膠乳防腐水泥漿在元壩地區(qū)的應(yīng)用

瞿 佳， 嚴(yán)思明， 許建華

(1.中國石化勘探南方分公司，四川成都 610041；2.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都 610500；3.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

?鉆井完井?

膠乳防腐水泥漿在元壩地區(qū)的應(yīng)用

瞿 佳1， 嚴(yán)思明2， 許建華3

(1.中國石化勘探南方分公司，四川成都 610041；2.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都 610500；3.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

元壩地區(qū)高壓氣層天然氣中普遍含有H2S，影響固井質(zhì)量和氣井的壽命。為此，借鑒其他地區(qū)應(yīng)用膠乳水泥漿的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合元壩地區(qū)的特點(diǎn)，確定了膠乳水泥漿的基本配方。通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了影響膠乳水泥漿性能的敏感因素，結(jié)果表明，剪切速率、水質(zhì)和密度等因素對其性能影響不大，雖然水泥漿的稠化時(shí)間隨溫度升高而縮短，但能滿足元壩地區(qū)固井施工要求。采用掃描電鏡觀察水泥石腐蝕前后的結(jié)構(gòu)變化、對比水泥石腐蝕前后的抗壓強(qiáng)度和滲透率、測試水泥石的腐蝕率，評價(jià)了膠乳防腐水泥漿抗H2S腐蝕的性能，分析了膠乳防腐水泥漿抗H2S腐蝕的機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，膠乳防腐水泥漿形成的水泥石具有較好的抗H2S腐蝕性能，在H2S體積分?jǐn)?shù)為4.0％環(huán)境中的腐蝕率不到16％，遠(yuǎn)低于常規(guī)水泥石的腐蝕率。34井次的現(xiàn)場應(yīng)用表明，膠乳防腐水泥漿可提高元壩地區(qū)氣井固井質(zhì)量。

膠乳水泥漿 固井 硫化氫腐蝕 稠化時(shí)間 元壩地區(qū)

元壩地區(qū)大部分高壓氣層富含H2S氣體，而且含量較高[1]。近2年中國石化在該地區(qū)鉆井47口，天然氣中H2S體積分?jǐn)?shù)為4％～7％。H2S屬于腐蝕性酸性氣體，對套管、固井工具及其附件易產(chǎn)生氫脆和腐蝕破壞[2-3]，特別是對固井水泥石的腐蝕，不僅造成油氣井和設(shè)備的壽命縮短、設(shè)備損壞等損失，有毒有害氣體還可能竄至地面，造成重大安全事故。膠乳是通過乳液聚合反應(yīng)，形成一定細(xì)度又分散在乳化劑中的顆粒。膠乳水泥漿就是加入膠乳后的水泥漿。應(yīng)用膠乳水泥漿封閉氣層時(shí)，隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，環(huán)繞水泥顆粒的水被消耗，膠乳局部體積分?jǐn)?shù)升高，產(chǎn)生顆粒聚集，形成空間網(wǎng)絡(luò)狀非滲透薄膜，填充在水泥顆粒間的空隙內(nèi)，使水泥石的孔隙度和滲透率非常低，阻止了H2S向水泥石內(nèi)部擴(kuò)散，從而有利于防止水泥石的腐蝕。

1 試驗(yàn)儀器、材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器

OWC-4060A 型恒速攪拌器，OWC-2990F 型增壓水泥養(yǎng)護(hù)釜，TYE-A型數(shù)顯式電液壓力機(jī)，掃描電鏡(SEM)分析儀，X-ray 衍射分析儀，5265型超聲波靜膠凝強(qiáng)度分析儀，CHANDLER7150型氣竄模擬分析儀，自制高溫高壓H2S 腐蝕裝置，自制水泥石滲透率測定裝置。

1.2 試驗(yàn)材料

嘉華G 級高抗硫油井水泥JHG，減阻劑SXY，降失水劑 HS-2A和BS100，緩凝劑 SN-2 和BS200R，消泡劑 XP-1 和 BP-1B，膠乳JR，膠乳穩(wěn)定劑 WD-1，純硫化氫氣體(99.99％)。

1.3 試驗(yàn)方法

水泥漿和水泥石的性能測定按石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5546—2002進(jìn)行。水泥石試樣的制備、腐蝕試驗(yàn)方法、水泥腐蝕率的分析方法、水泥石滲透率和孔隙度的測定與計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[4]。

