新型無機(jī)鹽加重超高密度水泥漿體系室內(nèi)試驗(yàn)

付洪瓊 李早元 李 毅 雷俊杰 郭小陽

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川 成都 610500；2.延長油田股份有限公司 吳起采油廠，陜西 吳起 717600)

隨著國內(nèi)各油田鉆井越來越深，地層壓力梯度越來越高，特別是鉆遇異常高壓地層時(shí)，地層壓力梯度最高可達(dá)2.6 MPa/100m，需采用高密度甚至超高密度水泥漿封固，水泥漿密度高達(dá)2.8 kg/L甚至更高。目前，常用高密度水泥漿通常都是用顆粒級(jí)配原理[1-3]采用單一的固體加重劑進(jìn)行加重，密度一旦超過2.4 kg/L時(shí)，其性能調(diào)節(jié)難度急劇增大，綜合解決水泥漿的抗高壓性、流變性和抑制性、穩(wěn)定性等之間的矛盾尤為困難[4-6]。實(shí)際上，水泥漿作為一個(gè)固液混合體系，配漿用基液的密度對(duì)水泥漿的性能有至關(guān)重要的影響。如果提高了基液的密度，就可以大大提高水泥漿密度，減小鐵礦粉用量，水泥漿性能也更容易調(diào)節(jié)。

1 FX-1 對(duì)自來水加重

1.1 加重原理[7-8]

因處理劑類型和作用機(jī)理不盡相同,高密度鉆井液中所用無機(jī)鹽或有機(jī)鹽加重材料基本不適合配制高密度水泥漿[9]。在選擇水泥漿用無機(jī)鹽或有機(jī)鹽加重劑時(shí)應(yīng)遵循如下原則: 1)易溶解，且本身密度高；2) 與其他外加劑配伍性好，對(duì)水泥漿性能影響較??；3)材料來源廣，價(jià)格低廉。

國內(nèi)外多數(shù)水泥漿外加劑都具有良好的抗鹽能力,但主要是針對(duì)NaCl。既然外加劑可以抗NaCl,對(duì)類似的無機(jī)鹽同樣具有抵抗能力,基于此,筆者優(yōu)選了無機(jī)鹽 FX-1,針對(duì) FX-1 的特性進(jìn)行了處理劑優(yōu)選,最終選擇了一套性能優(yōu)良的適合該無機(jī)鹽加重劑的處理劑系列,配制的超高密度水泥漿性能良好。筆者采用的理論公式為[10-11]：

G=ρ3(ρ2-ρ1)/(ρ3-ρ2)

(1)

式中：G為加重劑用量,kg；ρ1為原自來水密度，kg/L；ρ2為加重后的水溶液密度，kg/L；ρ3為加重劑 FX-1 的密度，kg/L。

根據(jù)式(1)，如要配制密度為1.5 kg/L的 FX-1 溶液，需 FX-1 的質(zhì)量為：3.203(1.5-1.0)/(3.203-1.500)=0.940 4，即G=0.940 4 kg。

1.2 效果分析

用 FX-1 對(duì)500 mL自來水在常溫常壓下進(jìn)行加重，結(jié)果見表1。

表1 FX1對(duì)自來水的加重效果

由表1可知，常溫常壓下 FX-1 水溶液的密度隨 FX-1 加量的增加而增大。當(dāng) FX-1 的質(zhì)量為950 g時(shí)，溶液達(dá)到飽和，F(xiàn)X-1 的質(zhì)量繼續(xù)增大，則溶液密度不再發(fā)生改變，此時(shí) FX-1 溶液密度最大，約為1.50 kg/L。因此，在配制高密度水泥漿時(shí)，可使用 FX-1 將基液密度提高至1.50 kg/L，相同水灰比條件下可將水泥漿密度提高0.35 kg/L左右。

2 FX-1加重高密度水泥漿體系性能

2.1 失水、流變性

水泥漿的流變性和失水性能是水泥漿的基本性能，是固井時(shí)十分重要的參數(shù)。FX-1 加重水泥漿體系的配方見表2。

表2 FX1加重水泥漿體系配方

在室內(nèi)配制水泥漿時(shí)發(fā)現(xiàn)，配方1#的水泥漿不易混和，幾乎沒有流動(dòng)性，無法進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)操作。而配方2#的水泥漿雖有較好的流動(dòng)性，但沉降穩(wěn)定性很差，靜置小段時(shí)間后水泥漿就發(fā)生沉降，解決方法之一是適量增加具有增黏效果的降失水劑 L-8 的用量。因?yàn)樵撛囼?yàn)用降失水劑 L-8 為大分子物質(zhì)，大分子之間相互纏繞可以提高高密度水泥漿的沉降穩(wěn)定性，同時(shí)有效控制失水。

對(duì)配方3#～5#的水泥漿進(jìn)行常規(guī)性能測試，結(jié)果見表3。

表3 高密度水泥漿常規(guī)性能

對(duì)表3中的六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀數(shù)進(jìn)行了流變性計(jì)算，所得結(jié)果見表4。

