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        新型無機(jī)鹽加重超高密度水泥漿體系室內(nèi)試驗(yàn)

        2010-05-17 06:49:08付洪瓊李早元雷俊杰郭小陽
        石油鉆探技術(shù) 2010年3期
        關(guān)鍵詞:無機(jī)鹽固井高密度

        付洪瓊 李早元 李 毅 雷俊杰 郭小陽

        (1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué)),四川 成都 610500;2.延長油田股份有限公司 吳起采油廠,陜西 吳起 717600)

        隨著國內(nèi)各油田鉆井越來越深,地層壓力梯度越來越高,特別是鉆遇異常高壓地層時(shí),地層壓力梯度最高可達(dá)2.6 MPa/100m,需采用高密度甚至超高密度水泥漿封固,水泥漿密度高達(dá)2.8 kg/L甚至更高。目前,常用高密度水泥漿通常都是用顆粒級配原理[1-3]采用單一的固體加重劑進(jìn)行加重,密度一旦超過2.4 kg/L時(shí),其性能調(diào)節(jié)難度急劇增大,綜合解決水泥漿的抗高壓性、流變性和抑制性、穩(wěn)定性等之間的矛盾尤為困難[4-6]。實(shí)際上,水泥漿作為一個(gè)固液混合體系,配漿用基液的密度對水泥漿的性能有至關(guān)重要的影響。如果提高了基液的密度,就可以大大提高水泥漿密度,減小鐵礦粉用量,水泥漿性能也更容易調(diào)節(jié)。

        1 FX-1 對自來水加重

        1.1 加重原理[7-8]

        因處理劑類型和作用機(jī)理不盡相同,高密度鉆井液中所用無機(jī)鹽或有機(jī)鹽加重材料基本不適合配制高密度水泥漿[9]。在選擇水泥漿用無機(jī)鹽或有機(jī)鹽加重劑時(shí)應(yīng)遵循如下原則: 1)易溶解,且本身密度高;2) 與其他外加劑配伍性好,對水泥漿性能影響較小;3)材料來源廣,價(jià)格低廉。

        國內(nèi)外多數(shù)水泥漿外加劑都具有良好的抗鹽能力,但主要是針對NaCl。既然外加劑可以抗NaCl,對類似的無機(jī)鹽同樣具有抵抗能力,基于此,筆者優(yōu)選了無機(jī)鹽 FX-1,針對 FX-1 的特性進(jìn)行了處理劑優(yōu)選,最終選擇了一套性能優(yōu)良的適合該無機(jī)鹽加重劑的處理劑系列,配制的超高密度水泥漿性能良好。筆者采用的理論公式為[10-11]:

        G=ρ3(ρ2-ρ1)/(ρ3-ρ2)

        (1)

        式中:G為加重劑用量,kg;ρ1為原自來水密度,kg/L;ρ2為加重后的水溶液密度,kg/L;ρ3為加重劑 FX-1 的密度,kg/L。

        根據(jù)式(1),如要配制密度為1.5 kg/L的 FX-1 溶液,需 FX-1 的質(zhì)量為:3.203(1.5-1.0)/(3.203-1.500)=0.940 4,即G=0.940 4 kg。

        1.2 效果分析

        用 FX-1 對500 mL自來水在常溫常壓下進(jìn)行加重,結(jié)果見表1。

        表1 FX1對自來水的加重效果

        由表1可知,常溫常壓下 FX-1 水溶液的密度隨 FX-1 加量的增加而增大。當(dāng) FX-1 的質(zhì)量為950 g時(shí),溶液達(dá)到飽和,F(xiàn)X-1 的質(zhì)量繼續(xù)增大,則溶液密度不再發(fā)生改變,此時(shí) FX-1 溶液密度最大,約為1.50 kg/L。因此,在配制高密度水泥漿時(shí),可使用 FX-1 將基液密度提高至1.50 kg/L,相同水灰比條件下可將水泥漿密度提高0.35 kg/L左右。

        2 FX-1加重高密度水泥漿體系性能

        2.1 失水、流變性

        水泥漿的流變性和失水性能是水泥漿的基本性能,是固井時(shí)十分重要的參數(shù)。FX-1 加重水泥漿體系的配方見表2。

        表2 FX1加重水泥漿體系配方

        在室內(nèi)配制水泥漿時(shí)發(fā)現(xiàn),配方1#的水泥漿不易混和,幾乎沒有流動(dòng)性,無法進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)操作。而配方2#的水泥漿雖有較好的流動(dòng)性,但沉降穩(wěn)定性很差,靜置小段時(shí)間后水泥漿就發(fā)生沉降,解決方法之一是適量增加具有增黏效果的降失水劑 L-8 的用量。因?yàn)樵撛囼?yàn)用降失水劑 L-8 為大分子物質(zhì),大分子之間相互纏繞可以提高高密度水泥漿的沉降穩(wěn)定性,同時(shí)有效控制失水。

        對配方3#~5#的水泥漿進(jìn)行常規(guī)性能測試,結(jié)果見表3。

        表3 高密度水泥漿常規(guī)性能

        對表3中的六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀數(shù)進(jìn)行了流變性計(jì)算,所得結(jié)果見表4。

