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        固井水泥漿的性能優(yōu)化研究

        2018-07-09 11:39:26謝小波董廣河
        資源節(jié)約與環(huán)保 2018年6期
        關(guān)鍵詞:分散劑固井水灰比

        謝小波 董廣河 于 超 余 捷

        (中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300457)

        引言

        現(xiàn)在,伴隨著勘探和開發(fā)難度的增加,對(duì)油氣儲(chǔ)層保護(hù)的研究更加重視起來。固井[1-2]作業(yè)作為其中重要環(huán)節(jié)之一,當(dāng)然不能例外。就固井作業(yè)本身而言,它對(duì)油氣儲(chǔ)層的破壞主要體現(xiàn)在控制水泥漿失水量、防止油氣水竄和保證封固質(zhì)量這三個(gè)方面。事實(shí)上,水泥漿性能[3]是決定固井作業(yè)對(duì)油氣儲(chǔ)層破壞程度的關(guān)鍵因素。所以,對(duì)于水泥漿性能的研究就顯尤為重要。

        1 固井水泥漿的優(yōu)選

        根據(jù)井眼條件的特殊要求,選擇固井水泥漿時(shí)應(yīng)該考慮到諸多因素。在很多情況下油氣井不能簡單的根據(jù)地層破裂壓力和孔隙壓力來作為選擇水泥漿密度[4]的標(biāo)準(zhǔn)。通常用混配高密度水泥漿的方式使水泥漿在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定的抗壓強(qiáng)度。但往往從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā),有時(shí)就采用低密度充填水泥漿,通過降低水泥的某些機(jī)械性能以獲得較高造漿率。

        對(duì)于流過產(chǎn)層的水泥漿及在環(huán)空間隙較窄的情況下使用水泥應(yīng)考慮使用降失水劑。這些添加劑可降低水泥漿內(nèi)液相的濾失強(qiáng)度。水泥漿濾失量過高對(duì)水泥漿性能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,特別是對(duì)黏度影響很大和對(duì)產(chǎn)層造成損害。從水泥漿設(shè)計(jì)和水泥漿性能角度上看,有充分理由說明應(yīng)特別注意降失水劑的配制。首先,許多降失水劑都有增粘作用,所以必須加入分散劑以保證水泥漿的配制性;其次還要考慮到這類添加劑有降低水泥漿粘度作用;最后,還要考慮有些糖類緩凝劑對(duì)水泥漿性能造成的影響。

        如果在水泥漿中不加入降濾失劑,通常也會(huì)加入一些分散劑來降低水泥漿的粘度,從而降低形成環(huán)空紊流頂替所需的泥漿泵速并降低頂替壓力。這樣就有利于提高頂替效率。對(duì)于環(huán)空間隙窄小、摩阻壓降較高有可能壓裂薄弱地層的情況更有必要混入分散劑。在加分散劑時(shí),應(yīng)特別注意到對(duì)水泥漿其他性能的影響,因?yàn)榉稚┡c水泥漿中加入的緩凝劑共同作用,會(huì)增加水泥漿稠化時(shí)間。加入過量分散劑會(huì)使水泥漿性能不穩(wěn)定、產(chǎn)生大量的自由水形成沉淀。

        如果對(duì)失水不加以控制,將會(huì)產(chǎn)生一系列嚴(yán)重后果,導(dǎo)致施工失敗并且損害地層。隨著水泥漿密度的逐漸增大,水相體積逐漸的減少,從而使水泥漿的性能偏離原始設(shè)計(jì)。如果過多的失水進(jìn)入地層、水泥漿會(huì)變得無法泵送。

