用于預(yù)防環(huán)空帶壓的彈性膨脹凝膠的研制與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

張濱海 (中海油研究總院，北京 100028)

王曉亮 (非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北武漢430100 荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州434000)

許明標(biāo)，宋建建 (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

武治強(qiáng) (中海油研究總院，北京 100028)

于帥 (中國(guó)石油冀東油田分公司南堡油田作業(yè)區(qū)采油三區(qū)，河北 唐山 063004)

氣井測(cè)試過(guò)程和生產(chǎn)過(guò)程中，隨著地層流體產(chǎn)出，會(huì)造成油管以及各層生產(chǎn)套管、技術(shù)套管及表層套管圈閉環(huán)空內(nèi)的流體溫度升高、壓力升高的現(xiàn)象，即環(huán)空帶壓[1～3]。環(huán)空帶壓嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)D毀或脹裂套管，威脅井筒完整性，給生產(chǎn)作業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。環(huán)空帶壓的原因，其本質(zhì)是由于固井初期環(huán)空氣竄或固井后期地層—水泥環(huán)—套管固井封隔系統(tǒng)密封性失效，導(dǎo)致氣體在環(huán)空竄流積聚，引起環(huán)空壓力上升[4～6]。所以在固井水泥環(huán)中加入一段彈性膨脹凝膠是解決水泥環(huán)封隔系統(tǒng)密封失效的關(guān)鍵。室內(nèi)以彈性水溶性樹脂作為基液，開展了預(yù)防氣井環(huán)空帶壓的彈性膨脹凝膠體系的構(gòu)建與研究工作。

1 試驗(yàn)部分

1)試驗(yàn)材料 樹脂凝膠，固化劑，緩固劑，稀釋劑，鐵礦粉，淡水，膨脹劑，膨脹引發(fā)劑。

2)試驗(yàn)儀器 TG-3060A型恒速攪拌器(沈陽(yáng)泰格石油儀器設(shè)備制造有限公司)，OFITE900型流變儀(美國(guó)OFITE)，TG-8040DA增壓稠化儀(沈陽(yáng)泰格石油儀器設(shè)備制造有限公司)，HY-20080微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)儀(上海衡翼精密儀器有限公司)，HY-20080微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)儀(上海衡翼精密儀器有限公司)。

2 彈性膨脹凝膠體系的構(gòu)建

2.1 加重劑

根據(jù)施工技術(shù)要求設(shè)計(jì)的環(huán)空凝膠密度為1.90g/cm3，在實(shí)驗(yàn)室中采用凝膠+加重劑+稀釋劑的基礎(chǔ)配方，對(duì)不同加重劑進(jìn)行復(fù)配優(yōu)選工作，通過(guò)考察配方的流動(dòng)度和沉降穩(wěn)定性，選擇合適的加重劑，結(jié)果如表1所示。69%鐵礦粉(250目)+69%鐵礦粉(1200目)作為加重劑組合獲得的密度為1.90g/cm3的彈性凝膠，其流動(dòng)度最好，凝膠的上下密度差為0.01g/cm3，沉降穩(wěn)定性也能滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。

表1 彈性膨脹凝膠體系加重劑優(yōu)選

表2 固化劑優(yōu)選

注：固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。

表3 膨脹劑對(duì)凝膠膨脹率的影響

表4 緩固劑的選擇結(jié)果

注：緩固劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

圖1 PGN質(zhì)量分?jǐn)?shù)與稠化時(shí)間的關(guān)系曲線

2.2 固化劑

彈性凝膠的固化是通過(guò)加入固化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。室內(nèi)在80℃×0.1MPa的試驗(yàn)條件下對(duì)4種固化劑進(jìn)行固化時(shí)間及固化體彈性的評(píng)價(jià)，優(yōu)選出合適固化劑，試驗(yàn)結(jié)果見表2。可以看出，固化劑212的固化時(shí)間最短，固化體的彈性恢復(fù)率最好，所以室內(nèi)選取212作為高溫防竄凝膠的固化劑。

2.3 膨脹劑

微膨脹效果可以有效增加凝膠的流體封隔能力[4]。筆者對(duì)不同膨脹劑進(jìn)行了室內(nèi)優(yōu)選評(píng)價(jià)工作，分別評(píng)價(jià)了在80℃×常壓和80℃×12MPa條件下JSG-1、JSG-2、JSG-3、JSG-4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，膨脹劑對(duì)凝膠固化體膨脹率的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由于凝膠體積膨脹較大會(huì)對(duì)凝膠固化體的強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響，所以在高壓力下室內(nèi)設(shè)計(jì)凝膠膨脹率要求小于5%，最終優(yōu)選JSG-4作為彈性膨脹凝膠的膨脹劑。

