天然气井套间气窜自修复技术

杨振杰 朱海涛 王嘉淮 罗天雨 王容军

1.西安石油大学石油工程学院 2.中国石油新疆油田公司采油工艺研究院

天然气井套间气窜自修复技术

杨振杰1朱海涛1王嘉淮2罗天雨2王容军2

1.西安石油大学石油工程学院 2.中国石油新疆油田公司采油工艺研究院

井口套间气窜即套间带压一直是困扰天然气井安全生产的技术难题，仅靠固井和修井技术难以从根本上解决问题。基于对天然气井套间气窜原因的分析和水泥基自修复理论，建立了气井井口环空气窜的两种自修复模式。采用在模拟套管的钢管中浸泡钻井液和使用冲击式造缝仪两种方法，来模拟固井水泥环损伤后形成的气窜通道（即微裂缝和微间隙），用GSN渗透结晶型自修复剂配制天然气井套间气窜自修复液，在XAN－RC封堵模拟实验流程中进行了水泥环损伤自修复模拟试验。结果表明，GSN自修复剂能够自动渗入气窜通道，形成渗透结晶水化产物，密闭固井水泥环的微间隙和微裂缝，有较好的自修复效果，明显提高了损伤水泥环的抗气窜强度。该研究成果对实现气井井口环空气窜的动态即时自修复，保持水泥环封固的可靠性和耐久性，解决气井环空带压问题有重要的工程运用价值。

天然气井 环空带压 固井水泥环 自修复 GSN自修复剂 防治气窜

由于气窜引起的天然气井井口气体滞留和井口压力升高（sustained annular pressure）即环空带压问题一直是世界上许多油气田面临的严重问题，使很多气井存在安全和环境的隐患［1］。我国的四川、克拉玛依等许多气田都不同程度地受到井口气窜的困扰，产生了较大安全和环境压力。

解决气井环空带压问题的基本方法是采用挤水泥大修井修复方法和化学堵漏修复方法，但由于气窜通道尺寸微小很难挤入，成功率低，许多损伤井的修复作业需要进行2～3次。如哈萨克斯坦让那若尔油田在对井口气窜的油气井采用在封固段上部射孔注入水泥封堵的办法，有效期约一个月，多数井在修井后再次发生井口气窜。

为保证气田安全高效的开发，必须解决气井环空带压问题。同时地下储气库的建设对气井水泥环的密闭可靠性和耐久性提出了更高的要求，对气井水泥环气窜通道自修复的理论和技术的研究更加紧迫。

为此，本文提出了气井固井水泥环损伤自修复的技术理念，以此为基础探索研究预防和解决天然气井环空带压问题的技术与方法。

1 天然气井形成套间气窜的原因

天然气井由于地层压力高、安全密度窗口窄等原因造成固井难度很大，水泥环对气层的封固质量难以保证。由于油井水泥本身是一种脆性材料，而且气井在测试投产后，必然要经历各种试井、测试和投产作业，使套管和水泥环受到温度、压力等各种因素大幅度变化的影响和H2S、CO2等酸性气体的腐蚀，不可避免地会对固井水泥环的封隔性能产生破坏，即在胶结界面产生微间隙和微裂缝，形成气体的窜流通道［1－9］，形成套间气窜和带压。由于气井井身结构和气层的特点，在某些井段如套管回接段水泥环有可能处于缺水环境，引起固井水泥环的干缩，在胶结界面产生微间隙，形成气窜的通道。实验结果证明缺水状态会破坏界面胶结，引起抗气窜强度的降低，即使将水泥浆返到地面也能够形成气窜通道。因此，这一因素是引起天然气井气窜形成环空带压的另一个重要原因［10］。

2 天然气井套间气窜自修复模式探讨

从天然气井套间气窜即井口带压形成的原因分析可以看出，水泥环气窜通道的形成原因复杂多变，是一个动态、随机的过程。常规的挤水泥大修井修复方法是一种静态的修复工艺，不能有效解决气井水泥环动态损伤的问题。

建筑行业普通水泥基材料的微裂缝的自修复主要是依靠自身与外部环境的共同作用，在一定的条件下通过特定的化学反应实现微裂缝的自修复。普通水泥基材料的微裂缝自愈合机理主要包括结晶沉淀、渗透结晶等，自愈合过程涉及物理、化学、热学与力学等方面［11－12］。

借鉴建筑行业水泥基材料的自修复理论，笔者提出的解决天然气井环空气窜问题的技术思路是：在不改变现有的固井液体系和施工设备的前提下，通过实施特定的自修复工艺，优化固井水泥环的养护环境，建立气井固井水泥环气窜通道即时自修复机制，始终保持水泥环对气层封固的耐久性和可靠性。根据上述思路建立两种天然气井套间气窜自修复模式。

2.1 已经发生套间气窜天然气井的自修复模式

1）对发生井口环空气窜，固井水泥浆已返到地面的天然气井，将天然气井井口压力卸掉，然后将装有自修复液的高压密封容器连接到天然气井的套间气窜环空，使用泵车将自修复液挤入井口的气窜套间水泥环，施工时保持挤入压力高于当时的井口带压值3～5 MPa。施工后保留自修复剂高压容器，带压养护。

