适合小井眼固井的韧性水泥浆体系室内研究

朱磊,耿亚楠 (中海油研究总院,北京100027)

许明标,王晓亮,金勇 (长江大学石油工程学院,湖北武汉430100)

适合小井眼固井的韧性水泥浆体系室内研究

朱磊,耿亚楠 (中海油研究总院,北京100027)

许明标,王晓亮,金勇 (长江大学石油工程学院,湖北武汉430100)

小井眼固井,由于环空间隙小,环空循环压耗较大,顶替效率低,封固质量往往难以保障。为克服小井眼固井诸多难点,室内研究构建了一套由G级水泥与聚合物、弹性乳液GR1、纤维以及空隙支撑材料MX共同构成的韧性水泥浆体系。室内对该水泥浆体系的性能进行了系统的试验研究,水泥石抗冲击强度较高,具有良好的稳定性和抗温性,80～150℃范围内水泥浆稠化时间可任意调节;经综合性能评价发现,该水泥浆能够很好地满足小井眼固井作业需要,具有良好的应用前景。

小井眼;固井;韧性水泥浆

小井眼固井,实现环空有效封固存在一定的困难。

1)小井眼井水泥环薄,水泥石强度低,水泥石与地层、套管的胶结质量难以保证[1]。

2)必须慎重合理地选择固井压差、水泥浆体系及性能,以减少油气层的损害,防止水泥浆在小井眼窄环空中处于高剪切状态。因为水泥浆在高压差作用下迅速失水和脱水,容易发生桥堵、憋泵及压漏地层,引起产层伤害[2]。

3)水泥浆在小间隙环空中流动阻力大,容易压漏地层,需要降低水泥浆的黏度。

基于上述难点,对小井眼固井水泥浆的性能要求可归纳如下:①水泥浆失水低、零自由水;②水泥石强度高、韧性好;③水泥浆安全性高、稠化性能任意可调;④低黏度,高流动性;⑤水泥浆沉降稳定性能高。为此,室内开展了适合水井眼固井的韧性水泥浆体系的性能评价。

1 小井眼固井水泥浆体系及配方

根据添加剂产品特点,经过详细的筛选评价,构建水泥浆配方如下:

1)中低温配方(1#):G级水泥+40.0%实验室淡水+0.75%消泡剂CX66L+0.625%胶乳稳定剂+2.5%弹性乳液GR1+3.0%降失水剂CG83L-D10+1.5%孔隙支撑剂MX+2.0%分散剂CF44L+0～0.5%缓凝剂H63L+0.3%纤维BING-Ⅰ(配方中百分数为质量分数,下同)。

2)高温配方(2#):G级水泥+35%硅粉SSA1+40.0%实验室淡水+0.67%消泡剂CX66L+ 0.5%胶乳稳定剂+2.0%弹性乳液GR1+5%降失水剂CG83L-D10+7.5%孔隙支撑剂MX+1.5%分散剂CF44L+0.3%～1.2%缓凝剂H63L+0.3%纤维BING-Ⅰ。

3)低密度配方(3#):G级水泥+62.5%实验室淡水+1.25%消泡剂CX66L+1.04%胶乳稳定剂STAB+3.125%胶乳GRI+6.25%降失水剂CG83L+6.25%空隙支撑剂MX+2.08%分散剂CF44L+ 8.33%漂珠+12.5%增强剂STR+0.83%膨胀剂BOND。

2 水泥浆体系性能

2.1 水泥浆常规性能评价

稠化时间、失水量、流变读数以及自由水性能是评价水泥浆体系性能的重要技术指标。室内考察了中低温、高温和低密度水泥浆配方分别在80、150和80℃环境下的常规性能,结果如表1所示。其中,沉降稳定性测试方法,将配制好的水泥浆倒入500m L量筒,封口静置2h后分别测试量筒上部与底部水泥浆密度,底部密度减上部密度即为密度差。

表1 韧性水泥浆常规性能

试验结果表明,3种水泥浆配方的失水量均能够控制在50m L以内,充分说明该水泥浆体系具有较好的抗温性和失水控制能力。稠化时间、自由水以及抗压强度显示,该水泥浆体系良好的流变和较低的初始稠度,能够很好地满足小井眼固井对水泥浆低黏度的要求。

2.2 水泥浆的力学性能研究

2.2.1 水泥浆抗压强度性能

实验室对中低温、高温和低密度水泥浆配方在加入不同质量分数空隙支撑剂MX条件下,分别养护8、24h进行抗压强度的试验研究。试验结果如表2所示,随着MX质量分数的增大,水泥浆抗压强度呈现明显增大的趋势。当MX质量分数分别增加到3.0%、6.0%和5.0%以上时,水泥浆经8h的养护就能形成一定的强度;而养护24h后水泥石强度相对MX质量分数为0%的水泥石强度能够获得极大的提高,充分说明MX在增强促进水泥石强度发展有着明显的作用。

