水泥环自愈合一体化评价方法研究

《Science Progress》：Study on the integrated evaluation method for self-healing of cement sheath

　　

长期水泥环密封完整性对于在油气井作业期间维持层间封隔至关重要。然而，传统自愈合评价方法通常需要在独立的养护、损伤生成、愈合和测试装置之间转移试样，这可能扰动原始泄漏通道并影响所测得的恢复率。本研究开发了一种一体化评价方法，可在同一试样上完成水泥养护、压力诱导泄漏通道生成、气体触发愈合和密封评价。采用三个操作指标：造缝承压能力、基于流量的自愈合效率和二次自愈合效率。在90°C和1.90 g/cm³浆体密度下，常规水泥浆在72h内未显示可测量的密封恢复。膨胀型体系表现出快速恢复，12h达到88.24%，72h为84.12%，而溶解-增粘型体系从12.5%逐步增至50.0%。在重复损伤-愈合测试中，两种体系的二次自愈合效率分别为57.50%和57.14%。较高温度增强了密封恢复，两种体系在延长愈合后均接近约90%。溶解-增粘型体系还表现出较高的初始造缝压力和较低的初始气体流量。所提出的方法能够连续、时间分辨地比较水泥环密封恢复，同时减少试样转移扰动。

研究背景方面，水泥环是井筒屏障系统的关键组成部分，在油气井全生命周期内提供层间封隔、套管机械支撑和限制层间流体运移。在试压、水力压裂、生产、注入、地下储气库等循环作业中，压力和温度变化改变套管-水泥环-地层系统的载荷路径，由于各组件在刚度、热膨胀和非弹性响应方面存在差异，径向和环向应力可能重新分布，导致水泥环开裂或套管-水泥环及水泥环-地层界面脱胶。一旦形成水力连通，这些缺陷可形成泄漏通道或微环空，损害层间封隔。全尺寸和环空研究表明，循环压力、热载荷、水泥环几何形状、地层性质和应力依赖性水力开度强烈影响界面退化与泄漏行为。然而，现有完整性研究主要关注损伤萌生和密封丧失，而非损伤后恢复。自愈合油井水泥因此作为恢复密封性能的补充方法受到关注，其概念是引入由水、烃类、CO₂、热或裂缝形成激活的响应性组分，从而降低损伤区域的水力连通性。已报道的策略包括包覆型高吸水性聚合物、油膨胀性聚合物、EVA改性水泥、硅酸钠微胶囊、碳酸盐沉淀和环境响应性微球等。然而，测得的愈合效率强烈依赖于激活介质、裂缝几何形状、温度、约束条件和所选评价指标，使得研究间的直接比较复杂化。

评价方法学因此至关重要。现有研究通常评估裂缝宽度减小、渗透率或流量恢复、吸水性、恢复的力学性能或微观结构充填产物。微CT、SEM/EDS和XRD可表征裂缝充填或反应产物，而传输测量更直接地指示缺陷是否仍保持水力连通。然而，许多自愈合测试使用含锯切、切口、机械劈裂或其他预制裂缝的净浆或砂浆试样，此类配置有助于分离材料尺度机制，但不能再现环空几何形状、径向约束、套管相互作用或压力诱导损伤路径。反之，环空井筒实验可再现气体运移、循环完整性损失和应力依赖性水力开度，但很少在养护、损伤生成、愈合暴露和重复密封评价过程中连续保留同一试样。

这种分离造成了方法学空白。当养护、损伤生成、愈合和愈合后评价在不同装置中进行时，试样转移和温度、压力及约束条件的反复变化可能在量化愈合之前改变泄漏通道。人工裂缝也可能不同于套管压力加载产生的连通路径。因此，气体流量降低可能反映内在材料响应、机械辅助闭合、界面接触变化或测试路径效应。稳健的方法应保留环空试样和加载历史，通过受控压力路径产生损伤，并在可重复流动条件下量化密封恢复。由于气体通过裂缝和微环空的流动取决于开度、应力状态、压缩性和流动 regime，流量降低应解释为条件依赖性密封恢复，而非完全裂缝闭合的直接证据。时间依赖性和可重复性同样重要。快速膨胀体系可能产生强烈的早期流量降低，而溶解、沉淀、扩散或成膜过程可能更逐渐地发展。因此，单次愈合后测量可能掩盖愈合动力学。重复损伤同样与循环压力和注入-采出作业相关，其中有用的体系应在一次以上损伤事件后保持密封能力。

