顧光偉, 馮竟竟, 劉仍光, 侯維紅, 楊進(jìn)波
固井作業(yè)作為油氣開采的重要環(huán)節(jié),固井質(zhì)量 好壞直接關(guān)乎油氣井的采收效率、后期維護(hù)成本乃至服役壽命。地下不同深度的油、氣、水區(qū)存在明顯壓力差,若油井水泥環(huán)封隔效果差,高壓區(qū)流體竄入低壓區(qū),勢(shì)必造成層間竄流污染與資源流失[1]。因固井二界面膠結(jié)不良產(chǎn)生的微間隙,是造成層間環(huán)空竄流的直接原因。Drecq 等[2]研究表明,水泥環(huán)界面存在0.01 mm 的微間隙就可引發(fā)氣竄,當(dāng)微間隙達(dá)到0.05~0.07 mm時(shí),則造成固井質(zhì)量不合格。界面微間隙的主要原因之一是油井水泥漿體的收縮,如不設(shè)法解決收縮問(wèn)題,再多的工藝措施也是徒勞的[3]。Bonnet[4]也認(rèn)為解決地層流體竄流的關(guān)鍵是克服油井水泥漿體的收縮問(wèn)題。
油井水泥漿的水灰比大、服役溫度高,存在收縮率大的缺點(diǎn)[3-4],膨脹劑在油井水泥中的應(yīng)用已有超過(guò)50年的歷史,可有效補(bǔ)償其收縮,非發(fā)氣類膨脹劑種類主要分為鈣釩石類、CaO及MgO膨脹劑。
鈣釩石類膨脹劑(主要成分為硫鋁酸鹽、硫酸鹽)的水化產(chǎn)物不穩(wěn)定,超過(guò)75 ℃即開始分解[5]。CaO膨脹劑(主要成分為輕燒CaO)作用時(shí)間早,65 ℃~95 ℃膨脹持續(xù)時(shí)間僅有19~48 min[6],且發(fā)生在水化產(chǎn)物形成早期,多數(shù)膨脹能被流體狀態(tài)的水泥漿吸收,對(duì)終凝后硬化體的收縮補(bǔ)償效果不足。上述2種膨脹劑的水化產(chǎn)物鈣釩石及Ca(OH)2在井內(nèi)壓力水作用下溶解度也較大,穩(wěn)定性差。
MgO水化時(shí)產(chǎn)物固相體積增大118%,且水化需水量少、產(chǎn)物性能穩(wěn)定、膨脹過(guò)程可調(diào)控,已在大體積水工混凝土及地下防水結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。Mg(OH)2高溫穩(wěn)定,并可在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)、有效的膨脹,適用于補(bǔ)償高溫工況下油井水泥漿體收縮,進(jìn)而達(dá)到防止水侵氣竄的目的,值得深入研究。
井內(nèi)溫度及壓力隨井深的增加而提高,油氣井每深100 m,溫度提高約3 ℃,壓力提高約1~2 MPa,故油井水泥MgO膨脹劑的實(shí)際使用溫度及壓力環(huán)境復(fù)雜,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同條件下MgO的膨脹性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。Spangle等[8]以1 100 ℃~1 300 ℃煅燒氫氧化鎂制備MgO膨脹劑,推薦摻量為0.25%~3.75%,并認(rèn)為酸中和反應(yīng)時(shí)間在20~30 min之間,且MgO粒徑在150~420 μm范圍內(nèi)時(shí),膨脹效果較好;煅燒溫度低的MgO在高溫養(yǎng)護(hù)下活性過(guò)高,水化反應(yīng)時(shí)間提前至終凝前,膨脹效果不顯著;高溫養(yǎng)護(hù)會(huì)使MgO產(chǎn)生明顯的膨脹效果,摻入1%MgO膨脹劑的油井水泥石在149 ℃、20.7 MPa下養(yǎng)護(hù)29 d的線膨脹率為4.23%。Cheung等[9]通過(guò)高溫煅燒菱鎂礦制備MgO 膨脹劑,并認(rèn)為煅燒溫度在815℃以下時(shí),在大于120 ℃的高溫養(yǎng)護(hù)下,摻MgO的油井水泥石無(wú)法產(chǎn)生有效膨脹。其制備的死燒MgO煅燒溫度在1 200 ℃以上,當(dāng)摻量為1%~12%時(shí),在120 ℃~200 ℃養(yǎng)護(hù)溫度范圍內(nèi)可產(chǎn)生膨脹,摻5%MgO 膨脹劑的油井水泥石在143 ℃、20.7 MPa下,養(yǎng)護(hù)7 d后的線膨脹率為4.17%。Saidin[10]利用千分尺法測(cè)試摻MgO(煅燒溫度為1 100 ℃~1 300 ℃)的加砂油井水泥石膨脹率,并認(rèn)為其精確度及可復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于應(yīng)變計(jì)法。經(jīng)千分尺法測(cè)得的不同齡期、養(yǎng)護(hù)壓力及溫度下加砂水泥石膨脹率,結(jié)果如圖1~圖3所示。
