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        抗高溫低密度彈塑性水泥漿體系研究與應(yīng)用

        2020-07-06 01:30:26彭金龍李全雙
        油氣藏評價與開發(fā) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:水泥石低密度水泥漿

        彭金龍,李全雙

        (中國石化華東工程技術(shù)分公司,江蘇揚州225000)

        1 塔河油田奧陶系固井難點

        塔河油田位于新疆塔里木盆地沙雅隆起,奧陶系碳酸鹽巖縫洞型儲層埋藏垂深一般在6 000 m 以上,隨著勘探開發(fā)的深入,需要在上層套管193.7 mm內(nèi)懸掛139.7 mm 尾管封固奧陶系易漏地層,為下步快速鉆進提供有利條件[1]。奧陶系井溫梯度(1.97~2.05)℃/100 m,井底靜止溫度150~170 ℃,縫洞發(fā)育易發(fā)生漏失、溢流等復(fù)雜情況。其固井難點主要體現(xiàn)在:①地層承壓能力低[2],易發(fā)生漏失,導(dǎo)致返高不足影響封固質(zhì)量;②井深溫度高,對水泥漿性能要求高,特別是水泥石強度需滿足后期開發(fā)要求;③小尾管環(huán)空間隙小,理論環(huán)空間距12.7 mm,水泥環(huán)厚度薄,水泥環(huán)的密封完整性無法得到保證。針對以上難點,固井水泥漿應(yīng)滿足:抗高溫低密度水泥漿降低漏失風(fēng)險,水泥石具有一定的韌性,保證水泥環(huán)的密封完整性。

        2 低密度彈塑性水泥漿體系研究

        2.1 水泥漿體系設(shè)計

        針對深井低壓易漏層固井漏失風(fēng)險大,薄水泥環(huán)易密封失效問題,開展抗高溫低密度彈塑性水泥漿體系研究,一方面是優(yōu)選低密度材料,密度滿足1.25~1.50 g/cm3,低密度水泥石早期強度大于15 MPa/48 h;另一方面是優(yōu)選彈性材料,改善力學(xué)性能,水泥石彈性模量可小于7 GPa,要求實現(xiàn)水泥環(huán)長效密封。

        1)粉煤灰活性處理,增強水泥石早期強度。粉煤灰[3-4]為潛活性火山灰材料,其化學(xué)組成以SiO2和Al2O3為主,通過對粗料粉煤灰進行粉碎、球磨、分級篩選等物理活性處理后[5],粉煤灰圓球度明顯提高,且粒徑分布變窄,D90<5 μm。在活性處理過程中,粉煤灰顆粒玻璃體表面致密的保護層受到破壞,內(nèi)部高活性的SiO2和Al2O3溶出,斷鍵增多,從而活性提高。與此同時,優(yōu)選的強堿類化學(xué)激活劑對Si-O-Si、Si-O-Al 網(wǎng)絡(luò)具有較強的等破壞解聚作用,可有效改善粉煤灰參與水泥水化的程度,提高水泥石早期強度。室內(nèi)評價了粉煤灰活性處理對水泥石強度的影響,結(jié)果見表1。

        表1 粉煤灰活性處理對水泥石強度影響Table 1 Effect of fly ash active treatment on cement strength

        由表1可知,粉煤灰活性處理[6],配合強堿激活劑可有效增強水泥石早期強度。同等條件下,活性粉煤灰水泥石24 h 強度可常規(guī)粉煤灰水泥石提高46.4%。

        2)國產(chǎn)高抗擠玻璃微珠,進一步提高水泥漿綜合性能[7-8]。常規(guī)漂珠作為減輕材料時,由于其耐壓強度低,適用壓力低于60 MPa;而3M 高抗擠玻璃微珠雖然耐壓強度高,但價格昂貴。因此,室內(nèi)優(yōu)選了國產(chǎn)高抗擠玻璃微珠Y12000,其真實密度可低至0.58~0.6 g/cm3,D90≤90 μm。室內(nèi)評價了其耐壓性能見表2。

        表2 Y12000耐壓性能評價Table 2 Pressure resistance performance evaluation for glass beads of type-Y12000

