一種應(yīng)用于熱采井的韌性水泥的研制與應(yīng)用

李煥明，盧燕華，王洪芝

(1.山東西格瑪檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 東營 257000；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東 東營 257000)

1 引言

隨著石油需求量的逐漸增大,開采難度較大的稠油成為提高石油產(chǎn)量的一種重要手段。目前，在我國的稠油開采中，注蒸汽是最常用的一種方法。但熱采井通常存在淺層采油低溫和注蒸汽高溫的環(huán)境，注采循環(huán)過程中熱應(yīng)力周期變化引起水泥環(huán)、套管、地層應(yīng)力周期性變化，從而導(dǎo)致水泥環(huán)開裂和破損，失去層間封隔的作用[1]。因此為了延長油井使用壽命，確保在開采過程中保持良好的層間封隔，需要一種能夠具有韌性的水泥環(huán)。

制備韌性水泥需要在體系中加入一定量的彈性粒子，但常規(guī)的彈性粒子(如天然橡膠、合成橡膠、聚四氟乙烯等)不能承受注蒸汽帶來的高溫[2]。本文添加了聚醚醚酮作為彈性粒子，它具有耐高溫性、對(duì)交變應(yīng)力下的抗疲勞性能突出、耐腐蝕性，具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性[3]。通過添加了聚醚醚酮，賦予了水泥很好的彈性，使之能夠更好的抵抗外壓。

2 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

G級(jí)水泥，硅粉(D50≈15μm)，聚醚醚酮(PEEK，密度D50≈40μm， 1.32g/cm3)。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

恒速攪拌器，增壓養(yǎng)護(hù)釜，鋼材彈性模量試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)，水泥滲透儀，高溫高壓稠化儀。

2.3 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)配方：G級(jí)水泥+硅粉 45%+PEEK 20%+降失水劑0.5%+分散劑0.5%+緩凝劑0.3%(式中百分比均為占水泥的重量比，BWOC)。水泥漿密度1.90g/cm3。

水泥漿按API SPEC.10規(guī)定的方法制備。水泥漿和水泥石性能按GB/T 19139-2012規(guī)定的性能測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 水泥漿性能

(1)流變性能

表1 韌性水泥漿流變性能Table1 Rheology Properties of Toughness Cement Slurry

從表1中可以看出，韌性水泥漿具有良好的流變性能。n>0.8，K<0.4 Paosn，塑性粘度和動(dòng)切力適中，這說明水泥漿漿體穩(wěn)定，在頂替泥漿過程中易于實(shí)現(xiàn)紊流頂替，有利于清除泥漿，提高固井質(zhì)量。

(2)稠化實(shí)驗(yàn)

通過圖1可以看出，初始稠度為10Bc。有利于現(xiàn)場(chǎng)混配。稠化曲線平穩(wěn)，無鼓包、閃凝等現(xiàn)象，過渡時(shí)間短。

圖1 80℃×35MPa×40min下稠化曲線圖Fig.1 Thickening Curve at 80℃×35MPa×40min

(3)其它性能

表2 韌性水泥漿其它性能Table2 Other Properties of Toughness Cement Slurry

表2中可以看出，流動(dòng)度適宜，現(xiàn)場(chǎng)易于混漿；水泥漿穩(wěn)定性好，無游離液，候凝過程中不會(huì)出現(xiàn)游離水帶，這對(duì)于水平井固井尤為重要；失水較小，可以滿足大多數(shù)條件下固井要求。

3.2 水泥石性能

(1)楊氏模量

楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量。楊氏模量越大表明材料的剛性越大，越不易發(fā)生彈性形變[4]。稠油熱采井中水泥環(huán)的楊氏模量不宜過大或過小。楊氏模量過小的水泥無法保護(hù)套管受內(nèi)壓的破壞；楊氏模量過大時(shí)，水泥彈性不足，受到壓力時(shí)易發(fā)生破碎。圖2是韌性水泥在300℃條件下養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間所測(cè)量的楊氏模量。

