抗凍膠乳水泥漿室內(nèi)研究

房恩樓，熊 敏，劉玉杰，霍洪山，劉富芳（中海油田服務(wù)有限公司，北京101149）

抗凍膠乳水泥漿室內(nèi)研究

房恩樓，熊 敏，劉玉杰，霍洪山，劉富芳（中海油田服務(wù)有限公司，北京101149）

研制出一種在－15℃的環(huán)境下仍能保持良好流動(dòng)性的抗凍丁苯膠乳PC－CGR66L－T。室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，用PC－CGR66L－T配制的膠乳水泥漿具有較好的強(qiáng)度和濾失性能，較短的稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間，較好的抗海水侵污能力，滲透率低，凝膠強(qiáng)度發(fā)展快，抗竄能力強(qiáng)，適合于寒冷地域油田或冬季固井作業(yè)。

水泥漿；抗凍丁苯膠乳；抗侵污；抗竄能力

海上油田的固井作業(yè)，水泥漿外加劑一般為液體，采用平臺(tái)濕混的方式加入到配漿水中。在寒冷地域油田或冬季固井作業(yè)時(shí)，其水溶液在運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)和平臺(tái)的放置和使用過(guò)程中，易于結(jié)凍凝固成塊，這不僅嚴(yán)重影響外加劑的使用而且可能由于結(jié)凍凝固而使這些外加劑失效。因此，對(duì)于以膠乳為主劑的膠乳水泥漿來(lái)說(shuō)，膠乳及配套外加劑都需要具有抗凍性能。為了全面了解抗凍丁苯膠乳對(duì)水泥漿性能的影響，室內(nèi)對(duì)抗凍丁苯膠乳水泥漿的性能進(jìn)行了失水、稠化性能、養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度以及膠乳水泥石的滲透率和抗海水侵污等性能進(jìn)行了研究評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)抗凍膠乳水泥漿的各項(xiàng)性能均能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工要求［1，2］。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

所用試驗(yàn)材料如下：PC－CGR66L－T抗凍丁苯膠乳膠乳（－15℃、24h未結(jié)冰）；PC－H21L－M 緩凝劑（－15℃、24h未結(jié)冰）；PC－CJ52L膠乳穩(wěn)定劑（－15℃、24h未結(jié)冰）；PC－CG88L聚合物降失水劑（－15℃、24h未結(jié)冰）；G級(jí)水泥（四川嘉華水泥廠(chǎng)）；淡水（實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水）；海水（渤海海水）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備如下：高溫高壓稠化儀器（美國(guó)千德樂(lè)石油工程公司）；常壓稠化儀（沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院）；高溫高壓水泥漿失水儀（沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院）；高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜（美國(guó)千德樂(lè)石油工程公司）；壓力試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)千德樂(lè)石油工程公司）；速凍電冰箱（美的電器集團(tuán)）；巖心滲透率測(cè)試裝置（江漢石油學(xué)院）。

水泥石滲透率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參照SY/T 5843－1997滲透率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試與計(jì)算。

1.3 試驗(yàn)的基本配方

抗凍膠乳水泥漿的試驗(yàn)配方為：100%G級(jí)水泥＋37.8% 淡水＋3%CG88L－T降失水劑＋5%PCCGR66L－T抗凍膠乳 ＋0.8%PC－H21L－M緩凝劑＋1%CJ52L膠乳穩(wěn)定劑。

1.4 試驗(yàn)方法

水泥漿評(píng)價(jià)試驗(yàn)按照API SPEC 10A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

滲透性能評(píng)價(jià)方法：制備膠乳水泥石巖心后，依據(jù)SY/T5843－1997滲透率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試與計(jì)算［3］。

2 抗凍膠乳水泥漿體系性能研究

2.1 水泥漿體系常規(guī)性能

水泥漿良好的常規(guī)性能是保證安全施工和作業(yè)質(zhì)量的基礎(chǔ)。為充分了解抗凍膠乳水泥漿的性能，室內(nèi)在30～105℃溫度范圍內(nèi)，在不同緩凝劑加量條件下，對(duì)水泥漿常規(guī)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果（表1）表明，在不同的溫度條件下，水泥漿具備控制較好的濾失性能；水泥漿的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而呈現(xiàn)逐漸增大，高溫有利于水泥石強(qiáng)度的發(fā)展，但也相應(yīng)縮短稠化時(shí)間，給現(xiàn)場(chǎng)安全施工帶來(lái)隱患，室內(nèi)通過(guò)增加PC－H21L－M用量來(lái)適當(dāng)延長(zhǎng)水泥漿稠化時(shí)間，以滿(mǎn)足固井作業(yè)需求。

表1 溫度和緩凝劑加量對(duì)體系常規(guī)性能的影響

2.2 水泥漿抗海水侵污性能

由于受海上作業(yè)環(huán)境和條件的限制，為了盡可能減少配漿水所占平臺(tái)空間，會(huì)向配漿淡水中混入一定量海水，這對(duì)水泥漿的性能可能會(huì)造成一定的影響。為保證固井作業(yè)安全順利進(jìn)行，室內(nèi)對(duì)抗凍膠乳水泥漿的抗海水侵入能力進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)價(jià)。具體試驗(yàn)方案為：①向淡水膠乳水泥漿中與混入20%海水；②在配漿淡水中混入20%的海水制成混合水，使用混合水配制了膠乳水泥漿。

試驗(yàn)結(jié)果（表2）表明，兩種方式侵污后的膠乳水泥性能差異不大，均具備較好的濾失性能和強(qiáng)度性能。值得注意的是，配漿淡水中混入一定量的海水對(duì)水泥漿性能影響不大。

