楊振杰 朱海濤 王嘉淮 羅天雨 王容軍

1.西安石油大學石油工程學院 2.中國石油新疆油田公司采油工藝研究院

天然氣井套間氣竄自修復技術(shù)

楊振杰1朱海濤1王嘉淮2羅天雨2王容軍2

1.西安石油大學石油工程學院 2.中國石油新疆油田公司采油工藝研究院

井口套間氣竄即套間帶壓一直是困擾天然氣井安全生產(chǎn)的技術(shù)難題，僅靠固井和修井技術(shù)難以從根本上解決問題?；趯μ烊粴饩组g氣竄原因的分析和水泥基自修復理論，建立了氣井井口環(huán)空氣竄的兩種自修復模式。采用在模擬套管的鋼管中浸泡鉆井液和使用沖擊式造縫儀兩種方法，來模擬固井水泥環(huán)損傷后形成的氣竄通道（即微裂縫和微間隙），用GSN滲透結(jié)晶型自修復劑配制天然氣井套間氣竄自修復液，在XAN－RC封堵模擬實驗流程中進行了水泥環(huán)損傷自修復模擬試驗。結(jié)果表明，GSN自修復劑能夠自動滲入氣竄通道，形成滲透結(jié)晶水化產(chǎn)物，密閉固井水泥環(huán)的微間隙和微裂縫，有較好的自修復效果，明顯提高了損傷水泥環(huán)的抗氣竄強度。該研究成果對實現(xiàn)氣井井口環(huán)空氣竄的動態(tài)即時自修復，保持水泥環(huán)封固的可靠性和耐久性，解決氣井環(huán)空帶壓問題有重要的工程運用價值。

天然氣井 環(huán)空帶壓 固井水泥環(huán) 自修復 GSN自修復劑 防治氣竄

由于氣竄引起的天然氣井井口氣體滯留和井口壓力升高（sustained annular pressure）即環(huán)空帶壓問題一直是世界上許多油氣田面臨的嚴重問題，使很多氣井存在安全和環(huán)境的隱患［1］。我國的四川、克拉瑪依等許多氣田都不同程度地受到井口氣竄的困擾，產(chǎn)生了較大安全和環(huán)境壓力。

解決氣井環(huán)空帶壓問題的基本方法是采用擠水泥大修井修復方法和化學堵漏修復方法，但由于氣竄通道尺寸微小很難擠入，成功率低，許多損傷井的修復作業(yè)需要進行2～3次。如哈薩克斯坦讓那若爾油田在對井口氣竄的油氣井采用在封固段上部射孔注入水泥封堵的辦法，有效期約一個月，多數(shù)井在修井后再次發(fā)生井口氣竄。

為保證氣田安全高效的開發(fā)，必須解決氣井環(huán)空帶壓問題。同時地下儲氣庫的建設(shè)對氣井水泥環(huán)的密閉可靠性和耐久性提出了更高的要求，對氣井水泥環(huán)氣竄通道自修復的理論和技術(shù)的研究更加緊迫。

為此，本文提出了氣井固井水泥環(huán)損傷自修復的技術(shù)理念，以此為基礎(chǔ)探索研究預(yù)防和解決天然氣井環(huán)空帶壓問題的技術(shù)與方法。

1 天然氣井形成套間氣竄的原因

天然氣井由于地層壓力高、安全密度窗口窄等原因造成固井難度很大，水泥環(huán)對氣層的封固質(zhì)量難以保證。由于油井水泥本身是一種脆性材料，而且氣井在測試投產(chǎn)后，必然要經(jīng)歷各種試井、測試和投產(chǎn)作業(yè)，使套管和水泥環(huán)受到溫度、壓力等各種因素大幅度變化的影響和H2S、CO2等酸性氣體的腐蝕，不可避免地會對固井水泥環(huán)的封隔性能產(chǎn)生破壞，即在膠結(jié)界面產(chǎn)生微間隙和微裂縫，形成氣體的竄流通道［1－9］，形成套間氣竄和帶壓。由于氣井井身結(jié)構(gòu)和氣層的特點，在某些井段如套管回接段水泥環(huán)有可能處于缺水環(huán)境，引起固井水泥環(huán)的干縮，在膠結(jié)界面產(chǎn)生微間隙，形成氣竄的通道。實驗結(jié)果證明缺水狀態(tài)會破壞界面膠結(jié)，引起抗氣竄強度的降低，即使將水泥漿返到地面也能夠形成氣竄通道。因此，這一因素是引起天然氣井氣竄形成環(huán)空帶壓的另一個重要原因［10］。