圖2 韌性水泥體系在300℃養(yǎng)護(hù)后不同時(shí)間的楊氏模量值Fig.2 Young's modulus of toughness cement at different time after curing at 300℃

通過圖2可以看出，韌性水泥的楊氏模量在2000～4000MPa之間，而常規(guī)水泥在7000～10000MPa之間。這是因?yàn)榧尤肓司勖衙淹螅嗍臈钍夏Ａ拷档?，其彈性增?qiáng)。而且即使在300℃條件下養(yǎng)護(hù)24周，水泥石的楊氏模量并未發(fā)生明顯變化，這說明該體系具有良好的熱穩(wěn)定性，能夠在承受注蒸汽帶來的熱沖擊。

(2)抗壓強(qiáng)度

按照2.1中養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)韌性水泥石，測(cè)定其抗壓強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 韌性水泥漿體系在300℃養(yǎng)護(hù)后在不同時(shí)間的抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of toughness cement at different time after curing at 300℃

從圖3中可以看出，從養(yǎng)護(hù)72h到24周，水泥石的抗壓強(qiáng)度未發(fā)生明顯變化。養(yǎng)護(hù)24周后其抗壓強(qiáng)度為9.7MPa，滿足后續(xù)操作如壓裂、蒸汽驅(qū)等的施工要求。這主要是因?yàn)轶w系中添加了細(xì)顆粒的硅粉，能有效防止水泥石強(qiáng)度產(chǎn)生衰退。含有粒度在15微米左右硅粉的水泥體系在高溫養(yǎng)護(hù)后其主要晶相為短平行結(jié)構(gòu)的硬硅鈣石。硬硅鈣石可以在350℃以下保持水泥石的穩(wěn)定性，防止強(qiáng)度衰退，這對(duì)延長油井的使用壽命有著至關(guān)重要的意義。

(3)滲透率

對(duì)于稠油熱采井，為了最大限度的使熱量傳遞到產(chǎn)層，需要水泥環(huán)具有良好的隔熱性能[5]。滲透率是指水泥石抵抗流體通過的能力。較低的滲透率不但能有效地防止油、氣、水竄發(fā)生，而且使水泥具有良好的隔熱性能。

韌性水泥漿通過顆粒級(jí)配技術(shù)，調(diào)整水泥、硅粉、聚醚醚酮加量和粒徑，使水泥石具有較低的滲透率。在300℃養(yǎng)護(hù)后24周后其滲透率小于0.1mD，能夠有效地防止流體竄流并具備良好的隔熱性能。

圖4 韌性水泥在300℃養(yǎng)護(hù)后不同時(shí)間的滲透率Fig.4 Permeability of toughness cement at different time after curing at 300℃

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

西北油田塔河區(qū)塊稠油井普遍采用注蒸汽方式進(jìn)行開采。之前采用普通加砂水泥進(jìn)行固井，在進(jìn)行注蒸汽開采半年內(nèi)基本需要進(jìn)行擠水泥作業(yè)來修補(bǔ)損壞的水泥環(huán)。

采用韌性水泥漿體系在塔河區(qū)塊進(jìn)行試驗(yàn)井5口，與未采用韌性水泥漿體系相比，其油井壽命大大延長，節(jié)約了成本。

表3 韌性水泥現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Table3 Field application of toughness cement

表3(續(xù))Table3 Field application of toughness cement

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)韌性水泥漿漿體穩(wěn)定，無游離液，失水小，稠化曲線平穩(wěn)，為固井現(xiàn)場(chǎng)安全施工提供了保證。

(2)該體系在300℃條件下養(yǎng)護(hù)后24周后其楊氏模量、抗壓強(qiáng)度、滲透率均未出現(xiàn)明顯變化，說明該體系具有良好的熱穩(wěn)定性，可以有效延長稠油熱采井使用壽命。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該體系能夠很好的延長油井壽命，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。