表2 抗凍膠乳水泥漿抗海水侵污性能

2.3 水泥漿稠化性能

油井注水泥后，由于環(huán)形空間液柱壓力與地層壓力不平衡關(guān)系的變化，使地層中的流體進(jìn)入環(huán)形空間，產(chǎn)生縱向流動(dòng)，而發(fā)生層間竄流。水泥漿在稠化過(guò)程中，其稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間越長(zhǎng)，竄流的可能性就越大，造成的破壞也就越大?；诖耍覂?nèi)對(duì)不同溫度下抗凍膠乳水泥漿的稠化性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 抗凍膠乳水泥漿稠化性能評(píng)價(jià)

試驗(yàn)結(jié)果表明，抗凍膠乳水泥漿稠化轉(zhuǎn)化階段時(shí)間均能夠控制在10min以?xún)?nèi)。水泥漿迅速稠化，淺層氣向井眼環(huán)空的時(shí)間變短，淺層氣的集聚強(qiáng)度和急劇趨勢(shì)變緩，產(chǎn)生的危害變小，從而極大降低油氣水上竄的可能。

2.4 水泥漿凝膠強(qiáng)度發(fā)展

水泥漿的凝膠強(qiáng)度發(fā)展速度和凝膠強(qiáng)度大小是水泥漿防止地層流體侵入環(huán)空的能力大小的另一個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。凝膠強(qiáng)度從100lb/100ft2至500lb/100ft2之間的發(fā)展速度越快，水泥漿的防竄能力越強(qiáng)。室內(nèi)采用超聲波試驗(yàn)儀對(duì)水泥漿在35℃稠化過(guò)程中的凝膠強(qiáng)度發(fā)展，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展迅速，膠凝強(qiáng)度由75lb/100ft2至500lb/100ft2的過(guò)渡時(shí)間僅為20min，膠凝強(qiáng)度由500lb/100ft2發(fā)展至1200lb/100ft2的時(shí)間為9min。抗凍膠乳水泥漿快速發(fā)展的靜膠凝強(qiáng)度能夠有效地防止油氣井氣竄現(xiàn)象的發(fā)生，提高水泥石的致密性與抗腐蝕能力，有效的保證固井質(zhì)量。

圖1 水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展情況（養(yǎng)護(hù)條件35℃，21MPa）

2.5 抗凍膠乳水泥石滲透性能

在膠乳水泥漿水化過(guò)程中，隨著水化的不斷進(jìn)行，膠乳顆粒將從水中分離出來(lái)而相互聚集連接，并在水泥水化物表面形成一層連續(xù)薄膜。這些膠乳絲狀膜層覆蓋了水泥漿硬化體的缺陷和微裂縫，封堵孔隙［4］，從而分散了水泥漿的應(yīng)力集中并增加了水泥石的變形性的同時(shí)，提高了流體在水泥石中的流動(dòng)阻力，降低了流體在水泥石中的穿透能力［5］。

試驗(yàn)溫度25℃；氣體粘0.01834mPa·s；水粘度0.894mPa·s；油 粘 度 2.210mPa·s； 泵 流 量0.5ml/min；最大壓力 0.0155MPa。由表3可以看出，水泥漿中膠乳的加入，有利于降低水泥石的孔隙率，提高水泥石的致密性，隨著膠乳含量的增加，氣體滲透率和水相滲透率、油相滲透率都有所下降，而從不同的流體的滲透率比較看油相滲透率最低。綜合成本和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求考慮，推薦抗凍膠乳加量為14%。

表4 不同流體在膠乳含量變化時(shí)的水泥石滲透率

3 結(jié) 論

1）采用抗凍丁苯膠乳配制的膠乳水泥漿具有較好的強(qiáng)度和濾失性能，稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間短，失水量低，稠化時(shí)間可調(diào)，各項(xiàng)性能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)要求。

2）抗凍膠乳水泥漿具有較好的抗海水侵入能力，一定量的海水侵入不會(huì)對(duì)水泥漿性能造成影響。

3）抗凍膠乳水泥漿的稠化轉(zhuǎn)化時(shí)間較短，一般能控制在10min以?xún)?nèi)，靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展迅速，能夠有效控制油氣水竄。

4）水泥漿中膠乳的加入，有利于降低水泥石的孔隙率，提高水泥石的致密性，隨著膠乳含量的增加，水泥石的滲透率相應(yīng)下降，此外，綜合成本和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求考慮，推薦抗凍丁苯膠乳加量為14%。

［1］許明標(biāo)，彭雷，張春陽(yáng)，等.聚合物膠乳水泥漿的流體阻隔性能研究［J］.油田化學(xué)，2009，3（1）：15～16.

［2］許明標(biāo)，熊敏，于連方，等.一種可用于寒冷地區(qū)固井作業(yè)的抗凍膠乳水泥漿性能研究［J］.長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版）理工卷，2009，9（3）：52～55.

［3］Miranda C R，Gold J S.Study of cement resistance to the attack of acid solutions［J］.SPE37225，1997.

［4］Ashok Santra，Reddy B R，Mfon Antia.Designing cement slurries for preventing formation fluid influx after placement［J］.SPE106006，2007.

［5］SUN Fu－quan，LV Guang－ming ，JIN Jian－zhou.Application and research of latex tenacity cement slurry system［J］.SPE104434，2006.

TE256.7

A

1000－9752（2010）04－0278－03

2010－05－02

房恩樓（1971－），男，2006年大學(xué)畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事固井設(shè)計(jì)與施工工作。

［編輯］ 蕭 雨