摘要 氮氣膨脹劑水泥漿體系主要由氮氣膨脹劑、不滲透油井水泥降失水劑和減阻劑等組成,其中膨脹劑由氮氣發(fā)氣材料、穩(wěn)氣材料和特種表面活性劑組成。通過評價氮氣膨脹劑對水泥漿體系膨脹率、稠化時間及抗壓強度影響,考察了氮氣膨脹劑與S902 配伍性及氮氣膨脹劑的抗鹽性。結果表明,氮氣膨脹劑能顯著提高水泥膨脹率、對稠化時間和抗壓強度無影響,具有良好的抗鹽性及配伍性。新型防氣竄水泥漿體系在勝利油田的直井、定向井、水平井等井中應用,固井優(yōu)質率達到85 % ,合格率達到了100 % ,取得了較好的經濟效益和社會效益。
關鍵詞 氮氣膨脹劑 氣竄 油井水泥 固井質量
中圖分類號: TE256. 6 文獻標識碼:A
固井后環(huán)空竄流一直是影響產能評價、注水效 果和油氣井產量的突出問題,如果層間封固不良,高壓層流體必然竄入低壓層,造成油氣資源的流失或傷害儲層。勝利油田地層復雜,油藏特征差異大,井下復雜情況多樣,特別是近幾年高壓、長封固段等井不斷增加,給固井技術提出了更高的要求。為此勝利石油管理局固井公司對防氣竄問題進行了全面系統(tǒng)的研究和分析,并在室內實驗的基礎上,進行了氮氣膨脹水泥漿的現(xiàn)場應用,取得了良好的效果。
1 氮氣膨脹劑水泥漿體系組成及性能
1. 1 基本組成
氮氣膨脹劑水泥漿體系主要由氮氣膨脹劑、不滲透油井水泥降失水劑和減阻劑等組成。
1. 1. 1 氮氣膨脹劑
氮氣膨脹劑外觀為淺黃色粉末,能夠均勻分布在水中,可以和油井水泥濕混或干混。該膨脹劑由氮氣發(fā)氣材料、穩(wěn)氣材料和特種表面活性劑組成。氮氣膨脹劑在38 ℃以上的溫度養(yǎng)護下能夠釋放出氮氣,該氮氣在表面活性劑作用下均勻分布在水泥漿體內,使水泥石在常壓下也具有很高的抗壓強度。
1. 1. 2 S902 不滲透油井水泥降失水劑S902 外觀為棕黃色粉末狀,能和水泥濕混或干混。它是由多種聚合物經特殊工藝加工而成的添加劑。加到水泥漿內能吸附在水泥顆粒表面,形成吸附膜,在交聯(lián)劑作用下能夠相互粘結在一起形成結構。當漿體受到壓差作用時能在地層表面形成不滲透薄膜,阻止失水。
1. 1. 3 SUS 油井水泥減阻劑SUS 吸附在水泥顆粒表面,形成吸附膜,使水泥顆粒處于分散狀態(tài),把水泥顆粒內部結構的束縛水變成自由水,從而提高了漿體的流動性。
1. 2 基本性能
在勝維G級水泥中加入氮氣膨脹劑、自來水后的性能見表1 。
由表1 看出,膨脹劑在低溫(35 ℃)條件下性能穩(wěn)定,長期置于低溫下基本不發(fā)氣;中溫(75 ℃) 養(yǎng)護2 h 后,膨脹率迅速發(fā)展為23. 8 % ,體積產生輕度膨脹,一方面可以補償水泥石收縮引起的膠結質量差,提高膠結強度;另一方面,通過發(fā)氣組分產生的氮氣,補充水泥漿重力損失,防止地層流體的侵入。
1. 3 氮氣膨脹劑對水泥漿性能的影響
在75 ℃下,試驗用水、水泥類型、密度和水灰比見表1 ,其它性能參數(shù)見表2 。由表2 可知,氮氣膨脹劑對水泥漿稠化時間影響較小,基本上不影響水泥漿的稠化性能,能夠克服以往使用氫氣膨脹劑嚴重緩凝的現(xiàn)象,在保證足夠的施工時間前提下,能夠減少候凝時間,有利于獲得較好的防氣竄效果;由表2還可以看出,膨脹劑加量對漿體稠化性能、流動度、密度及抗壓強度影響不大。
1. 4 氮氣膨脹劑的加量對膨脹率的影響
單一的油井水泥在凝固時會產生體積收縮,從而導致固井時水泥環(huán)中產生微小縫隙,引起流體竄槽。為了防止此類情況的發(fā)生,在油井水泥中加入了膨脹劑。在實驗室條件下,對加入氮氣膨脹劑的油井水泥進行了膨脹率的測定,結果見表3 。
