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        套損井耐溫抗鹽化學堵劑室內(nèi)研究與評價

        2013-11-08 03:32:10盧培華孟祥娟張愛良
        天然氣技術(shù)與經(jīng)濟 2013年2期
        關(guān)鍵詞:損井抗鹽塔里木

        盧培華 孟祥娟 李 瑋 張愛良

        (1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院,新疆 庫爾勒 841000;2.中國石油塔里木油田分公司質(zhì)量檢測中心,新疆 庫爾勒 841000;3.中國石油塔里木油田分公司天然氣事業(yè)部,新疆 庫爾勒 841000)

        0 引言

        為了控水穩(wěn)油,油田套損化學修復(fù)的潛力值得發(fā)掘。為了更好地解決油水井套損、水層封堵、封竄堵漏等方面的問題,提高油田水驅(qū)動用儲量和采收率,減少井下作業(yè)勞動強度,降低油水井生產(chǎn)作業(yè)成本,提高油氣開發(fā)經(jīng)濟效益,重點針對套管破損、穿孔、竄槽漏失等問題,開發(fā)研制低成本、低傷害、高強度、微膨脹的化學堵封堵技術(shù)。近年來,油田采取了一些控水技術(shù)措施,加大了開發(fā)力度,但是一些套漏套變套損的井,施工難度大,常規(guī)的水泥漿封竄、封堵,由于其固化體收縮效應(yīng),出現(xiàn)堵而不死,再次套損井竄漏現(xiàn)象,水泥漿封堵/年,在精確定位套損部位后,擇優(yōu)選取擠水泥下封隔器、下脹管補貼等措施補漏,對已發(fā)生套損井實施了補漏,部分井恢復(fù)了生產(chǎn)。

        針對中國石油塔里木油田公司套損現(xiàn)狀和分布規(guī)律,制定多學科協(xié)作的套損井綜合“防”“診作業(yè)容易出現(xiàn)閃凝、聚凝,造成復(fù)雜的“灌香腸“插旗桿”等井下事故,嚴重地影響了油田化學封堵[1技術(shù)的發(fā)展。因此,開展套損井耐溫抗鹽化學堵劑”]研究是必要的?!爸巍睂Σ?,對于已發(fā)生套損的井,采取井下作業(yè)坐封打壓、工程測井、靜溫梯度法3 種技術(shù)綜合找漏。找漏結(jié)果統(tǒng)計表明,1998-2010 年,已有100 余口油水井發(fā)生套損,套損總體發(fā)生速率為14~16 井次

        1 實驗部分

        1.1 原料

        1)化學堵劑。耐溫抗鹽套損井化學堵漏劑LTTD,西南石油大學生產(chǎn)。LTTD 堵劑是由支撐劑、膨脹型活性填充劑(亞納米材料)、活性微晶增強劑(亞納米材料)、超細微晶聚合物、增韌劑、水硬性膠凝材料及其他輔助材料經(jīng)過顆粒級配后精細加工復(fù)合而成的灰褐色粉末狀物質(zhì),其密度為3.15~3.2 g/cm3,可配制1.30~1.60 g/cm3密度的漿體。

        2)G 級油井水泥。由四川嘉華水泥廠生產(chǎn),系高抗油井水泥。

        3)鹽水。塔里木油區(qū)現(xiàn)場鈣質(zhì)地層水,礦化度25×104mg/L。

        1.2 實驗儀器

        WO5-9905 瓦倫攪拌劑,沈陽航空工業(yè)大學生產(chǎn);巖心流動實驗儀,西南石油大學生產(chǎn);KZY-30 電動抗折儀,沈陽天平儀器廠生產(chǎn);CSS-2005電子萬能壓力試驗機,長春緊密儀器廠生產(chǎn);XCJ-40 沖擊試驗機,河北承德材料實驗機廠生產(chǎn);ZNN-D6 黏度計,青島海信儀器廠生產(chǎn);JHPZ-Ⅱ型高溫高壓智能膨脹測試儀,荊州創(chuàng)聯(lián)石油科技儀器廠生產(chǎn)。

        1.3 實驗方法

        1)制漿。堵劑按水灰比0.833直接清水配制;G級水泥按水灰比0.44,參照GB10238-1998配漿。

        2)封堵強度測定[2]。取外徑?25 mm×2 mm×80 mm的鋼管,置于巖心流動實驗儀中,底部有醫(yī)用紗布作襯底,將5 g石英砂(20目)和一定水灰比的堵劑溶液倒入鋼管中,按巖心流動實驗儀操作程序,在10 MPa壓力條件下,用清水進行堵劑動態(tài)濾失1~2次,在實驗溫度下養(yǎng)護48 h成實驗?zāi)K,在排量為5 mL/min條件下進行清水頂驅(qū),當出口第一滴水流出時的壓力為封堵強度。