圖1 MgO對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期加砂水泥石膨脹率的影響(49 ℃×6.9 MPa)
圖2 MgO對(duì)不同養(yǎng)護(hù)壓力加砂水泥石膨脹率的影響(49 ℃×2 d)
圖3 MgO對(duì)不同養(yǎng)護(hù)溫度(40 ℃~100 ℃)加砂水泥石膨脹率的影響(6.9 MPa×2 d)
可以看出,加砂油井水泥石的膨脹率隨MgO摻量的增大而提高,其中5%、7%MgO摻量的加砂油井水泥石膨脹多發(fā)生在2 d齡期內(nèi)(2 d膨脹率占28 d膨脹率的80%~90%),并在14 d后保持穩(wěn)定;養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)MgO在加砂油井水泥石中膨脹性能的發(fā)揮影響很小,總體上隨著養(yǎng)護(hù)壓力的增大,膨脹率略有提高。姚曉[11]指出增加養(yǎng)護(hù)壓力只會(huì)使收縮延遲而不能抑制收縮。MgO膨脹劑摻量越大,溫度對(duì)加砂油井水泥石膨脹率的提高作用越明顯。
李東旭等[12]發(fā)現(xiàn)不同摻量的輕、重?zé)齅gO(煅燒溫度分別為800 ℃、1 400 ℃)對(duì)礦渣油井水泥膨脹性能影響存在差異。當(dāng)輕、重?zé)齅gO摻量超3%時(shí),50 ℃養(yǎng)護(hù)的礦渣油井水泥石直到90 d齡期膨脹仍在繼續(xù),不利于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。輕燒MgO摻量為3%、5%時(shí),80 ℃水浴養(yǎng)護(hù)28 d的礦渣油井水泥石膨脹趨于穩(wěn)定,膨脹率分別為0.04%、0.10%,摻量達(dá)7%,后期膨脹率略有增長(zhǎng)。80 ℃養(yǎng)護(hù)28 d齡期內(nèi),摻重?zé)齅gO的礦渣油井水泥石膨脹率顯著低于輕燒MgO,且28 d齡期后膨脹仍持續(xù)發(fā)展。
摻MgO油井水泥的50 ℃膨脹性能與MgO摻量關(guān)系密切,其中高摻量(≥5%)MgO油井水泥膨脹時(shí)間持續(xù)長(zhǎng),達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間點(diǎn)推遲,不利于硬化體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;摻MgO油井水泥的80 ℃膨脹性能則與MgO活性關(guān)系更大,其中低摻量(<5%)高溫(>120 ℃)養(yǎng)護(hù)條件下, 輕燒MgO由于其具備較高的反應(yīng)活性, 高溫下水化反應(yīng)時(shí)間提前, 大量膨脹能被塑性漿體吸收, 因而無(wú)法充分發(fā)揮其膨脹性能。重?zé)?死燒MgO反應(yīng)活性低, 高溫促進(jìn)其參與反應(yīng), 進(jìn)而產(chǎn)生優(yōu)異的膨脹效果。因此MgO膨脹劑有效補(bǔ)償油井水泥收縮的關(guān)鍵在于其煅燒溫度(反應(yīng)活性)須與養(yǎng)護(hù)溫度達(dá)到較好地匹配。
油井水泥漿體須在一定時(shí)間內(nèi)凝結(jié)并形成環(huán)狀封固水泥石,其在固井施工、套管試壓及油氣開采中承受套管和井壁的雙重壓應(yīng)力,日常注水、酸化、壓裂、射孔等作業(yè)也向水泥石力學(xué)性能提出了更高要求。
Ghofrani[13]的研究表明,摻20%經(jīng)1 200 ℃煅燒MgO的G級(jí)油井水泥漿120 ℃養(yǎng)護(hù)7 d,其抗壓強(qiáng)度為28 MPa,相同配方150 ℃養(yǎng)護(hù)7 d后的強(qiáng)度提高到50 MPa。水泥環(huán)服役于套管和井壁之間,屬于受限環(huán)境,諸華軍等[7]基于此情況,設(shè)計(jì)了摻MgO油井水泥的三維約束實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,三維約束下?lián)?2%MgO的油井水泥漿經(jīng)80 ℃養(yǎng)護(hù)3 d、7 d的抗壓強(qiáng)度分別為27.5、31.6 MPa,較同條件養(yǎng)護(hù)的凈漿油井水泥石分別提高41.8%、49.1%;三維約束下?lián)?2%MgO的油井水泥石經(jīng)80 ℃養(yǎng)護(hù)7 d,孔隙率(22.7%)較同條件養(yǎng)護(hù)的凈漿油井水泥石降低了30.8%,同時(shí)孔徑也得到細(xì)化,見圖4。這表明80 ℃受限狀態(tài)下,MgO產(chǎn)生的膨脹不僅不會(huì)破壞水泥石結(jié)構(gòu),而且能夠?qū)ζ溥M(jìn)行優(yōu)化,促進(jìn)MgO對(duì)水泥基體的強(qiáng)度增益效果。
