用于预防环空带压的弹性膨胀凝胶的研制与现场应用

张滨海 (中海油研究总院，北京 100028)

王晓亮 (非常规油气湖北省协同创新中心(长江大学)，湖北武汉430100 荆州嘉华科技有限公司，湖北荆州434000)

许明标，宋建建 (长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

武治强 (中海油研究总院，北京 100028)

于帅 (中国石油冀东油田分公司南堡油田作业区采油三区，河北 唐山 063004)

气井测试过程和生产过程中，随着地层流体产出，会造成油管以及各层生产套管、技术套管及表层套管圈闭环空内的流体温度升高、压力升高的现象，即环空带压[1～3]。环空带压严重时甚至会挤毁或胀裂套管，威胁井筒完整性，给生产作业带来严重的安全隐患。环空带压的原因，其本质是由于固井初期环空气窜或固井后期地层—水泥环—套管固井封隔系统密封性失效，导致气体在环空窜流积聚，引起环空压力上升[4～6]。所以在固井水泥环中加入一段弹性膨胀凝胶是解决水泥环封隔系统密封失效的关键。室内以弹性水溶性树脂作为基液，开展了预防气井环空带压的弹性膨胀凝胶体系的构建与研究工作。

1 试验部分

1)试验材料 树脂凝胶，固化剂，缓固剂，稀释剂，铁矿粉，淡水，膨胀剂，膨胀引发剂。

2)试验仪器 TG-3060A型恒速搅拌器(沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司)，OFITE900型流变仪(美国OFITE)，TG-8040DA增压稠化仪(沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司)，HY-20080微机控制电子万能材料试验仪(上海衡翼精密仪器有限公司)，HY-20080微机控制电子万能材料试验仪(上海衡翼精密仪器有限公司)。

2 弹性膨胀凝胶体系的构建

2.1 加重剂

根据施工技术要求设计的环空凝胶密度为1.90g/cm3，在实验室中采用凝胶+加重剂+稀释剂的基础配方，对不同加重剂进行复配优选工作，通过考察配方的流动度和沉降稳定性，选择合适的加重剂，结果如表1所示。69%铁矿粉(250目)+69%铁矿粉(1200目)作为加重剂组合获得的密度为1.90g/cm3的弹性凝胶，其流动度最好，凝胶的上下密度差为0.01g/cm3，沉降稳定性也能满足现场作业要求。

表1 弹性膨胀凝胶体系加重剂优选

表2 固化剂优选

注：固化剂质量分数为20%。

表3 膨胀剂对凝胶膨胀率的影响

表4 缓固剂的选择结果

注：缓固剂质量分数为5%。

图1 PGN质量分数与稠化时间的关系曲线

2.2 固化剂

弹性凝胶的固化是通过加入固化剂来实现的。室内在80℃×0.1MPa的试验条件下对4种固化剂进行固化时间及固化体弹性的评价，优选出合适固化剂，试验结果见表2。可以看出，固化剂212的固化时间最短，固化体的弹性恢复率最好，所以室内选取212作为高温防窜凝胶的固化剂。

2.3 膨胀剂

微膨胀效果可以有效增加凝胶的流体封隔能力[4]。笔者对不同膨胀剂进行了室内优选评价工作，分别评价了在80℃×常压和80℃×12MPa条件下JSG-1、JSG-2、JSG-3、JSG-4质量分数为0.6%时，膨胀剂对凝胶固化体膨胀率的影响，试验结果如表3所示。由于凝胶体积膨胀较大会对凝胶固化体的强度产生不利的影响，所以在高压力下室内设计凝胶膨胀率要求小于5%，最终优选JSG-4作为弹性膨胀凝胶的膨胀剂。

2.4 缓固剂

树脂凝胶的凝固时间可以通过调节缓固剂的质量分数来实现。室内针对4种缓固剂进行了稠化试验评价，试验结果如表4所示。可以看出，PGN延长凝胶的稠化时间最长，因此选择PGN作为凝胶体系的缓固剂。

