一种油气响应型固井自修复材料的研究及应用

赵胜绪，项先忠，王有伟

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北廊坊 065201）

油气井注水泥作业形成的水泥环通常具有抗压强度高、弹韧性低、易收缩等特点。在钻井及后续作业（如测试、射孔、增产等）过程中，水泥环及套管所处的温度场和压力场不可避免会发生大幅度变化，容易引发胶结界面及水泥环基体产生微裂缝和微间隙，从而导致油气层间窜流，进一步形成套管环空带压[1-3]。有统计数据显示，油气井投产15 至30 年，受环空带压影响的油气井比例高达50%～60%[4]。解决油气井环空带压问题最常用的方法是挤水泥，此方法成本高且多数井在修井后会再次出现环空带压问题。

近年来油气响应型自修复技术日益成熟，成为解决环空带压问题的新途径。该技术是在水泥浆中引入对油气反应灵敏的自修复材料，当发生油气窜流时，自修复材料可在数小时内实现膨胀封堵，重建环空密封，恢复水泥环完整性，常用的如可膨胀的橡胶粒子，具有响应迅速，效果显著，但在水泥浆中难以分散的特点[5-7]。目前，国际油服公司斯伦贝谢和哈里伯顿分别拥有FUTUR 和LifeCem 自修复水泥浆技术，并成功应用于治理油气井环空带压问题及地下储气库等[8-10]。而国内对于油气响应型自修复技术的研究仍处于起步阶段，虽然已经有研究人员通过引入特殊功能基团，得到了油气响应型聚合物，并在室内取得了良好的实验效果，但尚未应用于油田现场[11-13]。

SHM 是一种三元共聚高分子油气响应型自修复材料，具有合适的交联度，吸油倍率高，最高使用井底循环温度高于140 ℃。本文以该材料为研究对象，以材料吸油倍率及其在水泥石中遇油气的自修复能力作为评价指标，同时研究了该材料对水泥浆稠化时间及水泥石力学性能的影响，并介绍了该材料在现场作业中的应用情况。

1 实验器材与方法

1.1 实验器材

实验装置：电子天平；恒速恒压泵；高压中间容器；岩心夹持器；高温高压稠化仪；三轴应力试验机。

实验材料：煤油；液化石油气；API G 级水泥、SHM自修复材料；降失水剂；分散剂；消泡剂；加重剂。

1.2 实验方法

（1）吸油倍率实验方法：①取15 g 的SHM，用纱布包裹，浸入盛有190 g 煤油的250 mL 烧杯中，并密封放置于30 ℃、75 ℃和120 ℃水浴养护箱中养护7 d；②称量吸油后SHM 的质量；③SHM 吸油后的质量与初始质量的比值即为SHM 的吸油倍率。

（2）水泥石遇油自修复能力实验方法：①根据API RP 10B-2《油井水泥试验方法》配制水泥浆（SHM 加量为10%BWOC），养护水泥石，钻取水泥石心（Φ2.54×5 cm 圆柱体）；②将人工造缝（裂缝宽度0.1～0.2 mm）的水泥石心放入岩心夹持器，用恒速恒压泵以一定流速向水泥石泵入煤油；③通过压力传感器采集的岩心夹持器入口端的压力变化，计算出水泥石的渗透率变化，并用天平采集出口端的流体质量变化；④以注入压力、渗透率和流出流体质量来评价水泥石的遇油自修复能力。

（3）水泥石遇有机气体自修复能力实验方法：①根据API RP 10B-2《油井水泥试验方法》配制水泥浆（SHM 加量为10%BWOC），养护水泥石，钻取水泥石心（Φ2.54×5 cm 圆柱体）；②将人工造缝（裂缝宽度0.1～0.2 mm）的水泥石心放入岩心夹持器，用恒压液化石油气罐向水泥石泵入有机气体；③用气体流量计监测出口端气体流量，并在出口端进行点火直接观察火苗大小，以气体流量和火苗大小变化评价水泥石遇有机气体的自修复能力。

2 实验结果与分析

2.1 SHM 的吸油倍率

SHM 是一种三元共聚高分子油气响应型自修复材料，具有适当的交联度，并形成三维网状结构。材料遇油或其他有机流体只溶胀而不溶解，油类分子进入到大分子网状结构中，既展现出自修复作用。吸油倍率可以反映材料在水泥石中遇油自修复能力。通常材料的吸油倍率越高自修复能力越强。

观察发现SHM 遇油后成半固体胶体状，无离析油，表面突起、溶胀明显。材料在不同温度的吸油倍率见表1。由表1 结果可以看出，SHM 吸油能力突出，在30 ℃和75 ℃吸油倍率变化不大，均在10 以上，在120 ℃时相对于30 ℃吸油倍率下降了约8%，这是因为在较高的温度时材料内部的交联键有一定程度的破坏，影响了吸油膨胀性能。常用的几种遇油膨胀高分子材料，吸油倍率均在2.5～6.5，120 ℃时吸油倍率均较30 ℃吸油倍率下降50%以上。因此，SHM 具有较好的吸油膨胀能力和热稳定性。

