馮克滿,朱江林,王同友 (中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部,北京1 01 149)

許明標(biāo) (長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北荊州434023)

徐壁華 (西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院,四川成都61 0500)

方國偉 (中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部,北京1 011 49)

在緬甸A地區(qū)遭遇的淺層高壓氣、低溫超高密度固井作業(yè)在國內(nèi)還屬空白。該地區(qū)某井固井水泥漿密度達(dá)到2.3g/cm3,另一口井水泥漿密度達(dá)到2.35g/cm3;后期的區(qū)塊鉆井液密度將達(dá)到2.5～2.8g/cm3。在該情況下的固井要滿足平衡壓力固井,水泥漿密度將超過2.70g/cm3,這在國內(nèi)外也屬罕見,還沒有成功的經(jīng)驗(yàn)借鑒。要實(shí)現(xiàn)超高密度水泥漿,必須采取使用密度較高的加重材料進(jìn)行加重,常規(guī)的一些加重方法,如減少水灰比、配鹽水溶液等已經(jīng)不能滿足所要加重密度的需要。依靠減少水灰比、加入分散劑來提高流動(dòng)度的方法[1],因其受漿體稠度的限制,純水泥漿密度能夠達(dá)到的極限是1.97g/cm3;而配成不同濃度的鹽水溶液,用該溶液作配漿水進(jìn)行加重的方法,也只能使水泥漿密度達(dá)到2.1g/cm3。為此,筆者選擇了顆粒級配技術(shù)進(jìn)行超高密度水泥漿體系研究。

1 顆粒級配技術(shù)研究

1.1 緊密堆積理論

水泥干混物的堆積體積百分比(PVF)是衡量顆粒之間達(dá)到給定密實(shí)狀態(tài)時(shí)的相容能力。PVF實(shí)際就是堆積密度與比重 (絕對密度)的比值[2]。

完全一樣的球形顆粒最完美的堆積方式是正六角形堆積,其PVF可達(dá)0.74。同一種球形顆粒之間任意堆積的PVF是0.64。當(dāng)干粉顆粒具有不同尺寸(多分散相)時(shí),即由不同粒度的顆粒組成時(shí),其PVF就高。因?yàn)樾〕叽珙w粒可以充填于大尺寸顆粒之間的空隙,從而使PVF接近于1。這就是緊密堆積理論中顆粒級配的原理,如圖1所示。

圖1 顆粒級配原理示意圖

設(shè)計(jì)高性能的超高密度油井水泥正是利用這種PVF最大化原理,采用不同粒度的加重劑進(jìn)行顆粒級配,使單位體積水泥漿內(nèi)的固相顆粒增加,盡量降低其水灰比,并且提高水泥石的抗壓強(qiáng)度,降低其孔隙度和滲透率,實(shí)現(xiàn)水泥漿體系的密度的增加和性能的優(yōu)化[3]。

1.2 顆粒級配數(shù)學(xué)與力學(xué)模型研究

為研究粒度級配時(shí)孔隙度的變化,在較大粒度的小球中,引入次級粒度的小球進(jìn)行級配。每4個(gè)1級粒度球形顆粒構(gòu)成 1個(gè)空隙空間,這其中能填入的最大次級小球同時(shí)與4個(gè)大球相切,小球的球心應(yīng)位于4個(gè)大球構(gòu)成的四面體的幾何中心,四面體中心與四面體頂點(diǎn)的距離應(yīng)是大球半徑和小球半徑之和。由立體幾何可得出次級小球的半徑r2與大球半徑r1的關(guān)系,如圖2所示。同理,當(dāng)在半徑為r2小球與半徑為r1大球相切的孔隙中引入半徑為r3的小球時(shí),則達(dá)到3級級配的效果,如圖2(b)所示。最終通過空間立體幾何知識,算得3種球體的最佳半徑比例為:

圖2 不同級別的顆粒級配示意圖

式中,r1為1級球體半徑;r2為2級球體半徑;r3為3級球體半徑。

在上面的模型中,通過增加次級粒度的小球,實(shí)現(xiàn)了空隙的填充,達(dá)到了較緊密堆積的效果。以上計(jì)算是假設(shè)同1級別顆粒是圓形且顆粒大小是完全一致,并且要達(dá)到一定的密實(shí)狀態(tài)才能達(dá)到。但事實(shí)上各種粉末材料的粒徑是在一定范圍內(nèi)按統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布。水泥的松散狀態(tài)下的堆積比例一般只在45%左右。