2 天然氣井套間氣竄自修復模式探討

從天然氣井套間氣竄即井口帶壓形成的原因分析可以看出，水泥環(huán)氣竄通道的形成原因復雜多變，是一個動態(tài)、隨機的過程。常規(guī)的擠水泥大修井修復方法是一種靜態(tài)的修復工藝，不能有效解決氣井水泥環(huán)動態(tài)損傷的問題。

建筑行業(yè)普通水泥基材料的微裂縫的自修復主要是依靠自身與外部環(huán)境的共同作用，在一定的條件下通過特定的化學反應(yīng)實現(xiàn)微裂縫的自修復。普通水泥基材料的微裂縫自愈合機理主要包括結(jié)晶沉淀、滲透結(jié)晶等，自愈合過程涉及物理、化學、熱學與力學等方面［11－12］。

借鑒建筑行業(yè)水泥基材料的自修復理論，筆者提出的解決天然氣井環(huán)空氣竄問題的技術(shù)思路是：在不改變現(xiàn)有的固井液體系和施工設(shè)備的前提下，通過實施特定的自修復工藝，優(yōu)化固井水泥環(huán)的養(yǎng)護環(huán)境，建立氣井固井水泥環(huán)氣竄通道即時自修復機制，始終保持水泥環(huán)對氣層封固的耐久性和可靠性。根據(jù)上述思路建立兩種天然氣井套間氣竄自修復模式。

2.1 已經(jīng)發(fā)生套間氣竄天然氣井的自修復模式

1）對發(fā)生井口環(huán)空氣竄，固井水泥漿已返到地面的天然氣井，將天然氣井井口壓力卸掉，然后將裝有自修復液的高壓密封容器連接到天然氣井的套間氣竄環(huán)空，使用泵車將自修復液擠入井口的氣竄套間水泥環(huán)，施工時保持擠入壓力高于當時的井口帶壓值3～5 MPa。施工后保留自修復劑高壓容器，帶壓養(yǎng)護。

2）對發(fā)生井口環(huán)空氣竄，固井水泥漿未返到地面的天然氣井，將天然氣井井口壓力卸掉，然后將自修復液替入天然氣井的套間氣竄環(huán)空，置換原有套間環(huán)空流體，然后關(guān)井帶壓養(yǎng)護，養(yǎng)護壓力高于當時的井口帶壓值3～5 MPa。

2.2 容易發(fā)生氣竄和井口帶壓問題的天然氣井固井防治氣竄的技術(shù)模式

1）研究能夠?qū)叹喹h(huán)損傷進行自修復的固井前置液，放置在水泥環(huán)的上部。一旦水泥環(huán)出現(xiàn)損傷，氣竄通道形成，前置液中的自修復化學劑就會自動滲入氣竄通道，通過化學反應(yīng)對氣竄通道進行即時動態(tài)自修復，密閉氣竄通道。

2）對于需要固井液返到地面的天然氣井，水泥漿可以返到離井口200 m左右，水泥環(huán)上部用自修復前置液代替，方便在井口定期對套間水泥環(huán)擠注補充自修復液和水分。

3）對于儲氣庫的老井封堵，可以在老井套管內(nèi)注入水泥塞后，在水泥塞上部放置具有自修復性能的環(huán)空保護液，隨時對水泥塞出現(xiàn)的氣竄通道進行即時動態(tài)自修復。

3 套間氣竄自修復劑試驗研究

3.1 試驗儀器和試驗材料

1）XAN－RC封堵模擬實驗流程，西安石油大學研制，實驗壓力50 MPa，主要用于樣品界面膠結(jié)強度即抗氣竄強度的測試，具體測試方法見本文參考文獻［10］。

2）XAN－ZF重力沖擊式造縫儀，西安石油大學研制，主要用于樣品微裂縫的模擬。

3）GSN自修復劑，為滲透結(jié)晶型油井水泥基自修復劑，西安石油大學研制；油井水泥為嘉華G級油井水泥；礦渣為安陽鋼鐵公司產(chǎn)品，細度150目；NJ－1即油田固井專用羧基丁苯膠乳，樣品取自中國石油蘭州化學工業(yè)公司膠乳研制中心；CW－1是一種晶格膨脹劑，樣品取自中原油田固井公司。CMC、K－PAM、JT－888和PAC均為鉆井液聚合物處理劑，樣品取自濮陽中原三力實業(yè)有限公司；原油樣品取自中原油田采油三廠；GS－1為硅粉，細度120目，樣品取自河南新鄉(xiāng)第七化工廠。

