朱磊,耿亞楠 (中海油研究總院,北京100027)

許明標(biāo),王曉亮,金勇 (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北武漢430100)

適合小井眼固井的韌性水泥漿體系室內(nèi)研究

朱磊,耿亞楠 (中海油研究總院,北京100027)

許明標(biāo),王曉亮,金勇 (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北武漢430100)

小井眼固井,由于環(huán)空間隙小,環(huán)空循環(huán)壓耗較大,頂替效率低,封固質(zhì)量往往難以保障。為克服小井眼固井諸多難點(diǎn),室內(nèi)研究構(gòu)建了一套由G級(jí)水泥與聚合物、彈性乳液GR1、纖維以及空隙支撐材料MX共同構(gòu)成的韌性水泥漿體系。室內(nèi)對(duì)該水泥漿體系的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,水泥石抗沖擊強(qiáng)度較高,具有良好的穩(wěn)定性和抗溫性,80～150℃范圍內(nèi)水泥漿稠化時(shí)間可任意調(diào)節(jié);經(jīng)綜合性能評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn),該水泥漿能夠很好地滿足小井眼固井作業(yè)需要,具有良好的應(yīng)用前景。

小井眼;固井;韌性水泥漿

小井眼固井,實(shí)現(xiàn)環(huán)空有效封固存在一定的困難。

1)小井眼井水泥環(huán)薄,水泥石強(qiáng)度低,水泥石與地層、套管的膠結(jié)質(zhì)量難以保證[1]。

2)必須慎重合理地選擇固井壓差、水泥漿體系及性能,以減少油氣層的損害,防止水泥漿在小井眼窄環(huán)空中處于高剪切狀態(tài)。因?yàn)樗酀{在高壓差作用下迅速失水和脫水,容易發(fā)生橋堵、憋泵及壓漏地層,引起產(chǎn)層傷害[2]。

3)水泥漿在小間隙環(huán)空中流動(dòng)阻力大,容易壓漏地層,需要降低水泥漿的黏度。

基于上述難點(diǎn),對(duì)小井眼固井水泥漿的性能要求可歸納如下:①水泥漿失水低、零自由水;②水泥石強(qiáng)度高、韌性好;③水泥漿安全性高、稠化性能任意可調(diào);④低黏度,高流動(dòng)性;⑤水泥漿沉降穩(wěn)定性能高。為此,室內(nèi)開(kāi)展了適合水井眼固井的韌性水泥漿體系的性能評(píng)價(jià)。

1 小井眼固井水泥漿體系及配方

根據(jù)添加劑產(chǎn)品特點(diǎn),經(jīng)過(guò)詳細(xì)的篩選評(píng)價(jià),構(gòu)建水泥漿配方如下:

1)中低溫配方(1#):G級(jí)水泥+40.0%實(shí)驗(yàn)室淡水+0.75%消泡劑CX66L+0.625%膠乳穩(wěn)定劑+2.5%彈性乳液GR1+3.0%降失水劑CG83L-D10+1.5%孔隙支撐劑MX+2.0%分散劑CF44L+0～0.5%緩凝劑H63L+0.3%纖維BING-Ⅰ(配方中百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。

2)高溫配方(2#):G級(jí)水泥+35%硅粉SSA1+40.0%實(shí)驗(yàn)室淡水+0.67%消泡劑CX66L+ 0.5%膠乳穩(wěn)定劑+2.0%彈性乳液GR1+5%降失水劑CG83L-D10+7.5%孔隙支撐劑MX+1.5%分散劑CF44L+0.3%～1.2%緩凝劑H63L+0.3%纖維BING-Ⅰ。

3)低密度配方(3#):G級(jí)水泥+62.5%實(shí)驗(yàn)室淡水+1.25%消泡劑CX66L+1.04%膠乳穩(wěn)定劑STAB+3.125%膠乳GRI+6.25%降失水劑CG83L+6.25%空隙支撐劑MX+2.08%分散劑CF44L+ 8.33%漂珠+12.5%增強(qiáng)劑STR+0.83%膨脹劑BOND。

2 水泥漿體系性能

2.1 水泥漿常規(guī)性能評(píng)價(jià)

稠化時(shí)間、失水量、流變讀數(shù)以及自由水性能是評(píng)價(jià)水泥漿體系性能的重要技術(shù)指標(biāo)。室內(nèi)考察了中低溫、高溫和低密度水泥漿配方分別在80、150和80℃環(huán)境下的常規(guī)性能,結(jié)果如表1所示。其中,沉降穩(wěn)定性測(cè)試方法,將配制好的水泥漿倒入500m L量筒,封口靜置2h后分別測(cè)試量筒上部與底部水泥漿密度,底部密度減上部密度即為密度差。

表1 韌性水泥漿常規(guī)性能

試驗(yàn)結(jié)果表明,3種水泥漿配方的失水量均能夠控制在50m L以內(nèi),充分說(shuō)明該水泥漿體系具有較好的抗溫性和失水控制能力。稠化時(shí)間、自由水以及抗壓強(qiáng)度顯示,該水泥漿體系良好的流變和較低的初始稠度,能夠很好地滿足小井眼固井對(duì)水泥漿低黏度的要求。

2.2 水泥漿的力學(xué)性能研究

2.2.1 水泥漿抗壓強(qiáng)度性能

實(shí)驗(yàn)室對(duì)中低溫、高溫和低密度水泥漿配方在加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)空隙支撐劑MX條件下,分別養(yǎng)護(hù)8、24h進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,隨著MX質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,水泥漿抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯增大的趨勢(shì)。當(dāng)MX質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加到3.0%、6.0%和5.0%以上時(shí),水泥漿經(jīng)8h的養(yǎng)護(hù)就能形成一定的強(qiáng)度;而養(yǎng)護(hù)24h后水泥石強(qiáng)度相對(duì)MX質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的水泥石強(qiáng)度能夠獲得極大的提高,充分說(shuō)明MX在增強(qiáng)促進(jìn)水泥石強(qiáng)度發(fā)展有著明顯的作用。