        3)稠化時間測定[3]。堵劑按0.833 水灰比配制成溶液,按照GB/T19139-2003 規(guī)定方法進行試驗。

        4)膨脹率測定[4]。堵劑按0.833 水灰比配制成溶液,參照JHPZ-Ⅱ型高溫高壓智能膨脹測試儀操作規(guī)程進行測定。

        5)堵漿的工程性能測試。按APIAPEC.10 標準測定流變性。

        2 實驗結(jié)果及分析研究

        2.1 堵劑的抗溫性能

        堵劑按0.833 水灰比,參照“封堵強度實驗方法”進行實驗,不同溫度養(yǎng)護48 h 后進行測定,結(jié)果見圖1。

        圖1 堵劑抗溫性能

        堵劑封堵隨不同溫度下的走勢呈向上的趨勢,但在溫度超過110 ℃時,其走勢趨向水平線,沒有多大變化。說明在溫度超過110 ℃時,堵劑的結(jié)構(gòu)強度趨于穩(wěn)定,堵劑具有抗溫性能。

        2.2 堵劑的抗鹽性能

        選擇不同礦化度的鹽水進行配制和養(yǎng)護,室內(nèi)選擇了4 種不同礦化度的鹽水:Ca2+=250 000 mg/L,Mg2+=15 000 mg/L,Cl-=120 000 mg/L,總礦化度=270 000 mg/L,養(yǎng)護48 h 后進行測定,結(jié)果見圖2。

        圖2 堵劑的抗鹽性能

        無論單獨無機鹽或復(fù)合鹽,其礦化度不同的地層水對堵劑的封堵強度幾乎沒有影響,即堵劑有很好的抗鹽能力。堵劑中的抗鹽材料,能夠克服各種礦化度的鹽類入侵,表現(xiàn)出良好的抗鹽特性,也能抑制塔里木油田高鹽的侵蝕。

        2.3 堵劑的膨脹性能

        堵劑按0.833 水灰比配制成溶液,按照“JHPZ-Ⅱ型智能膨脹儀操作規(guī)程”進行實驗。結(jié)果表明:①通過96 h實驗,堵劑隨著時間延長,其膨脹率相應(yīng)增加;②堵劑膨脹率在6%左右,屬于微膨體系。由于堵劑中有超細的活性充填材料,在水化的同時,能吸水膨脹,密實堵劑固化體的微觀孔洞,表現(xiàn)出很好的微膨脹特性。

        2.4 堵劑的流變性能

        堵劑按不同的水灰比配制成漿體,參照“堵劑工程性能測試方法”進行實驗,結(jié)果見表1。

        從表1 可知:①堵劑在各種水灰比情況下,表現(xiàn)出很好的流變性能,隨著水灰比的灰量加大,屈服值YP 也隨之增加,即堵劑溶液的懸浮能力加大,不會產(chǎn)生顆粒沉淀,達到了安全施工的目的;②隨著堵劑水灰比的加大,其表觀黏度也增加,但通過控制堵劑的水灰比,現(xiàn)場應(yīng)用時就不會影響水泥車的可泵性,有利于現(xiàn)場施工。

        表1 堵劑的常規(guī)流變性能測定(95℃)

        2.5 堵劑的稠化實驗和污染實驗

        1)堵劑的稠化實驗。實驗條件:150 ℃(溫度)× 70 min(升溫時間)× 45 MPa(壓力)× 1.58 g/cm3(堵漿密度),參照“堵劑稠化實驗方法”進行實驗。測試結(jié)果:取堵劑和外加劑稠化時間為480 m/70 Bc。

        堵劑通過添加外加劑,可以控制堵劑的稠化時間,以滿足現(xiàn)場施工的需要,確保施工安全。

        2)堵劑的污染實驗。實驗條件:150℃(溫度)×70 min(升溫時間)×45 MPa(壓力),堵漏漿:無機鹽壓井液(1.13 g/cm3)=70%:30%,參照“堵劑稠化實驗方法”進行實驗。測試結(jié)果:386 min/61.5 Bc。

        堵劑在使用油井水泥漿外加劑(緩凝劑、分散劑、消泡劑)后,可以任意調(diào)節(jié)堵漿的稠化時間,以滿足現(xiàn)場施工的需要。

        2.6 堵劑高溫高鹽工況下的封堵強度

        堵劑按0.833 水灰比配制成溶液,在礦化度25×104mg/L、95 ℃和150 ℃條件下養(yǎng)護,參照“封堵強度實驗方法”操作進行,測定堵劑固化體在不同時期的封堵強度,測試結(jié)果見圖3。

        圖3 堵劑在高溫高鹽工況下的封堵強度

        從圖3 可知:①在95 ℃和150 ℃養(yǎng)護條件下,在養(yǎng)護時間分別到達120 d和30 d天時,封堵強度幾乎不變,說明堵劑固化體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定;②在95 ℃和150 ℃養(yǎng)護條件下,堵劑固化體封堵強度有增加的趨勢;③在150 ℃養(yǎng)護條件下的堵劑固化體封堵強度大于95 ℃養(yǎng)護條件下的堵劑固化體封堵強度。

