張 軒,張明玉,聶世均,高 揚

(1.中國石化勝利渤海固井工程技術有限責任公司,山東東營257234;2.中國石化西南局臨盤鉆井分公司3.中國石油川慶鉆探井下作業(yè)公司4.中國石油海洋工程有限公司)

非滲透抗竄低密度水泥漿在Mynteke油田的應用

張 軒1,張明玉2,聶世均3,高 揚4

(1.中國石化勝利渤海固井工程技術有限責任公司,山東東營257234;2.中國石化西南局臨盤鉆井分公司3.中國石油川慶鉆探井下作業(yè)公司4.中國石油海洋工程有限公司)

哈薩克斯坦Mynteke油田屬典型的窄壓力窗口固井地區(qū),其上部有活躍的淺層氣,下部地層破裂壓力低,鉆井液密度在1.05～1.10g/cm3范圍內(nèi)時仍有井漏發(fā)生。用常規(guī)低密度水泥漿固井后,水泥膠結(jié)較差,部分井口有冒氣現(xiàn)象。為有效防止氣竄,提高固井質(zhì)量,研究出一種適合該區(qū)塊的非滲透抗竄低密度水泥漿體系。該水泥漿體系具有低密度可調(diào)、流動性好、抗壓強度高,失水低、稠化過渡時間短等良好的工程性能。通過室內(nèi)實驗和5口井的現(xiàn)場成功應用表明,非滲透抗竄低密度水泥漿體系能滿足該地區(qū)淺層氣竄和低壓漏失的固井施工作業(yè)的需求。

Mynteke油田;固井;淺層氣;漏失井;非滲透抗竄低密度水泥漿

哈薩克斯坦Mynteke油田井深一般為650～950m,在新生界地層底部存在高壓淺氣層,且氣層非?；钴S,固井時容易發(fā)生氣竄,如果水泥漿性能差,稠化時間過長,易發(fā)生井涌或井噴。同時其三疊系灰?guī)r層屬于原始縫洞,裂縫異常發(fā)育,地層破裂壓力低,要求水泥漿液柱壓力當量密度要小于漏失時的當量鉆井液密度。針對該區(qū)塊窄壓力窗口固井,易發(fā)生井漏、氣竄等問題,研發(fā)了非滲透抗竄低密度水泥漿體系,有效地解決了該區(qū)塊低壓井漏、高壓氣竄的固井難題,保證了固井質(zhì)量。

1 非滲透抗竄低密度水泥漿研究

1.1 非滲透抗竄低密度水泥漿作用原理

非滲透抗竄低密度水泥漿是以非滲透交聯(lián)技術和氮氣膨脹發(fā)氣機理為基礎,根據(jù)緊密堆積理論進行優(yōu)化設計的。通過優(yōu)選各種外加劑加量,使水泥漿的綜合性能達到固井施工要求,其密度在1.30～1.80g/cm3范圍內(nèi)可調(diào)。根據(jù)非滲透交聯(lián)技術,通過非滲透劑和交聯(lián)劑間的絡合反應,生成的絡合物形成連續(xù)的凝膠結(jié)構(gòu)(非滲透薄膜),以此阻止水泥漿失水、增加氣竄阻力等。同時一定溫度條件下,氮氣膨脹劑發(fā)氣,在上部液相壓力作用下使水泥漿橫向膨脹,從而有效降低液柱壓力損失。另一方面,大部分外加劑能夠增加水泥漿的粘度、液相阻力,起到一定的防氣竄作用。體系中的漂珠、增韌劑和超細增強劑干粉密度比水泥均小,且增韌劑和超細增強劑具有大比表面積,可以增大水灰比,使水泥漿密度可調(diào)小,增韌劑和超細增強劑可增加水泥石的強度,超細增強劑還具有一定的促凝和促進水泥漿直角稠化作用,保證油氣層的固井質(zhì)量。

1.2 非滲透抗竄低密度水泥漿體系研究

根據(jù)上述原理,優(yōu)選出的適合Mynteke油田淺層氣固井的非滲透抗竄水泥漿,低密度不滲透抗氣竄水泥漿配方。

1.2.1 主要外加劑及外摻料

水泥:XJ G級水泥;主要外加劑:氮氣膨脹劑(WG169)、降失水劑 (DHG302),減阻劑(DHG401),防竄劑 (WG159),增韌劑 (WG172),低溫早強劑(WG148),超細增強劑(WG149);主要外摻料:漂珠(Ball)。

1.2.2 體系配方及基本性能

配方:XJ G+40%ball+(1%～1.5%)DHG302+(0.8%～1.0%)WG169+(0.5%～0.8%)DHG401+(8%～15%)WG159+(1%～3%)WG172+(10%～15%)WG149+(2%～5%)WG148+水