表4 水泥漿流變參數(shù)

由表4可知，該水泥漿體系的塑性黏度較低，有利于提高頂替效率，動(dòng)切力較小，流性指數(shù)接近于1，稠度系數(shù)小，說明該水泥漿體系具有良好的流變性能。API失水量小，48 h抗壓強(qiáng)度高，其常規(guī)性能可滿足現(xiàn)場施工要求。

另外，隨著緩凝劑量的增加，水泥漿由冪律流變模式變?yōu)榱速e漢流變模式。塑性黏度、動(dòng)切力和稠度系數(shù)都有所減小，流性指數(shù)n有所增加，水泥漿防竄性能更好。

2.2 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性差的水泥漿，靜止時(shí)產(chǎn)生沉降，并伴隨有游離水析出，容易造成橋堵或氣竄，特別是大斜度井和水平井，更容易產(chǎn)生高邊游離水連通竄槽和低邊水泥顆粒沉降竄槽。因此，正確地進(jìn)行水泥漿配方設(shè)計(jì)，提高水泥漿穩(wěn)定性，嚴(yán)格防止固相沉降和自由水析出，保持水泥漿顆粒均勻地懸浮直至固化，對(duì)保證固井質(zhì)量非常重要。

對(duì)配方4#和5#兩種水泥漿(密度分別為2.87和2.86 kg/L)進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 水泥漿穩(wěn)定性試驗(yàn)

由表5可知:配方4#上下密度差為0.08 kg/L，析水2.5 mL，析水率1.00%;配方5上下密度差為0.13 kg/L，析水3.2 mL，析水率1.28%。該水泥漿析水率均小于PAI規(guī)范要求的1.40%，漿體穩(wěn)定性也能滿足現(xiàn)場固井要求。對(duì)比可知，配方5#較配方4#的穩(wěn)定性稍差，原因是所加緩凝劑具有輕微分散作用。隨著緩凝劑加量的增大，水泥漿沉降速度加快，穩(wěn)定性變差。

2.3 水泥漿稠化時(shí)間

基于配方4#，考察了不同緩凝劑加量下水泥漿的稠化時(shí)間，結(jié)果見表6。

表6 配方4#水泥漿稠化試驗(yàn)結(jié)果

相應(yīng)稠化曲線如圖1～4所示。

圖1 1號(hào)水泥漿稠化曲線

圖2 2號(hào)水泥漿稠化曲線

圖3 3號(hào)水泥漿稠化曲線

圖4 5號(hào)水泥漿稠化曲線

由表6和圖1～4可知：該水泥漿在不同高溫高壓條件下,水泥漿稠化時(shí)間隨緩凝劑加量變化有較好的可調(diào)性,且初始稠度不算太高,隨溫度、壓力升高稠度趨于平穩(wěn),并且實(shí)現(xiàn)了直角稠化,能夠滿足高溫深井或異常高壓井固井的施工要求。

試驗(yàn)結(jié)果證明，F(xiàn)X-1 作為一種新型液體加重劑可以應(yīng)用在固井水泥漿體系中。

2.4 水泥石抗壓強(qiáng)度

對(duì)配方4#和5#兩種水泥漿所形成的水泥石進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表7。

表7 水泥漿抗壓強(qiáng)度

由表7可知，該水泥漿體系所形成的水泥石養(yǎng)護(hù)48 h后其抗壓強(qiáng)度能滿足現(xiàn)場施工的要求。

3 FX-1 加重高密度水泥漿的優(yōu)越性

比較了相同水灰比條件下不加外加劑時(shí)，常規(guī)純水泥漿與無機(jī)鹽加重水泥漿的性能，其基本數(shù)據(jù)見表8。

由表8可知：1)FX-1 加重高密度水泥漿其密度明顯高于常規(guī)水泥漿密度，因此在配制相同高密度水泥漿時(shí)，可以明顯減少固體加重劑的用量；2)FX-1 加重水泥漿的流性指數(shù)更小，稠度系數(shù)也有所增大，F(xiàn)X-1 加重高密度水泥漿與常規(guī)水泥漿相比，增強(qiáng)了水泥漿的塑性黏度；3)FX-1 為電解質(zhì)，加到水泥漿中時(shí)會(huì)引起絮凝稠度增大，使水泥漿網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能力增強(qiáng)，固相顆粒與液相內(nèi)部摩擦作用增強(qiáng)，因而動(dòng)切力增大。

表8 常規(guī)水泥漿與FX1加重高密度水泥漿的性能比較

4 結(jié) 論

1) 無機(jī)鹽 FX-1 可使配制液密度提高到1.5 kg/L，采用液相和固相同時(shí)加重的方法，可配制出密度為2.87 kg/L的超高密度且性能良好的水泥漿體系。

2) 該超高密度水泥漿體系流變性、穩(wěn)定性良好，失水量小，稠化時(shí)間可調(diào)，水泥石性能滿足深層油氣層、超高壓地層及大段鹽膏地層的固井施工要求,具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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