寇国军，张天健
中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川成都 610000
摘要：油气开发过程中的增产措施会将酸性腐蚀介质引入固井水泥石中，并进而导致水泥环封隔失败，降低固井环节的工程质量。鉴于当下油气田固井水泥石防腐效果欠佳的问题，此次研究详细阐述了油井水泥环腐蚀成因，并针对性地提出了具体的防治思路和防治策略，旨在为油气固井工程提供一些帮助。
关键词：固井；水泥石；腐蚀因素；防治
1.引言
酸性气体介质在油气藏中的存在是其重要特诊之一，其不仅来源于油气藏形成之处，也有一部分源于油气增产措施，例如气驱、酸化压裂等[1]。若固井环节存在质量问题，一方面水泥环可能发生气窜的情况，只是有害气体向地表逸散，这对于井场施工人员而言是极大的人身安全威胁；另一方面，酸性介质会循着裂缝渗入，并导致套管和油管穿孔，甚至使得油井报废，这对油气开发而言是极大的经济损失[2]。因此对固井水泥石的腐蚀防治工作进行研究，以提高油井的耐久性，对于提升固井质量，保证安全生产有着重要意义。在大部分油气藏中，CO2和H2S是主要的酸性腐蚀气体。这次研究以固井水泥石的腐蚀因素着手，对其防治策略进行了阐述。希望能为油气田固井工程施工提供一些借鉴。
2.油井水泥环腐蚀因素分析
2.1 CO2腐蚀
CO2是酸性气体，当地层环境中存在CO2时，其在初期会以水溶液的形式与Ca(OH)2发生反应。Ca(OH)2是固井水泥石的主要成分，初期阶段的反应使得Ca(OH)2薄弱层被消耗，水泥石的性能呈增大态势；与此同时，水泥石表面形成了CaCO3，这种膨胀性腐蚀产物结构致密，降低了孔隙渗透率。在此之后，碳酸水溶液将与水泥石主体的另一重要成分C-S-H发生反应，并生成大量C2SH，降低pH值；这一反应在产物还有非胶结性无定型SiO2。在碳酸水溶液的持续作用下，初期生成的CaCO3将逐渐溶解，并不断溶蚀水泥石内部的Ca(OH)2，形成淋滤作用[3]。这一系列的腐蚀反应损耗着水泥石的整体性能，水泥石的主体成分处于不断消耗的动态循环中，同时其力学性能持续降低，渗透率逐渐增加。水泥石内部碱性物质越多，其受酸性介质的腐蚀越剧烈。
2.2 H2S腐蚀
若地层水中溶有H2S气体，当其与固井水泥石接触时，它将与Ca(OH)2反应生成CaSO4·2H2O，这是一种膨胀性石膏，同时反应会导致水泥石产生裂缝。H2S气体水溶液渗入后，会从外到内腐蚀水泥石，它同样会与C-S-H发生反应；在逐级反应之下，钙矾石逐渐增多。然而钙矾石与之前的反应产物的密度存在显著的差异，随着这种物质增加，水泥石最终会发生膨胀，并导致崩裂[4]。除此之外，若是H2S气体渗入孔隙中，并溶入孔隙液，将与Ca2+生成CaS，并促使H2S持续溶解。
2.3 H2S和CO2的复合腐蚀
当H2S和CO2同时存在时，水泥石腐蚀进程将被加快，其力学性能的降低速率也将增加。酸性介质的腐蚀会导致固井水泥石的承压强度降低，并增加其渗透率。H2S和CO2的混合物对水泥石的腐蚀作用与单组分腐蚀情况类似，其反应类型仍是酸性介质与水泥石碱性成分之间的酸碱反应。由于CO2的反应产物多于H2S，因此当两者共存时，混合反应以CO2为主，水泥石结构受到淋滤作用、腐蚀作用、碳化收缩作用及高矿度地层水的协同作用影响。另一方面，H2S也会产生一定作用。当其含量较低时，混合反应不会导致水泥石膨胀崩裂，甚至在一定比例下，水泥石的整体性能将被提升。