室内针对PGN质量分数与凝胶稠化时间的关系进行了试验评价工作，试验结果如图1所示。可以看出，PGN质量分数在8%以内时，随着PGN质量分数增大，凝胶的稠化时间是有效延长的。现场可以根据实际需要来优选PNG质量分数。

3 弹性膨胀凝胶体系性能评价

推荐弹性膨胀凝胶体系配方：100%凝胶+69%铁矿粉(250目)+69%铁矿粉(1200目)+10%稀释剂+20%固化剂+0.6%JSG-4膨胀剂+7%缓固剂。室内对其稠化时间、抗压强度、胶结强度、流动度以及固化体压缩50%弹性恢复率等性能与常规密度水泥石进行了性能对比评价，结果如表5所示。在相同密度(1.90g/cm3)和稠化时间下，弹性膨胀凝胶胶结强度和流动度以及固化体压缩50%的弹性恢复率方面要明显优于常规密度水泥石。

表5 弹性膨胀凝胶与常规水泥石性能对比

4 弹性膨胀凝胶现场应用

焦页某井是涪陵页岩气田二期工程川东南地区川东高陡褶皱带平桥断背斜构造的一口开发水平井，地层587.9m深处存在有浅层气。该平台要进行4口井作业，已经完成了2口井作业，但前期2口井均存在不同程度上表套带压问题(最高压力3.5MPa)。为保障井口安全，解决井口带压问题，第3口井表层固井准备使用弹性膨胀凝胶进行封隔作业。

表层套管下深623m，弹性膨胀凝胶封隔在587.9m上方，固井采用正注反挤技术进行作业。作业程序：①正注1.90g/cm3纯水泥浆20m3，顶替到位后，候凝12h；②通过压井管线进行反挤作业，挤入1.80g/cm3水泥浆0.5m3进行试挤；③挤开以后挤入5m3速凝水泥，观察压力；④挤入弹性膨胀凝胶4m3；⑤挤入1.90g/cm3纯水泥浆20m3；⑥关闸门候凝24h。在候凝24h后，井口无异常情况，室内样品固化正常，方井中无气泡冒出，固井作业成功。

5 结论

1)通过对固化剂、缓固剂、膨胀剂以及加重剂的优选，完成了以水溶性树脂为基液的弹性膨胀凝胶体系的构建，试验显示该体系具有稠化时间可调、膨胀性以及弹性较高的特点。

2)通过性能对比发现，弹性膨胀凝胶与套管I界面的胶结强度较常规密度水泥石高45%，在弹性恢复率方面弹性膨胀凝胶在压缩50%情况下恢复率可达100%，而水泥石的压缩率为2%时就会产生破裂。

3)弹性膨胀凝胶现场应用成功说明弹性膨胀凝胶具有良好的封隔效果，针对浅层气封隔效果显著。

[参考文献]

[1]Liu B, Yang J, Zhou B. Study of casing annulus pressure for deepwater drilling and completions[J]. SPE170318, 2014.

[2] Toni L, Evans J, Griffith J. Prediction of and effective preventative solution for annular fluid pressure buildup on subsea completed wells-Case study[J]. SPE84270，2003.

[3] Tahmourpour F, Hashki K, Hassan H. Different methods to avoid annular pressure buildup by appropriate engineered sealant and appying best practices (cementing and drilling)[J]. SPE Drilling & Completion, 2010, 25(2):248～252.

[4] Williamson R, Sanders W, Jakabosky T, et al. Control of contained-annulus fluid pressure buildup[J]. SPE79875, 2003.

[5] Bloys J, Gonzalez M, Hermes R, et al. Trapped annular pressure mitigation-A Spacer Fluid That Shrinks[J]. SPE104698, 2007.

[6] Ezell R, Fontenot E S, Robinson E F, et al. High performance aqueous insulating packer fluid improved flow assurance and reduced annular pressure buildup in ultra deepwater wells[J]. SPE135177，2010.