聚合物氯化鉀水泥漿體系性能評價及應用研究

陳良 (中海油服油田化學事業(yè)部湛江基地,廣州 湛江 524051)

彭博,黃敏 (中石化江漢石油工程公司鉆井一公司,湖北 潛江 433121)

聚合物氯化鉀水泥漿體系性能評價及應用研究

陳良 (中海油服油田化學事業(yè)部湛江基地,廣州 湛江 524051)

彭博,黃敏 (中石化江漢石油工程公司鉆井一公司,湖北 潛江 433121)

GK-1井位于江陵凹陷涴市斷裂帶南崗一號斷鼻構造,完鉆井深3581m,固井目的層位為含鉀石巖、石膏以及芒硝的粉質泥巖地層。使用常規(guī)鹽水水泥漿固井其與地層的膠結質量差,制約著固井質量的提高。為提高含鉀石巖地層的固井質量,利用抗鹽降失水劑CG80S、防竄增強劑GS12L、抗鹽分散劑CF44S、抗鹽緩凝劑H21L以及復合加重劑材料CD26F構建了以10%氯化鉀鹽水作為配漿水的聚合物氯化鉀鹽水水泥漿體系,并對聚合物氯化鉀水泥漿體系的物理性能和抗污染性能進行了評價。室內試驗評價結果和GK-1井的現(xiàn)場應用表明,氯化鉀水泥漿體系的性能可以滿足含鉀石巖以及含石巖、石膏以及芒硝的粉質泥巖地層固井要求,具有推廣應用的價值。

鹽膏層固井;氯化鉀;抗鹽水泥漿;鉀鹽地層

針對含鉀石巖、石膏以及芒硝的粉質泥巖地層的固井難題,構建一套具有優(yōu)異的抗鹽污和抗鈣侵能力并與鹽膏層具有良好膠結性能的水泥漿體系,是有效解決常規(guī)水泥漿在復雜鹽膏層膠結性能差、膠凝強度發(fā)展緩慢、早期強度低、不能有效抵御因鹽層地層蠕變引起的外擠力導致厚壁套管變形問題的關鍵。試驗研究發(fā)現(xiàn),質量分數(shù)10%氯化鉀鹽水所配制的水泥漿體系能夠與含鉀石巖形成良好膠結,并且氯化鉀對粉質泥巖具有很好水化膨脹抑制作用,能夠很好滿足現(xiàn)場作業(yè)需要[1～3]。下面,筆者利用抗鹽降失水劑CG80S、防竄增強劑GS12L、抗鹽分散劑CF44S、抗鹽緩凝劑H21L以及復合加重劑材料CD26F構建了聚合物氯化鉀水泥漿體系配方,并對聚合物氯化鉀水泥漿體系的物理性能和抗污染性能進行了評價。

1 試驗材料與設備

1.1 試驗材料

H21L緩凝劑、CG80S抗鹽聚合物降失水劑、GS12L增強防竄劑、高抗硫G級油井水泥、淡水、CX61L消泡劑、CF44S分散劑、EXP-1膨脹劑、CD26F復合加重劑、氯化鉀。

1.2 試驗設備

高溫高壓稠化儀、常壓稠化儀、高溫高壓水泥漿失水儀、高溫高壓養(yǎng)護釜、多功能壓力試驗機、六速旋轉黏度計。

2 水泥漿配方

1#水泥漿配方:G級水泥+49%氯化鉀鹽水+3%CG80S降失水劑+2%CF44S分散劑+1.5% EXP-1膨脹劑+60%CD26F加重劑+1.2%H21L緩凝劑+0.5%CX61L消泡劑+6%GS12L增強防竄劑,密度為2.25g/cm3。

2#水泥漿配方:G級水泥+53%氯化鉀鹽水+3%CG80S降失水劑+2%CF44S分散劑+1.5% EXP-1膨脹劑+90%CD26F加重劑+1%H21L緩凝劑+0.5%CX61L消泡劑+6%GS12L增強防竄劑,密度為2.35g/cm3。

3#水泥漿配方:G級水泥+57%氯化鉀鹽水+3%CG80S降失水劑+2.2%CF44S分散劑+1.5% EXP-1膨脹劑+116%CD26F加重劑+0.7%H21L緩凝劑+0.5%CX61L消泡劑+6%GS12L增強防竄劑,密度為2.45g/cm3。