随着H2S含量增加，混合反应将加快水泥石的腐蚀进程，且混合气体可能溶进孔隙液中，并与水泥石中的钙组分发生反应，促进酸性气体的进一步溶解。在H2S和CO2的混合作用下，水泥石渗透率增加和力学强度减低的现象要比单一物质作用更为严重。有研究显示，若油气田中H2S和CO2的总体含量达到40%，则油气田的风险最高[5]。H2S和CO2两者间能发生氧化还原反应，相较它们单独存在，混合反应对以硅酸盐为主要成分的水泥石有着更为强烈的腐蚀作用。
3.固井水泥石腐蚀的防治策略
3.1聚合物防腐剂
聚合物防腐剂是指向水泥浆中加入高分子聚合物，从而提高水泥石结构的抗腐蚀性能。这种防腐蚀思路是限制渗透过程，从而阻碍腐蚀进程。当聚合物成膜物质吸附于水泥浆表面时，其可以通过形成有机物膜，来阻止酸性介质进入水泥石内部，进而造成其结构破坏。另一方面，聚合物固化后填充于水泥石孔隙之中，能使其具备良好的隔绝性和密封性，实现防腐降渗作用。聚合物防腐剂是现阶段新兴的防腐手段，一些具有耐温抗盐性质的聚合物能有效避免常规防腐手段的弊端。然而这种方法往往容易造成水泥浆粘度过高，因此在使用时需要通过试验确定合理的添加比例，并且它的调控范围有限。
3.2纤维防腐
纤维防腐材料通常需要与其它外掺剂联合使用，通过辅助添加的形式提高水泥石的力学性能。纤维材料在合理长度和掺量条件控制下，可以形成纤维水泥浆体系，该体系的吸水率为0，从而有效地降低了水泥石的渗透率，提高了其致密性。通过添加纤维材料，水泥石的胶接强度显著增加。从这一方法来看，其本质是增加水泥石的原始抗压强度，通过控制低水灰比，使得基体材料更为密实，进而降低酸性介质的渗入速率。
3.3矿渣和粉尘类填料防腐
矿渣和粉尘类填料通常以掺加剂的形式掺入水泥浆中，这类材料粒径较小，当其填充到水泥石内部孔隙中时，能提高其结构致密性。除此之外，粉煤灰等掺加剂可以与水泥发生二次水化反应，其凝胶产物填充入水泥石孔隙中，将进一步降低整体渗透率。通常情况下，填料类掺加剂会与其他措施组合使用，若单独使用，其只能改善水泥石的某一单一性质，并不能提高其整体性能。
3.4胶乳聚合物防腐
胶乳防腐是当前油田固井中的主流防腐手段，它通过向水泥浆中添加增韧防渗的外掺剂，以提高水泥石基体的密实度。在添加初期，乳胶颗粒呈均匀分散状态；随着水化作用进行，胶乳颗粒先吸附于水化产物表面，再随反应进行和水泥内部凝胶结构发展，逐渐被束缚于内部孔隙中；在反应中期，毛细管内的水分减少，胶乳颗粒聚集成膜，同时其它胶乳颗粒逐渐填充孔隙空间，水合物表面的膜与其形成复合网状结构。胶乳聚合物防腐策略降低了水泥石的渗透性能和收缩率，同时提升了它的延展性和抗冲击性能。
4.结束语
固井水泥石的腐蚀防治工作是针对酸性介质进行的针对性工作。现阶段的实际工作中，工程人员已经开始应用复合性防治手段进行固井水泥石的腐蚀防治，即通过复配多种外掺剂，在提升水泥石防腐效果的同时，保证其综合性能。新型抗温耐腐聚合物仍有一定的研究空间，这需要今后众多行业领域人员共同努力。
参考文献
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[2]刘磊, 高永华, 陈钦伟,等. 锦州9-3油田套管腐蚀机理及防护治理措施研究[J]. 涂层与防护, 2020(7):1-6.
[3]梁宝. 水平井固井质量的影响因素及措施[J]. 西部探矿工程, 2019, 31(5):68-69.
[4]任冠宇. 浅谈高温条件下小井眼水泥塞固井技术[J]. 建筑·建材·装饰, 2019(15):135-136.
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