气井水泥环长期密封失效机理及预防措施

陶 谦

(1页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室 2中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院)

在国内外天然气井中，环空带压现象比较普遍。在墨西哥湾OCS地区，15 500口生产、关闭及临时废弃井中，约6 692口井(43%)至少有一层套管环空带压，套管带压总数为10 153层。其中，47.1%属于生产套管带压，16.3%属于技术套管带压，26.2%属于表层套管带压，10.4%属于导管带压。由于大部分气井拥有多层套管结构，从而为判定事故原因和实施针对性补救措施带来困难，每口井平均补救费用高达100多万美元。在我国，中石油塔里木油田分公司克拉2、迪那2等气田已经出现90多口井生产套管起压现象，2008年克拉2气田投入生产的14口井中，有12口井生产套管带压。普光主体投产的35口气井中有28口井油套带压，13口井技套带压，9口井表套带压，给气井的长期生产带来安全隐患[1-4]。

一、水泥环密封能力的物理模拟试验装置和程序

目前国内外学者主要通过数值模拟和简单物理模拟试验开展水泥环密封能力的评价[5-6]。为了研究实际工况条件下，井下温度、压力变化对长龄期过程中水泥环密封能力的影响规律，针对Ø139.7 mm生产套管，采用全尺寸试验装置，开展了物理模拟试验研究。

图1 水泥环密封性评价装置

1内筒 2水泥环 3外筒 4冷却管 5温度传感器 6加热管 7上密封盖 8下密封盖 9气体流量计 10温度、进气压力、进气流量调节表 11系统/加热开关 12气源 13压力跟踪泵 14控制与记录系统

装置原理及试验方法(图1所示)：内筒采用Ø139.7 mm全尺寸生产套管，外筒采用不同壁厚的Ø244.5 mm模拟地层金属筒，采用平面应变理论，能够模拟压裂过程水泥环受到相同大小应力时，与地层产生相同大小的变形量，实现地层对水泥环的同等力学约束；浇注水泥浆，并在模拟地层温度压力环境下养护，养护时间72 h；通过压力和温度控制系统模拟井筒内部压力和温度变化规律；通过在水泥环底部注气，测试水泥环的密封能力(4个实时气体检查口)和应力应变。

二、水泥石长龄期产物、力学性能及膨胀收缩的演化规律

结合水泥石自身力学性能、水化产物、微观结构，以及水泥石膨胀收缩特性等内因，并考虑井下温度、压力变化等外因影响，对水泥环密封能力的影响内因开展研究，探索高压气井套管环空带压形成机制。

1.水泥石水化产物及孔隙度

为了探索不同水泥浆体系在不同环境下长龄期水化产物的发展规律，为了对比不同温度、水泥石渗透率、水泥石力学性能对水泥环密封能力的影响规律，对4套低温配方和4套高温配方开展研究[7]。低温配方为：①嘉华G级油井水泥+5%降失水剂(FSAM)+44%水；②嘉华G级油井水泥+5%降失水剂(FSAM)+12%丁苯胶乳(DC200)+1.2%胶乳稳定剂(SD-2)+1%分散剂(DSZ)+ 44%水；③嘉华G级油井水泥+5%降失水剂(FSAM)+5%弹性材料(SFP-1)+12%丁苯胶乳(DC200)+1.2%胶乳稳定剂(SD-2)+1.2%分散剂(DZS)+44%水；④嘉华G级油井水泥+5%降失水剂(FSAM)+5%弹性材料(SFP-1)+44%水。高温配方为(130℃试验条件)：①嘉华G级油井水泥+35%硅粉(120目)+5%降失水剂(FSAM)+44%水；②嘉华G级油井水泥+35%硅粉(120目)+5%降失水剂(FSAM)+ 12%丁苯胶乳(DC200)+1.2%胶乳稳定剂(SD-2)+1.2%分散剂(DZS)+44%水；③嘉华G级油井水泥+35%硅粉(120目)+5%降失水剂(FSAM)+5%弹性材料(SFP-1)+12%丁苯胶乳(DC200)+1.2%胶乳稳定剂(SD-2)+1.2%分散剂(DZS)+44%H2O；④嘉华G级油井水泥+35%硅粉(120目)+5%降失水剂(FSAM)+5%弹性材料(SFP-1) +44%水。

