張濱海 (中海油研究總院，北京 100028)

王曉亮 (非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué))，湖北武漢430100 荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州434000)

許明標，宋建建 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

武治強 (中海油研究總院，北京 100028)

于帥 (中國石油冀東油田分公司南堡油田作業(yè)區(qū)采油三區(qū)，河北 唐山 063004)

氣井測試過程和生產(chǎn)過程中，隨著地層流體產(chǎn)出，會造成油管以及各層生產(chǎn)套管、技術(shù)套管及表層套管圈閉環(huán)空內(nèi)的流體溫度升高、壓力升高的現(xiàn)象，即環(huán)空帶壓[1～3]。環(huán)空帶壓嚴重時甚至會擠毀或脹裂套管，威脅井筒完整性，給生產(chǎn)作業(yè)帶來嚴重的安全隱患。環(huán)空帶壓的原因，其本質(zhì)是由于固井初期環(huán)空氣竄或固井后期地層—水泥環(huán)—套管固井封隔系統(tǒng)密封性失效，導(dǎo)致氣體在環(huán)空竄流積聚，引起環(huán)空壓力上升[4～6]。所以在固井水泥環(huán)中加入一段彈性膨脹凝膠是解決水泥環(huán)封隔系統(tǒng)密封失效的關(guān)鍵。室內(nèi)以彈性水溶性樹脂作為基液，開展了預(yù)防氣井環(huán)空帶壓的彈性膨脹凝膠體系的構(gòu)建與研究工作。

1 試驗部分

1)試驗材料 樹脂凝膠，固化劑，緩固劑，稀釋劑，鐵礦粉，淡水，膨脹劑，膨脹引發(fā)劑。

2)試驗儀器 TG-3060A型恒速攪拌器(沈陽泰格石油儀器設(shè)備制造有限公司)，OFITE900型流變儀(美國OFITE)，TG-8040DA增壓稠化儀(沈陽泰格石油儀器設(shè)備制造有限公司)，HY-20080微機控制電子萬能材料試驗儀(上海衡翼精密儀器有限公司)，HY-20080微機控制電子萬能材料試驗儀(上海衡翼精密儀器有限公司)。

2 彈性膨脹凝膠體系的構(gòu)建

2.1 加重劑

根據(jù)施工技術(shù)要求設(shè)計的環(huán)空凝膠密度為1.90g/cm3，在實驗室中采用凝膠+加重劑+稀釋劑的基礎(chǔ)配方，對不同加重劑進行復(fù)配優(yōu)選工作，通過考察配方的流動度和沉降穩(wěn)定性，選擇合適的加重劑，結(jié)果如表1所示。69%鐵礦粉(250目)+69%鐵礦粉(1200目)作為加重劑組合獲得的密度為1.90g/cm3的彈性凝膠，其流動度最好，凝膠的上下密度差為0.01g/cm3，沉降穩(wěn)定性也能滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

表1 彈性膨脹凝膠體系加重劑優(yōu)選

表2 固化劑優(yōu)選

注：固化劑質(zhì)量分數(shù)為20%。

表3 膨脹劑對凝膠膨脹率的影響

表4 緩固劑的選擇結(jié)果

注：緩固劑質(zhì)量分數(shù)為5%。

圖1 PGN質(zhì)量分數(shù)與稠化時間的關(guān)系曲線

2.2 固化劑

彈性凝膠的固化是通過加入固化劑來實現(xiàn)的。室內(nèi)在80℃×0.1MPa的試驗條件下對4種固化劑進行固化時間及固化體彈性的評價，優(yōu)選出合適固化劑，試驗結(jié)果見表2。可以看出，固化劑212的固化時間最短，固化體的彈性恢復(fù)率最好，所以室內(nèi)選取212作為高溫防竄凝膠的固化劑。

2.3 膨脹劑

微膨脹效果可以有效增加凝膠的流體封隔能力[4]。筆者對不同膨脹劑進行了室內(nèi)優(yōu)選評價工作，分別評價了在80℃×常壓和80℃×12MPa條件下JSG-1、JSG-2、JSG-3、JSG-4質(zhì)量分數(shù)為0.6%時，膨脹劑對凝膠固化體膨脹率的影響，試驗結(jié)果如表3所示。由于凝膠體積膨脹較大會對凝膠固化體的強度產(chǎn)生不利的影響，所以在高壓力下室內(nèi)設(shè)計凝膠膨脹率要求小于5%，最終優(yōu)選JSG-4作為彈性膨脹凝膠的膨脹劑。

