天然氣水合物鉆探低溫低密度水泥漿體系優(yōu)選試驗(yàn)

顧 軍， 陶 雷， 干 品， 莊思遠(yuǎn)

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉資源學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

天然氣水合物地層通常具有“兩低”(地層溫度低、孔隙壓力低)特點(diǎn)，如青海木里地區(qū)DK-1井內(nèi)含水合物地層的實(shí)測(cè)溫度為0.3～2 ℃，孔隙壓力為3.5～3.6 MPa[1-2]。同時(shí)，因天然氣水合物地層裂隙較為發(fā)育且膠結(jié)性能較差，且固井水泥漿凝固過(guò)程中的放熱(5.5～22.2 ℃[3-4])將對(duì)近井壁地層的水合物穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[5-10]。因此，天然氣水合物地層固井水泥漿有3個(gè)問(wèn)題急需解決：(1)預(yù)防水泥漿放熱對(duì)天然氣水合物的分解；(2)提高低溫條件下水泥石強(qiáng)度；(3)防止水泥漿向天然氣水合物地層的漏失。天然氣水合物鉆探用低熱水泥漿已有較多研究和實(shí)踐[5-7]，但低溫條件下高強(qiáng)低密水泥漿體系有待進(jìn)一步研究。本文試圖通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選出一種適用于天然氣水合物鉆探的性能優(yōu)良的低溫低密度水泥漿體系，為天然氣水合物資源的高效勘探開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1 試驗(yàn)材料

嘉華API G級(jí)油井水泥、漂珠、微硅、氯化鈣、氯化鈉、硅酸鈉、三乙醇胺、硅烷偶聯(lián)劑、礦渣、降失水劑、分散劑和消泡劑。

在前人研究的基礎(chǔ)上[5-7]，經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)，確定的低密度水泥漿體系基礎(chǔ)配方為：100%API G級(jí)油井水泥+15%漂珠+10%～15%微硅+0～8%超細(xì)礦渣+1%消泡劑+0.45%～0.5%降失水劑+0～3%分散劑+1%～2%硅烷偶聯(lián)劑+60%～80%自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)儀器

電子秤、精密電子天平、瓦楞恒速攪拌器、ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、ZNB型密度計(jì)、ZNS型鉆井液濾失量測(cè)試儀、常壓稠化儀、不銹鋼電熱恒溫水浴鍋、抗壓強(qiáng)度模具和電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

1.3 試驗(yàn)條件與方法

1.3.1 試驗(yàn)條件

油井水泥漿密度測(cè)試條件為常溫常壓；水泥漿稠化性能、泌水量和流變性試驗(yàn)條件為常壓×25 ℃；抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)條件：常壓，溫度分別為0、25、35和45 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為24、48和72 h，養(yǎng)護(hù)方式為浴養(yǎng)。

1.3.2 試驗(yàn)方法

油井水泥漿制備方法、密度測(cè)試方法、稠化時(shí)間試驗(yàn)方法、泌水量試驗(yàn)方法、流變性試驗(yàn)方法和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法按美國(guó)API規(guī)范10A進(jìn)行[11]。

1.4 水泥漿性能要求

密度為1.45～1.55 g/cm3，70 Bc稠化時(shí)間為120～150 min，流變性為n=0.4～0.6和K≤3 Pa·sn，API泌水量≤100 mL，24 h抗壓強(qiáng)度≥3.0 MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水固比和添加劑優(yōu)選

2.1.1 水固比的優(yōu)選

通過(guò)對(duì)水固比0.6、0.7和0.8進(jìn)行了稠化試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)水固比為0.6時(shí)，水泥漿初始稠度過(guò)高，配制過(guò)程非常困難，即流動(dòng)性太差；當(dāng)水固比為0.8時(shí)，水泥漿稠化時(shí)間和流動(dòng)性雖滿(mǎn)足要求，且氯化鈣加量也增大到8%，但其24 h抗壓強(qiáng)度僅為1 MPa；當(dāng)水固比為0.7時(shí)，水泥漿稠化時(shí)間和流動(dòng)性滿(mǎn)足要求，且氯化鈣加量雖僅為7%，但其24 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.2 MPa，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。因此，水固比確定為0.7。

2.1.2 微硅加量的優(yōu)選

研究表明，添加15%～25%微硅的低密度水泥具有良好的抗氣竄性能[12-13]。優(yōu)選試驗(yàn)采用控制變量法，保持其它添加劑加量不變，僅改變微硅的加量，通過(guò)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)得到合適的微硅加量。試驗(yàn)結(jié)果表明，微硅加量在10%～15%范圍內(nèi)，水泥石抗壓強(qiáng)度變化不大，僅差0.3 MPa。因此，微硅加量確定為10%～15%。