上述配方中百分數(shù)均為質量分數(shù),下同。

3 聚合物氯化鉀水泥漿體系物理性能評價

室內對不同密度聚合物氯化鉀水泥漿體系的性能進行了評價,GK-1井完鉆井身3581m,井底靜止溫度94℃,循環(huán)溫度76℃,所以室內將水泥漿的試驗條件設定為76℃×80MPa。

由表1所示數(shù)據可見,氯化鉀鹽水水泥漿具有稠化時間可調、水泥石養(yǎng)護強度高、失水可控和漿體穩(wěn)定性好的特點,針對含鉀石巖、石膏以及芒硝的粉質泥巖地層的固井能夠與鹽膏層形成良好的膠結。從水泥漿稠化轉化時間評價結果看,水泥漿稠化轉化時間均較短,有助于水泥漿防止流體上竄。

表1 聚合物氯化鉀水泥漿物理性能

4 聚合物氯化鉀水泥漿體系抗污染性能評價

目標層位為含有鉀石巖、石膏以及芒硝的粉質泥巖,封固該層位需要水泥漿具有良好的抗鹽污、抗石膏污染的能力[4]。室內重點考察了密度為2.35g/cm3的聚合物氯化鉀水泥漿抗鹽污和抗膏侵的能力,結果如表2所示。在氯化鉀鹽、硫酸鈉鹽以及石膏粉侵污下,水泥漿的性能未發(fā)生突變,各種性能基本能夠滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。值得注意的是,當質量分數(shù)2%的石膏粉侵入水泥時,水泥漿的黏度明顯增大,水泥漿觸變性增強,所以在現(xiàn)場應用時,水泥漿的黏度要考慮適當降低。

表2 水泥漿抗侵污能力評價

5 現(xiàn)場應用

GK-1井井身結構,一開:?393.7mm鉆頭×502m+?273.1mm套管×500m;二開:?241.3mm鉆頭×3472m+?193.7mm套管×3470m;三開:?165.1mm鉆頭×3681.0m+?127mm尾管(3212～3677.37m)。

該井三開所用鉆井液密度為2.27g/cm3,黏度為79mPa·s,塑性黏度為110mPa·s,初切力為2Pa,終切力為6Pa,動切力為17.5Pa,含砂量為0.5%,失水量為4.0ml,p H值為14。鉆進過程中發(fā)現(xiàn)井底當量密度小于2.25 g/cm3時出現(xiàn)溢流,大于2.47g/cm3時發(fā)生井漏。該井3472～3630m巖性主要為泥巖及粉砂巖,3630m至井底以膏鹽層為主。

5.1 固井施工難點

1)下部裸眼井段鹵水層活躍,地層孔隙壓力高,鉆井液密度提高至2.25g/cm3才能壓穩(wěn)地層,水泥漿候凝過程中易因失重導致地層流體上竄。

2)存在 “糖葫蘆”井眼。砂泥巖井段受溢流、故障處理影響,多次出現(xiàn)垮塌,井徑擴大嚴重,膏鹽層井段有縮徑現(xiàn)象,下鉆易遇阻。擴徑井段固井頂替時難以將大井眼死角處的鉆井液頂替干凈,這些殘留的鉆井液將影響水泥漿的膠結強度。

3)該井裸眼井段短:3472～3681m,水泥漿量按實際井徑計算只有5.4m3,水泥漿即使受到少量污染也會對整個固井質量產生嚴重影響。

5.2 技術措施

1)采用質量分數(shù)10%氯化鉀鹽水聚合物水泥漿體系進行封固,物理性能見表3。水泥漿密度為2.35g/cm3,采用雙凝領、尾水泥漿設計,領漿稠化時間360～420min,尾漿稠化時間150～200min。領漿固化時間長,有效保證上部液柱壓力順利傳導,有利于尾漿固化過程中壓穩(wěn)地層,防止底部流體上竄,確保底部裸眼段固井質量[5,6]。

表3 現(xiàn)場領、尾水泥漿物理性能

2)為了避免水泥漿與泥漿直接接觸產生污染,同時考慮頂替效率等因素,設計高性能隔離液10m3,密度2.30g/cm3。隔離液的沉降穩(wěn)定性良好(見表4),確保泥漿與水泥漿完全隔開,防止因混漿造成無法拔出中心管的事故。

表4 隔離液的沉降穩(wěn)定性

3)固井施工時采用塞流頂替,控制井底當量密度維持在2.30～2.35g/cm3,防止鹽水浸入和壓漏地層。固井施工結束,在水泥漿膠凝失重過程中附加10MPa壓力,加壓候凝,平衡液柱壓力損失。同時采用塞流頂替可有效解決 “糖葫蘆”井眼固井質量問題。