2）对发生井口环空气窜，固井水泥浆未返到地面的天然气井，将天然气井井口压力卸掉，然后将自修复液替入天然气井的套间气窜环空，置换原有套间环空流体，然后关井带压养护，养护压力高于当时的井口带压值3～5 MPa。

2.2 容易发生气窜和井口带压问题的天然气井固井防治气窜的技术模式

1）研究能够对固井水泥环损伤进行自修复的固井前置液，放置在水泥环的上部。一旦水泥环出现损伤，气窜通道形成，前置液中的自修复化学剂就会自动渗入气窜通道，通过化学反应对气窜通道进行即时动态自修复，密闭气窜通道。

2）对于需要固井液返到地面的天然气井，水泥浆可以返到离井口200 m左右，水泥环上部用自修复前置液代替，方便在井口定期对套间水泥环挤注补充自修复液和水分。

3）对于储气库的老井封堵，可以在老井套管内注入水泥塞后，在水泥塞上部放置具有自修复性能的环空保护液，随时对水泥塞出现的气窜通道进行即时动态自修复。

3 套间气窜自修复剂试验研究

3.1 试验仪器和试验材料

1）XAN－RC封堵模拟实验流程，西安石油大学研制，实验压力50 MPa，主要用于样品界面胶结强度即抗气窜强度的测试，具体测试方法见本文参考文献［10］。

2）XAN－ZF重力冲击式造缝仪，西安石油大学研制，主要用于样品微裂缝的模拟。

3）GSN自修复剂，为渗透结晶型油井水泥基自修复剂，西安石油大学研制；油井水泥为嘉华G级油井水泥；矿渣为安阳钢铁公司产品，细度150目；NJ－1即油田固井专用羧基丁苯胶乳，样品取自中国石油兰州化学工业公司胶乳研制中心；CW－1是一种晶格膨胀剂，样品取自中原油田固井公司。CMC、K－PAM、JT－888和PAC均为钻井液聚合物处理剂，样品取自濮阳中原三力实业有限公司；原油样品取自中原油田采油三厂；GS－1为硅粉，细度120目，样品取自河南新乡第七化工厂。

3.2 试验研究

3.2.1 用钢管浸泡钻井液的方法模拟一界面的气窜通道

先让模拟套管的钢管（直径25 cm，长80 cm）浸泡钻井液（两种钻井液体系）24 h，然后再往被钢管浸泡后的钢管中注入固井液，由此在固井液与套管内壁的胶结界面产生微间隙，模拟油层套管内水泥环形成微间隙而发生气窜的工况。浸泡钢管钻井液配方见表1，模拟固井液配方见表2，试验结果见表3。

表1 模拟套管的钢管浸泡方案表

表2 模拟固井液体系配方表

从试验结果可以看出：

1）钢管浸泡钻井液后，对与所研究的3种油井水泥浆配方而言抗气窜强度均很低。

2）3种油井水泥浆配方与钢管形成的微间隙，经过GSN自修复剂的修复后，试样的抗气窜强度明显提高。

表3 微间隙模拟样品自修复试验抗气窜强度结果表 MPa

3）比较而言，油井水泥净浆和基浆＋30%GS－1的两个固井液配方的修复效果最好，随着养护修复时间的增加，抗气窜强度稳定增加和保持。

对胶乳固井液、胶乳膨胀型固井液和矿渣固井液3种体系进行了相同的试验。试验配方见表4，试验结果见表5，浸泡钻井液的体系为聚合物钻井液。

从试验结果中可以看出：所有试验的固井液体系在套管内壁存在钻井液的情况下（模拟微间隙），抗气窜强度都不理想。经过GSN修复剂修复后，抗气窜强度都明显提高，随着养护修复时间的增加，修复效果越好。

3.2.2 用冲击造缝仪模拟固井水泥环微裂缝形成的气窜通道

按标准配制0.44水灰比的油井水泥净浆，将其倒入准备好的干净钢管中，摇匀颠实，封好钢管的上下端，放入老化罐中120℃空气养护24 h。将养护好的钢管在车床上截成小段，每段长10.6 mm。在空气中放置1周，然后通过自行研制的XAN－ZF重力冲击式造缝仪对样品进行冲击造缝，直至出现微裂缝，测定的抗气窜强度为零。在不同的养护条件下，养护样品到规定时间，测其抗气窜强度的变化值。试验结果见表6，造缝前后和修复前后试样变化情况见图1。

表4 固井液试验配方与性能表

表5 微间隙模拟样品自修复试验抗气窜强度结果表 MPa

由表6和图1的试验结果可以看出，经过人工造缝的试样，抗气窜强度为零；经过放入20%GSN的修复液中养护修复后，抗气窜强度明显恢复，比在清水中的养护效果好许多。试验结果还表明，对水泥环微裂缝的修复需要一定的时间，一般要求大于20 d；随着时间的加长，修复效果越好，修复的耐久性就好。从图1可以看出，形成裂缝的试样经过GSN修复剂养护后，裂缝愈合情况良好，具有明显的修复效果。