由表3 可以看出: 氮氣膨脹劑加量( 0. 8 %(BWOC) ) 較小時,在38 ℃的低溫情況下已經顯示出較明顯的膨脹率(50 min 時為2 % ,120 min 時為3 % ,并且達到指標要求) ;在75 ℃的中溫條件下,由于溫度升高,膨脹劑中的發(fā)泡劑分解為氣體的部分增加,致使膨脹率也隨之大幅度增加(膨脹率達到13 % ,達到指標要求) ;而且,隨著膨脹劑加量的增加,膨脹效果也有較大幅度的提高。
1. 5 氮氣膨脹劑的加量對水泥漿稠化時間的影響
在現(xiàn)場施工中,要求油井水泥外加劑的性能要具有單一性,便于在現(xiàn)場施工中能容易地控制水泥漿的各種性能。實驗室內對加入氮氣膨脹劑的油井水泥的稠化性能進行評價,結果見表4 。
由表4 可以看出,加入氮氣膨脹劑后,油井水泥的初始稠度值較低(一般在6～7 Bc) ,基本滿足固井施工的要求。通過實驗還發(fā)現(xiàn),氮氣膨脹劑的加入對油井水泥的稠化時間沒有明顯影響,說明氮氣膨脹劑本身不具備緩凝性能。
1. 6 氮氣膨脹劑與降失水劑的配伍性考察
對氮氣膨脹劑與S902 降失水劑的配伍性進行評價,結果見表5 。
由表5 可以看出:在S902 降失水劑加量不變的情況下,隨著氮氣膨脹劑加量的增加,油井水泥的膨脹率均有所增加,在75 ℃下膨脹效果較為明顯;隨著氮氣膨脹劑加量的增加,水泥漿的流動度變化較小,并且初發(fā)時間大大縮短。由此可得, S902 降失水劑對水泥漿的性能幾乎無影響,與氮氣膨脹劑有較好的配伍性。
1. 7 氮氣膨脹劑的抗鹽性
1. 7. 1 NaCl 對氮氣膨脹劑的性能影響
圖1 是38 ℃條件下氮氣膨脹劑水泥漿加NaCl前后水泥漿膨脹性對比情況。由圖1 可以看出:在加入NaCl 的情況下,相同氮氣膨脹劑加量所顯示的膨脹效果要優(yōu)于不加NaCl 的情況;加入NaCl 前后油井水泥漿流動度的變化也不明顯。這說明氮氣膨脹劑有一定的抗鹽性。
1. 7. 2 CaCl2 對氮氣膨脹劑的性能影響
圖2 是38 ℃時氮氣膨脹劑水泥漿加CaCl2 前后的膨脹性對比情況。由圖2 可以看出:油井水泥
漿中加入18 g CaCl2 后,其膨脹效果比未加CaCl2時有較大的改善;但是加入CaCl2 后,油井水泥漿的流動度降低,對水泥漿的順利流動有所影響。CaCl2 是最常用的油井水泥促凝劑,CaCl2 可以加速硅鋁酸鹽或石膏體系的水滑速度而起到促凝作用。CaCl2 的加入提高了液相中Ca (O H) 2 的溶解度,從而加速了C3 S 的水化速度,同時提前出現(xiàn)Ca(OH) 2 沉淀和提前結束誘導期。
2 氮氣膨脹劑作用機理
氮氣膨脹劑是由氮氣發(fā)氣材料,穩(wěn)定材料和表面活性劑組成。它的細度在0. 015～0. 03 mm 之間,在水泥孔隙內均勻分布,同時吸附在穩(wěn)氣材料表面,再經過表面活性劑的物理化學作用,使該分散體
系處于高度穩(wěn)定狀態(tài),當達到一定溫度后,與表面活性劑反應放出氮氣。由于上部受到鉆井液和隔離液的壓力作用,使水泥漿只有橫向膨脹,有利于驅動大肚子井段的鉆井液,提高頂替效果,保證固井質量;在水泥漿靜止膠凝失重時,由于水泥漿內部不斷有氣體產生,使水泥漿擁有向外膨脹力和內部結構力,有效防止了地層氣體的侵入,強化了水泥漿和地層的膠結程度,從而有效防止了氣竄,提高了二界面固
井質量。
