前評價方法存在的不足

Deficiencies of existing evaluation methods

根據《固井質量評價方法》標準，水泥環層間封隔性能評價結論分為：不竄、不竄的可能性很大、竄通的可能性很大、竄通。但是該標準中沒有考慮到高溫高壓高含硫環境服役中，水泥石性能發生變化導致的層間封隔性能變差的關鍵因素。

3.2 水泥石力學和結構性能變化指數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，水泥石力學和結構性能上的變化，定義為特定環境下的水泥石性能變化指數，標記為K。K表征了長期在高溫高壓高含硫環境中服役的水泥石力學性能（如水泥石強度、滲透率、孔隙度和結構）變化的程度。

變化指數K是通過室內實驗模擬固井用水泥石在高溫高壓高含硫條件下，水泥石的力學性能以及其結構變化產生的影響程度來標定的，比如以水泥石抗壓強度性能指標為例，某一固井用水泥石在高溫高壓高含硫條件下，水泥石強度降低至原始強度的40%，初步確定K值為0.4，結合滲透率、孔隙度以及水泥石結構變化情況，考慮其他各性能指標對水泥石整體性能的影響，上調或下修K值。

3.3 評價方法的建立

Development of evaluation method

結合目前高溫高壓高含硫井固井水泥環層間封隔失效特點，建立了一套高溫高壓高含硫井固井水泥環封隔能力評價方法，見表1。

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

4 室內評價手段

Laboratory evaluation technology

2015年中海油研制了一套固井水泥環密封完整性評價裝置，用來初步評價水泥環封隔能力，裝置概念圖如圖2所示。

圖2 固井水泥環密封性能評價裝置Fig.2 Cement sheath isolation capacity evaluation device

通過開展室內評價實驗，初步建立起了突破壓力與水泥環封隔長度的數據關系，實驗結果如表2。

表2 水泥試樣長度與最大突破壓力關系Table 2 Relationship of cement sample length vs.maximum breaking pressure

通過以上6組密封實驗，得到水泥環封隔長度與最大突破壓力之間的對應圖版，如圖3所示。

圖3 突破壓力與有效封隔長度的關系Fig.3 Relationship of breaking pressure vs.effective isolation length

通過該圖版的建立，可以獲得某種特定水泥環封隔一定壓力所需要的最小有效封隔長度，對后續開展高溫高壓高含硫井固井水泥環有效封隔能力評價具有指導和借鑒意義。

5 封隔能力改善措施

Isolation capacity improvement measures

5.1 水泥石改性技術

Set cement modification technology

高溫高壓高含硫條件下，水泥石被H2S腐蝕后強度降低，主要原因是腐蝕產物為CaSO4等，水化產物強度低，并且易導致水泥石產生裂紋，內部結構均質性被破壞，滲透率升高，孔隙度增大。國內外資料表明［5-6］：通過對水泥材料進行改性或在體系中加入膠乳、樹脂、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環境中的腐蝕速率。

5.2 新型水泥材料技術

Novel cement material technology

目前國內外固井采用常規的硅酸鹽水泥材料，該種水泥材料在水化生成Ca（OH）2和C-S-H等產物，這些產物含硫介質發生反應后生成CaSO4等膨脹型腐蝕產物，導致水泥石強度降低［7-9］。基于高含硫水泥石腐蝕機理，選用鋁酸鹽水泥或磷鋁酸鹽水泥等非硅酸鹽水泥應用于固井作業，這些水泥石材料水化產物不產生Ca（OH）2，在一定程度上能夠減少或降低酸性介質的腐蝕作用，提高水泥石的長期耐腐蝕性能。

6 結論

Conclusions

（1）通過分析高溫高壓井高含硫井固井水泥環封隔能力失效原因，總結影響固井水泥環封隔能力的關鍵因素，考慮水泥石長期服役環境中性能變化對封隔性能的影響，結合目前國內外先進測井技術，設計了高溫高壓井高含硫固井水泥環封隔能力評價思路圖。

（2）針對高溫高壓高含硫井固井水泥環封隔能力評價的特點，認為水泥石的長期性能穩定性是不可或缺的一個關鍵評價因素，提出了水泥石力學或結構性能變化指數K值，初步建立了一套溫高壓高含硫條件下水泥環層間封隔能力評價方法。

（3）針對高溫高壓高含硫井固井水泥石長期力學性能穩定性，提出相關措施。分別從不同的角度，提高水泥石耐腐蝕性能，保證水泥環長期封隔效果。

References:

［1］ZHANG Jingfu,XU Ming,YAN Zhanhui,GAO Lili.Hydration and hardening of class G oilwell cement with and without silica sands under high temperatures［J］.Jouranl of The Chinese Ceramic Society,2008,36（7）:939-945.