5.3 現(xiàn)場作業(yè)情況

2013年1月31日6∶00套管順利下完,循環(huán)泵壓14.5MPa;16∶00進行懸掛器座掛,座掛過程正常;17∶17～17∶22注入加重隔離液5m3,密度2.30g/cm3;17∶45～18∶05注入高密度水泥漿9m3,密度2.38g/cm3;18∶09～18∶45注入保護液10m3,密度2.30g/cm3;18∶45～19∶05水泥車替泥漿5.5m3,密度2.25g/cm3,施工壓力25MPa;19∶06～19∶11水泥車替泥漿0.5m3碰壓。固井施工過程順利,經掃塞、通井后于2月7日進行聲幅測井,聲幅顯示層間封隔良好,固井質量合格。

6 結論

1)氯化鉀鹽水水泥漿具有稠化時間可調、水泥石養(yǎng)護強度高、失水可控和漿體穩(wěn)定性好的特點,針對含鉀石巖、石膏以及芒硝的粉質泥巖地層的固井能夠與鹽膏層形成良好的膠結。

2)氯化鉀聚合物水泥漿體系具有良好的抗鉀鹽、鈣鹽的侵污性能,能夠有效保障入井水泥漿的性能穩(wěn)定。

3)氯化鉀聚合物鹽水水泥漿體系的現(xiàn)場應用成功,說明水泥漿針對含鉀石巖固井具有良好的封固效果,有推廣應用的價值。

[1]Van Kleef R P A R.Optimized slurry design for salt zone cementations[J].SPE18620,1989.

[2]彭雷,許明標.鹽膏層固井用抗溫抗鹽低濾失聚合物鹽水水泥漿體系研究[J].石油天然氣學報(江漢石油學院學報),2008, 30(2):550～552.

[3]許前富,羅宇維,馮克滿,等.一種高密度鹽膏層固井水泥漿的研究及應用[J].鉆井液與完井液,2014,31(1):68～71.

[4]Devesh B,Nestor P,Arshad W,et al.First application of a lightweight salt slurry to help cement longest intermediate casing across salt section and improve well economics:case history from the gulf of Suez[J].SPE150711,2012.

[5]Gilson C,Cristina A S,Cristiane R M,et al.Salt-tolerant cement systems to mitigate gelling effect[J].SPE170477,2014.

[6]田常銘.塔里木盆地古近系—白堊系微膨脹防竄鹽水泥漿的應用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(3),25～28.

[編輯]洪云飛

長江大學獲批42項2015年度國家自然科學基金項目

8月17日,國家自然科學基金委員會公布了2015年度國家自然科學基金申請項目評審結果(國科金發(fā)計[2015]59號文件),有42個以長江大學為依托單位的項目獲批。

2015年度長江大學自科基金獲批項目總經費為1423萬元。在獲批的42個項目中,胡文寶教授主持的《非均勻第中低頻電磁輻射源探測與反演定位》(項目批準號41574064)和尹艷樹教授主持的《三角洲前緣儲層多點地質統(tǒng)計建模方法研究》(項目批準號41572081)分別獲批資助經費90萬元,排名第一。

據基金委介紹,2015年3月2日至3月20日項目申請集中接收期間,國家自然科學基金委員會共接收項目申請165598項,經初步審查受理162433項。根據《國家自然科學基金條例》、國家自然科學基金相關類型項目管理辦法的規(guī)定和專家評審意見,決定資助面上項目16709項、重點項目624項、創(chuàng)新研究群體項目38項、優(yōu)秀青年科學基金項目400項、青年科學基金項目16155項、地區(qū)科學基金項目2829項、海外及港澳學者合作研究基金項目136項、重點國際 (地區(qū))合作研究項目105項、國家重大科研儀器研制項目(自由申請)81項、部分聯(lián)合基金項目(NSAF聯(lián)合基金、天文聯(lián)合基金和鋼鐵聯(lián)合研究基金)130項,合計37207項。

TE256.7

A

1673-1409(2015)25-0014-03

[引著格式]陳良,彭博,黃敏.聚合物氯化鉀水泥漿體系性能評價及應用研究 [J].長江大學學報 (自科版),2015,12(25): 14～16,57.

2015-06-01

國家科技重大專項(2011ZX05026-001-03)。

陳良(1979-),男,碩士,工程師,現(xiàn)主要從事油氣井固井工藝技術方面的研究工作;E-mail:chenliang13@cosl.com.cn。