油气井固井水泥环的开裂机理、抗裂及自修复技术

Cracking inevitably occurs in the cement annulus barrier in oil wells, due to the mechanical loads or dimensional variation caused by autogenous or drying shrinkages, temperature variation or chemical erosion etc. This project will investigate the cracking mechanism through systematically studying the improvement of the mechanical properties, shrinkage behaviors and permeability of hardened cement pastes with incorporation of polymer latexes. Self-healing technology is proposed aiming at comprehensively enhancing the integrity, reliability and durability of the cement annulus barrier in oil well. Polymer particles with high oil absorption capacity, cement particle covered by polymer coating and micro-capsule of epoxy resin will be prepared. With the addition of oil absorbent polymer particle, the cracks in cement annulus will self-recover by dimensional expansion. When polymer coated cement or the micro-capsules of epoxy resin are added in oil well cement, the force of cracking or the dissolution of polymer shell in the invading oil/gas will then trigger the secondary hydration of cement or the curing of epoxy resin. The cracks are self-healed ultimately. This project will establish the theoretical foundation of the cracking mechanism and progress the anti-cracking technology of the cement annulus barrier in oil wells.

油气井固井水泥环开裂导致油气窜漏是一个世界性难题。本课题针对油气井水泥环开裂损伤的问题，通过采用高分子乳液改性水泥环的力学性能、抗渗性能、体积变形性能，来研究油气井水泥环的开裂损伤机理及抗裂措施。同时进一步研发油气井水泥环的自愈合技术，一旦油气井固井水泥环产生环隙或裂缝后，自修复机制就会自动启动，对损害的水泥环和窜流通道进行修复，以期大幅提高油气井固井水泥环的完整性、可靠性和耐久性。研发合成具有高吸油溶胀性能的聚合物乳液，加入到油井水泥中，油气井水泥环开裂后由于油气的侵入导致水泥石溶胀而实现裂缝的愈合。本项目将制备聚合物包覆的水泥粒子或环氧树脂微胶囊加入到油井水泥中，当水泥环开裂后，由于油气侵入或应力作用触发水泥粒子的二次水化或者微胶囊破裂固化，从而实现裂缝的自愈合。该项目的开展，将为油井水泥的抗裂提供重要的理论指导，并推动油井固井水泥技术的进步。

油气井固井水泥环开裂导致油气窜漏是一个世界性难题。本课题从油井水泥石的开裂机理、抗裂措施及自修复技术三个方面展开研究。基金评审人认为“油井水泥环的开裂后自修复技术，是该领域当前的热门、关键技术，如能快速突破，是非常有价值的创新和引领研究”。该课题在三年的进行过程中，根据评审人的意见，适当弱化开裂机理的研究，重点放在自修复技术的攻关上。主要取得的研究成果如下：（1）成功研制了用于增韧油井水泥石的聚合物乳液，配制油井水泥浆耐温性达180C；（2）成功研制了油井水泥自愈合高分子粒子，掺有自愈合粒子的水泥石开裂后产生油气渗漏的情况下，水泥石大量吸油导致体积膨胀，从而实现裂隙渗漏的自愈合；（3）揭示了油水等流体介质在水泥石裂隙中的渗流规律，并研发的相应的渗流评价装置。该项目研发的两个“油井水泥用聚合物胶乳”和“油井水泥自愈合粒子”通过与我国石化相关研究单位合作，已实现规模化生产，并在我国西南、新疆、华东、胜利等油田进行了实际固井工程应用，固井效果良好。测试指标表明，该课题研发的“油井水泥自愈合粒子”，可大大改善油井水泥石的多项性能，提高水泥石的韧性，降低渗透性，同时具有开裂渗漏后的遇油自愈合性，有利于提高固井水泥环套管的整体性和耐久性。该项技术的综合指标达到了“世界领先水平”。.该课题的完成，为解决油气井水泥环的开裂渗漏提供的新的技术措施，对于提高油气井耐久性、油气采收率具有极其重要的工程价值。同时，该课题研发的技术，在我国相关的油气库重大工程建设中也有重要的应用前景。.本课题已发表SCI文章10篇，EI文章5篇，申请发明专利4项。在投SCI文章2篇，EI文章1篇。