2.1.3 礦渣加量的優(yōu)選

試驗(yàn)保持其它添加劑加量基本不變，僅改變礦渣的加量，通過(guò)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)得到合適的礦渣加量。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)V渣加量分別為0和8%時(shí)，水泥石抗壓強(qiáng)度均為1.8 MPa，即礦渣加量對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響不大，但礦渣趨于降低水泥漿的密度。因此，礦渣的加量確定為8%。經(jīng)測(cè)定，礦渣的加量為8%，水泥漿密度為1.47 g/cm3，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

2.1.4 促凝劑優(yōu)選

2.1.4.1 氯化鈣+偏硅酸鈉復(fù)合加量?jī)?yōu)選

試驗(yàn)中，水固比為0.7，漂珠加量為10%，微硅加量為10%，分散劑加量為3%，消泡劑加量為1%，降失水劑加量為0.45%～0.5%。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 氯化鈣+偏硅酸鈉復(fù)合加量試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，配方1和12未凝固(24 h)，配方2和3雖凝固(24 h)但強(qiáng)度極低，配方11稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度分別為657 min(圖1)和2.6 MPa，其它配方均發(fā)生先期凝固。因此，氯化鈣和偏硅酸鈉的加量選擇宜合理，少了水泥漿無(wú)法正常凝固，多了會(huì)導(dǎo)致水泥漿發(fā)生先期凝固，即氯化鈣的加量選為8.5%左右，偏硅酸鈉的加量選為5.6%～6%。

圖1 配方2與配方11的稠化時(shí)間曲線(xiàn)

2.1.4.2 氯化鈣+偏硅酸鈉+三乙醇胺復(fù)合加量?jī)?yōu)選

試驗(yàn)中，水固比為0.7，漂珠加量為15%，微硅加量為10%，礦渣加量為8%，降失水劑加量為0.45%～0.5%，分散劑加量為3%，硅烷偶聯(lián)劑加量為1%，消泡劑加量為1%。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，三乙醇胺加量與水泥石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖2。

表2 氯化鈣+偏硅酸鈉+三乙醇胺加量試驗(yàn)結(jié)果

圖2 抗壓強(qiáng)度與三乙醇胺加量的關(guān)系

從表2可以看出，氯化鈣、偏硅酸鈉、三乙醇胺三者配合使用，效果較好，水泥石抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了較高水平。由圖2還可看出，三乙醇胺的加量為3%時(shí)，25 ℃下養(yǎng)護(hù)24 h的水泥石抗壓強(qiáng)度達(dá)到了3 MPa，基本達(dá)到了要求。

2.1.4.3 氯化鈣+偏硅酸鈉+三乙醇胺+氯化鈉復(fù)合加量?jī)?yōu)選

試驗(yàn)中，水固比為0.7，漂珠加量為15%，微硅加量為15%，礦渣加量為8%，降失水劑加量為0.45%～0.5%，分散劑加量為2.5%，硅烷偶聯(lián)劑加量為2%，消泡劑加量為1%。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出，氯化鈣8%、偏硅酸鈉5.6%、三乙醇胺0.3%、氯化鈉1%的組合配方，水泥石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)效果較好。

表3 氯化鈣+偏硅酸鈉+三乙醇胺+氯化鈉加量試驗(yàn)結(jié)果

2.1.5 分散劑加量的優(yōu)選

試驗(yàn)水泥漿配方為：100%API G級(jí)油井水泥+15%漂珠+15%微硅+8%超細(xì)礦渣+1%消泡劑+0.45%～0.5%降失水劑+2.5%硅烷偶聯(lián)劑+8%氯化鈣+5.6%偏硅酸鈉+0.3%三乙醇胺+1%氯化鈉+70%自來(lái)水。在此基礎(chǔ)上分別加入2.5%、2.6%和2.8%的分散劑，在25 ℃下養(yǎng)護(hù)24 h的抗壓強(qiáng)度分別為4、3.51和3 MPa?？梢钥闯觯稚┘恿繛?.5%較合適。

2.2 水泥漿性能評(píng)價(jià)