表6 微裂缝模拟样品自修复试验结果表

图1 模拟微裂缝的切片样品自修复前后裂缝的愈合情况图

4 机理分析

GSN自修复剂通过以下两个途径达到对天然气井气窜通道自修复的目的。

1）当天然气井出现气窜通道时，GSN自修复液通过渗透作用，使其特殊的活性化学物质在气窜通道（微裂缝或微间隙）中传输，形成不溶性的化学晶体，胶结密闭损伤部位，实现对固井水泥环损伤的自动修复。

2）GSN自修复剂，能够激发固井水泥浆固化体中的未水化的胶凝物质发生二次或多次水化反应，实现对固井水泥环损伤的自动修复。

5 结论

1）气井完井投产后由于测试、开采过程中各种复杂因素的影响，固井水泥环的封固性能会受到不同程度的破坏，而且其影响是动态随机的。为保证天然气井的安全生产，防治井口套间带压，研究气井固井水泥环的自修复技术具有重要的工程意义。

2）模拟试验表明，用GSN自修复剂配制的自修复液能够渗透到微裂缝和微间隙中，通过结晶沉淀和多次水化反应机理密闭气窜通道，提高试样的抗气窜强度，实现对固井水泥环气窜通道的自动修复，有效解决天然气井固井气窜和套间带压问题。

3）本文提出的天然气井套间气窜自修复模式和防治模式，对解决天然气井的井口带压问题和提高固井质量，保持固井水泥环的完整性和耐久性有重要的工程意义。在实际实施中还需结合现场实际研究具体的工艺技术，研究相应的现场配套设备。

［1］CAVANAGH P，JOHNSON C R，LEROY－DELAGE S，et al.Self－healing cement－novel technology to achieve leakfree wells［C］∥paper 105781－MS presented at the SPE／IADC Drilling Conference，20－22 February 2007，Amsterdam，The Netherlands.New York：SPE，2007.

［2］丁士东，张卫东.国内外防气窜固井技术［J］.石油钻探技术，2002，30（5）：35－38.

［3］巢贵业，陈宇.固井环空气窜机理和防窜水泥浆体系及其措施［J］.水泥工程.2006，27（4）：79－81.

［4］阎树汶.关于固井质量解释中微环隙的问题［J］.测井技术，1990，14（1）：60－66.

［5］焦勇.水泥气侵的根源及现行解决方法的评析［J］.钻采工艺，2000，23（3）：19－25.

［6］严思明，戴珍珍，裴贵彬，等.气态二氧化碳对气井固井水泥石的腐蚀分析［J］.天然气工业，2010，30（9）：55－59.

［7］姚晓.CO2对油井水泥石的腐蚀：热力学条件、腐蚀机理及防护措施［J］.西南石油学院学报，1998，20（3）：68－71.

［8］TALABANI SORAN，CHUUKWU G A，HATZIGATIOU D G.Gas channeling and micro－fractures in cemented annulus［C］∥paper 26068－MS presented at the SPE Western Regional Meeting，26－28 May 1993，Anchorage，Alaska，USA，New York：SPE，1993.

［9］CHRISTIAN W W，CHATTERJI J，OSTROOT G W.Gas leakage in primary cementing－a field study and iaboratory Investigation［J］.Journal of Petroleum Technology，1976，28（11）：1361－1369.

［10］杨振杰，齐斌，别尔哈森，等.不同养护条件对胶结界面抗气窜强度的影响规律［J］.钻井液与完井液，2009，26（1）：35－37.

［11］薛绍祖.国外水泥基渗透结晶型防水材料的研究与发展［J］.中国建筑防水，2001，18（6）：9－12.

［12］刘行，殷素红，李铁锋，等.水泥基渗透结晶型防水剂在地铁应用的试验研究［J］.混凝土，2007，29（4）：40－45.

On self－healing 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－healing models based on the analysis of causes of gas breakthrough and the cement base self－healing 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－healing agent to prepare the gas breakthrough self－healing fluid.Finally we performed cement sheath damage self－healing experiment in the process of an XAN－RC plugging simulation.As shown in the experiment，the GSN self－healing 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－healing 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－healing 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－healing，GSN self－repairing agent，gas channeling prevention

杨振杰等.天然气井套间气窜自修复技术.天然气工业，2012，32（10）：55－58.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.013

国家自然科学基金项目“油气井固井水泥环损伤自修复机理与方法研究”（编号：51174166）和陕西省教育厅专项科研计划项目“油气井固井水泥环损伤自修复机理研究”（编号：11JK0786）。

杨振杰，1958年生，教授级高级工程师，博士；长期在油田从事钻井钻井液技术和科研工作，现在西安石油大学从事科研与教学工作。地址：（710065）陕西省西安市电子二路18号。电话：（029）88383013。

（修改回稿日期 2012－08－02 编辑 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