2.4 緩固劑

樹脂凝膠的凝固時間可以通過調(diào)節(jié)緩固劑的質(zhì)量分數(shù)來實現(xiàn)。室內(nèi)針對4種緩固劑進行了稠化試驗評價，試驗結(jié)果如表4所示?？梢钥闯觯琍GN延長凝膠的稠化時間最長，因此選擇PGN作為凝膠體系的緩固劑。

室內(nèi)針對PGN質(zhì)量分數(shù)與凝膠稠化時間的關(guān)系進行了試驗評價工作，試驗結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯琍GN質(zhì)量分數(shù)在8%以內(nèi)時，隨著PGN質(zhì)量分數(shù)增大，凝膠的稠化時間是有效延長的?，F(xiàn)場可以根據(jù)實際需要來優(yōu)選PNG質(zhì)量分數(shù)。

3 彈性膨脹凝膠體系性能評價

推薦彈性膨脹凝膠體系配方：100%凝膠+69%鐵礦粉(250目)+69%鐵礦粉(1200目)+10%稀釋劑+20%固化劑+0.6%JSG-4膨脹劑+7%緩固劑。室內(nèi)對其稠化時間、抗壓強度、膠結(jié)強度、流動度以及固化體壓縮50%彈性恢復(fù)率等性能與常規(guī)密度水泥石進行了性能對比評價，結(jié)果如表5所示。在相同密度(1.90g/cm3)和稠化時間下，彈性膨脹凝膠膠結(jié)強度和流動度以及固化體壓縮50%的彈性恢復(fù)率方面要明顯優(yōu)于常規(guī)密度水泥石。

表5 彈性膨脹凝膠與常規(guī)水泥石性能對比

4 彈性膨脹凝膠現(xiàn)場應(yīng)用

焦頁某井是涪陵頁巖氣田二期工程川東南地區(qū)川東高陡褶皺帶平橋斷背斜構(gòu)造的一口開發(fā)水平井，地層587.9m深處存在有淺層氣。該平臺要進行4口井作業(yè)，已經(jīng)完成了2口井作業(yè)，但前期2口井均存在不同程度上表套帶壓問題(最高壓力3.5MPa)。為保障井口安全，解決井口帶壓問題，第3口井表層固井準備使用彈性膨脹凝膠進行封隔作業(yè)。

表層套管下深623m，彈性膨脹凝膠封隔在587.9m上方，固井采用正注反擠技術(shù)進行作業(yè)。作業(yè)程序：①正注1.90g/cm3純水泥漿20m3，頂替到位后，候凝12h；②通過壓井管線進行反擠作業(yè)，擠入1.80g/cm3水泥漿0.5m3進行試擠；③擠開以后擠入5m3速凝水泥，觀察壓力；④擠入彈性膨脹凝膠4m3；⑤擠入1.90g/cm3純水泥漿20m3；⑥關(guān)閘門候凝24h。在候凝24h后，井口無異常情況，室內(nèi)樣品固化正常，方井中無氣泡冒出，固井作業(yè)成功。

5 結(jié)論

1)通過對固化劑、緩固劑、膨脹劑以及加重劑的優(yōu)選，完成了以水溶性樹脂為基液的彈性膨脹凝膠體系的構(gòu)建，試驗顯示該體系具有稠化時間可調(diào)、膨脹性以及彈性較高的特點。

2)通過性能對比發(fā)現(xiàn)，彈性膨脹凝膠與套管I界面的膠結(jié)強度較常規(guī)密度水泥石高45%，在彈性恢復(fù)率方面彈性膨脹凝膠在壓縮50%情況下恢復(fù)率可達100%，而水泥石的壓縮率為2%時就會產(chǎn)生破裂。

3)彈性膨脹凝膠現(xiàn)場應(yīng)用成功說明彈性膨脹凝膠具有良好的封隔效果，針對淺層氣封隔效果顯著。

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