根據(jù)固井設(shè)計(jì)要求,中低溫、高溫和低密度配方中分別選取MX質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、7.5%和6.25%,其抗壓強(qiáng)度能夠很好地滿足小井眼固井對(duì)水泥石強(qiáng)度的要求。

2.2.2 水泥漿韌性評(píng)價(jià)

試驗(yàn)所用水泥石抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)為XJJY-50型(承德市世鵬檢測(cè)設(shè)備有限公司生產(chǎn));所用水泥石拉伸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)儀為自制設(shè)備。室內(nèi)對(duì)1#、2#、3#水泥漿配方進(jìn)行抗沖擊強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度及抗拉伸強(qiáng)度性能評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,1#配方水泥石的抗壓強(qiáng)度最高,其抗沖擊強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和抗拉伸強(qiáng)度卻是3個(gè)配方中最低的;3#配方水泥石的抗壓強(qiáng)度最低而其抗沖擊強(qiáng)度是最高的,其抗剪切強(qiáng)度和抗拉伸強(qiáng)度與2#配方相差不大。3個(gè)配方的抗壓強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和抗拉伸強(qiáng)度均能滿足小井眼固井的要求。

表2 MX質(zhì)量分?jǐn)?shù)與水泥漿抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

表3 幾種配方的力學(xué)性能評(píng)價(jià)

2.2.3 水泥石完整性能研究

室內(nèi)分別對(duì)1#配方和不加韌性材料的配方形成的水泥塊進(jìn)行模擬實(shí)彈射孔試驗(yàn)。所用射孔彈為X60型,試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),不加韌性材料的水泥石經(jīng)過(guò)2次射孔后水泥石出現(xiàn)了明顯的肉眼可見(jiàn)的裂痕,部分水泥石在強(qiáng)大的射孔沖擊下,崩裂碎開(kāi),水泥石的完整性受到嚴(yán)重的破壞,1#配方水泥石經(jīng)過(guò)2次射孔后依然完整無(wú)損,射孔口光滑完整,整體上表現(xiàn)出良好的抗沖擊能力。水泥石射孔后的形態(tài)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)1#配方具有更好的柔韌性,能滿足小井眼射孔完井要求。

2.3 水泥漿安全性能評(píng)價(jià)

室內(nèi)對(duì)1#、2#和3#水泥漿的安全性能分別進(jìn)行了詳細(xì)的稠化安全性評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)項(xiàng)目主要包括:①不同升溫時(shí)間下水泥漿的稠化性能測(cè)試 (表4);②不同壓差下水泥漿失水性能評(píng)價(jià) (表5)。

圖1 模擬實(shí)彈射孔形態(tài)

表4 升溫時(shí)間與水泥漿稠化時(shí)間

表5 試驗(yàn)壓力與水泥漿失水量

由表4所示,1#配方水泥漿稠化時(shí)間隨升溫時(shí)間的延長(zhǎng)而延長(zhǎng),2#和3#配方水泥漿在不同的升溫時(shí)間下,水泥漿的稠化時(shí)間變化不大,隨著升溫時(shí)間的延長(zhǎng)水泥漿的稠化時(shí)間略表現(xiàn)出延長(zhǎng)的趨勢(shì),說(shuō)明水泥漿具有良好的泵送安全性。

由表5所示,隨著試驗(yàn)壓力的增大水泥漿的失水是逐漸增大的,1#和3#配方失水都不大,2#配方的高溫高壓條件下失水量增大的趨勢(shì)更加明顯。2#配方水泥漿在8MPa的壓差下的失水量為56m L,能夠滿足大多數(shù)尾管固井需要。整體上看,水泥漿具有良好的抗濾失效果,能夠保證水泥漿在高壓差下依然具有良好的性能。

3 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)對(duì)小井眼固井水泥漿體系的研究,可以得出以下結(jié)論:

1)分析總結(jié)了小井眼固井的難點(diǎn),提出了小井眼固井用水泥漿體系應(yīng)滿足的性能要求。

2)韌性水泥漿體系具有良好的稠化、失水、強(qiáng)度、穩(wěn)定性,能夠滿足小井眼固井需要。

3)韌性水泥漿具有更好的抗沖擊強(qiáng)度和抗拉伸、剪切強(qiáng)度,水泥石經(jīng)過(guò)2次射孔評(píng)價(jià)依然保持著完整性,充分說(shuō)明該水泥漿體系具有優(yōu)異的柔韌性。

4)韌性水泥漿體系具有良好的稠化性能和柔韌性能,能夠保證泵送安全以及增產(chǎn)措施的順利進(jìn)行,有效延長(zhǎng)油氣井的壽命,具有很好的發(fā)展前景。

本文屬中海石油 (中國(guó))有限公司綜合科研項(xiàng)目 “單通道井鉆完井關(guān)鍵技術(shù)研究”產(chǎn)出論文。

[1]孟慶擁,秦文革.小井眼固井工藝技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)),2005,27(2):217～218.

[2]王文斌,馬海忠,魏周勝,等.長(zhǎng)慶蘇里格氣田欠平衡及小井眼固井技術(shù)[J].鉆井液與完井液,2006,23(5):64～66.

[編輯] 帥群

TE254

A

1000-9752(2014)09-0106-03

2013-01-10

朱磊(1983-),男,2005年大學(xué)畢業(yè),碩士,工程師,現(xiàn)主要從事海洋鉆井技術(shù)研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。