川渝地區深井超深井固井水泥漿防污染試驗

劉世彬鄭錕張弛曾凡坤冷永紅唐煒王純全

1.川慶鉆探工程有限公司井下作業公司 2.中國石化西南石油局西南油氣分公司工程技術處

川渝地區深井超深井固井水泥漿防污染試驗

劉世彬1鄭錕1張弛2曾凡坤1冷永紅1唐煒1王純全1

1.川慶鉆探工程有限公司井下作業公司 2.中國石化西南石油局西南油氣分公司工程技術處

劉世彬等.川渝地區深井超深井固井水泥漿防污染試驗.天然氣工業,2010,30(8):51-54.

為解決深井、超深井固井水泥漿與鉆井液的相容性問題,在分析鉆井液對水泥漿稠化時間的影響以及深井常用鉆井液處理劑與深井常用高溫水泥漿進行混合流體的流變性能、高溫、高壓稠化時間試驗的基礎上,提出將深井常用的聚磺、鉀聚磺兩種中高溫鉆井液體系與深井常用的高溫水泥漿體系進行體系間混合流體相容性試驗的方法。由此篩選出對水泥漿有促凝作用的鉆井液處理劑,來指導鉆井液處理劑的選擇;并對現有水泥漿相容性試驗標準和防污染工藝技術措施進行了評價,總結出適合深井井下實際情況的水泥漿相容性試驗方法和固井前鉆井液性能調整技術、偏心環空隔離液技術、提高套管居中度技術、水泥漿防污染等措施。現場實踐結果表明,固井水泥漿防污染技術能確保深井、超深井固井作業的安全。最后建議根據不同地區特點建立一套較為全面的水泥漿防污染體系,以此來提高固井質量。

深井 超深井 固井 水泥漿 防污染 鉆井液 相容性 工藝技術

深井一般井深較大,井底溫度、壓力高,小間隙,封固段長,地層復雜、不穩定,地層流體顯示活躍,井徑不規則,同一裸眼井段存在多個壓力層系,壓力安全窗口小,容易發生井漏、井涌、氣竄,這就大大增加了深井固井水泥漿防污染技術的難度。有時為了解決水泥漿與鉆井液的相容性問題,需要反復調節水泥漿配方、調整鉆井液性能,既延長了固井施工周期,又無法確保施工安全(如L G001-3井?127mm尾管插“旗桿”),事倍功半。因此,有必要開展水泥漿防污染技術研究,找出因鉆井液與水泥漿不相容導致其混合流體稠化時間試驗難以達標的具體原因,并提出針對性的解決辦法,確保固井施工作業安全,同時提高固井質量[1-2]。

1 中高溫常用鉆井液體系評價

目前,川渝地區深井常用的聚磺、鉀聚磺兩種鉆井液體系和高溫水泥漿體系,其體系特點及應用情況如下:

1)聚磺鉆井液是中、深井段應用最廣的鉆井液體系,密度為1.06～2.40g/cm3,具有性能穩定、抗高溫、抗膏鹽污染、防塌能力強等特點,常用于深井高溫、高壓段的易塌地層鉆進。

2)鉀聚磺鉆井液,密度為1.26～2.50g/cm3,具有防塌能力強、抗高溫(可達150℃)、抗膏鹽污染、流變性易調節等優點,廣泛應用于井深超過2500m的地層。

3)FS-31L+SD10水泥漿體系,密度為1.35～2.50g/cm3,具有抗高溫、失水量小、稠化時間易調整、過渡時間短、防氣竄性能好等特點,常用于深井尾管段井底循環溫度大于105℃條件下的固井。進行3種流體的體系評價時,采用的常見配方見表1,其中鉆井液配方中處理劑加量按照中等加量添加。結合深井固井流體混漿模擬試驗成果,混合流體比例按照水泥漿/鉆井液為70/30進行,稠化時間試驗條件為125℃×70MPa,試驗結果見表1。

表1的試驗結果表明,在該試驗條件下水泥漿與上述兩類鉆井液會發生污染,混合流體較純水泥漿稠化時間最高縮短35%,在施工中應引起重視。水泥漿與鉆井液接觸污染問題是一個互相污染的過程,判斷污染源可從2個方面出發:①根據混合流體的流變性能判別,如果混合流體流動度低則判別為鉆井液抗鈣性差,是由于鉆井液中的黏土顆粒聚結造成的,即是水泥漿污染了鉆井液的表現。如果混合流體的流變性能保持良好則說明鉆井液的抗鈣能力較強,水泥漿對鉆井液基本沒有不良影響;②根據混合流體的稠化時間來判別,如果混合流體稠化時間較水泥漿稠化時間縮短,說明是水泥漿受到鉆井液污染后帶來緩凝劑失效造成的。