2 水泥漿加重材料的優(yōu)選

水泥漿加重劑的選擇范圍不是很廣,最常用的水泥加重劑是重晶石、鈦鐵礦石、赤鐵礦石以及Micromax(氧化錳加重材料)等,分別利用以上材料進(jìn)行了水泥漿加重試驗(yàn)優(yōu)選。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 各種加重材料性能特性對比

赤鐵礦為具有金屬光澤的黑色粉末,密度為4.8～5.2g/cm3,細(xì)度一般在200目左右 (“目”指顆粒可以通過的篩網(wǎng)篩孔尺寸,以1英寸寬度篩網(wǎng)內(nèi)的篩孔數(shù)表示)。在加工顆粒較細(xì)時(shí) (如500目以上),鐵礦粉呈紅色[4]。對于較細(xì)的赤鐵礦,當(dāng)加量較大時(shí)需增大分散劑用量以降低水泥漿粘度。由于赤鐵礦自身密度大,比重晶石所需附加水少,因此可以使水泥漿密度升高到2.4g/cm3左右,可制備超高密度水泥漿。當(dāng)與分散劑、降失水劑復(fù)合使用時(shí),可使水泥漿密度提高到2.6g/cm3以上。

從以上分析中可以看出,Micromax是比較理想的加重材料,但是由于Micromax價(jià)格非常昂貴,除了Micromax之外,只有赤鐵礦粉可以使水泥漿密度超過2.5g/cm3,因此,根據(jù)對比結(jié)果,選用赤鐵礦粉作為超高密度水泥漿的加重材料。

3 超高密度水泥漿體系的設(shè)計(jì)

根據(jù)室內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果,采用單一目數(shù) (100目或500目)的赤鐵礦粉加重水泥漿,所能達(dá)到的密度極限為2.6g/cm3左右,而且漿體性能較差,不能滿足現(xiàn)場施工的需求。為實(shí)現(xiàn)超過2.6g/cm3的超高密度水泥漿,考慮利用顆粒級配的原理,建立顆粒緊密堆積模型,采用多種目數(shù)鐵礦粉進(jìn)行復(fù)配。

室內(nèi)優(yōu)選了不同目數(shù)比重大于4.7的赤鐵礦粉,規(guī)格有100目、200目、500目、800目和1200目。并利用激光粒度儀對不同級別的鐵礦粉進(jìn)行顆粒分析,分別實(shí)測了其顆粒的粒度。部分實(shí)測結(jié)果見表2。

表2 鐵礦粉粒度分布

常規(guī)G級水泥中水泥顆粒的粒度大小為20～100μ m左右的占到總量的60%～70%以上。從表2中可以看出,100目鐵礦粉的同級粒度 (20～150μ m)也占到了總數(shù)的80%以上。為實(shí)現(xiàn)顆粒級配的目的,首先選用了顆粒粒度較粗的與水泥相近的100目鐵礦粉作為主要加重劑。利用緊密堆積理論模型的計(jì)算,計(jì)算出理想模型下合理的2級填充顆粒的粒度約為30um左右,根據(jù)表2,500目鐵礦粉的粒度與要求比較接近,因此選用100目和500目鐵礦粉進(jìn)行主要粒度級配。

在圖2中,假定顆粒都為圓球形,可以明顯看出在同等情況下,3級級配體系可以比2級體系實(shí)現(xiàn)更緊密的堆積。因此,為實(shí)現(xiàn)超高密度的目標(biāo),在常規(guī)2級級配的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步選用了1200目的鐵礦粉進(jìn)行了3級級配。