圖3 為75 ℃、0. 1 MPa 條件下,每隔20 min 測定的不同加量的膨脹劑發(fā)氣情況。由圖3 不難發(fā)現(xiàn),在不同加量下,體系的膨脹率隨時間的延長而增大,說明該膨脹劑穩(wěn)定性能好,發(fā)氣過程循序漸進,適應水泥漿在環(huán)空靜止后,由于失重而導致的持續(xù)增加的環(huán)空壓力下降,膨脹率的漸增可以彌補不斷增大的重力損失,以平衡地層壓力;隨著水泥水化的不斷進行,水泥漿體內微粒的膠凝強度不斷增長,同時由于膨脹率的增大,得到的附加壓力相應增大,從而改變漿體候凝中的失重特征,增加油氣運移阻力,實現(xiàn)環(huán)空氣竄;另一方面膨脹水泥漿體系由于產生體積微膨脹,有助于提高2 個界面的膠結強度,補償水泥石的體積收縮,實現(xiàn)層間封隔。從圖3 還可以看到,在50～70 min 期間體系的膨脹率逐步變大,但變化量不大,這段時間恰好等于水泥漿在套管內流動及到達環(huán)空預計位置以前所需要的時間,并且在特殊情況下,如長封固段、深井等要求的到達預計位置靜止以前時間較長,可通過控制膨脹劑中的發(fā)氣組分,適當延長開始發(fā)氣的時間,以滿足不同固井工藝要求。
3 新型防氣竄體系在勝利油田的應用
3. 1 樊22226 井
樊22226 井是一口注水井, 完井井深為3360m ,油層頂位于井深2060 m ,油層底位于井深3320m ;一開用φ444. 5 mm 鉆頭鉆至井深237 m ,下入φ 339. 7 mm 套管至井深235. 06 m ;二開用φ 215. 9 mm 鉆頭鉆至井深3360 m ,下入φ139. 7 mm 套管至井深3355. 14 m ,該井在井深2300 m 處的最大井斜為6. 3°。鉆井液密度為1. 30 g/ cm3 ,粘度為60s ,濾失量為5 mL ,泥餅厚度為0. 5 mm ,p H 值為8 ,含砂量為0. 3 %,井徑平均擴大率為10. 79 %。
3. 1. 1 水泥漿性能水泥漿配方如下。
勝維G級水泥+ 0. 9 %S902 + 0. 5 %膨脹劑+ 0. 5 %SUS(W/ C = 0. 44 ,75 ℃) 水泥漿密度為1. 90 g/ cm3 ,流動度為23 cm ,常壓、75 ℃下養(yǎng)護24 h 后抗壓強度為18 MPa ,水泥漿稠度達到40 Bc 的時間為108 min ,120 min 后膨脹率為25 %,6. 9 MPa 下30 min 的失水45 mL 。
3. 1. 2 現(xiàn)場注水泥
樊22226 井注入3 m3 隔離液后,注水泥,水泥漿最高密度為1. 90 g/ cm3 ,最低為1. 66 g/ cm3 ,平均為1. 88 g/ cm3 ;注水泥壓力為6. 5 MPa ,替漿為38. 8 m3 ,替漿壓力為0～8 MPa ,碰壓20 MPa ,敞壓候凝36 h 。聲幅測井固井質量為優(yōu)。
3. 2 梁432斜9 井
梁432斜9 井是一口生產斜井,井深2800 m 處井斜為36°,方位為360°,全角變化率為25°/ m ,完井井深為2943 m ,下入φ 139. 7 mm N80 套管(壁厚7. 72 mm) 和291 根油管,總長為2850. 99 m。使用聚合物鉆井液體系,鉆井液密度為1. 20 g/ cm3 ,粘度為54 s ,濾失量為5 mL ,泥餅厚度為0. 5 mm ,p H值為9 ,含砂量為0. 3 % ,初切為2 Pa ,終切為3 Pa 。
3. 2. 1 水泥漿性能水泥漿配方如下。
