一種應用于熱采井的韌性水泥的研制與應用

李煥明，盧燕華，王洪芝

(1.山東西格瑪檢測技術服務有限公司，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)過程中熱應力周期變化引起水泥環(huán)、套管、地層應力周期性變化，從而導致水泥環(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、對交變應力下的抗疲勞性能突出、耐腐蝕性，具有很高的化學穩(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 實驗材料與實驗方法

2.1 實驗材料

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

2.2 實驗儀器

恒速攪拌器，增壓養(yǎng)護釜，鋼材彈性模量試驗機、壓力試驗機，水泥滲透儀，高溫高壓稠化儀。

2.3 試驗方法

實驗配方：G級水泥+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)定的性能測試方法進行測試。

3 實驗結果與討論

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現(xiàn)紊流頂替，有利于清除泥漿，提高固井質量。

(2)稠化實驗

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

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，流動度適宜，現(xiàn)場易于混漿；水泥漿穩(wěn)定性好，無游離液，候凝過程中不會出現(xiàn)游離水帶，這對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套管受內壓的破壞；楊氏模量過大時，水泥彈性不足，受到壓力時易發(fā)生破碎。圖2是韌性水泥在300℃條件下養(yǎng)護不同時間所測量的楊氏模量。

圖2 韌性水泥體系在300℃養(yǎng)護后不同時間的楊氏模量值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。這是因為加入了聚醚醚酮后，水泥石的楊氏模量降低，其彈性增強。而且即使在300℃條件下養(yǎng)護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)抗壓強度

按照2.1中養(yǎng)護條件養(yǎng)護韌性水泥石，測定其抗壓強度，實驗結果見圖3。

圖3 韌性水泥漿體系在300℃養(yǎng)護后在不同時間的抗壓強度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72h到24周，水泥石的抗壓強度未發(fā)生明顯變化。養(yǎng)護24周后其抗壓強度為9.7MPa，滿足后續(xù)操作如壓裂、蒸汽驅等的施工要求。這主要是因為體系中添加了細顆粒的硅粉，能有效防止水泥石強度產生衰退。含有粒度在15微米左右硅粉的水泥體系在高溫養(yǎng)護后其主要晶相為短平行結構的硬硅鈣石。硬硅鈣石可以在350℃以下保持水泥石的穩(wěn)定性，防止強度衰退，這對延長油井的使用壽命有著至關重要的意義。

(3)滲透率

對于稠油熱采井，為了最大限度的使熱量傳遞到產層，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配技術，調整水泥、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)護后不同時間的滲透率Fig.4 Permeability of toughness cement at different time after curing at 300℃

4 現(xiàn)場應用

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

采用韌性水泥漿體系在塔河區(qū)塊進行試驗井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)場應用Table3 Field application of toughness cement

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

5 結論與認識

(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)場安全施工提供了保證。

(2)該體系在300℃條件下養(yǎng)護后24周后其楊氏模量、抗壓強度、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)場應用表明，該體系能夠很好的延長油井壽命，產生較大的經(jīng)濟效益。