綜上研究結(jié)果，選擇水泥漿配方為100%API G級(jí)油井水泥+15%漂珠+15%微硅+8%超細(xì)礦渣+1%消泡劑+0.45%～0.5%降失水劑+2.5%分散劑+2.5%硅烷偶聯(lián)劑+8%氯化鈣+5.6%偏硅酸鈉+0.3%三乙醇胺+1%氯化鈉+70%自來(lái)水，以進(jìn)行該水泥漿體系的各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)。

2.2.1 水泥漿密度

測(cè)得該水泥漿的密度為1.53 g/cm3，符合要求。

2.2.2 稠化時(shí)間

稠化時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，水泥漿稠度達(dá)到70 Bc的時(shí)間是122 min，滿(mǎn)足要求。

圖3 常壓稠化時(shí)間

2.2.3 流變性

試驗(yàn)結(jié)果：600 r/min為121，300 r/min為88，200 r/min為57，100 r/min為42，6 r/min為34，3 r/min為34。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，n=0.45，K=2.56 Pa·sn，符合要求。

2.2.4 泌水量

水泥漿API泌水量測(cè)試結(jié)果為72 mL，符合要求。

2.2.5 水泥石抗壓強(qiáng)度

水泥石抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5?？梢钥闯?，溫度越高，抗壓強(qiáng)度越大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度越大。

3 結(jié)論

(1)微硅的加入使水泥漿的穩(wěn)定性大幅提高，也有利于提高水泥石的抗壓強(qiáng)度，但加入過(guò)多也會(huì)增大水泥漿的稠度，因此微硅加量20%～15%較為合適。

圖4 抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)溫度的關(guān)系

圖5 抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系

(2)礦渣對(duì)水泥石的抗壓強(qiáng)度影響不大，但礦渣會(huì)降低水泥漿密度，因此礦渣加量宜定為8%。

(3)氯化鈣加量8%～8.5%，偏硅酸鈉加量5.6%～6%，氯化鈉加量1%，三乙醇胺加量0.3%，效果最佳。

(4)隨著分散劑加量的增大，水泥漿稠化時(shí)間延長(zhǎng)，水泥石抗壓強(qiáng)度降低，因此分散劑加量為2.5%較為合適。

(5)優(yōu)選出的低溫低密度水泥體系為100%G級(jí)油井水泥+15%漂珠+10%～15%微硅+8%超細(xì)礦渣+1%消泡劑+0.5%降失水劑+2.5%分散劑+2%硅烷偶聯(lián)劑+5.6%～6%偏硅酸鈉+8%～8.5%氯化鈣+0.3%三乙醇胺+1%氯化鈉(水固比為0.7)，其各項(xiàng)性能均可滿(mǎn)足天然氣水合物鉆探固井要求。

[1] 祝有海,張永勤,文懷軍,等.祁連山凍土區(qū)天然氣水合物科學(xué)鉆探工程概況[J].地質(zhì)通報(bào)，2011,30(12):1816-1822.

[2] 王平康,祝有海,盧振權(quán),等.祁連山凍土區(qū)天然氣水合物成藏體系中自生黃鐵礦地球化學(xué)特征與成因探討[J].中國(guó)科學(xué):地球科學(xué),2014,44(6):1283-1297.

[3] 徐惠峰.鉆井技術(shù)手冊(cè)(固井)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1990.

[4] 劉崇建,黃柏宗,徐同臺(tái),等.油氣井注水泥理論與應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001．

[5] 齊志剛.低溫低水化熱固井水泥漿體系研究[D].山東東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)(華東),2009.

[6] 許明標(biāo),黃守國(guó),王曉亮,等.深水固井水泥漿的水化放熱研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)),2010,32(6):112-115,126.

[7] 許明標(biāo),王曉亮,周建良,等.天然氣水合物層固井低熱水泥漿研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)),2014,36(11):134-139.

[8] 宋廣喜,雷懷玉,王柏蒼,等.國(guó)內(nèi)外天然氣水合物發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì),2013,19(11):69-76.

[9] 白玉湖,李清平,周建良,等.天然氣水合物對(duì)深水鉆采的潛在風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)應(yīng)性措施[J].石油鉆探技術(shù),2009,37(3):17-21.

[10] 田群山,張永海,吳天師,等.南祁連凍土層固井技術(shù)研究與應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2012,24(9):1-3.

[11] API Specification 10A—2002, Specifications for Cementing and Materials for Well Cementing[S].

[12] 顧軍,王學(xué)良.微硅水泥特性研究[J].油田化學(xué),1997,14(2):115-118,126.

[13] 顧軍.礦場(chǎng)固井技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1997.