        由于堵劑中引用了長期耐久的機制,在高溫、高鹽的環(huán)境中,經(jīng)過長達半年之久的養(yǎng)護,其封堵強度沒有出現(xiàn)衰減現(xiàn)象,反而趨于穩(wěn)定,有很好的長期耐久封堵效果,大大提高了現(xiàn)場應(yīng)用的有效期。

        2.7 堵劑的自愈合能力

        參照“堵劑封堵強度實驗方法”制成模塊,在150 ℃、10 MPa、200 轉(zhuǎn)/min 實驗條件下,參照堵漏實驗評價儀操作規(guī)程,模塊動態(tài)養(yǎng)護72 h 后,用掃描電鏡(SEM)測定[5]。

        圖4展示了鋼管內(nèi)動態(tài)養(yǎng)護條件下堵劑漿體內(nèi)部的顯微形貌。圖上看到的都是無定形的CSH 凝膠,相互間緊密地聯(lián)結(jié)在一起。

        圖5 則是動態(tài)養(yǎng)護條件下堵劑鋼管—漿體界面處樣品的顯微結(jié)構(gòu),界面處的漿體中散布著許多棒狀鈣礬石晶體。

        圖6由圖5放大而得。由這兩圖可以很清楚地看到堵劑表面上結(jié)晶完好的棒狀的鈣礬石晶體。在鈣礬石晶體下方,可見部分無定形的水化產(chǎn)物已被溶蝕,露出新鮮表面。在這新鮮表面上,生成了大量纖維狀CSH 凝膠,屬于Diamond 定義的CSH(Ⅱ)型,是水化初期的產(chǎn)物。

        圖7可以更明顯地看到界面處的表面層被部分溶蝕后新生成的纖維狀CSH(Ⅱ),在此同樣未能發(fā)現(xiàn)Ca(OH)2片狀晶體。

        SEM 測試結(jié)果表明,組成化學堵劑的各種活性材料的協(xié)同作用,避免了在膠結(jié)界面形成過多的易被沖蝕溶解的水化產(chǎn)物,在堵劑固化體膠結(jié)界面能夠持續(xù)生成許多耐沖蝕的水化產(chǎn)物,具有很強的自愈合能力(圖7),消除了界面的有害過渡帶,使界面具有很強的抗高壓流體沖蝕的能力,從根本上提高了封堵質(zhì)量。

        圖4 動態(tài)養(yǎng)護條件下堵劑內(nèi)部漿體的顯微結(jié)構(gòu)×2 000

        圖5 動態(tài)養(yǎng)護條件下鋼管-堵劑界面處的漿體顯微結(jié)構(gòu)×2 000

        圖6 表面層被溶蝕后露出的新鮮表面×5 000

        圖7 堵劑-鋼管膠結(jié)界面微觀結(jié)構(gòu)(再愈合能力)×5 000

        3 結(jié)論與認識

        1)研制的塔里木油田套損井耐溫抗鹽化學堵劑LTTD,通過室內(nèi)研究評價,所有性能能滿足套損井修復(fù)的要求。

        2)塔里木油田深井(超深井)井下溫度很高(150℃)、地層水主要以CaCl2水質(zhì)為主(礦化度24×104mg/L),研制的化學堵劑適應(yīng)這種地質(zhì)條件,并且在這些條件下的性能非常好,完全能適應(yīng)塔里木油田工況的需要。

        3)以復(fù)合材料為特征的新型凝膠材料LTTD 堵劑,具有再愈合能力,應(yīng)該在界面的牢固接合方面具有更大的技術(shù)優(yōu)勢[6]。

        總之,塔里木油田耐溫抗鹽化學堵劑的研究與評價,為油水(氣)井破損套管的修復(fù)提供了一個新的手段,也促進了油田化堵工藝技術(shù)的提高。

        [1]Sabins,F(xiàn).L.,&Sutton,D.L.Interrelationship between critical cement properties and volume changes during cement setting[EB].SPE Drilling Engineering,June 1991.

        [2]Sykes,R.L.and Logan,J.L.New technique for control gas migration[EB].SPE 16653,1988.

        [3]Drecq,P.&Parcevaux,P.A.A single technique solves gas migration problems across a wide range condition[EB].SPE 17629,1988.

        [4]Morris,W.,Criado,A.et al.Design of high toughness cement for effective long lasting well isolations[EB].SPE 81001,2003.

        [5]楊振杰,李美格,郭建華,等.油井水泥與鋼管膠結(jié)截面處微觀結(jié)構(gòu)研究[J].石油鉆采工藝,2002(4):6-8.

        [6]姚曉,吳葉成,黎學年.國內(nèi)外固井技術(shù)難點和新型水泥外加劑特性[J].鉆井液與完井液,2005(2):13-18.

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