Y油田防腐防竄水泥漿體系的研究與應(yīng)用

茍 明

（中國石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽 457001）

Y油田構(gòu)造屬于中東波斯灣盆地扎格羅斯山前褶皺和阿拉伯地臺(tái)東緣的過渡帶，構(gòu)造背景為一軸向近南北的大型長軸背斜。該油田F儲(chǔ)層是主力產(chǎn)層，巖性以層狀灰?guī)r及生物碎屑灰?guī)r為主，含有H2S及CO2酸性腐蝕氣體，H2S與水泥石水化物反應(yīng)生成 CaS、FeS、Al2S3，F(xiàn)eS、Al2S3等沒有膠結(jié)性的物質(zhì)，破壞界面膠結(jié)，H2S含量大時(shí)生成Ca（HS）2，致使水泥環(huán)柱孔隙度增大，降低了水泥石強(qiáng)度，從而使套管失去防護(hù)屏障而受到腐蝕。該油田平均井深4600 m左右，φ244.5 mm技術(shù)套管下深1500 m，φ177.8 mm尾管下深4000 m左右；F儲(chǔ)層主要采用φ149.2 mm鉆頭完鉆，下φ114.3 mm尾管固井，套管與地層環(huán)空理論間隙僅為17.5 mm。由于封固段短，環(huán)空間隙小，泵壓高，套管居中度差，不利于水泥漿頂替，且在固井候凝期間易發(fā)生環(huán)空油氣水竄問題。為此，開展了防腐防竄水泥漿體系研究，并成功地在Y油田進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，取得了良好的固井效果。

1 H2S與CO2混合氣體對水泥石腐蝕機(jī)理研究

按API標(biāo)準(zhǔn)制備水泥石，然后模擬F地層環(huán)境進(jìn)行腐蝕養(yǎng)護(hù)，分別從水泥石的強(qiáng)度變化、滲透率變化、微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行考查。腐蝕介質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)：H2S65.2%，CO234.8%；實(shí)驗(yàn)時(shí)間：21天。

（1）在95℃條件下，進(jìn)行了不同水泥漿配方的腐蝕實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見表1。水泥漿配方為：1＃：高抗G級(jí)水泥＋46%水；2＃：高抗G級(jí)水泥＋35%硅粉＋46%水；3＃：高抗G級(jí)水泥＋6%AGM＋1.5%DZS＋12%DC200＋46%水；4＃：高抗G級(jí)水泥＋6%AGM＋3.5%DZS＋12%DC200＋15%DC206＋46%水；5＃：高抗G級(jí)水泥＋6%AGM＋3.0%DZS＋30%DC206＋10%DC208＋46%水。

（2）在130℃條件下，進(jìn)行了不同水泥漿配方腐蝕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2，其水泥漿配方為95℃條件下一樣。

表1 水泥石腐蝕試樣抗壓強(qiáng)度與氣體滲透率的變化情況

（3）水泥石H2S、CO2復(fù)合腐蝕微觀結(jié)構(gòu)與產(chǎn)物分析。在95℃、130℃條件下，對H2S、CO2復(fù)合腐蝕水泥石試塊進(jìn)行了X衍射分析和掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表3。

以2＃樣為例，在95℃條件下，試樣經(jīng)過混合氣體腐蝕后，外層有微晶CaCO3和大量方解石生成，內(nèi)層有Ca（OH）2，這說明，CO2和 H2S同時(shí)對水泥腐蝕時(shí)，生成的CaCO3對孔隙起到了阻塞作用，加入的硅粉可消耗水泥漿體系內(nèi)部的Ca（OH）2，相應(yīng)的水化硅酸鈣增加，阻止了腐蝕氣體的進(jìn)一步深入腐蝕［1］。

表2 水泥石腐蝕試樣抗壓強(qiáng)度與氣體滲透率的變化情況

從表3可看出，在130℃條件下，所有試樣的表面均生成了大量的微晶碳酸鈣CaCO3（1）和方解石CaCO3（2），且有少量石膏生成。腐蝕試樣內(nèi)部1、3號(hào)試樣中水化硅酸鈣（C2SH）最高，5號(hào)試樣中C2SH最少，4號(hào)試樣次之，這些說明在硬化水泥漿體中，C2SH是影響滲透率的重要因素，C2SH含量高，腐蝕試樣滲透率增加。

