防气窜与腐蚀水泥浆体系研究及应用

侯云翌，王 涛

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西西安 710075）

固井气窜是指在水泥浆候凝过程中地层中的气进入水泥与套管或水泥与井壁的间隙之间形成层间窜流通道，严重者甚至会形成沿井筒形成气窜通道窜至井口，在井口冒气，严重影响气井生产安全。而对于已经在运行的CCUS 工程中的二氧化碳驱油与封存区块，由于地层中含有较高压力的二氧化碳，无论是老井修复还是新井加密，气窜都是影响井筒完整性及生产安全的风险挑战。除此之外，还要考虑二氧化碳对水泥环的腐蚀影响。前人对防气窜水泥浆体系及防气窜评价方法进行了很多研究，罗俊丰等[1]基于南海流花深水区块气窜的机理和原因，开发了一种新型抗高温聚合物/胶乳防气窜水泥浆体系，具有抗高温、低滤失量、防气窜等特点；张兴国等[2]以丙烯腈等聚合物为壁材，异丁烷为芯材，采用悬浮聚合法制备了一种温敏性膨胀微胶囊防气窜剂，加量大于等于2%时能弥补水泥水化过程中的体积收缩，其反应温度为65 ℃，最佳温度为83 ℃。针对近年来大型压裂对固井有新的技术要求，周芝琴等[3]以热塑性高分子聚合物材料为外加剂，开发了一种新型增韧防窜水泥浆体系，该体系水泥石的弹性模量较低，具有较强的防窜和抗冲击能力；巢贵业等[4]、杨国胜等[5]、钟福海等[6]分别针对研究区块的气窜特性，分别开发了同时具备塑性、防漏或高密度属性的防窜水泥浆，并取得了较好的应用效果。对于防二氧化碳腐蚀水泥浆，主要是通过加入新的材料，通过提高水泥石的致密性来抵抗腐蚀，如聚合物型[7-8]、细小颗粒填充型[9]、耐腐蚀材料[10]。综上所述，当前的防气窜和防腐蚀水泥浆主要集中于在常规水泥浆基础之上的单个定向属性改造，对于CCUS 工程中既要考虑气窜，又要兼顾二氧化碳腐蚀水泥浆体系的研究较少。以下针对二氧化碳注采区域井的固井需求，开发了一种防气窜与腐蚀水泥浆体系，并进行了现场应用。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验用水泥为G 级油井水泥，消泡剂、缓凝剂为国内某外加剂厂家，防气窜剂A 为发气膨胀型防气窜剂，防气窜剂B 为聚合物类防气窜剂，在未加防气窜剂条件下不同早强剂、缓凝剂水泥浆实验相关配方见表1。

表1 不同实验配方及实验条件

1.2 实验仪器及方法

水泥浆稠化时间采用0712 型双缸增压稠化仪测试，失水测试采用0705 型高温高压失水仪进行测试，防窜实验采用OFITE 静胶凝强度分析仪进行测试，水泥浆流变采用HTD-6ST 型六速黏度计进行测试，水泥石抗压强度采用YJ-2000 型压力试验机进行测试，二氧化碳腐蚀实验采用YC09 型高温高压反应釜进行测试。上述实验方法参考GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》。水泥石二氧化碳腐蚀实验的时间为28 d，温度、压力均为80 ℃、30 MPa。

2 结果与讨论

2.1 常规水泥浆体系防气窜效果评价

形成气窜的原因主要为常规水泥浆在候凝过程中由液态-胶凝态-固态的相态转变过程中，由于失重降低了对地层压力的平衡，因此，常规水泥浆凝结过程中的静胶凝强度发展是固井防气窜的重要指标之一。对无防气窜剂的常规水泥浆体系的静胶凝强度进行了测试。测试结果见表2。由以上测试结果可知，常规水泥浆过渡时间随着缓凝剂的加量增加而增加、随着早强剂加量的增加而减小、随着温度的升高而减小，对于影响效果而言，温度对常规水泥浆静胶凝强度从48 Pa到240 Pa 的过渡时间的影响最为显著，其次为缓凝剂，早强剂对其影响最弱，说明早强剂主要对常规水泥浆的24 h 早期强度发挥作用，对其候凝过程中的静胶凝强度贡献较弱。且无论通过调节早强剂或者缓凝剂均无法显著改变其静胶凝过渡时间长的特点，因此，需引入新的外加剂以改变其特性。

表2 实验配方及测试结果

2.2 防气窜剂优选

防气窜剂主要作用为注水泥及候凝过程中防止气体运移以提高固井质量的一种外加剂。目前常用的主要为发气膨胀型防气窜剂和聚合物类防气窜剂，如丁苯胶乳或聚乙烯醇（PVA）。以下分别通过膨胀实验、静胶凝强度实验、防二氧化碳腐蚀实验对这两种防气窜剂进行对比分析。