在温度80℃和压力20 MPa养护环境测试配方1、配方2、配方3、配方4水泥石30 d、90 d、270 d水化产物中，30 d、90 d主要产物为C-S-H凝胶和Ca(OH)2，以及部分未水化的水泥熟料矿物，270 d主要水化产物仍为C-S-H凝胶，晶态水化产物主要是Ca(OH)2以及少量C2SH2，水化产物与早龄期相比，并未发生显著变化， 270 d龄期水泥熟料减少，说明长龄期过程水化反应一直存在。在温度130℃和压力20 MPa养护环境下测试7 d和270 d，水化产物主要产物为C-S-H凝胶和部分未参与水化的SiO2，随着龄期的增加，SiO2的衍射峰强度降低，说明SiO2继续参与反应，形成C-S-H凝胶。270 d龄期晶态水化产物主要是雪钙硅石(C5S6H5)，以及由C2SH2部分转化而成的C2SH，硅钙比增加，长龄期产物中仍有SiO2的衍射峰，说明还有未反应的硅粉存在。通过测试80℃和130℃水化产物表明，随着养护时间的增加，水泥石水化产物相对稳定。

在80℃和130℃养护条件下测试不同配方7 d和270 d龄期的水泥石孔径分布主要在10～100 nm范围内，添加有胶乳等纳米填充材料的水泥浆体系(配方3)，相比常规水泥浆孔隙度降低6.8% ～18.8%；添加有弹性颗粒等功能性弹性材料，相比常规水泥浆体系孔隙度增加2.6% ～10.3%。整体而言，相同水泥浆体系随着养护龄期的增加，其孔隙度呈下降趋势，水泥石的防窜能力增强，7 d养护龄期与270 d龄期相比，降低幅度为5.5% ～12.5%。

2. 水泥石力学性能演化规律

图2为不同配方水泥浆体系在不同龄期内的抗压强度变化规律，随着养护时间的增加，水泥石抗压强度增加，100 d后逐步趋于稳定。实验结果表明，在稳定的外部环境下，水泥石长期力学性能无劣化现象，具有良好的力学稳定性。

图2 不同龄期水泥石抗压强度

3.水泥石的膨胀收缩特性

水泥石基体收缩是影响环空水泥环密封能力的关键内因。参照ISO 10426《常压下油井水泥收缩与膨胀的测定》开展圆环水泥石膨胀收缩测试试验，测试环境分别为干环境(绝湿，70℃)和湿环境(水浴，70℃)。图3为配方1和配方3在两种环境下的收缩测试，由图3可知，在湿环境下水泥环的收缩量要小于干环境的收缩量。主要原因在于湿润环境保证了水泥的充分水化，同时降低了干环境下毛管力引起水泥石的体积收缩。试验表明，初凝后测试水泥石的收缩量均小于0.2%，但是该值亦能导致环空密封失效，尤其是在干环境下。水泥浆凝固后收缩率大于0.1%时，第二界面微环隙>0.01 mm，界面劣化易导致环空带压[7-8]。

图3 不同龄期水泥石弹性模量

通过分析水泥石长龄期力学性能、水化产物及收缩特性表明，在干环境下，水泥石均表现出一定的收缩特性，从水泥石自身密封能力演化规律而言，干燥环境下水泥石收缩是导致水泥环密封能力降低的主要原因之一。