（4）腐蝕機(jī)理。從上述水泥石的微觀結(jié)構(gòu)和變化結(jié)果來看，H2S、CO2對水泥石的復(fù)合腐蝕作用機(jī)理為：當(dāng)H2S、CO2混合氣體溶于水后，由于H2S、CO2的水溶液屬弱酸性，而常溫下酸性H2CO3＞H2S＞H2SiO3，因此，在腐蝕過程中首先發(fā)生如下反應(yīng)［2］

表3 1－5號(hào)腐蝕試樣相的組成情況 130℃

反應(yīng)生成的微晶碳酸鈣在高溫高壓作用下結(jié)晶、長大形成方解石。

方解石的生成，首先大幅度降低了體系中的堿度，另外，CaCO3（2）鈣原子的摩爾體積0.0369 nm3大于0.0327 nm3，結(jié)果使水泥石的孔隙率降低，密實(shí)度提高。在試樣開始接觸腐蝕氣體時(shí)，H2S和CO2可能會(huì)同時(shí)進(jìn)入漿體空隙中，由于方解石的生成，堵塞了水泥漿水化產(chǎn)生的孔隙，改變了孔隙結(jié)構(gòu)，有效地阻止了腐蝕氣體的滲入；而被封堵于試體內(nèi)部的H2S可能發(fā)生兩種反應(yīng)：水泥石表面初始碳化，一是生成石膏：C－S－H＋H2S＋O2→CaSO42H2O＋SiO2；二是生成單質(zhì)硫：H2S（加熱）→H2＋S。第二種反應(yīng)發(fā)生，可能在試體中存在單質(zhì)硫，從而在表面會(huì)有發(fā)亮物質(zhì)。

2 抗CO2、H2S水泥漿體系外加劑的研制

根據(jù)CO2、H2S腐蝕機(jī)理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，防腐水泥漿體系研究思路為：降低體系的滲透率，增加水泥石的密實(shí)度，以增加體系的抗腐蝕能力，并對抗CO2、H2S水泥添加劑的研究提出了三個(gè)原則［3］：①降低滲透率：添加如膠乳等超細(xì)顆粒材料，降低水泥石滲透率來減小地層氣體的入侵，減少被腐蝕的幾率。②防止鈣流失：通過添加無機(jī)復(fù)配料，使形成的硬化水泥石組成物質(zhì)與CO2、H2S反應(yīng)活性大幅度降低，以提高水泥石抗CO2、H2S的能力。③增加惰性：CO2、H2S與水存在長期穩(wěn)定的有機(jī)物和無機(jī)物，該物堵塞水泥石的空隙或與水泥形成耐酸的復(fù)合結(jié)構(gòu)，從根本上解決了油井水泥的耐腐蝕問題。

在此基礎(chǔ)上，優(yōu)選了 DC200、DC205、DC206、DC218和DC219等抗腐蝕材料，對不同外加劑水泥漿體系進(jìn)行抗CO2、H2S混合氣體腐蝕實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見表4。從中可見，加入DC200、DC206等抗腐蝕材料的水泥漿體系抗復(fù)合腐蝕效果較好。DC206的加入有效地吸收了水泥中水化產(chǎn)物CH，抑制了C2SH生成，在硬化水泥漿體中，C2SH是影響滲透率的重要因素，C2SH含量高，腐蝕試樣滲透率增加，因此，DC206外加劑的加入有效地降低了水泥石的滲透率。

3 防腐防竄水泥漿體系優(yōu)選及性能評價(jià)

（1）防腐防竄水泥漿優(yōu)選。針對Y油田腐蝕環(huán)境條件，結(jié)合水泥石腐蝕機(jī)理與抗腐蝕外加劑的研究，推薦以防腐劑DC206和降失水劑DC200為主的水泥漿體系。按API標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了防腐防竄水泥漿體系的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及室內(nèi)評價(jià)，典型的水泥漿配方：G＋35%硅粉＋20%DC206＋3%WG＋7%DC200＋3%AGM＋1.2%SD－2＋2.5%DZS＋0.8%SD－3＋0.7%DZH＋0.8%DZX＋42%水，其常規(guī)性能見表5。

