適合小井眼固井的韌性水泥漿體系室內(nèi)研究

朱磊,耿亞楠 (中海油研究總院,北京100027)

許明標,王曉亮,金勇 (長江大學石油工程學院,湖北武漢430100)

適合小井眼固井的韌性水泥漿體系室內(nèi)研究

朱磊,耿亞楠 (中海油研究總院,北京100027)

許明標,王曉亮,金勇 (長江大學石油工程學院,湖北武漢430100)

小井眼固井,由于環(huán)空間隙小,環(huán)空循環(huán)壓耗較大,頂替效率低,封固質(zhì)量往往難以保障。為克服小井眼固井諸多難點,室內(nèi)研究構(gòu)建了一套由G級水泥與聚合物、彈性乳液GR1、纖維以及空隙支撐材料MX共同構(gòu)成的韌性水泥漿體系。室內(nèi)對該水泥漿體系的性能進行了系統(tǒng)的試驗研究,水泥石抗沖擊強度較高,具有良好的穩(wěn)定性和抗溫性,80～150℃范圍內(nèi)水泥漿稠化時間可任意調(diào)節(jié);經(jīng)綜合性能評價發(fā)現(xiàn),該水泥漿能夠很好地滿足小井眼固井作業(yè)需要,具有良好的應用前景。

小井眼;固井;韌性水泥漿

小井眼固井,實現(xiàn)環(huán)空有效封固存在一定的困難。

1)小井眼井水泥環(huán)薄,水泥石強度低,水泥石與地層、套管的膠結(jié)質(zhì)量難以保證[1]。

2)必須慎重合理地選擇固井壓差、水泥漿體系及性能,以減少油氣層的損害,防止水泥漿在小井眼窄環(huán)空中處于高剪切狀態(tài)。因為水泥漿在高壓差作用下迅速失水和脫水,容易發(fā)生橋堵、憋泵及壓漏地層,引起產(chǎn)層傷害[2]。

3)水泥漿在小間隙環(huán)空中流動阻力大,容易壓漏地層,需要降低水泥漿的黏度。

基于上述難點,對小井眼固井水泥漿的性能要求可歸納如下:①水泥漿失水低、零自由水;②水泥石強度高、韌性好;③水泥漿安全性高、稠化性能任意可調(diào);④低黏度,高流動性;⑤水泥漿沉降穩(wěn)定性能高。為此,室內(nèi)開展了適合水井眼固井的韌性水泥漿體系的性能評價。

1 小井眼固井水泥漿體系及配方

根據(jù)添加劑產(chǎn)品特點,經(jīng)過詳細的篩選評價,構(gòu)建水泥漿配方如下:

1)中低溫配方(1#):G級水泥+40.0%實驗室淡水+0.75%消泡劑CX66L+0.625%膠乳穩(wěn)定劑+2.5%彈性乳液GR1+3.0%降失水劑CG83L-D10+1.5%孔隙支撐劑MX+2.0%分散劑CF44L+0～0.5%緩凝劑H63L+0.3%纖維BING-Ⅰ(配方中百分數(shù)為質(zhì)量分數(shù),下同)。

2)高溫配方(2#):G級水泥+35%硅粉SSA1+40.0%實驗室淡水+0.67%消泡劑CX66L+ 0.5%膠乳穩(wěn)定劑+2.0%彈性乳液GR1+5%降失水劑CG83L-D10+7.5%孔隙支撐劑MX+1.5%分散劑CF44L+0.3%～1.2%緩凝劑H63L+0.3%纖維BING-Ⅰ。

3)低密度配方(3#):G級水泥+62.5%實驗室淡水+1.25%消泡劑CX66L+1.04%膠乳穩(wěn)定劑STAB+3.125%膠乳GRI+6.25%降失水劑CG83L+6.25%空隙支撐劑MX+2.08%分散劑CF44L+ 8.33%漂珠+12.5%增強劑STR+0.83%膨脹劑BOND。

2 水泥漿體系性能

2.1 水泥漿常規(guī)性能評價

稠化時間、失水量、流變讀數(shù)以及自由水性能是評價水泥漿體系性能的重要技術(shù)指標。室內(nèi)考察了中低溫、高溫和低密度水泥漿配方分別在80、150和80℃環(huán)境下的常規(guī)性能,結(jié)果如表1所示。其中,沉降穩(wěn)定性測試方法,將配制好的水泥漿倒入500m L量筒,封口靜置2h后分別測試量筒上部與底部水泥漿密度,底部密度減上部密度即為密度差。

表1 韌性水泥漿常規(guī)性能

試驗結(jié)果表明,3種水泥漿配方的失水量均能夠控制在50m L以內(nèi),充分說明該水泥漿體系具有較好的抗溫性和失水控制能力。稠化時間、自由水以及抗壓強度顯示,該水泥漿體系良好的流變和較低的初始稠度,能夠很好地滿足小井眼固井對水泥漿低黏度的要求。

