一種油氣響應型固井自修復材料的研究及應用

趙勝緒，項先忠，王有偉

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北廊坊 065201）

油氣井注水泥作業形成的水泥環通常具有抗壓強度高、彈韌性低、易收縮等特點。在鉆井及后續作業（如測試、射孔、增產等）過程中，水泥環及套管所處的溫度場和壓力場不可避免會發生大幅度變化，容易引發膠結界面及水泥環基體產生微裂縫和微間隙，從而導致油氣層間竄流，進一步形成套管環空帶壓[1-3]。有統計數據顯示，油氣井投產15 至30 年，受環空帶壓影響的油氣井比例高達50%～60%[4]。解決油氣井環空帶壓問題最常用的方法是擠水泥，此方法成本高且多數井在修井后會再次出現環空帶壓問題。

近年來油氣響應型自修復技術日益成熟，成為解決環空帶壓問題的新途徑。該技術是在水泥漿中引入對油氣反應靈敏的自修復材料，當發生油氣竄流時，自修復材料可在數小時內實現膨脹封堵，重建環空密封，恢復水泥環完整性，常用的如可膨脹的橡膠粒子，具有響應迅速，效果顯著，但在水泥漿中難以分散的特點[5-7]。目前，國際油服公司斯倫貝謝和哈里伯頓分別擁有FUTUR 和LifeCem 自修復水泥漿技術，并成功應用于治理油氣井環空帶壓問題及地下儲氣庫等[8-10]。而國內對于油氣響應型自修復技術的研究仍處于起步階段，雖然已經有研究人員通過引入特殊功能基團，得到了油氣響應型聚合物，并在室內取得了良好的實驗效果，但尚未應用于油田現場[11-13]。

SHM 是一種三元共聚高分子油氣響應型自修復材料，具有合適的交聯度，吸油倍率高，最高使用井底循環溫度高于140 ℃。本文以該材料為研究對象，以材料吸油倍率及其在水泥石中遇油氣的自修復能力作為評價指標，同時研究了該材料對水泥漿稠化時間及水泥石力學性能的影響，并介紹了該材料在現場作業中的應用情況。

1 實驗器材與方法

1.1 實驗器材

實驗裝置：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；三軸應力試驗機。

實驗材料：煤油；液化石油氣；API G 級水泥、SHM自修復材料；降失水劑；分散劑；消泡劑；加重劑。

1.2 實驗方法

（1）吸油倍率實驗方法：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 ℃水浴養護箱中養護7 d；②稱量吸油后SHM 的質量；③SHM 吸油后的質量與初始質量的比值即為SHM 的吸油倍率。

（2）水泥石遇油自修復能力實驗方法：①根據API RP 10B-2《油井水泥試驗方法》配制水泥漿（SHM 加量為10%BWOC），養護水泥石，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，計算出水泥石的滲透率變化，并用天平采集出口端的流體質量變化；④以注入壓力、滲透率和流出流體質量來評價水泥石的遇油自修復能力。

（3）水泥石遇有機氣體自修復能力實驗方法：①根據API RP 10B-2《油井水泥試驗方法》配制水泥漿（SHM 加量為10%BWOC），養護水泥石，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氣體；③用氣體流量計監測出口端氣體流量，并在出口端進行點火直接觀察火苗大小，以氣體流量和火苗大小變化評價水泥石遇有機氣體的自修復能力。

2 實驗結果與分析

2.1 SHM 的吸油倍率

SHM 是一種三元共聚高分子油氣響應型自修復材料，具有適當的交聯度，并形成三維網狀結構。材料遇油或其他有機流體只溶脹而不溶解，油類分子進入到大分子網狀結構中，既展現出自修復作用。吸油倍率可以反映材料在水泥石中遇油自修復能力。通常材料的吸油倍率越高自修復能力越強。

觀察發現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 ℃時相對于30 ℃吸油倍率下降了約8%，這是因為在較高的溫度時材料內部的交聯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定性。