表1 SHM 的吸油倍率

2.2 SHM 对水泥石遇油自修复能力的影响

引入SHM 的水泥石遇油后注入压力、渗透率及质量随时间变化曲线见图1。由图1 可以看出，随着煤油的持续注入，水泥石的注入压力逐渐上升，并在4.5 h开始快速上升逼近围压；水泥石渗透率逐渐下降为零；从水泥石出口端流出的煤油质量逐渐上升，最终不再变化。这表明SHM 遇油快速溶胀对水泥石的微裂缝完成了自修复。

图1 注入压力、渗透率及质量随时间变化曲线

2.3 SHM 对水泥石遇有机气体自修复能力的影响

水泥石末端有机气体流量及观察到的火焰大小随时间变化曲线见图2、图3。由图2、图3 可以看出，通过裂缝带水泥石的有机气体流量随着时间逐渐减小，末端火焰也越来越小，180 min 后基本实现裂缝的自修复。

图2 水泥石遇有机气体末端流量-时间变化曲线

图3 水泥石遇有机气体末端火焰随时间变化曲线

2.4 SHM 对水泥浆稠化时间的影响

为了研究SHM 对水泥浆稠化时间的影响，本文开展了不同加重剂（表2）和不同缓凝剂加量（表3）的水泥浆稠化实验。由表2 结果可以看出，SHM 对水泥浆稠化时间无明显影响，与加重剂添加量无明显关系，说明SHM 在水泥浆中为惰性材料，不影响水泥水化及稠化时间。由表3 结果可以看出，添加SHM 的水泥浆的稠化时间与缓凝剂加量呈正相关，说明SHM 的加入不影响水泥浆的稠化可调性和规律性。

表3 不同缓凝剂加量下水泥浆稠化时间（ρ=1.9 g/cm3，T=75 ℃，P=35 MPa）

2.5 SHM 对水泥石机械性能的影响

配制不同SHM 加量（0、6%BWOC、10%BWOC）的水泥浆，并置于75 ℃水浴中养护7 d，然后使用三轴应力试验机测试水泥石的抗压强度、拉伸强度、杨氏模量等机械性能参数，测试结果见图4。

图4 水泥石机械性能测试结果

由图4 可以看出，与不添加SHM 的常规水泥石相比，添加6%（BWOC）SHM 的水泥石拉伸强度降低了4%，添加10%（BWOC）SHM 的水泥石拉伸强度降低了46%。加入6%（BWOC）SHM 的水泥石杨氏模量和抗压强度下降约50%，加入10%（BWOC）SHM 的水泥石杨氏模量和抗压强度下降约60%。由于SHM 是一种三元共聚高分子油气响应型自修复材料，本身抗压强度和拉伸强度较低，加量较低（如6%BWOC）时不会对水泥石的拉伸强度产生显著影响，虽然使抗压强度下降较为明显，但仍能满足现场作业需求。杨氏模量的降低表明水泥石弹韧性增强，有利于保持水泥环完整性。因此，SHM 推荐加量在6%（BWOC）以内。

3 现场应用

SHM 水泥浆体系在马来西亚某区块进行了现场应用，领浆和尾浆密度分别为1.50 g/cm3和1.68 g/cm3的海水配方，SHM 加量为5%（BWOC），水泥浆性能评价见表4。现场作业按设计顺利实施，最终水泥返高符合要求。CBL 电测结果显示固井质量良好。同一区块前期使用常规水泥浆体系的邻井，在固井结束2 d 后即出现环空带压问题。本井采用SHM 水泥浆体系，至今未出现环空带压问题。

表4 尾浆水泥浆性能

针对马来西亚该区块存在的浅层气中有机气体易燃易爆和酸性气体腐蚀水泥环的难题，SHM 水泥浆体系能够对有机流体快速响应实现微裂缝和微间隙的自修复，该体系在现场应用取得良好效果。

4 结论

（1）三元共聚高分子油气响应型自修复材料SHM在30～120 ℃的吸油倍率均在10 左右，具有良好的吸油膨胀能力和热稳定性。

（2）SHM 能够对煤油及有机气体快速响应，迅速膨胀，完成水泥石微裂缝的自修复，从而实现水泥石完整性的快速恢复。

（3）SHM 不影响水泥浆稠化时间，能够有效提高水泥石的弹韧性，能够较好的满足施工要求。

（4）SHM 水泥浆体系在马来西亚某区块进行了成功应用，现场施工顺利，固井质量良好，且至今未出现环空带压现象，取得了良好的现场应用效果。