圖4 三維約束下?lián)組gO的油井水泥石抗壓強(qiáng)度(80 ℃)
Aris等[14]以適用于高溫固井的加砂油井水泥為基體,得出了不同結(jié)論。養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)摻MgO(煅燒溫度1 200 ℃~1 300 ℃)的加砂油井水泥石抗壓強(qiáng)度影響見圖5。結(jié)果表明100 ℃養(yǎng)護(hù)24 h時(shí),1 200 ℃煅燒的MgO摻量對(duì)加砂油井水泥石抗壓強(qiáng)度影響不大,養(yǎng)護(hù)溫度升至135 ℃,摻MgO試樣的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)衰退;150 ℃摻MgO試樣抗壓強(qiáng)度又出現(xiàn)不同程度地增長(zhǎng),溫度升至200 ℃,強(qiáng)度基本穩(wěn)定,但仍略低于未摻MgO的加砂油井水泥石,摻1 300 ℃煅燒MgO的加砂油井水泥石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)也得到類似結(jié)果。
圖5 MgO對(duì)不同養(yǎng)護(hù)溫度的加砂油井水泥石抗壓強(qiáng)度影響(13.8 MPa×24 h)
Rudi[15]發(fā)現(xiàn)MgO摻量的提高加劇了150 ℃養(yǎng)護(hù)24 h的加砂油井水泥石抗壓強(qiáng)度的衰退(見圖6),其中5%、10%MgO摻量的加砂水泥石抗壓強(qiáng)度較空白樣降低29.3%、51.1%,提高膨脹劑煅燒溫度至1 300 ℃,削弱了高溫(150 ℃)對(duì)5%、10%摻量MgO油井水泥石抗壓強(qiáng)度的不良影響(較空白樣分別降低10.4%、15.8%)。摻MgO的加砂水泥石高溫出現(xiàn)衰退的原因可能是Mg(OH)2與SiO2反應(yīng)生成了不利于強(qiáng)度發(fā)展和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的產(chǎn)物,MgO晶格隨煅燒溫度的升高而改變,一定程度上也影響了高溫下Mg(OH)2與SiO2的反應(yīng)。
圖6 MgO對(duì)150 ℃養(yǎng)護(hù)的加砂油井水泥石抗壓強(qiáng)度影響(13.8 MPa×24 h)
固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度來(lái)源于環(huán)狀水泥石徑向?qū)诋a(chǎn)生的壓應(yīng)力,水泥石收縮會(huì)造成壓應(yīng)力降低,甚至使得水泥石與井壁不能完全接觸,形成的微間隙為水侵氣竄提供了通道,因此膠結(jié)強(qiáng)度反映著油井水泥的封隔性能。
Aris[14]研究了MgO摻量與二界面膠結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系,結(jié)果如圖7所示,MgO顯著提高了二界面膠結(jié)強(qiáng)度,其中經(jīng)1 200 ℃煅燒MgO的最優(yōu)摻量為7%。Rudi[15]綜合MgO煅燒溫度、摻量及養(yǎng)護(hù)溫度等因素,研究其對(duì)二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響,從圖8可以看出,養(yǎng)護(hù)溫度的升高(100 ℃升至150 ℃)有助于MgO對(duì)二界面膠結(jié)強(qiáng)度的增益效果,二界面膠結(jié)強(qiáng)度與MgO摻量并非呈線性關(guān)系,MgO煅燒溫度超過(guò)1 300 ℃后,二界面膠結(jié)強(qiáng)度有所降低。
圖7 MgO對(duì)不同養(yǎng)護(hù)溫度的二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響(13.8 MPa×24 h)
圖8 MgO摻量及煅燒溫度對(duì)二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響(13.8 MPa×24 h)