        總的來說,在優(yōu)選水泥漿時(shí)應(yīng)盡量使用低失水量、稠化時(shí)間適當(dāng)和密度合適的水泥漿。

        2 水泥漿密度

        為了達(dá)到最適合頂替的條件,希望把泥漿密度降到井下安全允許的最低限度—降低水泥漿密度??梢詼p少固井靜水液柱壓力,防治壓裂減弱膠結(jié)地層造成井漏,并且還可以減少固井的注水泥次數(shù),這個(gè)時(shí)候可以加入水泥填充劑(粘土、硅酸鈉、火山灰、低密度顆粒材料)。為實(shí)現(xiàn)平衡固井、保護(hù)產(chǎn)層或控制高壓層,要求改變水泥漿密度。如果固井段遇見異常高壓或低壓易漏地層,需大幅度調(diào)整水泥漿密度時(shí),一般加入加重劑(重晶石粉、鈦鐵礦粉、方鉛石粉)或減輕劑(硅藻土、粉煤灰、硬瀝青、膨脹珍珠巖)。為了更好的控制水泥漿的密度,最好是采用分批混配技術(shù)。水泥漿的密度通常要控制在1.87g/cm3到2.10 g/cm3之間,以保證教高的抗壓強(qiáng)度。

        2.1 低密度水泥漿性能

        (1)針對(duì)低密度水泥漿進(jìn)行了油氣層傷害評(píng)價(jià)分析,并且與硅藻土低密度水泥漿和常規(guī)密度水泥漿也進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)比分析結(jié)果顯示它們的滲透率恢復(fù)值都非常接近,大多都在50%左右。

        (2)水泥漿穩(wěn)定性是采用沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)分析評(píng)價(jià)出來的水泥漿的穩(wěn)定性。當(dāng)密度為1.30g/cm3的水泥漿時(shí),水泥漿上下密度差僅為0.035g/cm3,表明該水泥漿沉降穩(wěn)定性相對(duì)較好。當(dāng)水泥漿的上下密度差小于0.05g/cm3時(shí),水泥漿具有相對(duì)良好的穩(wěn)定性。

        2.2 高密度水泥漿

        (1)保證高密度水泥漿良好綜合性能的前提是合理的鐵礦粉的粒度分布。對(duì)于粗細(xì)搭配組成的鐵礦料才能獲得性能相對(duì)較好的高密度的水泥漿。

        (2)在加入了加重料的水泥漿中,由于加重料的密度和水泥的密度相差較大,漿體極易沉降,所以不穩(wěn)定。高密度水泥漿在保持必要的流動(dòng)性的前提下,盡量要控制水泥漿的沉降穩(wěn)定性,常規(guī)的水泥漿穩(wěn)定性允許密度相差0.05 g/cm3,在室內(nèi)做了大量的實(shí)驗(yàn),優(yōu)選和評(píng)價(jià)水泥漿的配方,得到高密度水泥漿穩(wěn)定性密度相差為0.02 g/cm3,在經(jīng)過多次的室內(nèi)試驗(yàn),最終調(diào)試出兩套性能相對(duì)較好的的水泥漿配方(見表1)。

        2.3 有關(guān)計(jì)算

        (1)水泥漿密度計(jì)算公式:

        表1 水泥漿配方

        算例:50Kg+23dm3水,求水泥漿密度。

        (2)1M3水泥漿需用水泥量計(jì)算公式:

        式中:

        Q——需用水泥質(zhì)量,t

        γ干——水泥密度,kg/l

        γ水——配漿水密度,kg/l(淡水1.0,海水1.0197 1.02)

        (3)1M3水泥漿的水泥袋數(shù)(每袋50kg)為:

        袋數(shù)=29.3(γ 水泥漿-1.0)

        (4)每袋水泥用水量V2

        (5)已知水灰比M,水泥漿密度為:

        (6)知水灰比M,1M3水泥漿用水量為:

        (7)加重劑用量計(jì)算:

        由原水泥漿密度γ提至γ1,1M3水泥漿需用加重劑量為:

        式中:

        Q重——加重劑用量,t

        γ重——加重劑密度,Kg/L

        (8)水灰比的計(jì)算:W/C

        正常的水灰比應(yīng)符合API規(guī)定要求。最佳加水量應(yīng)該是,從配漿開始,在20分鐘內(nèi)稠度不大與10BC(現(xiàn)場(chǎng)規(guī)定流動(dòng)度在20-16間),而析水率小于3%。

        3 水泥漿用量

        適當(dāng)?shù)乃酀{量取決于擠水泥的井段的長度和使用的擠水泥技術(shù)。低壓擠水泥只需要在每個(gè)射孔道內(nèi)足以形成水泥餅的數(shù)量。附加的水泥漿量可根據(jù)該地區(qū)的統(tǒng)計(jì)資料來確定。但必須牢記,施工中附加的水泥量對(duì)于擠水泥地層的產(chǎn)油能力是有害的。