为解决这些局限性，本研究开发了一种一体化环空方法，在养护、压力诱导泄漏通道生成、气体触发愈合暴露、基于流量的密封评价及后续损伤-愈合循环过程中保持同一套管-水泥环试样。该方法旨在作为井下相关比较平台，而非完全再现原位套管-水泥环-地层应力状态。研究评价了常规水泥浆、膨胀型自愈合体系和溶解-增粘型自愈合体系，采用三个操作指标：造缝承压能力、基于流量的自愈合效率和二次自愈合效率。考察了愈合持续时间和测试温度的影响，并比较了两种自愈合体系在不同浆体密度下的初始泄漏路径响应。主要贡献在于方法学：将压力诱导环空损伤、时间分辨密封恢复和重复损伤-愈合行为整合到一个测试序列中，同时将测得的流量恢复与关于裂缝几何形状或反应机制的未经证实假设区分开来。

研究人员开展的研究中，关键技术方法包括：基于几何相似原理设计的套管-水泥环环空一体化装置（内套管外径66 mm，外套管内径可调），可在同一试样上连续完成养护、压力诱导泄漏通道生成、气体触发愈合和密封评价；采用氮气从试样外侧施加、套管内施加液压以建立跨环空水泥环的压差，内压以5MPa增量逐步升高以识别可检测连通气体泄漏响应的起始点；基于流量变化定义自愈合效率η=(Q_t0?Q_t1)/Q_t0×100%；采用G级油井水泥为基础材料，配制常规水泥浆（密度1.90 g/cm³，对照组）、膨胀型自愈合体系和溶解-增粘型自愈合体系，测试温度90、110和130°C，浆体密度1.75、1.90和2.05 g/cm³。

研究结果方面，4.1节自愈合持续时间对水泥环密封恢复的影响：在90°C、1.90 g/cm³条件下，常规水泥浆体系在模拟套管内压低于15MPa时无可测量气体流量，15MPa时气体流量达2.75L/min，卸压至0MPa时增至3.0L/min，表明卸载过程中形成界面微环空；内压升至20MPa时流量增至3.75L/min，随后在20MPa下进行自愈合测试，72h愈合期间气体流量保持不变，自愈合效率始终为零。膨胀型水泥浆体系在15MPa时气体流量为0.75L/min，卸压至0MPa时略增至0.85L/min，界面微环空贡献额外0.10L/min泄漏；内压升至22MPa时流量增至1.50L/min，卸载至0MPa时进一步增至2.50L/min，微环空诱导泄漏增至1.00L/min；进一步加压至23MPa时流量为1.70L/min，随后在23MPa下进行自愈合评价；12h时气体流量最低，自愈合效率最高达88.24%，表明膨胀型体系自愈合性能在早期阶段最为显著；24h时自愈合效率相对12h下降，归因于膨胀型自愈合剂在前12h内与天然气强烈反应引起水泥基体显著体积膨胀，增加了水泥环与外部橡胶套之间的压缩相互作用，约束效应进一步增强裂缝的表观闭合，产生"伪愈合"现象；超过12h后反应强度降低，橡胶套约束效应减弱，伪愈合贡献大幅减小；24h后随养护继续，气体流量逐渐降低，自愈合效率逐步增加，72h时达84.12%，仍略低于12h峰值。溶解-增粘型水泥浆体系在套管内压低于22MPa时无可检测气体流量，24MPa时流量增至0.75L/min，卸载至0MPa时进一步增至0.9L/min，微环空增量流量为0.15L/min；加压至30MPa时流量升至1.0L/min，随后在30MPa下进行自愈合评价；自愈合效率随养护时间逐渐增加，12h仅为12.5%，72h增至50%。三种体系对比表明，常规净浆几乎无自愈合能力，膨胀型体系自愈合效率较高均超过73%，溶解-增粘型体系自愈合效率随养护时间逐渐增加。

4.2节膨胀型与溶解-增粘型水泥体系二次自愈合恢复比较：在首次72h自愈合期后，在相同造缝压力条件下进行第二轮造缝和自愈合评价。膨胀型体系二次自愈合效率为57.50%，低于首轮的86.84%；该降低可能反映泄漏通道几何形状变化、反应性/膨胀性组分耗竭或重新分布，或重复损伤后约束辅助贡献减小；由于未进行直接化学或微观结构表征，这些解释被视为合理推断而非已证明机制。溶解-增粘型体系二次自愈合效率为57.14%，略高于首轮的52.94%；持续响应与较慢的时间依赖性密封过程一致，可能表明残余响应性组分持续活性；然而愈合剂化学状态和反应产物未经直接表征，该解释仍为需微观结构验证的假设。