        由表2 可知,在80~100 MPa 范圍內(nèi),隨著高抗擠玻璃微珠加量增加,壓力越大,養(yǎng)護后水泥漿密度增加越多,但養(yǎng)護前后水泥漿密度差≤0.03 g/cm3,因此,可滿足100 MPa 以內(nèi)的固井要求。由于Y12000較低的加量即可顯著減低水泥漿密度,降低了水泥漿需水量,同時得益于其良好的圓球度,可改善水泥漿流變性,并與粉煤灰形成顆粒級配,提高水泥漿漿體穩(wěn)定性[9],改善水泥漿綜合性能。

        3)優(yōu)選抗高溫彈性材料,降低水泥石彈性模量。優(yōu)選抗高溫彈韌性[10-11]材料SRBS,其為“軟核硬殼”的核殼結(jié)構(gòu),粒徑10~100 μm。該核殼結(jié)構(gòu)外層為無機活性納米材料,具有良好親水特性、巨大的比表面積和較高的水化活性;內(nèi)核為抗高溫有機彈性材料,通過化學(xué)鍵與外殼材料緊密吸附。得益于其核殼結(jié)構(gòu),不但有利于彈性材料再水泥漿中均勻分散,有利于提高漿體穩(wěn)定性,而且可提高有機材料本身與水泥的膠結(jié)效果,從而改善水泥石力學(xué)性能。室內(nèi)評價了不同SRBS 加量下對水泥石力學(xué)性能的影響見表3。

        由表3可知,彈性材料可顯著降低水泥石彈性模量,但一定程度上降低水泥石抗壓強度。綜合考慮水泥石力學(xué)性能,優(yōu)選SRBS 加量為4%~6%,既保證水泥石抗壓強度>18 MPa,亦保證水泥石彈性模量<8 GPa,提高水泥環(huán)長效密封性能[12]。

        表3 彈性材料加量的影響Table 3 Effect of elastic material addition

        2.2 低密度彈韌性水泥漿性能評價

        在粉煤灰活性處理、高抗擠玻璃微珠復(fù)配、抗高溫彈韌性材料優(yōu)選的基礎(chǔ)上,優(yōu)選配套降失水劑、緩凝劑、早強劑等配套外加劑,形成了低密度彈韌性水泥漿體系,基礎(chǔ)配方:G 級+(10 %~100 %)FMH+(16 %~40 %)Y12000+(6 %~8 %)膨脹劑+(5%~6%)SRBS+(17%~22%)降失水劑+1.5%早強劑+X%緩凝劑+1%穩(wěn)定劑+X%純水+0.1%纖維。

        1)常規(guī)性能評價。室內(nèi)對低密度彈韌性水泥漿[13]常規(guī)性能進行了評價見表4、圖1。

        表4和圖1可以看出,密度為1.50~1.25 g/cm3的高溫低密度彈韌性水泥漿體系綜合性能良好,API失水<50 mL,流變性好,直角稠化,且水泥漿沉降穩(wěn)定性好,水泥漿上下密度差≤0.03 g/cm3,滿足現(xiàn)場應(yīng)用。

        圖1 配方3稠化曲線Fig.1 Thicken curve of formula 3

        表4 低密度彈韌性水泥漿綜合性能Table 4 Comprehensive performance of low density elastic tenacity cement

        2)水泥石力學(xué)性能評價??紤]粉煤灰活性較差,水泥石強度發(fā)展慢且通常強度不高。因此,室內(nèi)評價了不同溫度下水泥石抗壓強度,結(jié)果見表5。通過超聲波強度實驗顯示,水泥漿靜膠凝強度過渡時間短,有利于防止油氣水侵。

        由表5 可知,低密度彈韌性水泥石力學(xué)性能良好。水泥石抗壓強度發(fā)展快,48 h 抗壓強度大于15 MPa,彈性模量小于7 GPa,有利于改善水泥環(huán)密封完整性。超聲波強度實驗顯示,水泥漿靜膠凝強度過渡時間短,有利于防止油氣水侵。

        表5 低密度彈韌性水泥石性能Table 5 Performance of cement with elastic and toughness at low density