三、套管内温度、压力变化对水泥环密封能力影响规律

1. 温度对水泥环密封能力的试验评价

采用水泥环密封能力评价装置，选取配方1在20℃～70℃范围内开展温度交替变化， 测试水泥环密封能力。在20℃养护水泥浆72 h后，当温度上升至70℃后，实测水泥环周向拉伸应力到达3.5 MPa，大于2.5 MPa临界拉升应力。当完成第一次升温后降温，水泥环二界面光纤式气泡检测仪能够检测到段塞式气泡，界面出现劣化，温度变化导致水泥环第二界面产生了劣化。在经历4次升温，3次降温，水泥环二界面密封失效，导致环空气窜，见图4所示。

图4 界面气体流量检查

2. 压力对水泥环密封能力的试验评价

气井生产过程中存在由热效应导致的完井液膨胀现象，进而引起套压升高。在60℃恒温养护条件下，测试35 MPa循环加载方式水泥环密封能力。试验方案如下：套管内升压至35 MPa，稳压10 min，卸压至0 MPa，实现连续周期增压和卸压来模拟采气过程中套内压力的变化，环空底部注气压力2.0 MPa，连续测试水泥环密封能力。

测试循环加载过程水泥环应力应变(图5所示)，在12个周期测试中，水泥环外侧受到周向拉升应力小于2 MPa，径向压应力峰值变化范围21.5～25.6 MPa，在相同载荷下峰值应变增加，主要表现为二界面残余应变的累积效应，导致测量应力值增加。通过上述加卸载试验表明：循环加载对水泥环与套管、地层之间胶结界面的劣化存在重要影响，水泥环残余应变累积促使水泥环与套管之间产生了环隙，导致了环空气窜(图6所示)。

图5 35 MPa加卸载条件水泥环应力测试

图6 35 MPa加卸载气窜测试

四、改善水泥环长期密封能力方法

1. 改善水泥石力学性能和收缩特性

基于前人研究，结合本文试验结果，改善高压气井水泥环长期密封能力的方法主要包括：① 控制水泥石的收缩；② 改善水泥石力学性能[10-11]，防止长期界面劣化。

配方3为胶乳韧性水泥浆体系，与常规水泥浆相比，其弹性模量低，渗透率低。在60℃下养护100 d，水泥石体积收缩量仅0.08%。35 MPa条件下开展加卸载测试，加卸载100次，未发生气窜，压力状态见图7所示。配方3水泥石弹性模量为6.5 GPa，具备了较好的弹性变形能力，单轴抗压强度18.5 MPa，循环加载未出现图5所示的累积残余应变累积效应，保证了水泥石的长期密封能力。由此可知，改善水泥石力学性能，能够有效缓解水泥石长龄期连续环空带压现象。

2. 降低水泥石渗透率

针对水泥石渗透率在不同压差下导致的非连续环空带压现象， 对配方1和配方3开展水泥石密封能力测试。如图8所示，配方1和配方3在不同压差时，存在一定的突破压力，即封固完整的水泥环，在上下压差足够大时，总能导致气窜，且压力越高，突破时间越短，越易导致环空带压现象。相比配方1，配方3渗透率降低66.7%，配方3表现出良好的抗渗能力，相同条件下具有较高的突破压力，因此降低水泥石的渗透率，可以有效控制水泥环缓渗导致的环空带压现象。

图7 水泥环加载与径向应力

图8 水泥环气体突破压力测试

五、结论与认识

(1)通过水泥石长龄期水化产物、微孔结构、力学参数、膨胀收缩等参数的测试试验分析发现，水泥环干缩是影响水泥环密封性能的重要因素之一，控制水泥石的干缩效应，将显著提升水泥环长期密封能力。

(2)高压气井生产过程中，温度变化引起的水泥石自应力以及压力变化产生的残余应变累积，将导致水泥石胶结界面劣化，影响水泥环长期密封能力。

(3)水泥石自身的渗透特性，易促使水泥环出现缓渗带压现象，导致高压气井出现普遍带压现象。

(4)通过改善水泥石力学性能及降低渗透率，能够有效的降低高压气井在长期生产过程中的环空带压现象。

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