        表4 水泥漿流變參數(shù)

        由表4可知,該水泥漿體系的塑性黏度較低,有利于提高頂替效率,動(dòng)切力較小,流性指數(shù)接近于1,稠度系數(shù)小,說明該水泥漿體系具有良好的流變性能。API失水量小,48 h抗壓強(qiáng)度高,其常規(guī)性能可滿足現(xiàn)場施工要求。

        另外,隨著緩凝劑量的增加,水泥漿由冪律流變模式變?yōu)榱速e漢流變模式。塑性黏度、動(dòng)切力和稠度系數(shù)都有所減小,流性指數(shù)n有所增加,水泥漿防竄性能更好。

        2.2 穩(wěn)定性

        穩(wěn)定性差的水泥漿,靜止時(shí)產(chǎn)生沉降,并伴隨有游離水析出,容易造成橋堵或氣竄,特別是大斜度井和水平井,更容易產(chǎn)生高邊游離水連通竄槽和低邊水泥顆粒沉降竄槽。因此,正確地進(jìn)行水泥漿配方設(shè)計(jì),提高水泥漿穩(wěn)定性,嚴(yán)格防止固相沉降和自由水析出,保持水泥漿顆粒均勻地懸浮直至固化,對保證固井質(zhì)量非常重要。

        對配方4#和5#兩種水泥漿(密度分別為2.87和2.86 kg/L)進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn),結(jié)果見表5。

        表5 水泥漿穩(wěn)定性試驗(yàn)

        由表5可知:配方4#上下密度差為0.08 kg/L,析水2.5 mL,析水率1.00%;配方5上下密度差為0.13 kg/L,析水3.2 mL,析水率1.28%。該水泥漿析水率均小于PAI規(guī)范要求的1.40%,漿體穩(wěn)定性也能滿足現(xiàn)場固井要求。對比可知,配方5#較配方4#的穩(wěn)定性稍差,原因是所加緩凝劑具有輕微分散作用。隨著緩凝劑加量的增大,水泥漿沉降速度加快,穩(wěn)定性變差。

        2.3 水泥漿稠化時(shí)間

        基于配方4#,考察了不同緩凝劑加量下水泥漿的稠化時(shí)間,結(jié)果見表6。

        表6 配方4#水泥漿稠化試驗(yàn)結(jié)果

        相應(yīng)稠化曲線如圖1~4所示。

        圖1 1號水泥漿稠化曲線

        圖2 2號水泥漿稠化曲線

        圖3 3號水泥漿稠化曲線

        圖4 5號水泥漿稠化曲線

        由表6和圖1~4可知:該水泥漿在不同高溫高壓條件下,水泥漿稠化時(shí)間隨緩凝劑加量變化有較好的可調(diào)性,且初始稠度不算太高,隨溫度、壓力升高稠度趨于平穩(wěn),并且實(shí)現(xiàn)了直角稠化,能夠滿足高溫深井或異常高壓井固井的施工要求。

        試驗(yàn)結(jié)果證明,F(xiàn)X-1 作為一種新型液體加重劑可以應(yīng)用在固井水泥漿體系中。

        2.4 水泥石抗壓強(qiáng)度

        對配方4#和5#兩種水泥漿所形成的水泥石進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),結(jié)果見表7。

        表7 水泥漿抗壓強(qiáng)度

        由表7可知,該水泥漿體系所形成的水泥石養(yǎng)護(hù)48 h后其抗壓強(qiáng)度能滿足現(xiàn)場施工的要求。

        3 FX-1 加重高密度水泥漿的優(yōu)越性

        比較了相同水灰比條件下不加外加劑時(shí),常規(guī)純水泥漿與無機(jī)鹽加重水泥漿的性能,其基本數(shù)據(jù)見表8。

        由表8可知:1)FX-1 加重高密度水泥漿其密度明顯高于常規(guī)水泥漿密度,因此在配制相同高密度水泥漿時(shí),可以明顯減少固體加重劑的用量;2)FX-1 加重水泥漿的流性指數(shù)更小,稠度系數(shù)也有所增大,F(xiàn)X-1 加重高密度水泥漿與常規(guī)水泥漿相比,增強(qiáng)了水泥漿的塑性黏度;3)FX-1 為電解質(zhì),加到水泥漿中時(shí)會引起絮凝稠度增大,使水泥漿網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能力增強(qiáng),固相顆粒與液相內(nèi)部摩擦作用增強(qiáng),因而動(dòng)切力增大。

        表8 常規(guī)水泥漿與FX1加重高密度水泥漿的性能比較

        4 結(jié) 論

        1) 無機(jī)鹽 FX-1 可使配制液密度提高到1.5 kg/L,采用液相和固相同時(shí)加重的方法,可配制出密度為2.87 kg/L的超高密度且性能良好的水泥漿體系。

        2) 該超高密度水泥漿體系流變性、穩(wěn)定性良好,失水量小,稠化時(shí)間可調(diào),水泥石性能滿足深層油氣層、超高壓地層及大段鹽膏地層的固井施工要求,具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

        參 考 文 獻(xiàn)

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