［2］郭小陽，辜濤，李早元，程小偉，鄭友志.水濕環境下硫化氫對固井水泥石的腐蝕機理［J］.天然氣工業，2015，35（10）：93-98.GUO Xiaoyang,GU Tao,LI Zaoyuan,CHENG Xiaowei,ZHENG Youzhi.Corrosion mechanism of hydrogen sulfide on well cement under water wet environments.［J］.Natural Gas Industry,2015,35（10）:93-98.

［3］牟春國，胡子見，韓勇，李海艦.固井水泥石的硫化氫腐蝕機理與抗腐蝕方法研究［J］.石油化工應用，2010，29（2）：113-116 MOU Chunguo,HU Zijian,HAN Yong,LI Haijian.The hydrogen sulfide corrosion and protection of well cement sheath［J］.Petrochemical Industry Application,2010,29（2）:113-116.

［4］黃柏宗，林恩平，呂光明，孫富全.固井水泥環柱的腐蝕研究［J］.油田化學，1999，16（4）：377-383.HUANG Baizong,LIN Enping,LYU Guangming,SUN Fuquan.Researches on corrosion of cement sheath of oil/ gas well casings［J］.Oilfield Chemistry,1999,16（4）:377-383.

［5］瞿佳，嚴思明，許建華.膠乳防腐水泥漿在元壩地區的應用［J］.石油鉆探技術，2008，36（6）：52-55.QU Jia,YAN Siming,XU Jianhua.Application of corrosion resistant latex cement slurry in Yuanba Area［J］.Petroleum Drilling Techniques,2008,36（6）:52-55.

［6］代丹，岳蕾，羅宇維，趙琥，孟佳佳，王雪山，閻培渝.聚合物對油井水泥石微觀結構和抗腐蝕性能的影響［J］.電子顯微學報，2016，35（3） ：235-239 DAI Dan,YUE Lei,LUO Yuwei,ZHAO Hu,MENG Jiajia,WANG Xueshan,YAN Peiyu.Effect of polymer on microstructure and corrosion resistance of oil well cement［J］.Journal of Chinese Electron Microscopy Society,2016,35（3）:235-239.

［7］KUTCHKO B G,STRAZISAR B R,DZOMBAK D A,LOWRY G V,THAULOW N.Degradation of well cement by CO2under ge-ologic sequestration conditions［J］.Environmental Science&Technology,2007,41（13）:4787-4792.

［8］JACQUESMET N,PIRONON J,LAGNEAU V,SAINTMARC J.Armouring of well cement in H2S-CO2saturated brine bycalcite coating-Experiments and numerical modelling［J］.Applied Geochemistry,2012,27（3）:782-795.

［9］嚴思明，王杰，卿大詠，裴貴彬，陶范德.硫化氫對固井水泥石腐蝕研究［J］.油田化學，2010，27（4）：366-370.YAN Siming,WANG Jie,QING Dayong,PEI Guibin,TAO Fande.Research on corrosion of oil well cement stone by H2S［J］.Oilfield Chemistry,2010,27（4）:366-370.

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，劉書杰，耿亞楠，岳家平，周建良.高溫高壓高含硫氣井固井水泥環封隔能力評價技術［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〕

國家科技重大專項子課題“海上油氣井壓力完整性及壽命評估技術研究”（編號：2011ZX05024-003-04）。

武治強（1985-），2011年畢業于西南石油大學油氣井工程專業，現主要從事海上鉆井工程設計和研究工作。通訊地址：（100028）北京市朝陽區太陽宮南街6號院中海油大廈。電話：010-84526769。E-mail:wuzhq2@cnooc.com.cn