泥餅形成于水泥環(huán)和井壁地層之間,由“死鉆井液”、黏土礦物、鉆屑等組成。質(zhì)量差的泥餅層厚、松散、強(qiáng)度低且滲透率高,泥餅的存在使得水泥漿無(wú)法與井壁實(shí)現(xiàn)整體固化,其皸裂粉化形成的微間隙導(dǎo)致二界面膠結(jié)不良[16]。Aris[14]研究了劣質(zhì)泥餅存在下1 200 ℃煅燒的MgO對(duì)二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響,從圖9可以看出,一定溫度范圍內(nèi)(100 ℃~200 ℃養(yǎng)護(hù)24 h),劣質(zhì)泥餅的存在使得二界面膠結(jié)強(qiáng)度明顯降低(相對(duì)圖7),但摻入MgO對(duì)150 ℃~200 ℃的二界面膠結(jié)強(qiáng)度仍有顯著增益效果,原因是其膨脹產(chǎn)生的徑向應(yīng)力能夠擠壓劣質(zhì)泥餅,降低虛泥餅層厚度、改善泥餅質(zhì)量。
Ghofrani[13]研究了20%高摻量MgO對(duì)有、無(wú)劣質(zhì)泥餅情況下二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響,并與同摻量CaO進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見圖10。MgO及CaO均可提高二界面膠結(jié)強(qiáng)度,提高膨脹劑摻量、延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間可降低劣質(zhì)泥餅對(duì)二界面膠結(jié)強(qiáng)度造成的不良影響,其中在有、無(wú)泥餅的情況下,摻MgO的加砂水泥石二界面膠結(jié)強(qiáng)度較CaO分別提高93.3%、110%,故高溫工況下MgO對(duì)固井二界面膠結(jié)性能的改善效果優(yōu)于CaO。
圖9 劣質(zhì)泥餅存在下MgO對(duì)二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響(13.8 MPa×24 h)
圖10 高摻量CaO及MgO對(duì)加砂水泥石二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響(150 ℃×15 MPa養(yǎng)護(hù)7 d)
滲透率是表征水泥石傳遞介質(zhì)能力的參數(shù),低滲透率的水泥石能夠抵御地下流體通過(guò)內(nèi)部孔隙發(fā)生竄流。Ghofrani[13]發(fā)現(xiàn)1 200 ℃煅燒的低摻量(≤5%)MgO對(duì)水泥石抗?jié)B性能也有顯著提高,且遠(yuǎn)優(yōu)于同摻量的CaO,結(jié)果見圖11,原因是CaO的膨脹持續(xù)時(shí)間短,而MgO在一定時(shí)間內(nèi)的持續(xù)膨脹作用優(yōu)化了水泥石內(nèi)部孔徑,增強(qiáng)其高壓條件下抵御外部流體侵入的能力。
圖11 CaO及MgO摻量對(duì)加砂水泥石滲透率的影響(150 ℃×15 MPa養(yǎng)護(hù)7 d)
綜上,MgO的膨脹作用能夠改善油井水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu),優(yōu)化孔徑進(jìn)而提高水泥石抗壓強(qiáng)度、降低滲透率,水泥環(huán)徑向膨脹產(chǎn)生的壓應(yīng)力可顯著增大界面膠結(jié)強(qiáng)度。特別是在稠油熱采井、超深井、地?zé)峋雀邷毓叹r下,MgO水化產(chǎn)物穩(wěn)定,相對(duì)于CaO及鈣釩石類膨脹劑有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。其中,MgO煅燒溫度、摻量與不同養(yǎng)護(hù)溫度下油井水泥石膨脹率的關(guān)系仍需進(jìn)行系統(tǒng)研究,摻MgO的加砂水泥石高溫出現(xiàn)抗壓強(qiáng)度衰退的機(jī)理有待論證。
需要明確的是,固井用MgO膨脹劑對(duì)油井水泥的收縮補(bǔ)償只是手段,最終目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)各層間流體更好的封隔效果,盡可能避免水侵氣竄的發(fā)生,而這僅憑單一活性MgO很難實(shí)現(xiàn),故研制以多種活性MgO為主要成分,兼有高溫控制失水作用的復(fù)合型高溫防竄劑才是解決層間竄流問(wèn)題的關(guān)鍵,其應(yīng)具備高溫下早期控制漿體失水、中期補(bǔ)償水泥漿各種收縮、后期(28 d內(nèi))實(shí)現(xiàn)硬化體微膨脹等特性。同時(shí),由于MgO膨脹補(bǔ)償環(huán)空微間隙需要一定的時(shí)間,因此宜采取延遲測(cè)井的方法對(duì)摻MgO的油井水泥固井質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試,得出更為客觀的評(píng)價(jià)。
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