3.2 試驗研究

3.2.1 用鋼管浸泡鉆井液的方法模擬一界面的氣竄通道

先讓模擬套管的鋼管（直徑25 cm，長80 cm）浸泡鉆井液（兩種鉆井液體系）24 h，然后再往被鋼管浸泡后的鋼管中注入固井液，由此在固井液與套管內(nèi)壁的膠結(jié)界面產(chǎn)生微間隙，模擬油層套管內(nèi)水泥環(huán)形成微間隙而發(fā)生氣竄的工況。浸泡鋼管鉆井液配方見表1，模擬固井液配方見表2，試驗結(jié)果見表3。

表1 模擬套管的鋼管浸泡方案表

表2 模擬固井液體系配方表

從試驗結(jié)果可以看出：

1）鋼管浸泡鉆井液后，對與所研究的3種油井水泥漿配方而言抗氣竄強度均很低。

2）3種油井水泥漿配方與鋼管形成的微間隙，經(jīng)過GSN自修復劑的修復后，試樣的抗氣竄強度明顯提高。

表3 微間隙模擬樣品自修復試驗抗氣竄強度結(jié)果表 MPa

3）比較而言，油井水泥凈漿和基漿＋30%GS－1的兩個固井液配方的修復效果最好，隨著養(yǎng)護修復時間的增加，抗氣竄強度穩(wěn)定增加和保持。

對膠乳固井液、膠乳膨脹型固井液和礦渣固井液3種體系進行了相同的試驗。試驗配方見表4，試驗結(jié)果見表5，浸泡鉆井液的體系為聚合物鉆井液。

從試驗結(jié)果中可以看出：所有試驗的固井液體系在套管內(nèi)壁存在鉆井液的情況下（模擬微間隙），抗氣竄強度都不理想。經(jīng)過GSN修復劑修復后，抗氣竄強度都明顯提高，隨著養(yǎng)護修復時間的增加，修復效果越好。

3.2.2 用沖擊造縫儀模擬固井水泥環(huán)微裂縫形成的氣竄通道

按標準配制0.44水灰比的油井水泥凈漿，將其倒入準備好的干凈鋼管中，搖勻顛實，封好鋼管的上下端，放入老化罐中120℃空氣養(yǎng)護24 h。將養(yǎng)護好的鋼管在車床上截成小段，每段長10.6 mm。在空氣中放置1周，然后通過自行研制的XAN－ZF重力沖擊式造縫儀對樣品進行沖擊造縫，直至出現(xiàn)微裂縫，測定的抗氣竄強度為零。在不同的養(yǎng)護條件下，養(yǎng)護樣品到規(guī)定時間，測其抗氣竄強度的變化值。試驗結(jié)果見表6，造縫前后和修復前后試樣變化情況見圖1。

表4 固井液試驗配方與性能表

表5 微間隙模擬樣品自修復試驗抗氣竄強度結(jié)果表 MPa

由表6和圖1的試驗結(jié)果可以看出，經(jīng)過人工造縫的試樣，抗氣竄強度為零；經(jīng)過放入20%GSN的修復液中養(yǎng)護修復后，抗氣竄強度明顯恢復，比在清水中的養(yǎng)護效果好許多。試驗結(jié)果還表明，對水泥環(huán)微裂縫的修復需要一定的時間，一般要求大于20 d；隨著時間的加長，修復效果越好，修復的耐久性就好。從圖1可以看出，形成裂縫的試樣經(jīng)過GSN修復劑養(yǎng)護后，裂縫愈合情況良好，具有明顯的修復效果。

表6 微裂縫模擬樣品自修復試驗結(jié)果表

圖1 模擬微裂縫的切片樣品自修復前后裂縫的愈合情況圖

4 機理分析

GSN自修復劑通過以下兩個途徑達到對天然氣井氣竄通道自修復的目的。

1）當天然氣井出現(xiàn)氣竄通道時，GSN自修復液通過滲透作用，使其特殊的活性化學物質(zhì)在氣竄通道（微裂縫或微間隙）中傳輸，形成不溶性的化學晶體，膠結(jié)密閉損傷部位，實現(xiàn)對固井水泥環(huán)損傷的自動修復。