根據(jù)該區(qū)的地質(zhì)和工程特點,設計出的水泥漿沉降穩(wěn)定性和流動性好,24h抗壓強度高,遠大于API規(guī)定的低密度水泥漿24h大于3.5MPa的性能,且失水低,稠化時間可調(diào),靜膠凝強度過渡時間短,SPN防氣竄系數(shù)低等(表1)。

表1 非滲透抗竄低密度水泥漿性能

圖1 非滲透抗竄低密度水泥漿稠化曲線

1.3 非滲透抗竄低密度水泥漿外加劑作用及優(yōu)選

1.3.1 非滲透防竄劑

非滲透防氣竄劑由高分子聚合物、交聯(lián)劑組成,在水泥和水混合初期,添加在水泥漿中非滲透劑與交聯(lián)劑在水泥漿堿性條件下發(fā)生絡合反應,形成絡合結(jié)構(gòu)(圖2)。當水泥漿中非滲透劑和交聯(lián)劑濃度較高時,絡合物分子間就會相互連接形成連續(xù)的凝膠結(jié)構(gòu)。在壓差作用下,水泥顆粒、非滲透凝膠顆粒、未絡合的非滲透劑分子、交聯(lián)劑分子均向失水的井壁方向運移,各種組分的分子密度相對增大,進一步促使未絡合的非滲透劑分子和交聯(lián)劑分子發(fā)生絡合反應生成絡合物,形成凝膠結(jié)構(gòu)。不斷增加的凝膠結(jié)構(gòu)分子會相互靠近、接觸、粘結(jié)成連續(xù)的凝膠結(jié)構(gòu),進而形成均勻穩(wěn)定的不滲透膜,迅速減低濾失滲透率和水泥漿失水量。在水泥膠凝過渡期,由于水泥漿在保持液態(tài)情況下已經(jīng)發(fā)生交聯(lián)反應生成了非滲透膜,增加了氣體侵入水泥漿內(nèi)的運移阻力。同時氣體在水泥漿中運移阻力也在加大,保證了環(huán)空靜壓力(P靜)和氣體流動阻力(P阻)之和大于氣層壓力(P氣),防止環(huán)空氣竄發(fā)生。

圖2 非滲透劑絡合結(jié)構(gòu)

通過外加劑優(yōu)選,形成的水泥漿體系具有良好的防竄能力,從表2可以知道,該水泥漿體系的SPN值在0～3之間,防氣竄能力強。SPN反應了水泥漿失水量及水泥漿凝固過程中阻力變化系數(shù)對氣竄的影響,綜合防氣侵能力評價了失水、析水和 T值對氣竄的影響。

表2 非滲透抗竄低密度水泥漿防竄性能憑評價

1.3.2 漂珠、增韌劑和超細增強劑

利用顆粒級配原理(圖3),優(yōu)選2～3種不同顆粒直徑的水泥減輕劑,優(yōu)選采用漂珠、增韌劑和超細增強劑復合使用,優(yōu)化其配比關系,提高低密度水泥漿性能。

圖3 顆粒級配圖

漂珠顆粒密度低(0.7g/cm3左右),顆粒直徑大(平均粒徑150～250μm),在水泥漿中易上浮,使水泥漿失穩(wěn)分層,造成封固段上部封固不良。超細增強劑的平均顆粒直徑0.15μm,遠比水泥和漂珠小,且比表面積大(15～25m2/g),在水泥混合時需要大量水來潤濕其表面,對漂珠水泥漿的穩(wěn)定起到很好作用。但兩者增加了水泥石脆性,其加量與降低密度的效率受到限制。但增韌劑具有密度小和可增大水灰比優(yōu)勢,能提高水泥石韌性。因此,通過優(yōu)化配方,突出漂珠、增韌劑和超細增強劑各自的優(yōu)點,設計出綜合性能好的低密度水泥漿體系。

此外增韌劑、超細增強劑顆粒小能夠充填在漂珠和水泥顆粒之間的空隙,正好符合顆粒級配原理。利用顆粒級配原理,在壓差作用下,非滲透水泥漿進入漏失裂縫,不同粒徑的顆粒材料在裂縫間起架橋作用,充填于其空隙或微裂縫中,堵塞漏失微孔。同時由于凝膠結(jié)構(gòu)等多種協(xié)同作用,在施工完后靜止狀態(tài)下,水泥漿稠度和粘性強度急劇增加,很快失去流動性,在漏失通道的裂縫、孔隙壁面粘附膠結(jié),形成堵塞物,從而避免與地層水接觸而出現(xiàn)強烈稀釋現(xiàn)象,提高堵漏和防竄效果。

