固井自修復水泥性能評價方法研究

雷鑫宇，李小可，于小榮，張直建，齊志剛，胡 潔

(1.中國科學院成都有機化學有限公司，成都 610041;2.西南石油大學化學化工學院，成都 610500;3.中國石化勝利油田鉆井工藝研究院，山東東營 257000;4.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津塘沽 300450)

常規固井水泥環由于剛性較強，在完井和增產改造過程中易因為受到沖擊、震動而產生裂紋，即使在正常生產階段，復雜的地層應力波動、地層蠕動也可能導致水泥環出現微裂隙［1］。微裂隙繼續延伸發育，最終可能造成水泥環封固失效的嚴重后果。因此，使水泥環具備受損后自診斷和自修復能力的新技術—固井自修復水泥技術，成為近年來固井液的研究熱點［2］。

自修復水泥作為固井水泥行業一種新興的特種水泥體系，其自修復性能尚未有統一的行業標準供技術人員參照，大多是實驗者參照自愈合混凝土的評價方法，結合油井水泥試驗方法自行設立評價指標進行。然而，自愈合混凝土和固井自修復水泥之間巨大的差異，使這一處理方式存在較大缺陷。筆者設計了一套新的評價方法，并對此方法的完善進行展望。

1 油氣井自修復水泥與自愈合混凝土的差異

雖然自愈合混凝土的測試方法對設立油氣井自修復水泥的自修復效果的評價方法具有較高的借鑒價值，然而兩者的差異顯著［3］。首先，二者所處的環境不同，混凝土多處在開放的大氣環境中，而固井水泥基本是在密閉的井下，浸沒流體包括地層水、原油和乳化油等，溫度和壓力也隨井深變化;其次，油井水泥添加劑的種類多，水泥漿配方復雜性高;最后，界面膠結情況不同，混凝土只需考慮水泥基材料自身的膠結，而固井水泥環則有與地層的第二界面膠結和與套管的第一界面膠結。因此，有必要對現有可借鑒的評價方法進行校正，對簡單可行的新評價方法進行探索，從而提高實驗結果對現場應用的指導價值。

2 固井自修復水泥性能評價方法

在文獻調研和研究室前期研究成果的基礎上［4－7］，建立了一套簡單實用的自修復效果評價方法。該方法主要針對作用機理為微膨脹和滲透結晶的固井自修復材料。

自修復水泥配方為:嘉華G級水泥+3%微硅+0.8%改性聚乙烯醇型降失水劑SWJ－7+1.2%醇醛縮合型分散劑SWJZ－1+2%滲透結晶型自修復劑CW－3(F);水灰比:0.46。

2.1 水泥試樣的微裂縫模擬

將養護成型的水泥石固定在壓力機夾持裝置上，用自制刀具在恒定的緩速壓力加載下對水泥石進行人工造縫，人造微裂縫統一為φ25 mm×25 mm或φ50 mm×50 mm。制縫結果及規格見圖1和圖2。

圖1 “一字”型微裂縫

圖2 “十字”型微裂縫

在人造微裂縫時，為模擬水泥環受地層擠壓蠕動或射孔試油施工等造成的微裂縫，將水泥石首次損傷時的裂縫制成“一”字型裂縫。而在油氣井實際生產的過程中，還會遇到壓裂、二次壓裂等施工的情況，水泥環亦會受到重復的損傷，故在養護一定齡期后為考察自修復效果的持續性，于首次壓開處重復壓開裂縫，或于原裂縫垂直位置處再造一裂縫，形成“十”字型裂縫。通過這一方法可考察微裂縫形態對自修復效果的影響。

2.2 固井自修復水泥養護裝置

為模擬水泥環所處的復雜井下條件，設計了一套水泥試件養護裝置。該裝置通過支架將釜體空間分為3部分，可同時考察3種養護介質下水泥試件自修復效果，在增強模擬性的同時，提高了設備的利用效率。實驗中養護條件為75℃、8 MPa。圖3為養護裝置的示意圖。

圖3 水泥試件養護裝置示意

3 水泥試樣的自修復性能評價

3.1 抗壓強度

流體經人造裂縫滲入水泥石內部，激活自修復材料，自修復材料的內向作用改善了水泥石的內部孔隙結構，增強了致密性，使水泥試件的抗壓強度隨養護齡期延長而提高。以恒定加載速度加壓至水泥石破碎，根據壓力機讀數計算水泥石抗壓強度。表1為造縫自修復水泥試件經養護一定齡期后的抗壓強度。

