弹性自愈合水泥浆对环空带压的修复作用及应用

2021-10-25杜培伟王其春

石油化工应用 2021年9期

杜培伟，王其春

（1.中国石化西南石油工程有限公司固井分公司，四川德阳 618002；2.中国石化石油工程技术研究院，北京 100000）

四川WY 页岩气区块是中石化天然气勘探开发的重要区域，具有平台分布密集、储层埋藏深（垂深3 600～3 800 m±）、地层温度高（135 ℃±）、水平段长（1 500 m±）、地层破裂压力高、压裂停泵压力高（65 MPa±）、钻井液密度高（1.80～2.25 g/cm3）[1]，虽然前期已进行多口井的勘探开发，取得了勘探的突破，但在作业期间就存在较为显著的环空带压问题，对于后续作业产生了较为严重的影响，对后期油气开采产生巨大隐患。因此要在全面推进WY 区块页岩气开发之前，开展深层页岩气井筒环空带压预防关键技术研究，提出科学、合理的环空带压问题预防方案，以此促进深层页岩气的高效勘探与开发，实现深层页岩气勘探开发提速提效，有力保障中石化页岩气大开发战略的稳步推进。

1 环空带压原因分析

1.1 套管损坏

由图1 可以明显看出，所有套损井中，大部分都出现在压裂水平段的靠近A 点位置，只有少部分出现在水平段的B 点附近，分析原因近A 点位在多次压裂施工后，由于多次的交变压力作用，水泥环缺失点、薄弱段易形成应力累计，导致水泥环破损，套管-水泥环-地层胶结结构遭到破坏，套管与水泥环剥离，A 点套管在高频率压裂作用下，有更大的可能性发生套损。

图1 套损位置出现的频率图

从铅模变形磨损情况可以推断出套管的变形情况进而形成套管剪切变形模拟示意图（见图2）。

图2 套变段铅模剪切模拟图

1.2 水泥环破损

在环空中形成的水泥环由于固井过程中水泥石固化收缩和外部荷载作用以及后期酸化压裂等增产作业下造成水泥环出现微裂缝或者微环隙，影响水泥环封隔和保护作用[2-4]。对后期现场数据进行收集，发现常规的水泥环缺失原因有以下几点[5，6]：

1.2.1 一二界面胶结质量差形成环隙由于在固井施工过程中，由于顶替效率，水泥浆性能，套管居中度不够等诸多因素影响，造成水泥浆在环空中充填不充分形成水泥环后存在缺失环隙，从而对套管支持保护作用不够，套管应力作用不均匀，导致套管受到外应力作用而损坏。

1.2.2 水泥环遭到多次压力载荷作用破损多级压裂过程中循环加卸荷载使水泥环形成累计参与应变从而导致第一界面出现破损或出现微环隙为气体窜流提供了运移通道，是导致环空带压以及套管失去水泥环保护的主要原因。

2 自愈合水泥浆体系实验研究

为防止水泥环断裂缺失存在环隙造成气窜，使用的水泥浆体系防窜性能优异，防止固井过程中气窜，水泥石与一二界面的胶结强度高，防止水泥凝固后气窜，水泥石具有超低渗透率、低弹性模量，在水泥配方中加入一种自愈合材料，智能修复后期水泥环中的细微渗流通道，恢复水泥环密封完整性[7-10]。

2.1 弹性材料室内优选

根据水泥石在井内条件影响因素以及HG/T3848-2008 检测标准做出以下弹性材料优选方案，再根据优选方案对4 种弹性材料进行优选，其具体数据（见表1）。

表1 弹性材料优选实验

从表1 中，优选出的弹性材料SFP，在高温条件下（140 ℃以下）具有良好的热稳定性，溶解度最低，且其抗剪切强度、弹性回复率以及加入弹性剂后的水泥石弹性模量均能够满足弹性水泥石性能要求，因此，选用材料SFP 进行下一步实验。

2.2 自愈合材料室内优选

本文主要针对代号为ZYH-1、ZYH-2 两种渗透结晶型材料和ZYH-3、ZYH-4 两种热熔型自愈合材料开展不同加量、不同龄期条件下水泥石自愈合能力评价实验研究（见图3）。本文根据实际井况条件将水泥石自愈合设备养护条件设定为120 ℃，70 MPa。实验所用评价方法为裂缝愈合程度测试方法（使用超声波探测仪材对检测材料不同龄期条件下内部缺陷和裂缝宽度进行检测）[11-14]。