2.2.1 膨胀实验 发气膨胀型防气窜剂的主要作用机理是依靠水泥水化产物晶体膨胀使其体积产生微膨胀，补偿因水泥浆（石）收缩而形成的通道以达到防气窜的目的。分别将无防气窜剂的1#水泥浆和加入2%发气膨胀型防气窜剂的2#水泥浆80 ℃搅拌预置，之后倒入250 mL 量筒进行80 ℃水浴静置，静置1 h 后见图1（a）。从图1 可以看出，1#无发气膨胀型防气窜剂的水泥浆体积没有变化，而2#加入发气膨胀型防气窜剂的水泥浆已经显著膨胀，体积超过了250 mL 线，水泥浆的上方出现了一定量的气泡。经过2 h 测试后，2#水泥浆体积见图1（b），水泥浆的体积膨胀率已经超过了20%以上，说明该类防气窜剂的膨胀效果较好，可以较好的补偿水泥石收缩。

2.2.2 静胶凝强度实验 聚合物类防气窜剂延缓水泥浆发生气窜的主要作用机理是缩短静胶凝发展的过渡时间，使得水泥浆失重到产生挂壁强度之间的气窜危险时间尽量缩短，以减少气窜的发生，控制气窜距离。分别测试无防气窜剂和加入2%聚合物类防气窜剂水泥浆的静胶凝强度，测试结果见图2。由图2 可以看出，与未加入防气窜剂的空白样相比，加入2%聚合物类防气窜剂后水泥浆的过渡时间缩短至原来的四分之一，且强度发展更快，说明该防气窜剂的防气窜效果极好。

图2 聚合物类防气窜剂静胶凝强度实验结果

2.2.3 防二氧化碳腐蚀实验 由以上测试结果可知，两种防气窜剂在各自的领域均具有较好的作用效果。为了进一步为CCUS 运行井进行筛选，还需对两种防气窜剂的防二氧化碳腐蚀效果进行评价。分别测试上述两种防气窜剂加入水泥石后耐二氧化碳腐蚀特性，评价方式为对腐蚀前后不同样品的抗压强度分别进行测试，通过腐蚀后的强度衰减率来评价水泥石耐二氧化碳腐蚀特性。腐蚀前，水泥石的养护时间为48 h，测试结果见图3。由图3 可以看出，无添加剂（空白样）、A剂、B 剂三种水泥石样品在腐蚀后的抗压强度均出现了不同程度的衰减，三者的衰减率分别为44.7%、57.1%、8.1%。分析认为，加入发气膨胀型防气窜剂（A剂）的水泥石耐二氧化碳腐蚀效果最差，主要原因是膨胀后水泥石的内部结构更为疏松了，二氧化碳可以侵入水泥石基体更深处。而聚合物类防气窜剂（B 剂）的耐二氧化碳腐蚀效果最好，应是得益于其聚合物在水泥石内部形成的较强的孔隙充填，减缓了二氧化碳的侵入。因此，对于CCUS 运行井，应选用B 剂为防气窜剂。

图3 不同水泥石腐蚀前后的抗压强度对比

2.3 防气窜与腐蚀水泥浆体系

在防气窜剂优选及现有水泥浆体系实验的基础之上，通过室内实验配方优化，形成了防气窜与腐蚀水泥浆体系，体系的配方为：G 级水泥+5.5%降失水剂+2.5%B剂+0.7%分散剂。水泥浆的各项性能指标见表3。由表3 可知，该水泥浆体系早期强度高，失水少，自由水含量为0，水泥浆上下密度差小于0.010 g/cm3，具有强度高、稳定性强的特点。水泥浆的稠化过渡时间仅为1 min，静胶凝强度从48 Pa 到240 Pa 的过渡时间为25 min，较短的稠化过渡时间和极快的静胶凝强度过渡发展使其表现出了优越的防气窜性能，能够满足CCUS 运行井的固井需求。

表3 水泥浆体系的综合性能

3 现场应用

上述防气窜与腐蚀水泥浆体系，在国内某二氧化碳驱油与封存区内的XTC-3 井进行了应用。该井井深2 400 m，水泥返高2 138 m，为防止二氧化碳沿该井套管外环空上窜泄漏，特对水泥返高以上井段进行二次固井修复。但该区前期已经注入了一定量的二氧化碳，套管外二次固井具有较大的气窜风险。为消除风险，在水泥返高以上100 m 处进行射孔，建立循环，先后注入前置隔离冲洗液5 m3、防气窜与腐蚀水泥浆25 m3、后隔离液2 m3，清水顶替到位后关井候凝48 h 后测井。CBL-VDL 测井结果显示，该井二次固井井段固井质量合格率达到了91%，表明该水泥浆体系在防气窜方面具有突出的优势。该井后期转为二氧化碳注入井，目前已运行2 年，未检测到任何的二氧化碳泄漏。表明防气窜与腐蚀水泥浆体系具有较好的防二氧化碳腐蚀效果，能够阻止二氧化碳沿水泥环纵向、横向的侵入，保护套管和井口装置的安全。

4 结论

（1）未添加防气窜剂时，常规水泥浆体系水泥浆静胶凝强度发展缓慢，防气窜效果较差，无法满足含气井的固井需求。

（2）发气膨胀型防气窜剂和聚合物类防气窜剂均具有较好的防气窜功能，但当应用井存在防气窜和防二氧化碳腐蚀的双重需求时，应选用聚合物类防气窜剂，发气膨胀型防气窜剂水泥石的抗二氧化碳腐蚀能力较差。

（3）防气窜与腐蚀水泥浆体系具有强度高、稳定性强、耐二氧化碳腐蚀能力强的特点，可以提高应用井的固井质量和耐二氧化碳腐蚀能力。