表1 自修復水泥抗壓強度

由表1可見，分層養護下的水泥石強度發育具有明顯差異。由于自修復劑CW－3(F)的有效成分主要為水溶性，故滲入流體為水時，強度發育更快。

3.2 膠結強度/多次膠結強度

膠結強度/二次膠結強度體現水泥石在自修復材料外向作用下微膨脹的效果。例如，水泥石在經重復頂替后經繼續養護仍存在膠結強度，則既能提供二次膠結能力使松動的水泥環重新膠結，也可提供擠壓閉合作用力促進微裂縫閉合。

圖4 養護1 d后繼續養護時間對膠結強度的影響

圖5 養護3 d后繼續養護時間對膠結強度的影響

圖6 養護7 d后繼續養護時間對膠結強度的影響

將配制好的自修復水泥漿倒模，一定條件下養護1 d，3 d等不同齡期后測試膠結強度，此次頂替僅進行至可讀取數據即可，并不完全脫模，再將具模試件放回養護釜中養護，繼續養護1 d，3 d等不同齡期后取出，按照類似方法多次測試膠結強度。以第一界面(水泥環與套管的膠結面)為例，測試自修復水泥的膠結/多次膠結強度，并與凈漿(未加CW－3(F)的水泥漿)比較，結果見圖4、圖5、圖6和圖7。自修復水泥石的多次膠結強度明顯高于凈漿水泥石，在重復頂替后，自修復水泥石的膠結強度下降趨勢明顯平緩。

圖7 養護14 d后繼續養護時間對膠結強度的影響

3.3 滲透率

自修復水泥環出現微裂縫后，滲入水激活滲透結晶成分，生成結晶體堵塞微裂縫，阻止了微裂縫的繼續發育，降低了水泥石滲透率，維持了水泥環的封固性。將自修復水泥石試件人工制造微裂縫后測定初始滲透率，在75℃、8 MPa條件下養護相應齡期后取出測定不同齡期的滲透率，結果見表2。

表2 自修復水泥滲透率

由表2可見，分層養護下的水泥石滲透率具有明顯差異。養護介質為水時，微裂縫愈合情況較好，滲透率明顯降低。

4 結論與建議

針對以滲透結晶和微膨擠壓兩種作用機理的自修復水泥體系，設計了一套專用養護裝置并建立了配套的評價方法。養護裝置提高了對水泥環所處復雜環境的模擬程度和儀器的使用效率。評價方法簡單實用，實驗數據豐富可靠。結合近年來固井自修復水泥的發展趨勢和工程施工需要，對其評價方法的完善提出以下建議:

1)利用造縫儀或射孔槍進行模擬造縫［8］，可使微裂縫的形態更加多樣化。

2)利用XRD分析儀和元素分析儀對自修復水泥石微裂縫斷面的晶體礦物成分進行分析，了解其物相組成，可對自修復機制有更深入的研究。

［1］雷鑫宇，陳大鈞，張直建，等.纖維－自修復水泥改善固井質量研究［J］.科學技術與工程，2013，13(19):5597 －5599.

［2］趙寶輝，鄒建龍，劉愛萍，等.水泥基材料微裂縫自修復技術研究進展［J］.鉆井液與完井液，2011，28(B11):59 －62.

［3］湯華，李相國.水泥基材料裂縫自愈合效應的研究［J］.武漢理工大學學報，2008，30(4):12 －15.

［4］陳大鈞，雷鑫宇，李芹，等.雙重強化界面膠結強度技術［J］.鉆井液與完井液，2014，31(1):57 －59.

［5］雷鑫宇，陳大鈞，李小可，等.油井水泥緩釋自修復技術研究［J］.鉆井液與完井液，2013，30(5):60 －62.

［6］陳大鈞，張直建，雷鑫宇，等.自愈合水泥在淺海固井中的應用研究［J］.科學技術與工程.2013，13(24):7148 －7151.

［7］楊振杰，齊斌，劉阿妮，等.水泥基材料微裂縫自修復機理研究進展［J］.石油鉆探技術，2009，37(3):5 －9.

［8］楊振杰，馬成云，朱海濤，等.自修復固井前置液實驗研究［J］.鉆井液與完井液，2013，30(2):55 －58.