雷鑫宇，李小可，于小荣，张直建，齐志刚，胡 洁

(1.中国科学院成都有机化学有限公司，成都 610041;2.西南石油大学化学化工学院，成都 610500;3.中国石化胜利油田钻井工艺研究院，山东东营 257000;4.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津塘沽 300450)

常规固井水泥环由于刚性较强，在完井和增产改造过程中易因为受到冲击、震动而产生裂纹，即使在正常生产阶段，复杂的地层应力波动、地层蠕动也可能导致水泥环出现微裂隙［1］。微裂隙继续延伸发育，最终可能造成水泥环封固失效的严重后果。因此，使水泥环具备受损后自诊断和自修复能力的新技术—固井自修复水泥技术，成为近年来固井液的研究热点［2］。

自修复水泥作为固井水泥行业一种新兴的特种水泥体系，其自修复性能尚未有统一的行业标准供技术人员参照，大多是实验者参照自愈合混凝土的评价方法，结合油井水泥试验方法自行设立评价指标进行。然而，自愈合混凝土和固井自修复水泥之间巨大的差异，使这一处理方式存在较大缺陷。笔者设计了一套新的评价方法，并对此方法的完善进行展望。

1 油气井自修复水泥与自愈合混凝土的差异

虽然自愈合混凝土的测试方法对设立油气井自修复水泥的自修复效果的评价方法具有较高的借鉴价值，然而两者的差异显著［3］。首先，二者所处的环境不同，混凝土多处在开放的大气环境中，而固井水泥基本是在密闭的井下，浸没流体包括地层水、原油和乳化油等，温度和压力也随井深变化;其次，油井水泥添加剂的种类多，水泥浆配方复杂性高;最后，界面胶结情况不同，混凝土只需考虑水泥基材料自身的胶结，而固井水泥环则有与地层的第二界面胶结和与套管的第一界面胶结。因此，有必要对现有可借鉴的评价方法进行校正，对简单可行的新评价方法进行探索，从而提高实验结果对现场应用的指导价值。

2 固井自修复水泥性能评价方法

在文献调研和研究室前期研究成果的基础上［4－7］，建立了一套简单实用的自修复效果评价方法。该方法主要针对作用机理为微膨胀和渗透结晶的固井自修复材料。

自修复水泥配方为:嘉华G级水泥+3%微硅+0.8%改性聚乙烯醇型降失水剂SWJ－7+1.2%醇醛缩合型分散剂SWJZ－1+2%渗透结晶型自修复剂CW－3(F);水灰比:0.46。

2.1 水泥试样的微裂缝模拟

将养护成型的水泥石固定在压力机夹持装置上，用自制刀具在恒定的缓速压力加载下对水泥石进行人工造缝，人造微裂缝统一为φ25 mm×25 mm或φ50 mm×50 mm。制缝结果及规格见图1和图2。

图1 “一字”型微裂缝

图2 “十字”型微裂缝

在人造微裂缝时，为模拟水泥环受地层挤压蠕动或射孔试油施工等造成的微裂缝，将水泥石首次损伤时的裂缝制成“一”字型裂缝。而在油气井实际生产的过程中，还会遇到压裂、二次压裂等施工的情况，水泥环亦会受到重复的损伤，故在养护一定龄期后为考察自修复效果的持续性，于首次压开处重复压开裂缝，或于原裂缝垂直位置处再造一裂缝，形成“十”字型裂缝。通过这一方法可考察微裂缝形态对自修复效果的影响。

2.2 固井自修复水泥养护装置

为模拟水泥环所处的复杂井下条件，设计了一套水泥试件养护装置。该装置通过支架将釜体空间分为3部分，可同时考察3种养护介质下水泥试件自修复效果，在增强模拟性的同时，提高了设备的利用效率。实验中养护条件为75℃、8 MPa。图3为养护装置的示意图。

图3 水泥试件养护装置示意

3 水泥试样的自修复性能评价

3.1 抗压强度

流体经人造裂缝渗入水泥石内部，激活自修复材料，自修复材料的内向作用改善了水泥石的内部孔隙结构，增强了致密性，使水泥试件的抗压强度随养护龄期延长而提高。以恒定加载速度加压至水泥石破碎，根据压力机读数计算水泥石抗压强度。表1为造缝自修复水泥试件经养护一定龄期后的抗压强度。