2 影響膠乳水泥漿性能的因素

根據(jù)其他地區(qū)應(yīng)用膠乳水泥漿的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合元壩地區(qū)的特點(diǎn)，確定膠乳防腐水泥漿由丁苯膠乳JR、非滲透防氣竄降失水劑BS100以及相配套的油井水泥外加劑組成，膠乳與水泥的質(zhì)量比為12％～15％，其他外加劑根據(jù)設(shè)計(jì)需要調(diào)整，其基本配方為：嘉華G級水泥+0.50％ BS100+15.00％膠乳JR+0.14％ WD-1+0.07％～0.14％BP-1B+27.71％水。其基本性能為：密度1.90 kg/L，API失水量11 mL，110 ℃、75 MPa下的稠化時(shí)間217 min，析水0 mL，流動(dòng)度20 cm，110 ℃下48 h抗壓強(qiáng)度16 MPa，90 ℃下48 h抗壓強(qiáng)度9.4 MPa，六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的讀數(shù)為146/85/64/37/6/5。

從膠乳防腐水泥漿的基本性能看，漿體流變性較好，API失水量小，沒有過緩凝現(xiàn)象，90 ℃下抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到9 MPa，滿足工程需要，另外膠乳水泥漿添加劑全部為液態(tài)，現(xiàn)場配制比較方便。

2.1 溫度對失水及稠化時(shí)間的影響

測試不同溫度下膠乳防腐水泥漿的API失水量和稠化時(shí)間，以考察溫度對API失水量和稠化時(shí)間的影響，結(jié)果見表1。

表1 溫度對膠乳防腐水泥漿API失水和稠化時(shí)間的影響

注：① 在110 ℃停機(jī)20 min。

從表1可以看出：膠乳防腐水泥漿在不同溫度下的API失水量都沒有超過50 mL，可以滿足固井施工要求；隨著溫度升高稠化時(shí)間縮短。

鑒于膠乳水泥漿在低溫下有稠度升高的現(xiàn)象，模擬井下固井的降溫過程測試了稠化曲線，結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，溫度升至120 ℃和降至100 ℃后稠度保持在13 Bc左右，能滿足泵送要求。

圖1 膠乳防腐水泥漿降溫稠化曲線Fig.1 Thickening curve of the latex cement slurry corrosion resistant

2.2 剪切速率對稠化時(shí)間的影響

通過改變配漿時(shí)攪拌機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速，來測定剪切速率對膠乳防腐水泥漿稠化時(shí)間的影響，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min、4 000 r/min升至8 000 r/min和4 000 r/min升至12 000 r/min時(shí)所配制水泥漿的稠化時(shí)間分別為230，225和208 min。由此可看出，剪切速率對膠乳防腐水泥漿的稠化時(shí)間影響不大，表明膠乳防腐水泥漿的機(jī)械穩(wěn)定性較好，可以適應(yīng)現(xiàn)場的復(fù)雜情況。

2.3 水質(zhì)對稠化時(shí)間的影響

測試采用不同區(qū)塊現(xiàn)場配制的膠乳防腐水泥漿的稠化時(shí)間，評價(jià)該水泥漿的現(xiàn)場適用性。采用馬1井、元壩3井、304-3 井現(xiàn)場水與實(shí)驗(yàn)室自來水配制水泥漿的稠化時(shí)間分別為208，222，180和203 min。由此可以看出，水質(zhì)對膠乳防腐水泥漿的稠化時(shí)間沒有明顯的影響。

2.4 密度對稠化時(shí)間的影響

測試不同密度膠乳防腐水泥漿的稠化時(shí)間，以考察密度對其稠化時(shí)間的影響。密度1.90和1.93 kg/L膠乳防腐水泥漿的稠化時(shí)間分別為208和193 min，這表明密度對膠乳防腐水泥漿的稠化時(shí)間有一定的影響，但影響不大。

2.5 配漿水陳化對稠化時(shí)間的影響

考慮到現(xiàn)場的復(fù)雜情況，因此測試了未陳化和陳化4 d的配漿水配制的膠乳防腐水泥漿的稠化時(shí)間。未陳化和陳化4 d的配漿水配制的水泥漿其稠化時(shí)間分別為208和203 min，表明配漿水是否陳化對水泥漿的稠化時(shí)間沒有影響。

3 性能評價(jià)

為了評價(jià)膠乳防腐水泥漿的抗H2S腐蝕性能，以純水泥漿和常規(guī)水泥漿作參照。純水泥漿的配方為：嘉華G級水泥+0.30％SXY+0.14％ SN-2+0.01％～0.07％ XP-1+44.00％水；常規(guī)水泥漿的配方為：為嘉華G級水泥+0.71％SXY+1.50％HS-2A+0.01％～0.07％XP-1+44.00％水。