由表5可知：防腐防竄水泥漿具有良好的流變性能，流型指數(shù)大于0.7，流動(dòng)度20 cm以上；在高溫條件下失水小，API失水小于30 mL，具有良好的強(qiáng)度發(fā)展，110℃高壓強(qiáng)度24 h可以達(dá)到20 MPa以上；水泥漿初始稠度低，稠化過渡時(shí)間短，小于10 min，有利于防止環(huán)空流體竄槽。

表4 水泥石腐蝕試樣抗壓強(qiáng)度與氣體滲透率的變化情況

表5 防腐水泥漿綜合性能

（2）防腐防竄水泥漿特殊性能評價(jià)。一是利用5265型超聲波靜膠凝強(qiáng)度分析儀，對防腐防竄水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展開展了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水泥漿靜膠凝強(qiáng)度曲線變化近于直角，過渡時(shí)間短。這說明該水泥漿體系一旦形成膠凝強(qiáng)度，水泥漿會(huì)迅速由液態(tài)過渡到低滲透固體狀態(tài)，這樣可有效防止油氣水竄發(fā)生，提高油氣井固井質(zhì)量［4］；二是利用氣竄模擬分析儀對防腐防竄水泥漿防氣竄性能進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果表明，在水泥漿液柱壓力等于地層壓力時(shí)，此時(shí)的氣竄量為零，說明防腐防竄水泥漿體系具有良好的防竄能力［5］。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

防腐防竄水泥漿體系在Y油田F產(chǎn)層固井中已應(yīng)用10多口井，取得了良好的固井效果，有效封隔了油水層，滿足了開發(fā)生產(chǎn)需要。以F31井為例，說明固井應(yīng)用情況。

F31井完鉆井深4590 m，φ114.3 mm尾管下入深度3870～4589 m，完鉆鉆井液密度為1.68 g／cm3，粘度為60 s。該井采用了所優(yōu)選的防腐防竄水泥漿體系，水泥漿API失水30 mL，SPN值1.22，稠化過渡時(shí)間5 min。

固井候凝24 h后進(jìn)行CBL／VDL測井，測井結(jié)果表明，該固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)。

5 結(jié)論與建議

（1）室內(nèi)研究和現(xiàn)場應(yīng)用說明，對于高溫，高壓和含有H2S、CO2腐蝕性氣體的深井固井，防腐防竄水泥漿體系能有效防止候凝期間的環(huán)空油、氣、水竄，可提高固井質(zhì)量，同時(shí)該體系水泥石對H2S、CO2酸性氣體腐蝕具有較強(qiáng)的抵抗能力，能夠延長油氣井壽命。

（2）對于防腐防竄水泥漿體系的抗鹽性能，本研究還未涉及，建議今后開展防腐防竄水泥漿體系抗鹽性能的室內(nèi)研究和現(xiàn)場應(yīng)用，以適應(yīng)復(fù)雜地層對水泥漿的特殊要求。

［1］姚曉.CO2對油井水泥石的腐蝕：熱力學(xué)分析、腐蝕機(jī)理與防護(hù)措施［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，20（3）：68－71.

［2］Burckdorfor R A.Carbon dioxide corrosion in oil well cements［A］.SPE15176，1986：1－9.

［3］郭志勤，趙慶.抗腐蝕水泥漿體系研究［J］.石油鉆采工藝，2005，27（6）：26－29.

［4］張軒，張明玉，聶世均，等.非滲透抗竄低密度水泥漿在Mynteke油田的應(yīng)用［J］.石油地質(zhì)與工程，2011，25（1）：118－122.

［5］姜紅波，唐曉雷，劉來生，等.高溫水泥漿體系的研究與應(yīng)用［J］.石油地質(zhì)與工程，2010，24（3）：114－116.