表1 自修复水泥抗压强度

由表1可见，分层养护下的水泥石强度发育具有明显差异。由于自修复剂CW－3(F)的有效成分主要为水溶性，故渗入流体为水时，强度发育更快。

3.2 胶结强度/多次胶结强度

胶结强度/二次胶结强度体现水泥石在自修复材料外向作用下微膨胀的效果。例如，水泥石在经重复顶替后经继续养护仍存在胶结强度，则既能提供二次胶结能力使松动的水泥环重新胶结，也可提供挤压闭合作用力促进微裂缝闭合。

图4 养护1 d后继续养护时间对胶结强度的影响

图5 养护3 d后继续养护时间对胶结强度的影响

图6 养护7 d后继续养护时间对胶结强度的影响

将配制好的自修复水泥浆倒模，一定条件下养护1 d，3 d等不同龄期后测试胶结强度，此次顶替仅进行至可读取数据即可，并不完全脱模，再将具模试件放回养护釜中养护，继续养护1 d，3 d等不同龄期后取出，按照类似方法多次测试胶结强度。以第一界面(水泥环与套管的胶结面)为例，测试自修复水泥的胶结/多次胶结强度，并与净浆(未加CW－3(F)的水泥浆)比较，结果见图4、图5、图6和图7。自修复水泥石的多次胶结强度明显高于净浆水泥石，在重复顶替后，自修复水泥石的胶结强度下降趋势明显平缓。

图7 养护14 d后继续养护时间对胶结强度的影响

3.3 渗透率

自修复水泥环出现微裂缝后，渗入水激活渗透结晶成分，生成结晶体堵塞微裂缝，阻止了微裂缝的继续发育，降低了水泥石渗透率，维持了水泥环的封固性。将自修复水泥石试件人工制造微裂缝后测定初始渗透率，在75℃、8 MPa条件下养护相应龄期后取出测定不同龄期的渗透率，结果见表2。

表2 自修复水泥渗透率

由表2可见，分层养护下的水泥石渗透率具有明显差异。养护介质为水时，微裂缝愈合情况较好，渗透率明显降低。

4 结论与建议

针对以渗透结晶和微膨挤压两种作用机理的自修复水泥体系，设计了一套专用养护装置并建立了配套的评价方法。养护装置提高了对水泥环所处复杂环境的模拟程度和仪器的使用效率。评价方法简单实用，实验数据丰富可靠。结合近年来固井自修复水泥的发展趋势和工程施工需要，对其评价方法的完善提出以下建议:

1)利用造缝仪或射孔枪进行模拟造缝［8］，可使微裂缝的形态更加多样化。

2)利用XRD分析仪和元素分析仪对自修复水泥石微裂缝断面的晶体矿物成分进行分析，了解其物相组成，可对自修复机制有更深入的研究。

［1］雷鑫宇，陈大钧，张直建，等.纤维－自修复水泥改善固井质量研究［J］.科学技术与工程，2013，13(19):5597 －5599.

［2］赵宝辉，邹建龙，刘爱萍，等.水泥基材料微裂缝自修复技术研究进展［J］.钻井液与完井液，2011，28(B11):59 －62.

［3］汤华，李相国.水泥基材料裂缝自愈合效应的研究［J］.武汉理工大学学报，2008，30(4):12 －15.

［4］陈大钧，雷鑫宇，李芹，等.双重强化界面胶结强度技术［J］.钻井液与完井液，2014，31(1):57 －59.

［5］雷鑫宇，陈大钧，李小可，等.油井水泥缓释自修复技术研究［J］.钻井液与完井液，2013，30(5):60 －62.

［6］陈大钧，张直建，雷鑫宇，等.自愈合水泥在浅海固井中的应用研究［J］.科学技术与工程.2013，13(24):7148 －7151.

［7］杨振杰，齐斌，刘阿妮，等.水泥基材料微裂缝自修复机理研究进展［J］.石油钻探技术，2009，37(3):5 －9.

［8］杨振杰，马成云，朱海涛，等.自修复固井前置液实验研究［J］.钻井液与完井液，2013，30(2):55 －58.