勝維G級水泥+ 0. 8 %S902 + 0. 4 %膨脹劑+ 0. 4 %SUS(W/ C = 0. 44 ,70 ℃) 水泥漿密度為1. 90 g/ cm3 ,流動度為23. 0 cm , 常壓、70 ℃下養(yǎng)護24 h 后抗壓強度為18 MPa ,水泥漿稠度達到40 Bc 的時間為116 min ,120 min 后膨脹率為23 % ,6. 9 MPa 下30 min 失水量為68 mL 。
3. 2. 2 現(xiàn)場施工
梁432斜9 井下套管后,循環(huán)鉆井液,固井前注3 m3 隔離液后, 注水泥, 替漿, 頂替壓力為0 ～ 8MPa ,碰壓15 MPa ,水泥漿最大密度為2. 0 g/ cm3 ,最小為1. 25 g/ cm3 ,平均為1. 88 g/ cm3 ,敞壓候凝。候凝36 h ,聲幅測井固井質量為優(yōu)。
3. 3 臨2223 井
臨2223 井完鉆井深為1790 m ,油層頂位于井深1280 m ,油層底位于井深1755 m。該井井徑擴大率為7. 56 %。使用聚合物鉆井液,鉆井液密度為1. 18 g/ cm3 ,粘度為55 s ,濾失量為6 mL ,泥餅厚度為0. 5 mm ,p H 值為8 ,含砂量為0. 3 %。
3. 3. 1 水泥漿性能水泥漿配方如下。
勝維G級+ 0. 9 %S902 + 0. 4 %膨脹劑+ 0. 5 %SUS + 現(xiàn)場水(W/ C = 0. 44 ,55 ℃) 水泥漿密度為1. 90 g/ cm3 ,流動度為23. 0 cm , 常壓、55 ℃下養(yǎng)護24 h 后抗壓強度為15. 5 MPa ,水泥漿稠度達到40 Bc 時用時127 min ,120 min 后膨脹率為23 %,6. 9 MPa 下30 min 失水量為55 mL 。
3. 3. 2 現(xiàn)場施工
臨2223 井下完套管后,循環(huán)鉆井液,注入3 m3隔離液后,注水泥,泵壓為3 MPa ,水泥漿最高密度為1. 96 g/ cm3 ,最低密度為1. 78 g/ cm3 ,平均密度為1. 89 g/ cm3 ,10 min 后替漿21. 5 m3 ,頂壓為0～8 MPa ,碰壓為20 MPa ,施工一切正常,敞壓候凝48 h 。候凝后聲幅測井固質量為優(yōu)。
氮氣膨脹劑自2002 年5 月底推廣以來,已在高壓井、長封固段井及井徑擴大率超標井中應用576 井次,固井合格率為99. 9 % ,優(yōu)質率為83. 8 % ,比同類型井固井合格率增長了3. 41 %(2001 年固井合格率為96. 49 %) ,優(yōu)質率增長15. 96 %(2001 年優(yōu)質率為67. 84 %) ,避免了由于固井不合格而采取的其它補救等作業(yè),取得了較大的經濟效益。
4 結論
1. 氮氣膨脹劑能顯著提高水泥漿體系的膨脹率,水泥漿在常壓下具有較高的抗壓強度,體系膨脹量可以達到25 % ,對抗壓強度影響不大(常壓) 。
2. 氮氣膨脹劑對水泥漿體系的流變性、稠化時間沒有影響,與S902 降失水劑配伍性好,并具有很好的抗鹽能力。
3. 新型防氣竄水泥漿體系能夠提高二界面的封固質量,直角稠化性能好,具有雙重防氣竄用。
4. 該體系即可以干混也可以濕混,使用方便。
參考文獻
[1 ] 劉大為,等. 現(xiàn)代固井技術. 遼寧科技出版社,1996 ,2～4
[2 ] 劉崇建,等. 油氣井注水泥理論與應用. 石油工業(yè)出版社,2001 ,171～176