根据固井设计要求,中低温、高温和低密度配方中分别选取MX质量分数为1.5%、7.5%和6.25%,其抗压强度能够很好地满足小井眼固井对水泥石强度的要求。

2.2.2 水泥浆韧性评价

试验所用水泥石抗冲击强度试验机为XJJY-50型(承德市世鹏检测设备有限公司生产);所用水泥石拉伸剪切强度试验仪为自制设备。室内对1#、2#、3#水泥浆配方进行抗冲击强度、抗剪切强度及抗拉伸强度性能评价。试验结果如表3所示,1#配方水泥石的抗压强度最高,其抗冲击强度、抗剪切强度和抗拉伸强度却是3个配方中最低的;3#配方水泥石的抗压强度最低而其抗冲击强度是最高的,其抗剪切强度和抗拉伸强度与2#配方相差不大。3个配方的抗压强度、抗冲击强度、抗剪切强度和抗拉伸强度均能满足小井眼固井的要求。

表2 MX质量分数与水泥浆抗压强度的关系

表3 几种配方的力学性能评价

2.2.3 水泥石完整性能研究

室内分别对1#配方和不加韧性材料的配方形成的水泥块进行模拟实弹射孔试验。所用射孔弹为X60型,试验结果如图1所示。

对比可以发现,不加韧性材料的水泥石经过2次射孔后水泥石出现了明显的肉眼可见的裂痕,部分水泥石在强大的射孔冲击下,崩裂碎开,水泥石的完整性受到严重的破坏,1#配方水泥石经过2次射孔后依然完整无损,射孔口光滑完整,整体上表现出良好的抗冲击能力。水泥石射孔后的形态对比可以发现1#配方具有更好的柔韧性,能满足小井眼射孔完井要求。

2.3 水泥浆安全性能评价

室内对1#、2#和3#水泥浆的安全性能分别进行了详细的稠化安全性评价。评价项目主要包括:①不同升温时间下水泥浆的稠化性能测试 (表4);②不同压差下水泥浆失水性能评价 (表5)。

图1 模拟实弹射孔形态

表4 升温时间与水泥浆稠化时间

表5 试验压力与水泥浆失水量

由表4所示,1#配方水泥浆稠化时间随升温时间的延长而延长,2#和3#配方水泥浆在不同的升温时间下,水泥浆的稠化时间变化不大,随着升温时间的延长水泥浆的稠化时间略表现出延长的趋势,说明水泥浆具有良好的泵送安全性。

由表5所示,随着试验压力的增大水泥浆的失水是逐渐增大的,1#和3#配方失水都不大,2#配方的高温高压条件下失水量增大的趋势更加明显。2#配方水泥浆在8MPa的压差下的失水量为56m L,能够满足大多数尾管固井需要。整体上看,水泥浆具有良好的抗滤失效果,能够保证水泥浆在高压差下依然具有良好的性能。

3 结论

通过室内对小井眼固井水泥浆体系的研究,可以得出以下结论:

1)分析总结了小井眼固井的难点,提出了小井眼固井用水泥浆体系应满足的性能要求。

2)韧性水泥浆体系具有良好的稠化、失水、强度、稳定性,能够满足小井眼固井需要。

3)韧性水泥浆具有更好的抗冲击强度和抗拉伸、剪切强度,水泥石经过2次射孔评价依然保持着完整性,充分说明该水泥浆体系具有优异的柔韧性。

4)韧性水泥浆体系具有良好的稠化性能和柔韧性能,能够保证泵送安全以及增产措施的顺利进行,有效延长油气井的寿命,具有很好的发展前景。

本文属中海石油 (中国)有限公司综合科研项目 “单通道井钻完井关键技术研究”产出论文。

[1]孟庆拥,秦文革.小井眼固井工艺技术研究及现场应用[J].石油天然气学报(江汉石油学院学报),2005,27(2):217～218.

[2]王文斌,马海忠,魏周胜,等.长庆苏里格气田欠平衡及小井眼固井技术[J].钻井液与完井液,2006,23(5):64～66.

[编辑] 帅群

TE254

A

1000-9752(2014)09-0106-03

2013-01-10

朱磊(1983-),男,2005年大学毕业,硕士,工程师,现主要从事海洋钻井技术研发与设计工作。