4 緊密堆積超高密度水泥漿體系性能

4.1 高密度水泥漿綜合性能

高密度水泥漿體系難點(diǎn)主要在于流變性、沉降穩(wěn)定性、濾失量控制、水泥石的強(qiáng)度發(fā)育等方面,開發(fā)和優(yōu)選適合高密度水泥漿的外加劑體系,使水泥漿體系穩(wěn)定、簡單實(shí)用,并盡量減小水泥漿體系對地層的再次污染[5]。最后優(yōu)選的加重劑混合物命名為CD26F。同時(shí)為防止高溫強(qiáng)度衰減,加入了超細(xì)目數(shù)的硅粉;對于緬甸A地區(qū)防氣竄能力的特殊需要,加入了增強(qiáng)型防氣竄能力較好的防氣竄劑。稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間都在7min之內(nèi),具有較強(qiáng)的防氣竄能力。各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足固井要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 高密度水泥漿2.80g/cm3的高溫綜合性能

4.2 具有防漏堵漏功能的高密度水泥漿性能

在水泥漿要封隔的地層中,如果存在漏失地層或可能發(fā)生誘發(fā)性漏失層位,則水泥漿漏失難以避免。通過對硬瀝青、珍珠巖、胡桃殼、炭黑、賽珞玢、纖維類的試驗(yàn),最終優(yōu)選出纖維材料對水泥漿的漏失控制和水泥石的性能改善具有更好的效果,試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 纖維在不同加量下的堵漏試驗(yàn)結(jié)果

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出,一般情況下,隨著纖維加量的增加,水泥漿的漏失得到控制程度的現(xiàn)象也越明顯,堵漏效果越好。這是由于隨著纖維加量的增加,水泥石中的纖維密度增加,有效 “架橋”纖維數(shù)量增加,效果變好。但當(dāng)纖維加入量大于0.5%時(shí)水泥漿的動(dòng)切力增大,在實(shí)際使用中需要增加水泥泵泵壓,對現(xiàn)場實(shí)際操作不利。

4.3 現(xiàn)場應(yīng)用

緬甸A地區(qū)固井項(xiàng)目作為公司重點(diǎn)海外項(xiàng)目,使高密度水泥漿體系在緬甸很多區(qū)塊成功投入使用。該區(qū)塊某井表層套管使用的是密度2.30g/cm3高密度水泥漿,技術(shù)套管使用的是2.35g/cm3高密度水泥漿,固井質(zhì)量全部為優(yōu)良。后續(xù)井將陸續(xù)使用到顆粒級配技術(shù)的更高密度的水泥漿體系。

5 結(jié) 論

1)在水泥漿體系中,各種顆粒的堆積方式直接影響水泥漿性能。采用不同粒度的加重劑進(jìn)行顆粒級配,使單位體積水泥漿內(nèi)的固相顆粒增加,盡量降低其水灰比,能夠?qū)崿F(xiàn)水泥漿體系的密度的增加并且顯著改善水泥漿的性能。

2)利用3重堆積模型,不同粒度的赤鐵礦粉實(shí)現(xiàn)了密度為2.80g/cm3超重水泥漿的加重,所優(yōu)選的超高密度體系性能良好;無機(jī)纖維加入到高密度水泥漿體系中有較好的防漏堵漏效果。

3)根據(jù)所建立的堆積模型,利用常見的赤鐵礦粉所研制的緊密堆積鐵礦粉加重高密度水泥漿體系,性能優(yōu)良,證明了所建立的堆積模型是比較可靠的。經(jīng)過緬甸A地區(qū)現(xiàn)場固井應(yīng)用,固井質(zhì)量優(yōu)良。

[1]劉崇建,黃柏宗.油氣井注水泥理論與應(yīng)用 [M].北京:石油工業(yè)出版社,2001.

[2]黃柏宗.緊密堆積理論優(yōu)化的固井材料和工藝體系 [J].鉆井液與完井液,2001,18(6):1～9.

[3]M arc J,Dominique B,Guillot,et al.Concrete Developments in Cementing Technology.Oilfield Review[J].Spring,1999.11～16.

[4]Sumartha I,Martinez R J A.Application of a New Technique for Light-weight Cement Formulation to Improve Ccement Placement in Campeche Ray Area[J].SPE39889,1998.

[5]Johnston N C,Senese M.New Approach to High-dengsity Cement slurries for Cementing High-pressure.High-temperature Wells[J].SPE24976,1992.