表1 FS-31L+SD10水泥漿體系與常用的兩種中高溫鉆井液體系混合流體HTHP稠化時間表 min

2 部分單一鉆井液處理劑對水泥漿性能的影響

為了進一步分析水泥漿受到鉆井液污染后帶來緩凝劑失效的原因,需要開展鉆井液的處理劑對水泥漿的相容性試驗。首先根據兩種鉆井液體系常用處理劑的使用情況,選取了降濾失劑(SHE-7、SMP-I、RSTF、DR-II、KHM)、防卡潤滑劑(RLC-101、FRH-A、FK-10、ZFRJ、DHD、PPL)、乳化劑(SP-80)、頁巖抑制劑(NRH)、稀釋劑(SMT)5大類15種處理劑進行評價。在進行單一鉆井液處理劑對水泥漿的評價時,按兩步來進行,一是通過混合流體的流變性能(常流、高流、初凝、終凝)試驗,初步篩選出對水泥漿可能有促凝作用的鉆井液處理劑;二是通過混合流體的高溫、高壓稠化時間試驗,確定篩選出的這些鉆井液處理劑是否對水泥漿真正具有促凝作用。

2.1 流變性能試驗

試驗過程如下:①配黏土含量為5%的鉆井液備用;②水泥漿配置同前;③將黏土含量為5%的鉆井液稀釋至3%,然后逐一加入單一鉆井液處理劑,按最大加量添加,充分攪拌分散,待用;④將水泥漿與配制好的鉆井液按不同的比例混合(水泥漿/鉆井液=100/0、90/10、70/30、50/50、30/70、10/90)進行混合流體的常流、高流試驗,并觀察其2h、4h的凝結情況。經過上述試驗可以得出,鉆井液處理劑SP-80、FK-10、DHD、 ZFRJ、DR-II、RSTF、SHE-7、RLC-101、NRH、KHM、FRH-A在該試驗條件下表現出對水泥漿有促凝作用,且促凝主要發生在水泥漿/鉆井液=70/30、30/70的混合比例下。

2.2 稠化時間試驗

將在流變性能試驗中表現出對水泥漿有促凝作用的鉆井液處理劑進行高溫、高壓稠化時間試驗時,試驗方法如下:①水泥漿配置同前;②將黏土含量為5%的鉆井液稀釋至3%含量,然后加入單一鉆井液處理劑(采用最大加量添加),充分攪拌分散,待用;③按比例配置混合流體,進行高溫、高壓稠化時間試驗,試驗結果見表2。根據試驗結果可以將這些處理劑按照對水泥漿促凝作用的強弱進行歸類。具有促凝作用的有: FRH-A、KHM、NRH、RSTF、SP-80;而 RLC-101、SHE-7、DR-II、ZFRJ、DHD、FK-10沒有促凝作用。

3 相容性試驗方法研究

3.1 API RP10B與川渝地區深井固井相容性試驗方法

國外對井下流體相容性較重視,嚴格按照API RP10B《油井水泥試驗推薦做法》執行。但在國內一般采用配漿藥水或稀釋處理了的鉆井液作為隔離液,規范性差[3-5]。API RP10B與川渝地區深井固井相容性試驗方法的特點及區別見表3。

3.2 深井固井相容性試驗推薦做法

川渝地區深井固井相容性試驗簡單易行,測試數據直觀,能宏觀反映混合流體的流動性能,最大限度地考慮了井下流體摻混的復雜情況,但是無法指導施工摩阻計算。API RP10B中井下流體相容性試驗考慮了井下流體接觸順序,根據試驗結果可計算混合流體的流變性能,能夠指導施工摩阻計算。因此,可考慮結合兩相標準,取長補短,為相容性試驗提供參考依據。

表2 水泥漿與鉆井液混合流體稠化時間試驗情況表

表3 API RP10B與川渝地區深井固井水泥漿相容性試驗方法對比表

流動性能試驗方面:增加水泥漿、鉆井液、隔離液的旋轉黏度測試,為流變學設計提供依據;增加鉆井液與隔離液的流動性能試驗(70/30、30/70)兩組;當循環溫度低于90℃時,“高溫養護時間應大于注水泥施工作業總時間”,循環溫度高于90℃時,高溫養護時間取120min。

稠化時間試驗方面:當封固段上下溫差較大時,可采取模擬井下升降溫過程進行水泥漿、鉆井液、隔離液混合流體的稠化時間試驗;當混合流體的流動性能試驗不能滿足設計要求而稠化時間滿足設計要求時,視為相容性試驗合格。