        在高壓擠水泥中,由于地層破裂,需要較多的水泥漿。所需的水泥漿量發(fā)生裂縫的寬度和深度的函數(shù)。在一些連續(xù)擠水泥量施工中,產(chǎn)生的裂縫過大,一次擠水泥漿會(huì)很多。從而導(dǎo)致擠水泥可以使水泥漿減至最少,并保持注入壓力低于裂縫的擴(kuò)散壓力。如果以高壓大排量擠水泥,裂縫將隨之?dāng)U大,從而導(dǎo)致大量的水泥漿擠入地層。

        在施工期間,必須控制靜液壓力和地面壓力。在頂替期間較高的水泥液柱可能導(dǎo)致低壓或枯歇地層的破裂。當(dāng)由于自然裂縫的存在而需要大量的水泥漿時(shí),推薦使用低密度水泥。

        4 有關(guān)計(jì)算

        (1)水泥漿量的計(jì)算公式:

        1M3水泥漿需用水泥量計(jì)算公式:

        式中:

        Q——需用水泥重量,t

        γ1——水泥密度,kg/l

        (2)水泥量的計(jì)算

        水泥漿總量

        式中:

        V1——注入水泥漿總量,L

        V2——環(huán)空水泥漿量,L

        V3——管內(nèi)水泥塞用量,L

        環(huán)空水泥漿V2

        方法一,用兩層套管之間的環(huán)形容積計(jì)算公式:

        V2=0.785(D2-d2)H

        式中:

        D——外層套管內(nèi)徑,cm

        d——內(nèi)層套管內(nèi)徑,cm

        H——水泥環(huán)長度,m

        方法二,按裸眼段平均井徑D的計(jì)算公式:

        V2=0.785(D2-d2)H*K

        式中:

        V2——裸眼段環(huán)空水泥漿容積

        D——裸眼段的平均平徑

        d——套管外徑

        K——水泥容積附加系數(shù),一般去1.1 1.4

        方法三,考慮井徑擴(kuò)大后的計(jì)算公式:

        式中:

        K1-----擴(kuò)大系數(shù)

        D-----井眼直徑,CM

        管內(nèi)水泥量計(jì)算

        vc2=0.7854di2*h

        式中:

        vc2---管內(nèi)水泥塞的容積,L

        di----套管內(nèi)徑,CM

        h-----水泥塞長度,M

        (3)水泥量計(jì)算

        式中:

        Q——水泥袋數(shù)

        V——總水泥漿量,L

        q——每袋水泥配成水泥漿后的容積

        井場(chǎng)水泥準(zhǔn)備量應(yīng)在Q值上再附加(1.05 1.1)

        (4)配漿用水量:

        式中:

        V1——理論用水量

        Q——總水泥量

        M——水灰比

        (5)外加劑用量計(jì)算:

        采取加入配漿水中的方式時(shí),應(yīng)按鏡場(chǎng)儲(chǔ)備水量V作計(jì)算依據(jù),公式:

        式中:

        Q——加入總水量V中的外加劑,kg

        Z——外加劑加入水泥中的重量百分比

        M——水灰比

        結(jié)語

        (1)水泥漿體系析水接近零或?yàn)榱阄鏊啃∮?0m1/30min,有利于提高固井質(zhì)量。(2)采用配方要求體系穩(wěn)定,稠化時(shí)間適當(dāng),現(xiàn)場(chǎng)便于施工。(3)施工要連續(xù),水泥漿密度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)要求基本均勻。(4)建議為了提高固井質(zhì)量可進(jìn)行活動(dòng)套管和旋轉(zhuǎn)套管的實(shí)踐,以便提高頂替效率,進(jìn)一步提高井的封固質(zhì)量。

        [1]rik B.Nelsn.現(xiàn)代固井技術(shù).遼寧科學(xué)技術(shù)出版社出版,1994.

        [2]徐惠峰.鉆井技術(shù)手冊(cè)(固井).石油工業(yè)出版社,1990.

        [3]馬海忠.水平井固井泥漿技術(shù).鉆采工藝研究,1996.

        [4]王成文.復(fù)雜井固井低密度水泥漿體系研究,2004.

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