防氣竄與腐蝕水泥漿體系研究及應用

侯云翌，王 濤

（陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，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，嚴重者甚至會形成沿井筒形成氣竄通道竄至井口，在井口冒氣，嚴重影響氣井生產安全。而對于已經在運行的CCUS 工程中的二氧化碳驅油與封存區塊，由于地層中含有較高壓力的二氧化碳，無論是老井修復還是新井加密，氣竄都是影響井筒完整性及生產安全的風險挑戰。除此之外，還要考慮二氧化碳對水泥環的腐蝕影響。前人對防氣竄水泥漿體系及防氣竄評價方法進行了很多研究，羅俊豐等[1]基于南海流花深水區塊氣竄的機理和原因，開發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；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%時能彌補水泥水化過程中的體積收縮，其反應溫度為65 ℃，最佳溫度為83 ℃。針對近年來大型壓裂對固井有新的技術要求，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，具有較強的防竄和抗沖擊能力；巢貴業等[4]、楊國勝等[5]、鐘福海等[6]分別針對研究區塊的氣竄特性，分別開發了同時具備塑性、防漏或高密度屬性的防竄水泥漿，并取得了較好的應用效果。對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]、細小顆粒填充型[9]、耐腐蝕材料[10]。綜上所述，當前的防氣竄和防腐蝕水泥漿主要集中于在常規水泥漿基礎之上的單個定向屬性改造，對于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。以下針對二氧化碳注采區域井的固井需求，開發了一種防氣竄與腐蝕水泥漿體系，并進行了現場應用。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用水泥為G 級油井水泥，消泡劑、緩凝劑為國內某外加劑廠家，防氣竄劑A 為發氣膨脹型防氣竄劑，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劑、緩凝劑水泥漿實驗相關配方見表1。

表1 不同實驗配方及實驗條件

1.2 實驗儀器及方法

水泥漿稠化時間采用0712 型雙缸增壓稠化儀測試，失水測試采用0705 型高溫高壓失水儀進行測試，防竄實驗采用OFITE 靜膠凝強度分析儀進行測試，水泥漿流變采用HTD-6ST 型六速黏度計進行測試，水泥石抗壓強度采用YJ-2000 型壓力試驗機進行測試，二氧化碳腐蝕實驗采用YC09 型高溫高壓反應釜進行測試。上述實驗方法參考GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》。水泥石二氧化碳腐蝕實驗的時間為28 d，溫度、壓力均為80 ℃、30 MPa。

2 結果與討論

2.1 常規水泥漿體系防氣竄效果評價

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

表2 實驗配方及測試結果

2.2 防氣竄劑優選

防氣竄劑主要作用為注水泥及候凝過程中防止氣體運移以提高固井質量的一種外加劑。目前常用的主要為發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驗、靜膠凝強度實驗、防二氧化碳腐蝕實驗對這兩種防氣竄劑進行對比分析。

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

2.2.2 靜膠凝強度實驗 聚合物類防氣竄劑延緩水泥漿發生氣竄的主要作用機理是縮短靜膠凝發展的過渡時間，使得水泥漿失重到產生掛壁強度之間的氣竄危險時間盡量縮短，以減少氣竄的發生，控制氣竄距離。分別測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度，測試結果見圖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間縮短至原來的四分之一，且強度發展更快，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度實驗結果

2.2.3 防二氧化碳腐蝕實驗 由以上測試結果可知，兩種防氣竄劑在各自的領域均具有較好的作用效果。為了進一步為CCUS 運行井進行篩選，還需對兩種防氣竄劑的防二氧化碳腐蝕效果進行評價。分別測試上述兩種防氣竄劑加入水泥石后耐二氧化碳腐蝕特性，評價方式為對腐蝕前后不同樣品的抗壓強度分別進行測試，通過腐蝕后的強度衰減率來評價水泥石耐二氧化碳腐蝕特性。腐蝕前，水泥石的養護時間為48 h，測試結果見圖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度均出現了不同程度的衰減，三者的衰減率分別為44.7%、57.1%、8.1%。分析認為，加入發氣膨脹型防氣竄劑（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部結構更為疏松了，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，應是得益于其聚合物在水泥石內部形成的較強的孔隙充填，減緩了二氧化碳的侵入。因此，對于CCUS 運行井，應選用B 劑為防氣竄劑。

圖3 不同水泥石腐蝕前后的抗壓強度對比

2.3 防氣竄與腐蝕水泥漿體系

在防氣竄劑優選及現有水泥漿體系實驗的基礎之上，通過室內實驗配方優化，形成了防氣竄與腐蝕水泥漿體系，體系的配方為：G 級水泥+5.5%降失水劑+2.5%B劑+0.7%分散劑。水泥漿的各項性能指標見表3。由表3 可知，該水泥漿體系早期強度高，失水少，自由水含量為0，水泥漿上下密度差小于0.010 g/cm3，具有強度高、穩定性強的特點。水泥漿的稠化過渡時間僅為1 min，靜膠凝強度從48 Pa 到240 Pa 的過渡時間為25 min，較短的稠化過渡時間和極快的靜膠凝強度過渡發展使其表現出了優越的防氣竄性能，能夠滿足CCUS 運行井的固井需求。

表3 水泥漿體系的綜合性能

3 現場應用

上述防氣竄與腐蝕水泥漿體系，在國內某二氧化碳驅油與封存區內的XTC-3 井進行了應用。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空上竄泄漏，特對水泥返高以上井段進行二次固井修復。但該區前期已經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險。為消除風險，在水泥返高以上100 m 處進行射孔，建立循環，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，清水頂替到位后關井候凝48 h 后測井。CBL-VDL 測井結果顯示，該井二次固井井段固井質量合格率達到了91%，表明該水泥漿體系在防氣竄方面具有突出的優勢。該井后期轉為二氧化碳注入井，目前已運行2 年，未檢測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縱向、橫向的侵入，保護套管和井口裝置的安全。

4 結論

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

（2）發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，但當應用井存在防氣竄和防二氧化碳腐蝕的雙重需求時，應選用聚合物類防氣竄劑，發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度高、穩定性強、耐二氧化碳腐蝕能力強的特點，可以提高應用井的固井質量和耐二氧化碳腐蝕能力。