一種防竄直角稠化水泥漿體系的室內(nèi)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用*

廖易波 ,李望軍,周成裕,黃 強(qiáng)

（1中海油田服務(wù)股份有限公司油化事業(yè)部深圳作業(yè)公司，廣東 深圳 518000；2重慶科技學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，重慶 401331）

隨著國(guó)家能源安全戰(zhàn)略的調(diào)整,國(guó)內(nèi)油氣勘探力度空前加大,南海東部海域油氣資源勘探逐步向深水挺進(jìn)。深水高壓油氣井在固井作業(yè)過(guò)程中存在很多困難因素,如油氣水層易互竄,界面膠結(jié)質(zhì)量差,水泥柱上下溫差較大,井眼壓差大易發(fā)生氣竄,鉆井費(fèi)用高,鉆井周期長(zhǎng)。究其原因,主要是水泥漿稠化過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng),固井后發(fā)生環(huán)空氣竄[1-3]所導(dǎo)致。固井后環(huán)空氣竄是指在注水泥結(jié)束后,在水泥漿由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)過(guò)程中,水泥漿由于膠凝失重或竄槽等原因造成膠結(jié)質(zhì)量不好,氣層氣體竄入水泥石基體,或進(jìn)入水泥與套管或水泥與井壁之間的間隙中造成層間互竄甚至竄入井口。發(fā)生環(huán)空氣竄的主要危害[4]是:直接影響水泥石膠結(jié)強(qiáng)度；導(dǎo)致層間竄流,直接影響油氣層的測(cè)試評(píng)價(jià),污染油氣層,降低油氣采收率；對(duì)油田開(kāi)發(fā)后續(xù)作業(yè)如酸化壓裂和分層開(kāi)采等造成不利影響；嚴(yán)重時(shí)可在井口冒油、冒氣,甚至造成固井后井噴事故,即使采用擠水泥等補(bǔ)救工藝也很難奏效。為了有效避免氣竄現(xiàn)象的發(fā)生,本文優(yōu)選了一種具有防氣竄[5]、直角稠化的水泥漿體系,該水泥漿體系以膠乳為主劑,輔以相配伍的降失水劑、防氣竄劑以及其他外加劑配制而成[6]。室內(nèi)研究表明,防氣竄直角稠化水泥漿體系配方簡(jiǎn)單,易于調(diào)節(jié),稠化過(guò)渡時(shí)間短,接近直角稠化,靜膠凝過(guò)渡時(shí)間小于20 min,具有良好的沉降穩(wěn)定性,游離液為零；漿體流變性能良好；具有良好的防氣竄性能[7]。防竄直角稠化水泥漿體系已多次成功應(yīng)用于南海東部番禺油氣田區(qū)塊。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要儀器和藥品

主要儀器:雙缸增壓稠化儀；靜膠凝強(qiáng)度分析儀；高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜；高溫高壓失水儀；旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；恒速攪拌器；電子天平；鉆井液密度計(jì)。

藥品:山東水泥；復(fù)合硅粉；消泡劑；分散劑；降失水劑；膠乳；防氣竄劑；高溫緩凝劑；水。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 水泥漿體系配制

防竄直角稠化水泥漿體系以膠乳為主劑,輔以相配伍的降失水劑、防氣竄劑以及其他外加劑配制而成。采用山東G級(jí)水泥,井底循環(huán)溫度(BHCT）為160℃,井底靜止壓力(BHP）為80 MPa。水泥漿配方見(jiàn)表1。

表1 水泥漿配方Table 1 Cement slurry fomula

1.2.2 常規(guī)性能評(píng)價(jià)

根據(jù)GB19139-2012相關(guān)章節(jié)要求完成水泥漿失水、游離液、抗壓強(qiáng)度、靜膠凝強(qiáng)度、稠化時(shí)間等常規(guī)性能的評(píng)價(jià)。

1.2.3 稠化時(shí)間可調(diào)性

根據(jù)1.3中實(shí)驗(yàn)方法,保持水泥漿其他添加劑加量不變的情況下,通過(guò)調(diào)整高溫緩凝劑的加量,研究高溫緩凝劑加量變化對(duì)水泥漿稠化時(shí)間可調(diào)性影響。

1.2.4 靜膠凝過(guò)渡時(shí)間可調(diào)性

根據(jù)1.3中實(shí)驗(yàn)方法,保持水泥漿其他添加劑加量不變的情況下,通過(guò)調(diào)整防氣竄劑的加量,研究防氣竄劑加量變化對(duì)水泥漿靜膠凝過(guò)渡時(shí)間的影響。

1.2.5 溫敏性

根據(jù)1.3中實(shí)驗(yàn)方法,保持水泥漿各添加劑加量不變的情況下,通過(guò)測(cè)試升10℃以及降10℃的稠化時(shí)間,分別研究溫度變化對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 防竄直角稠化水泥漿體系的常規(guī)性能

由表1可知,防竄直角稠化水泥漿體系配方簡(jiǎn)單,易于調(diào)節(jié)。從表2可知,防竄直角稠化水泥漿體系稠化過(guò)渡時(shí)間為2 min,接近直角稠化,靜膠凝過(guò)渡時(shí)間為7 min,具有良好的控制失水性能、以及防氣竄性能。