2.2 水泥漿的力學性能研究

2.2.1 水泥漿抗壓強度性能

實驗室對中低溫、高溫和低密度水泥漿配方在加入不同質(zhì)量分數(shù)空隙支撐劑MX條件下,分別養(yǎng)護8、24h進行抗壓強度的試驗研究。試驗結(jié)果如表2所示,隨著MX質(zhì)量分數(shù)的增大,水泥漿抗壓強度呈現(xiàn)明顯增大的趨勢。當MX質(zhì)量分數(shù)分別增加到3.0%、6.0%和5.0%以上時,水泥漿經(jīng)8h的養(yǎng)護就能形成一定的強度;而養(yǎng)護24h后水泥石強度相對MX質(zhì)量分數(shù)為0%的水泥石強度能夠獲得極大的提高,充分說明MX在增強促進水泥石強度發(fā)展有著明顯的作用。

根據(jù)固井設(shè)計要求,中低溫、高溫和低密度配方中分別選取MX質(zhì)量分數(shù)為1.5%、7.5%和6.25%,其抗壓強度能夠很好地滿足小井眼固井對水泥石強度的要求。

2.2.2 水泥漿韌性評價

試驗所用水泥石抗沖擊強度試驗機為XJJY-50型(承德市世鵬檢測設(shè)備有限公司生產(chǎn));所用水泥石拉伸剪切強度試驗儀為自制設(shè)備。室內(nèi)對1#、2#、3#水泥漿配方進行抗沖擊強度、抗剪切強度及抗拉伸強度性能評價。試驗結(jié)果如表3所示,1#配方水泥石的抗壓強度最高,其抗沖擊強度、抗剪切強度和抗拉伸強度卻是3個配方中最低的;3#配方水泥石的抗壓強度最低而其抗沖擊強度是最高的,其抗剪切強度和抗拉伸強度與2#配方相差不大。3個配方的抗壓強度、抗沖擊強度、抗剪切強度和抗拉伸強度均能滿足小井眼固井的要求。

表2 MX質(zhì)量分數(shù)與水泥漿抗壓強度的關(guān)系

表3 幾種配方的力學性能評價

2.2.3 水泥石完整性能研究

室內(nèi)分別對1#配方和不加韌性材料的配方形成的水泥塊進行模擬實彈射孔試驗。所用射孔彈為X60型,試驗結(jié)果如圖1所示。

對比可以發(fā)現(xiàn),不加韌性材料的水泥石經(jīng)過2次射孔后水泥石出現(xiàn)了明顯的肉眼可見的裂痕,部分水泥石在強大的射孔沖擊下,崩裂碎開,水泥石的完整性受到嚴重的破壞,1#配方水泥石經(jīng)過2次射孔后依然完整無損,射孔口光滑完整,整體上表現(xiàn)出良好的抗沖擊能力。水泥石射孔后的形態(tài)對比可以發(fā)現(xiàn)1#配方具有更好的柔韌性,能滿足小井眼射孔完井要求。

2.3 水泥漿安全性能評價

室內(nèi)對1#、2#和3#水泥漿的安全性能分別進行了詳細的稠化安全性評價。評價項目主要包括:①不同升溫時間下水泥漿的稠化性能測試 (表4);②不同壓差下水泥漿失水性能評價 (表5)。

圖1 模擬實彈射孔形態(tài)

表4 升溫時間與水泥漿稠化時間

表5 試驗壓力與水泥漿失水量

由表4所示,1#配方水泥漿稠化時間隨升溫時間的延長而延長,2#和3#配方水泥漿在不同的升溫時間下,水泥漿的稠化時間變化不大,隨著升溫時間的延長水泥漿的稠化時間略表現(xiàn)出延長的趨勢,說明水泥漿具有良好的泵送安全性。

由表5所示,隨著試驗壓力的增大水泥漿的失水是逐漸增大的,1#和3#配方失水都不大,2#配方的高溫高壓條件下失水量增大的趨勢更加明顯。2#配方水泥漿在8MPa的壓差下的失水量為56m L,能夠滿足大多數(shù)尾管固井需要。整體上看,水泥漿具有良好的抗濾失效果,能夠保證水泥漿在高壓差下依然具有良好的性能。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)對小井眼固井水泥漿體系的研究,可以得出以下結(jié)論:

1)分析總結(jié)了小井眼固井的難點,提出了小井眼固井用水泥漿體系應滿足的性能要求。

2)韌性水泥漿體系具有良好的稠化、失水、強度、穩(wěn)定性,能夠滿足小井眼固井需要。

3)韌性水泥漿具有更好的抗沖擊強度和抗拉伸、剪切強度,水泥石經(jīng)過2次射孔評價依然保持著完整性,充分說明該水泥漿體系具有優(yōu)異的柔韌性。

4)韌性水泥漿體系具有良好的稠化性能和柔韌性能,能夠保證泵送安全以及增產(chǎn)措施的順利進行,有效延長油氣井的壽命,具有很好的發(fā)展前景。

本文屬中海石油 (中國)有限公司綜合科研項目 “單通道井鉆完井關(guān)鍵技術(shù)研究”產(chǎn)出論文。

[1]孟慶擁,秦文革.小井眼固井工藝技術(shù)研究及現(xiàn)場應用[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報),2005,27(2):217～218.

[2]王文斌,馬海忠,魏周勝,等.長慶蘇里格氣田欠平衡及小井眼固井技術(shù)[J].鉆井液與完井液,2006,23(5):64～66.

[編輯] 帥群

TE254

A

1000-9752(2014)09-0106-03

2013-01-10

朱磊(1983-),男,2005年大學畢業(yè),碩士,工程師,現(xiàn)主要從事海洋鉆井技術(shù)研發(fā)與設(shè)計工作。