1.3.3 氮氣膨脹劑

氮氣膨脹劑由氮氣發(fā)氣材料、穩(wěn)定劑和特殊表面活性劑組成,在38℃以上時穩(wěn)定劑開始溶解,發(fā)氣材料開始釋放氮氣,穩(wěn)定材料控制發(fā)氣時間和速度。表面活性劑使氣泡穩(wěn)定、高度均勻的泡沫分布在水泥漿中,使水泥漿均勻膨脹,水泥漿和地層緊密接觸,在水泥漿靜止膠凝時補償壓力損失,阻止地層氣體的侵入,起到防竄和提高二界面膠結(jié)質(zhì)量的目的。

由于氮氣膨脹氣的作用條件是在38℃下,所以現(xiàn)場作業(yè)中要增加其加量或控制配漿水溫度,保證入井水泥漿溫度在25℃以上,使入井水泥漿緩慢釋放氮氣?？刂婆錆{水溫度同時能使水泥漿稠化時間變短,提高防竄能力。

1.3.4 降失水劑

降失水劑由多種聚合物加工而成,當混有降失水劑的水泥遇到水后,吸附在水泥顆粒表面,在多種外加劑的作用下相互粘結(jié)在一起形成結(jié)構(gòu),束縛間隙水,降低濾失速度,并在濾失下在濾失層形成非滲透膜,進一步阻止水泥漿失水,這便有效地防止了地層流體的侵入,起到防竄、降失水作用。

2 現(xiàn)場應用

非滲透抗竄低密度水泥漿體系現(xiàn)場配制程序簡單,且具有良好的工程性能,目前已在Mynteke油田淺層氣固井應用5口井(表3),很好地解決了該地區(qū)淺層氣竄和低壓漏失性技術難題,固井質(zhì)量合格率100%,聲幅測井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達到了75%以上。其中,M-37井是一口開發(fā)井,完井井深400.0m,設計水泥漿返到地面。完鉆時泥漿密度1.15g/cm3,破裂壓力梯度在1.18～1.25g/cm3之間。設計采用非滲透抗竄低密度水泥漿與常規(guī)水泥漿兩種體系,其中領漿平均密度為1.45～1.50g/cm3,尾漿平均密度為1.90～1.95g/cm3。該井使用的低密度水泥漿體系配方及性能見表4,在歷時51min施工作業(yè)中,共注入低密度水泥漿5.0m3(平均密度1.51g/cm3),常規(guī)密度水泥漿10.0m3(平均密度1.92g/cm3)。候凝48h后,電測固井質(zhì)量及試壓作業(yè)合格,其中,聲幅電測質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率為91.1%,這為該地區(qū)其它井施工作業(yè)提供了很好地參考。

表3 非滲透抗竄低密度水泥漿體系應用情況統(tǒng)計

表4 M-37井非滲透抗竄低密度水泥漿性能

3 結(jié)論

(1)非滲透抗竄低密度水泥漿體系主要是在一定條件作用下,通過氮氣膨脹劑發(fā)氣膨脹,進行壓力補充,可有效地防止固井后環(huán)空氣竄。

(2)非滲透抗竄低密度水泥漿具有良好防竄、防漏功能,其失水、析水、抗壓強度、膠凝過渡時間等性能良好,密度可根據(jù)現(xiàn)場需要,在1.30～1.80g/cm3范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。

(3)非滲透抗竄低密度水泥漿體系具有優(yōu)良、可調(diào)的工程性能,應用效果良好,能有效解決Mynteke區(qū)塊淺層氣氣竄和固井漏失問題,為提高該地區(qū)固井質(zhì)量奠定了基礎。

[1] 許明標,張群,王曉亮,等.微膨脹纖維增強水泥漿的性能試驗研究[J].石油地質(zhì)與工程,2007,21(2):97-100.

[2] 譚化新,張宏軍.新型防氣竄水泥漿在埕島油田CB306-1井中的應用[J].鉆井液與完井液,2004,21(3):56-57.

[3] 覃永,李成國,楊杰,等.低密度高強度礦渣漿體系固井工藝技術[J].河南石油,2006,20(3):66-68.

[4] 韋煒德,楊杰,覃永,等.礦渣 M T C固井技術在漏失井盤7-斜30井的應用[J].鉆井液與完井液,2004,21(4):67-68.

編輯:劉洪樹

TE254

A

2010-06-17;改回日期:2010-09-14

張軒,工程師,1978年生,2001年畢業(yè)于西南石油學院,現(xiàn)從事固井技術工作。

1673-8217(2011)01-0118-04