4.3节温度对自愈合性能的影响：在90、110和130°C下对两种体系进行比较，发现较高养护温度在相同自愈合持续时间下导致较高自愈合效率；溶解-增粘型体系自愈合效率随养护时间逐渐增加，约135h后趋于平台，最终其自愈合效率与膨胀型体系几乎相同，均达约90%。

4.4节水泥体系类型和密度对初始泄漏路径形成的影响：在1.75、1.90和2.05 g/cm³密度下比较两种体系的初始造缝压力和初始气体流量，发现相同密度下溶解-增粘型体系的初始造缝压力显著高于膨胀型，而初始气体流量较低，表明溶解-增粘型具有更强的承载能力，加载过程中微裂纹和微环空发育较慢。

讨论部分指出，本研究的宏观可观测量为压力和气体流量响应，气体流量降低表明在规定测量条件下密封改善，但本身不能证明裂缝完全物理闭合；该装置未直接量化裂缝宽度、长度、连通性或主要泄漏路径位于水泥基体内、套管-水泥界面还是水泥外边界；未来工作应将一体化方法与X射线CT、光学切片或其他成像技术结合，以关联传输恢复与愈合前后缺陷几何形状。膨胀型体系的早期响应可能包含机械约束贡献，因为体积膨胀可增加径向接触并减小连通泄漏通道的有效水力开度；相反，溶解-增粘型体系的逐渐恢复与较慢的时间依赖性密封过程一致；然而本研究未进行SEM/EDS、XRD、FTIR、TGA或其他直接化学或微观结构表征，所提出的机制作为与宏观趋势一致的解释而非实验证明的反应路径。所提出的基于流量的自愈合效率在上游和下游压力、温度、气体类型和流量计配置保持恒定时，对于条件内比较最为可靠；气体压缩性、滑脱、非达西流动和压力依赖性缺陷开度可能影响不同测试条件间的比较；当需要绝对传输性质时，基于渗透率的公式更为可取；更广泛地应用于超深或高温高压井还需要在更宽压力-温度范围内验证，并在适当情况下对压力和时间变量进行归一化。最后，膨胀型和溶解-增粘型浆体是多种组分不同的完整配方，其比较评价的是两种工程体系而非愈合剂化学的单因素变化，这一限制约束了机制归因和现场尺度推广；未来验证应包括独立重复试样、不确定性分析、直接裂缝表征和受控单因素配方研究。

结论部分翻译如下：(1) 一体化养护-造缝-评价自愈合装置和方法能够真实模拟水泥环完整性失效、天然气窜流及随后微裂纹自愈合的井下过程，该方法消除了传统分步测试方法固有的温度和压力波动的不利影响，从而提高了评价结果的可靠性和稳健性。(2) 膨胀型和溶解-增粘型自愈合水泥浆体系均表现出气体触发自愈合能力；在相同养护温度下，相同气体暴露时间内自愈合效率随水泥环密度增加而降低；相反，在同等自愈合时间条件下，较高养护温度导致两种体系自愈合性能改善。(3) 溶解-增粘型自愈合水泥浆表现出明显优于膨胀型体系的二次自愈合恢复能力，以及更优的承载能力和加载过程中更慢的微裂纹和微环空发育；常规水泥浆体系在天然气暴露下无内在自愈合能力；相反，含自愈合剂的水泥浆能有效修复微裂纹和界面微环空，从而提高水泥环完整性和长期耐久性。建议部分指出，在现场应用中应根据具体井下作业条件选择适当密度和类型的自愈合水泥浆体系；对于需要重复机械加载的高温高压井，推荐使用溶解-增粘型自愈合水泥体系；进一步研究应集中于阐明自愈合剂反应机制、优化配方、改善与水泥浆的相容性、提高自愈合效率和降低成本；应开展现场应用试验以验证一体化自愈合评价方法和自愈合水泥浆体系的实际有效性，从而为油气井安全作业提供技术支撑；结合数值模拟建立水泥环自愈合性能预测模型，为固井设计和现场实施提供理论指导。