2.4 緩固劑

樹脂凝膠的凝固時(shí)間可以通過(guò)調(diào)節(jié)緩固劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。室內(nèi)針對(duì)4種緩固劑進(jìn)行了稠化試驗(yàn)評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。可以看出，PGN延長(zhǎng)凝膠的稠化時(shí)間最長(zhǎng)，因此選擇PGN作為凝膠體系的緩固劑。

室內(nèi)針對(duì)PGN質(zhì)量分?jǐn)?shù)與凝膠稠化時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)評(píng)價(jià)工作，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，PGN質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8%以內(nèi)時(shí)，隨著PGN質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，凝膠的稠化時(shí)間是有效延長(zhǎng)的。現(xiàn)場(chǎng)可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)優(yōu)選PNG質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 彈性膨脹凝膠體系性能評(píng)價(jià)

推薦彈性膨脹凝膠體系配方：100%凝膠+69%鐵礦粉(250目)+69%鐵礦粉(1200目)+10%稀釋劑+20%固化劑+0.6%JSG-4膨脹劑+7%緩固劑。室內(nèi)對(duì)其稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、膠結(jié)強(qiáng)度、流動(dòng)度以及固化體壓縮50%彈性恢復(fù)率等性能與常規(guī)密度水泥石進(jìn)行了性能對(duì)比評(píng)價(jià)，結(jié)果如表5所示。在相同密度(1.90g/cm3)和稠化時(shí)間下，彈性膨脹凝膠膠結(jié)強(qiáng)度和流動(dòng)度以及固化體壓縮50%的彈性恢復(fù)率方面要明顯優(yōu)于常規(guī)密度水泥石。

表5 彈性膨脹凝膠與常規(guī)水泥石性能對(duì)比

4 彈性膨脹凝膠現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

焦頁(yè)某井是涪陵頁(yè)巖氣田二期工程川東南地區(qū)川東高陡褶皺帶平橋斷背斜構(gòu)造的一口開發(fā)水平井，地層587.9m深處存在有淺層氣。該平臺(tái)要進(jìn)行4口井作業(yè)，已經(jīng)完成了2口井作業(yè)，但前期2口井均存在不同程度上表套帶壓?jiǎn)栴}(最高壓力3.5MPa)。為保障井口安全，解決井口帶壓?jiǎn)栴}，第3口井表層固井準(zhǔn)備使用彈性膨脹凝膠進(jìn)行封隔作業(yè)。

表層套管下深623m，彈性膨脹凝膠封隔在587.9m上方，固井采用正注反擠技術(shù)進(jìn)行作業(yè)。作業(yè)程序：①正注1.90g/cm3純水泥漿20m3，頂替到位后，候凝12h；②通過(guò)壓井管線進(jìn)行反擠作業(yè)，擠入1.80g/cm3水泥漿0.5m3進(jìn)行試擠；③擠開以后擠入5m3速凝水泥，觀察壓力；④擠入彈性膨脹凝膠4m3；⑤擠入1.90g/cm3純水泥漿20m3；⑥關(guān)閘門候凝24h。在候凝24h后，井口無(wú)異常情況，室內(nèi)樣品固化正常，方井中無(wú)氣泡冒出，固井作業(yè)成功。

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)固化劑、緩固劑、膨脹劑以及加重劑的優(yōu)選，完成了以水溶性樹脂為基液的彈性膨脹凝膠體系的構(gòu)建，試驗(yàn)顯示該體系具有稠化時(shí)間可調(diào)、膨脹性以及彈性較高的特點(diǎn)。

2)通過(guò)性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)，彈性膨脹凝膠與套管I界面的膠結(jié)強(qiáng)度較常規(guī)密度水泥石高45%，在彈性恢復(fù)率方面彈性膨脹凝膠在壓縮50%情況下恢復(fù)率可達(dá)100%，而水泥石的壓縮率為2%時(shí)就會(huì)產(chǎn)生破裂。

3)彈性膨脹凝膠現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功說(shuō)明彈性膨脹凝膠具有良好的封隔效果，針對(duì)淺層氣封隔效果顯著。

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