3.1 水泥石的滲透率和孔隙度

H2S對水泥石內(nèi)部物質(zhì)的腐蝕速度主要取決于H2S進(jìn)入水泥石內(nèi)部的速度和H2S與內(nèi)部物質(zhì)的反應(yīng)速度。由于H2S對水泥石的腐蝕實(shí)質(zhì)上是水泥石內(nèi)部堿性物質(zhì)與酸性H2S的化學(xué)反應(yīng)，因此，H2S擴(kuò)散到水泥石內(nèi)部的速度是首要條件，即水泥石的滲透性是腐蝕發(fā)生的關(guān)鍵因素。純水泥漿、常規(guī)水泥漿和膠乳防腐水泥漿形成水泥石的滲透率分別為0.000 80，0.000 49和0.000 41 mD，孔隙度分別為12.50％、7.66％和6.41％。由此可以看出，膠乳防腐水泥漿的滲透率和孔隙度非常低，能夠阻止H2S向水泥石內(nèi)部擴(kuò)散，即有利于防止H2S腐蝕。

3.2 H2S對水泥石的腐蝕研究

用純H2S對不同水泥漿形成的水泥石進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，腐蝕時(shí)間10 d，對腐蝕后的水泥石表面和內(nèi)部進(jìn)行掃描電鏡分析，測定水泥石腐蝕前后的滲透率、抗壓強(qiáng)度，以了解膠乳防腐水泥漿的抗H2S腐蝕性能。

3.2.1 H2S腐蝕前后水泥石的電鏡分析

對腐蝕后水泥石進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果見圖2—4。

從圖2—4可以看出：純水泥漿和常規(guī)水泥漿所形成水泥石經(jīng)腐蝕后，表面有大量的CaS(立方晶體)、FeS和Al2S3(層狀、塊狀晶體、針狀晶體)晶體，而膠乳水泥漿所形成的水泥石經(jīng)腐蝕后，表面無明顯的晶體結(jié)構(gòu)；純水泥漿和常規(guī)水泥漿所形成的水泥石經(jīng)腐蝕后由于Ca、Fe、Al等物質(zhì)晶型的轉(zhuǎn)變，內(nèi)部出現(xiàn)了較大的孔隙，而膠乳水泥漿所形成的水泥石經(jīng)腐蝕后內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，無明顯的孔洞，說明膠乳水泥漿具有抗H2S腐蝕的能力。

圖2 純水泥漿形成水泥石H2S腐蝕后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM graphs of cement stone formed from pure cement slurry and after corrosion by H2S

圖3 常規(guī)水泥漿所形成水泥石經(jīng)H2S腐蝕后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM graphs of cement stone formed by conventional cement slurry and after corrosion by H2S

圖4 膠乳水泥漿所形成水泥石經(jīng)H2S腐蝕后的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM graphs of cement stone formed by latex cement slurry and after corrosion by H2S

3.2.2 腐蝕前后水泥石的抗壓強(qiáng)度和滲透率

表2和表3為純水泥漿、常規(guī)水泥漿和膠乳防腐水泥漿所形成的水泥石在H2S腐蝕前后的滲透率和抗壓強(qiáng)度。

表2 水泥石在H2S腐蝕前后的滲透率

表3 水泥石被H2S腐蝕前后的抗壓強(qiáng)度

由表2和表3可以看出，膠乳防腐水泥漿形成的水泥石在腐蝕后，滲透率變化小，強(qiáng)度損失小。結(jié)合電鏡分析和X衍射分析可以確定，H2S對水泥石的腐蝕主要是H2S與水泥石中的Ca(OH)2、Fe2O3、Al2O3等堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使水泥石的滲透率增大，抗壓強(qiáng)度降低。由于膠乳防腐水泥漿形成的水泥石最初滲透率小，有較好的抗H2S腐蝕能力，能有效防止因H2S腐蝕引起的滲透率增大和抗壓強(qiáng)度降低。

3.3 膠乳防腐水泥漿抗H2S腐蝕性能

元壩地區(qū)氣井產(chǎn)出氣中H2S的體積分?jǐn)?shù)一般為4.0％～8.0％，以常規(guī)水泥漿為參照，用化學(xué)法測定腐蝕率，以評價(jià)膠乳防腐水泥漿抗H2S腐蝕的能力，結(jié)果見表4。試驗(yàn)條件：溫度75 ℃，腐蝕時(shí)間10 d，氣體(N2+H2S)總壓力為10.00 MPa，H2S分壓分別為0.40和0.80 MPa，即H2S體積分?jǐn)?shù)分別為4.0％和8.0％。

表4 不同水泥漿所形成的水泥石的防腐蝕性能

由表3可以看出，膠乳防腐水泥漿有較好的防H2S腐蝕能力，其原因主要有2方面：一是由于膠乳柔性填充，降低了水泥石的滲透性，控制了腐蝕性氣體向水泥石內(nèi)部擴(kuò)散的速度；二是在水泥固化后，部分膠乳形成的有機(jī)膜覆蓋于水泥石中堿性成分晶相(如Ca(OH)2晶體)表面，延緩了腐蝕速度。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