从图3 可以看出，结晶型自愈合材料自愈合发展速度较平缓，56 d 依然有自愈合能力，而热熔型自愈合材料由于受温度诱发，自愈合速率发展较快，在28 d后达到峰值，之后自愈合程度趋于平缓；结晶型自愈合剂ZYH-2，56 d 3%加量自愈合程度可以达到80%以上，因此结合实际井况和自愈合性能，选用ZYH-2 做为水泥浆自愈合剂使用。

图3 不同条件下水泥石愈合程度数据图

2.3 弹性自愈合水泥浆性能

根据应对措施中的水泥浆性能要求，对水泥浆配方进行优选改良，调试出以下弹性自愈合水泥浆配方：JHG+35%复配硅粉+液硅+SFP+ZYH-2+DZJ-Y+OSP +DZX+DZH-2+SCR-4+水。

弹性自愈合水泥浆体系SPN 值小于1，显示出优异的防气窜性能（见表2，图4）。

图4 水泥石在150 ℃高温下强度发展曲线

表2 弹性自愈合水泥浆体系基本性能

弹性自愈合水泥石在150 ℃下24 h 内水泥石强度增长至最高点后平稳（见表3）。

由表3 可知，水泥浆各项性能稳定，满足固井现场施工设计要求，能够安全施工入井，水泥石气测渗透率0.013 mD，杨氏模量6.5 GPa，水泥石能承受较高的应力冲击，显示出优异的抗冲击性能。满足高温高压气井固井应用。

表3 水泥石力学性能

2.4 弹性自愈合水泥石在循变压力作用下密封性能测试

将弹性自愈合水泥浆养护成水泥环放入密封性评价装置，开展弹性自愈合水泥浆体系的水泥环密封能力模拟实验，模拟WY 地区的页岩气的水力压裂过程。该装置基本原理为：利用套管、水泥环和外筒模拟套管-水泥环-地层组合体，然后通过压力系统向套管内加载和卸载模拟地层压裂过程中套管、水泥环的受力变化。以200 mL/min 速度的气体流量通入水泥环，在70 MPa 交变压力作用下，进行密封性评价，弹性自愈合水泥石经历70 MPa，13 次循环应力作用后，水泥环密封性才开始形成缝隙，并且气窜量增长缓慢，与常规水泥环气窜密封性实验相比较（见图5），自愈合水泥环在交变压力作用下表现出的水泥环密封性能更好[15]。

图5 抗高温增强型防气窜水泥石70 MPa 应力作用曲线图

2.5 弹性自愈合水泥石自愈合能力测试

水泥石自愈合能力测试方法：在水泥环存在环隙状态下，将天然气流体注入水泥环后点燃，对火焰的大小与熄灭时间进行记录。经过水泥石自愈合能力测试，天然气流速1 200 mL/min 条件下，憋压养护24 h天然气流速降为348 mL/min，140 h 天然气流速降为43 mL/min，二次修复率96.4%。

3 弹性自愈合水泥浆现场应用

（1）YB702 井是在四川盆地川北坳陷九龙山背斜南东翼的一口评价井。五开钻进至井深达6 937.00 m，钻井液密度高达2.3 g/cm3，井底测井温度高达160 ℃，压力达到160 MPa，为保证此次固井施工安全与质量，使用密度2.35 g/cm3，加砂加重自愈合胶乳防窜弹韧性水泥浆体系，后期声幅显示优质率达100%，固井质量优秀。

（2）HX6 井，本开钻井栖霞组、梁山组发生漏失；在下套管及施工过程中发生漏失，影响施工排量和水泥浆返高，施工压力窗口窄，兼顾防漏和防气窜难度大；本开尾浆段采用弹性自愈合水泥浆体系，密度1.90 g/cm3。施工后经声幅检测，自愈合水泥浆封固段固井优良率42%，试压合格。间隔5 d 后再次测井自愈合水泥浆封固段固井优良率达到72%，测井显示水泥环填充度增加，层间封隔良好，水泥环封固质量较5 d 前测井有明显提升。