表1 SHM 的吸油倍率

2.2 SHM 對水泥石遇油自修復能力的影響

引入SHM 的水泥石遇油后注入壓力、滲透率及質量隨時間變化曲線見圖1。由圖1 可以看出，隨著煤油的持續注入，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量逐漸上升，最終不再變化。這表明SHM 遇油快速溶脹對水泥石的微裂縫完成了自修復。

圖1 注入壓力、滲透率及質量隨時間變化曲線

2.3 SHM 對水泥石遇有機氣體自修復能力的影響

水泥石末端有機氣體流量及觀察到的火焰大小隨時間變化曲線見圖2、圖3。由圖2、圖3 可以看出，通過裂縫帶水泥石的有機氣體流量隨著時間逐漸減小，末端火焰也越來越小，180 min 后基本實現裂縫的自修復。

圖2 水泥石遇有機氣體末端流量-時間變化曲線

圖3 水泥石遇有機氣體末端火焰隨時間變化曲線

2.4 SHM 對水泥漿稠化時間的影響

為了研究SHM 對水泥漿稠化時間的影響，本文開展了不同加重劑（表2）和不同緩凝劑加量（表3）的水泥漿稠化實驗。由表2 結果可以看出，SHM 對水泥漿稠化時間無明顯影響，與加重劑添加量無明顯關系，說明SHM 在水泥漿中為惰性材料，不影響水泥水化及稠化時間。由表3 結果可以看出，添加SHM 的水泥漿的稠化時間與緩凝劑加量呈正相關，說明SHM 的加入不影響水泥漿的稠化可調性和規律性。

表3 不同緩凝劑加量下水泥漿稠化時間（ρ=1.9 g/cm3，T=75 ℃，P=35 MPa）

2.5 SHM 對水泥石機械性能的影響

配制不同SHM 加量（0、6%BWOC、10%BWOC）的水泥漿，并置于75 ℃水浴中養護7 d，然后使用三軸應力試驗機測試水泥石的抗壓強度、拉伸強度、楊氏模量等機械性能參數，測試結果見圖4。

圖4 水泥石機械性能測試結果

由圖4 可以看出，與不添加SHM 的常規水泥石相比，添加6%（BWOC）SHM 的水泥石拉伸強度降低了4%，添加10%（BWOC）SHM 的水泥石拉伸強度降低了46%。加入6%（BWOC）SHM 的水泥石楊氏模量和抗壓強度下降約50%，加入10%（BWOC）SHM 的水泥石楊氏模量和抗壓強度下降約60%。由于SHM 是一種三元共聚高分子油氣響應型自修復材料，本身抗壓強度和拉伸強度較低，加量較低（如6%BWOC）時不會對水泥石的拉伸強度產生顯著影響，雖然使抗壓強度下降較為明顯，但仍能滿足現場作業需求。楊氏模量的降低表明水泥石彈韌性增強，有利于保持水泥環完整性。因此，SHM 推薦加量在6%（BWOC）以內。

3 現場應用

SHM 水泥漿體系在馬來西亞某區塊進行了現場應用，領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），水泥漿性能評價見表4。現場作業按設計順利實施，最終水泥返高符合要求。CBL 電測結果顯示固井質量良好。同一區塊前期使用常規水泥漿體系的鄰井，在固井結束2 d 后即出現環空帶壓問題。本井采用SHM 水泥漿體系，至今未出現環空帶壓問題。

表4 尾漿水泥漿性能

針對馬來西亞該區塊存在的淺層氣中有機氣體易燃易爆和酸性氣體腐蝕水泥環的難題，SHM 水泥漿體系能夠對有機流體快速響應實現微裂縫和微間隙的自修復，該體系在現場應用取得良好效果。

4 結論

（1）三元共聚高分子油氣響應型自修復材料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定性。

（2）SHM 能夠對煤油及有機氣體快速響應，迅速膨脹，完成水泥石微裂縫的自修復，從而實現水泥石完整性的快速恢復。

（3）SHM 不影響水泥漿稠化時間，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塊進行了成功應用，現場施工順利，固井質量良好，且至今未出現環空帶壓現象，取得了良好的現場應用效果。