元壩地區(qū)氣層埋深普遍在7 000 m左右，地層溫度高[5]，長興組儲層H2S體積分?jǐn)?shù)為4％～7％，因此要求封固儲層的水泥漿具有良好的耐H2S腐蝕性能。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，膠乳防腐水泥漿具有較好的抗H2S腐蝕能力，因此使用膠乳防腐水泥漿封固儲層。截至2012年，膠乳防腐水泥漿在元壩地區(qū)含硫天然氣井固井中應(yīng)用34井次，固井質(zhì)量均合格，目前生產(chǎn)正常，滿足了勘探開發(fā)的要求。

元壩29井是一口預(yù)探直井，三開井身結(jié)構(gòu)，三開下入φ193.7 mm+φ206.4 mm復(fù)合套管，下深6 968.00 m，采用尾管固井。設(shè)計(jì)水泥封固段4 788.30～6 968.00 m，井底循環(huán)溫度145 ℃，壓力130 MPa。由于封固段的長興組和吳家坪組地層氣層顯示活躍，同時(shí)上下跨度較大，因此采用三凝水泥漿，分界面分別為井深6 400.00 和6 700.00 m，領(lǐng)漿采用密度為1.95 kg/L的膨脹水泥漿，中間漿和尾漿采用密度為2.00 kg/L的膠乳防腐水泥漿。固井時(shí)，注入先導(dǎo)漿40 m3，注入隔離液10 m3，注入領(lǐng)漿40 m3，注入中間漿5 m3，注入尾漿6 m3，替入鉆井液98.5 m3，未碰壓。固井施工順利，固井質(zhì)量優(yōu)良。

領(lǐng)漿配方：嘉華G級水泥+35.0％石英砂+2.0％ BS500+1.5％ BS100+10.0％ BS100F+1.7％ BS200R+1.0％ BP-1B +35.0％水。

中間漿配方：嘉華G級水泥+35.0％石英砂+15.0％膠乳JR+2.0％ BS500+1.5％ BS100+1.5％ BS200R+1.0％ BP-1B +34.0％水。

尾漿配方：嘉華G級水泥+35.0％石英砂+15.0％膠乳JR+2.0％ BS500+1.5％ BS100+1.3％ BS200R+1.0％ BP-1B +34.0％水。

5 結(jié) 論

1)膠乳防腐水泥漿具有較好的抗H2S腐蝕性能，由其形成的水泥石在H2S體積分?jǐn)?shù)為4.0％環(huán)境中的腐蝕率小于16％。

2)膠乳防腐水泥漿在元壩地區(qū)應(yīng)用34井次，固井質(zhì)量合格，說明采用膠乳水泥漿可以解決元壩地區(qū)因?yàn)镠2S腐蝕帶來的固井質(zhì)量問題。

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ApplicationofCorrosionResistantLatexCementSlurryinYuanbaArea

QuJia1,YanSiming2，XuJianhua3

(1.SinopecExplorationSouthernCompany，Chengdu，Sichuan，610041，China；2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering，SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu，Sichuan，610500，China;3.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing,100101,China)

In Yuanba Area where high-pressure gas zones are commonly encountered in exploratory wells,and hydrogen sulfide (H2S)is contained in the natural gas,it is of crucial importance to employ latex cement slurry that can prevent gas channeling and corrosion to increase life span of wells.In view of the formation characteristics of Yuanba Area and combined with the application experience of latex cement slurry in other regions,the fundamental formula of latex cement slurry was worked out.Lab experiments prove that all the sensitive factors,such as shear rate,water quality and density had little effect on the properties of latex cement slurry,which is suitable for the sophisticated circumstances in Yuanba Area.Although the thickening time shortens with the rise in temperature,it fulfills the requirements of cementing operation in Yuanba Area.The corrosion resistivity of the latex cement slurry was evaluated by observing the structure changes of cement stones under scanning electron microscope (SEM)before and after corrosion,and comparing the strength and permeablity measured before and after corrosion by H2S,and the tested rates of corrosion,and the corrosion resistant mechanism of latex cement slurry was investigated as well.The cement stone formed by latex cement slurry exhibited preferable corrosion resistant performance to H2S.In the environment with a 4.0％ volume fraction of H2S,its rate of corrosion was less than 16％,which was much lower than that of the cement stone formed by conventional cement slurry.Field application results indicated that utilization of corrosion resistant latex cement slurry in Yuanba Area could improve cementing quality and prevent the corrosion of H2S on cementing quality.

latex cement slurry；well cementing；hydrogen sulfide corrosion；thickening time；Yuanba Area

2013-03-12；改回日期2013-04-25。

瞿佳(1965—)，男，貴州松桃人，1987年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油工程專業(yè)，高級工程師，長期從事井筒復(fù)雜流動(dòng)與控制、鉆完井工程方面的研究。

聯(lián)系方式：nfqzgzb@126.com。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.018

TE256

A

1001-0890(2013)03-0094-05

[編輯 劉文臣]