2）GSN自修復劑，能夠激發(fā)固井水泥漿固化體中的未水化的膠凝物質(zhì)發(fā)生二次或多次水化反應(yīng)，實現(xiàn)對固井水泥環(huán)損傷的自動修復。

5 結(jié)論

1）氣井完井投產(chǎn)后由于測試、開采過程中各種復雜因素的影響，固井水泥環(huán)的封固性能會受到不同程度的破壞，而且其影響是動態(tài)隨機的。為保證天然氣井的安全生產(chǎn)，防治井口套間帶壓，研究氣井固井水泥環(huán)的自修復技術(shù)具有重要的工程意義。

2）模擬試驗表明，用GSN自修復劑配制的自修復液能夠滲透到微裂縫和微間隙中，通過結(jié)晶沉淀和多次水化反應(yīng)機理密閉氣竄通道，提高試樣的抗氣竄強度，實現(xiàn)對固井水泥環(huán)氣竄通道的自動修復，有效解決天然氣井固井氣竄和套間帶壓問題。

3）本文提出的天然氣井套間氣竄自修復模式和防治模式，對解決天然氣井的井口帶壓問題和提高固井質(zhì)量，保持固井水泥環(huán)的完整性和耐久性有重要的工程意義。在實際實施中還需結(jié)合現(xiàn)場實際研究具體的工藝技術(shù)，研究相應(yīng)的現(xiàn)場配套設(shè)備。

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On self－h(huán)ealing technology for gas channeling in the cemented annulus

Yang Zhenjie1，Zhu Haitao1，Wang Jiahuai2，Luo Tianyu2，Wang Rongjun2
（1.School of Petroleum Engineering，Xi＇an Shiyou University，Xi＇an，Shaanxi 710065，China；2.Oil Production and Technology Research Institute，Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Karamay，Xinjiang 834000，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.55－58，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Gas breakthrough or gas channeling in a cemented wellbore annuli has long been a technical challenge threatening the safety of gas production activities.It is not to be radically solved merely by well cementing and workover techniques.Herein in this paper，we proposed two self－h(huán)ealing models based on the analysis of causes of gas breakthrough and the cement base self－h(huán)ealing theory for annular gas breakthrough at the well head.We simulated the gas channels（i.e.，microcracks and microgaps）formed in a damaged cement sheath by injecting drilling fluid into the steel pipes as the casings and by using a fracture－generating impact to generate cracks.Then we used GSN penetrative crystallization－type self－h(huán)ealing agent to prepare the gas breakthrough self－h(huán)ealing fluid.Finally we performed cement sheath damage self－h(huán)ealing experiment in the process of an XAN－RC plugging simulation.As shown in the experiment，the GSN self－h(huán)ealing fluid could automatically seep into the gas channels to form a penetrative crystallization－type hydration product that sealed the microgaps and microcracks in the cement sheath.This self－h(huán)ealing capability obviously helped improve the resistance of the cement sheath to gas breakthrough.The research findings are of significant engineering values to realizing the dynamic and prompt self－h(huán)ealing for annular pressure buildup（APB）at gas well heads，maintaining the reliability and durability of cement sheaths，and solving APB problems as a result.

gas well，annular pressure buildup（APB），cement sheath，self－h(huán)ealing，GSN self－repairing agent，gas channeling prevention

楊振杰等.天然氣井套間氣竄自修復技術(shù).天然氣工業(yè)，2012，32（10）：55－58.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.013

國家自然科學基金項目“油氣井固井水泥環(huán)損傷自修復機理與方法研究”（編號：51174166）和陜西省教育廳專項科研計劃項目“油氣井固井水泥環(huán)損傷自修復機理研究”（編號：11JK0786）。

楊振杰，1958年生，教授級高級工程師，博士；長期在油田從事鉆井鉆井液技術(shù)和科研工作，現(xiàn)在西安石油大學從事科研與教學工作。地址：（710065）陜西省西安市電子二路18號。電話：（029）88383013。

（修改回稿日期 2012－08－02 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.013

Yang Zhenjie，professor－level senior engineer，born in 1958，holds a Ph.D degree.He has long been engaged in research of drilling fluids at oil fields.

Add：No.18，Dianzi＇er Rd.，Xi＇an，Shaanxi 710065，P.R.China