表2 常規(guī)性能Table 2 General performance

2.2 防竄直角稠化水泥漿體系的稠化時(shí)間可調(diào)性

在其他添加劑加量不變的情況下,改變高溫緩凝劑的加量,其配方如表3所示。水泥漿稠化曲線見(jiàn)圖1～圖3。

表3 不同高溫緩凝劑加量的水泥漿配方Table 3 Different pecent of HT retarder cement slurry fomula

圖1 1#稠化曲線Fig.1 1#Thicking curve

圖2 2#稠化曲線Fig.2 2#Thicking curve

圖3 3#稠化曲線Fig.3 3#Thicking curve

根據(jù)圖1、圖2、圖3的稠化曲線,我們可以得出不同高溫緩凝劑加量下水泥漿對(duì)應(yīng)的稠化時(shí)間,見(jiàn)表4。

表4 高溫緩凝劑對(duì)稠化時(shí)間影響Table 4 Effect of HT retarder on thicking time

從表4可以看出,防竄直角稠化水泥漿體系配方中隨著高溫緩凝劑的加量逐漸加大,水泥漿的稠化時(shí)間逐漸變長(zhǎng),聚合物膠乳水泥漿體系配方中隨著高溫緩凝劑的加量逐漸降低,水泥漿的稠化時(shí)間逐漸縮短,說(shuō)明防竄直角稠化水泥漿體系的稠化時(shí)間可通過(guò)改變高溫緩凝劑的加量來(lái)實(shí)現(xiàn)線性可調(diào)。

2.3 防竄直角稠化水泥漿體系的靜膠凝強(qiáng)度時(shí)間可調(diào)性

在其他添加劑加量不變的情況下,改變防氣竄劑的加量,其配方如表5所示。水泥漿靜膠凝過(guò)渡曲線見(jiàn)圖4～圖7。

根據(jù)圖4～圖7的靜膠凝過(guò)渡曲線,我們可以得出不同防氣竄劑加量下水泥漿對(duì)應(yīng)的靜膠凝過(guò)渡時(shí)間,見(jiàn)表6。

表5 不同防氣竄劑加量的水泥漿配方Table 5 Different pecent of anti-gas additives cement slurry fomula

圖4 1#靜膠凝過(guò)渡曲線Fig.4 1#Static gel transition curve

圖5 4#靜膠凝過(guò)渡曲線Fig.5 4#Static gel transition curve

圖6 5#靜膠凝過(guò)渡曲線Fig.6 5#Static gel transition curve

圖7 6#靜膠凝過(guò)渡曲線Fig.7 6#Static gel transition curve

表6 防氣竄劑對(duì)靜膠凝過(guò)渡時(shí)間的影響Table 6 Effect of anti-gas additives on static gel transition time

從表6可以看出,不加防氣竄劑的時(shí)候,水泥漿的靜膠凝過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)達(dá)94 min；加入防氣竄劑的時(shí)候,水泥漿的靜膠凝過(guò)渡時(shí)間明顯縮短至20 min以內(nèi)；并且隨著防氣竄劑劑加量的逐漸增加,水泥漿的靜膠凝過(guò)渡時(shí)間逐漸縮短。因此,防竄直角稠化水泥漿的靜膠凝過(guò)渡時(shí)間可以通過(guò)加入防氣竄劑來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.4 防竄直角稠化水泥漿體系的溫敏性

圖8 150℃ 稠化曲線Fig.8 150℃ thicking curve

圖9 170℃ 稠化曲線Fig.9 170℃ thicking curve

為了研究防竄直角稠化水泥漿體系對(duì)溫度的敏感性,對(duì)該體系進(jìn)行降10℃(150℃）、升10℃(170℃）的溫度敏感性稠化實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

根據(jù)圖1、圖8、圖9的稠化曲線,我們可以得出不同溫度條件下水泥漿對(duì)應(yīng)的稠化時(shí)間,見(jiàn)表7。

表7 溫度變化對(duì)稠化時(shí)間的影響Table 7 Effect of temperature on static gel transition time

從表7可以看出,隨著實(shí)驗(yàn)溫度的降低,水泥漿稠化時(shí)間增加；隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高,水泥漿稠化時(shí)間縮短；說(shuō)明防竄直角稠化水泥漿體系在該溫度段溫度敏感性良好。

2.5 防竄直角稠化水泥漿體系的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

防竄直角稠化水泥漿體系成功應(yīng)用于南海東部區(qū)塊多口井作業(yè),現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明:防竄直角稠化水泥漿體系現(xiàn)場(chǎng)易配漿、漿體流動(dòng)性良好、水泥漿氣泡少、現(xiàn)場(chǎng)操作方便、候凝時(shí)間短、未發(fā)現(xiàn)竄漏、節(jié)約了鉆井生產(chǎn)成本,現(xiàn)場(chǎng)固井質(zhì)量?jī)?yōu)良。

3 結(jié) 論

(1）防氣竄直角稠化水泥漿體系配方簡(jiǎn)單,易于調(diào)節(jié)；

(2）防氣竄直角稠化水泥漿體系稠化過(guò)渡時(shí)間短,接近直角稠化；

(3）防氣竄直角稠化水泥漿體系具有良好的防氣竄性能；

(4）防竄直角稠化水泥漿體系固井候凝時(shí)間短,節(jié)約了鉆井生產(chǎn)成本。