        3)水泥環(huán)密封完整性評價。水泥石力學(xué)性能優(yōu)劣直接影響水泥環(huán)長效密封性,室內(nèi)利用自制水泥環(huán)密封完整性評價裝置評價了低密度彈韌性水泥石(配方3)的密封性能??疾於噍喆螇毫有遁d后水泥環(huán)密封完整性,結(jié)果見圖2。

        圖2 配方3水泥環(huán)交變壓力下密封性測試Fig.2 Airtightness test under alternating pressure for cement sheath of formula 3

        表6 TP193井? 139.7 mm尾管固井水泥漿性能Table 6 Cement slurry performance of ? 139.7 mm drilling liner cementing in well-TP193

        由圖2 可知,得益于水泥環(huán)良好的變形能力,配方3水泥環(huán)經(jīng)過多輪次壓力加卸載后密封性能良好,可滿足套管70 MPa加卸載下的密封完整性。相比于常規(guī)水泥石脆硬特性,水泥環(huán)易發(fā)生密封失效問題,低密度彈韌性水泥石可滿足后期作業(yè)過程中井筒壓力交變載荷下水泥環(huán)密封完整性,防止井口帶壓[14-15]。

        3 現(xiàn)場應(yīng)用

        抗高溫低密度彈塑性水泥漿體系在塔河油田中探1 井?244.5 mm 技術(shù)套管和TP193 井?139.7 mm尾管中進行了應(yīng)用,效果良好。

        以TP193 井為例。TP193 是位于塔河油田阿克庫勒凸起西南斜坡構(gòu)造的一口開發(fā)井,該井一開?346.1 mm 鉆頭鉆至1 206 m,?273.1 mm 表層套管下深1 205.53 m;二開?250.88 mm鉆頭鉆至6 509 m,?193.7 mm 技套管下深6 507.71 m;三開采用?165.1 mm 鉆頭鉆至7 148 m,?139.7 mm 油層尾管下深7 144.34 m,懸掛器位置6 451~6 454.67 m;三開地層鉆遇奧陶系一間房組和鷹山組,鉆進過程中發(fā)生多次漏失,累積漏失泥漿約550 m3;實測井底靜止溫度155 ℃,該井6 507~6 741 m平均井徑167.9 mm,井徑擴大率1.7%;6 741~7 145 m平均井徑201.85 mm,井徑擴大率22.2%,大肚子井眼嚴(yán)重。該井使用抗高溫1.50g/cm3低密度彈塑性水泥漿體系,體系性能見表6。現(xiàn)場注沖洗液4 m3,密度1.02 g/cm3;注隔離液6 m3,密度1.40 g/cm3;注水泥漿15 m3,密度1.50 g/cm3;注壓塞液2 m3,密度1.02 g/cm3;共替漿37.1 m3,密度1.35 g/cm3;替漿到量碰壓12↗16 MPa。放回水正常,起鉆至井口開井候凝48 h。

        候凝48 h后測固井質(zhì)量,全井優(yōu)良率85.7%,套管試壓20 MPa,穩(wěn)壓30 min,壓降0.2 MPa,滿足固井設(shè)計要求,實現(xiàn)了奧陶系易漏地層小間隙尾管的有效封固。

        4 結(jié)論

        1)粉煤灰經(jīng)活性處理與分級篩選后,自身活性增強且圓球度提高,有利于提高水泥石早期強度與水泥漿穩(wěn)定性;與高抗擠玻璃微珠顆粒級配可顯著降低需水量,增強低密度水泥石致密性與抗壓強度;抗高溫彈性材料可改善水泥石脆性,增強水泥石韌性,三者綜合作用顯著改善低密度水泥石力學(xué)性能。

        2)研發(fā)抗高溫低密度彈塑性水泥漿體系綜合性能優(yōu)良,其體系能夠適用井溫150 ℃以上、低密度范圍1.25~1.50 g/cm3,水泥石抗壓強度大于15 MPa/48 h,彈性模量可小于7 GPa,水泥環(huán)在70 MPa交變應(yīng)力作用下的密封完整性良好。

        3)針對低壓易漏地層,還需進一步增強水泥漿防漏堵漏效果研究,保證低壓易漏層段水泥環(huán)有效封固,實現(xiàn)長效密封。

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