4 結論

1)防污染工藝技術的關鍵就是采取一系列的工藝技術措施,“提高頂替效率,防止或減少接觸污染”(圖1)。

2)水泥漿與鉆井液相容性差是由兩者相互作用引起的。水泥漿污染鉆井液是因為水泥漿中的Ca2+與鉆井液中黏土的Na+發生離子交換,導致鉆井液中的黏土顆粒聚結形成絮凝物質,鉆井液失去可泵性;鉆井液污染水泥漿是因為鉆井液的某些處理劑引起水泥漿緩凝劑部分或者全部失效甚至反向,導致水泥漿稠化時間急劇縮短,水泥漿失去可泵性。

圖1 固井防污染工藝技術圖

3)目前川渝地區深井超深井常用鉆井液處理劑按照對水泥漿有促凝作用的強弱進行歸類,具有促凝作用的有FRH-A、KHM、NRH、RSTF、SP-80;沒有促凝作用的有 RLC-101、SHE-7、DR-II、ZFRJ、DHD、FK-10。

4)良好的深井井下條件是避免水泥漿被污染的必要前提,鉆井液性能調整、隔離液技術、提高套管居中度等措施是解決水泥漿與鉆井液相容性最直接的手段。

5)現場實踐表明,川渝地區現行井下流體相容性試驗方法是從深井固井井下條件復雜出發,注重水泥漿、鉆井液、隔離液三相混合流體的稠化時間試驗,是宏觀的評價方法;API RP10B中井下流體相容性試驗認為隔離液能夠有效隔離鉆井液與水泥漿,二者接觸機會很小,注重水泥漿、鉆井液兩相相容性試驗,是微觀的評價方法。因此,應根據不同地區特點建立一套較為全面的水泥漿防污染技術。

[1]李靜,郭小陽,楊香艷,等.隔離液合理選材設計以改善與水泥漿相容性實驗探索[J].鉆井液與完井液,2007,24(4):43-46.

[2]楊香艷,郭小陽,李云杰,等.高密度抗污染隔離液在川中磨溪氣田的應用[J].天然氣工業,2006,26(11):83-86.

[3]劉東清,周濟福,李家春.固井工程中的流動問題[J].力學與實踐,2006,28(5):8-15.

[4]曹權.固井前置隔離液的研究發展[J].內蒙古石油化工,2008(9):167-168.

[5]石鳳岐,陳道元,周亞軍,等.超高溫高密度固井隔離液研究與應用[J].鉆井液與完井液,2009,26(1):47-49.

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.08.014

Liu Shibin,senior engineer,born in1973,is engaged in research on cementing technology and cementing services.

Add:No.6,Ruifeng Lane,North Sec.4,2nd Ring Rd.,Chengdu,Sichuan610051,P.R.China

Tel:+86-28-86019026 Mobile:+86-1380783272 E-mail:lsbwwlnx@163.com

An experimental study on the prevention of cement slurry contamination during deep or ultradeep well cementing at Sichuan and Chongqing oil/gas fields

Liu Shibin1,Zheng Kun1,Zhang Chi2,Zeng Fankun1,Leng Yonghong1,Tang Wei1,Wang Chunquan1
(1.Downhole Operation Company,Chuanqing Drilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan610051,China;2.Engineering Technology Department,Sinopec Southwest B ranch Company,Deyang,Sichuan610700,China)

To ensure the compatibility between the cement slurry and the drilling fluid used in deep and ultradeep well drilling,a compatibility experiment is conducted using the commonly used poly-sulphonate drilling fluid and potassium-poly-sulphonate with hightemperature cement slurry systems on the basis of an analysis of the effects of drilling fluid on cement slurry’s thickening time and the test results of the rheology and high-pressure high-temperature thickening time of the conventional drilling fluid additives/cement slurry mixture used in deep well drilling.The drilling fluid additives helpful for flocculation in cement slurry are chosen as future drilling fluid additive candidates.The existing cement slurry compatibility test criteria and contamination-prevention measures are also evaluated herein,and a set of slurry compatibility test methods and a set of measures like drilling fluid proper adjustment before cementing operation,eccentric annulus spacer fluid placement,casing centralizing improvement,and cement slurry contamination prevention are summed up.The field application shows that the cement slurry contamination prevention technology can provide a safe way for deep and ultradeep well cementing.It is recommended that a cement slurry contamination prevention system be set up to improve the cementing quality under different conditions at different areas.

deep well,ultradeep well,cementing,cement slurry,contamination prevention,drilling fluid,compatibility,technology

book=51,ebook=612

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.08.014

2010-05-27 編輯 鐘水清)

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發項目”(編號:2008ZX05022-005)子課題的研究成果。

劉世彬,1973年生,高級工程師;從事固井科研和現場服務工作。地址:(610051)四川省成都市二環路北四段瑞豐巷6號井下作業公司研發中心。電話:(028)86019026,13880783272。E-mail:lsbwwlnx@163.com

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE8,pp.51-54,8/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)