黃進(jìn),羅文波 (中石化江漢油田分公司采油工藝研究院新技術(shù)推廣中心,湖北潛江 433121)

許驍 (中石化江漢油田分公司采油工藝研究院采油工程規(guī)劃所,湖北武漢 430000)

熊力坤,趙廣海 (中石化江漢油田分公司采油工藝研究院新技術(shù)推廣中心,湖北潛江 433121)

鹽層井段固井水泥石力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)研究

黃進(jìn),羅文波 (中石化江漢油田分公司采油工藝研究院新技術(shù)推廣中心,湖北潛江 433121)

許驍 (中石化江漢油田分公司采油工藝研究院采油工程規(guī)劃所,湖北武漢 430000)

熊力坤,趙廣海 (中石化江漢油田分公司采油工藝研究院新技術(shù)推廣中心,湖北潛江 433121)

基于鹽層固井實(shí)際,以水泥漿進(jìn)入環(huán)空凝固后的水泥石為研究對(duì)象,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)原漿、含鹽15%和含鹽27%的鹽層水泥石的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,采用單軸和三軸壓縮試驗(yàn)研究其力學(xué)性能,采用X-射線衍射(XRD)、壓汞試驗(yàn)(MⅠP)和掃描電子顯微鏡(SEM)方法研究水泥石的物相組成、孔隙結(jié)構(gòu)和水化膠凝相形貌。并從機(jī)理上闡釋了鹽對(duì)油井水泥石力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果表明,含鹽15%水泥石的單軸抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度最大,分別為27.8MPa和2.4MPa,結(jié)構(gòu)致密;含鹽27%水泥石的楊氏模量9.0GPa,表現(xiàn)出脆性特征,水泥石中有NaCl晶體析出,水泥水化膠凝相與NaCl晶體相共存。該研究為鹽層固井用抗鹽水泥漿所引起的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題提供理論依據(jù),采用15%鹽水水泥漿體系在江漢油田施工24井次,鹽層井段固井質(zhì)量合格率97%。

鹽層固井;水泥石;力學(xué)性能;微觀結(jié)構(gòu);機(jī)理分析;現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

鹽層固井時(shí),水泥漿進(jìn)入環(huán)空凝固后,水泥環(huán)組成材料中都不同程度含有鹽組分,這種含鹽水泥環(huán)性能直接關(guān)系到能否抵抗鹽層蠕變等載荷。鹽層是巖鹽(堿金屬和堿土金屬氯化物)地層和膏鹽(硫酸鹽)地層的統(tǒng)稱,在世界范圍內(nèi)分布廣泛,鹽層固井一直就是固井界公認(rèn)的難題[1-2]。在鹽層井段固井,水泥漿遇鹽后,其性能應(yīng)當(dāng)保持穩(wěn)定,需要水泥漿體系具有很強(qiáng)的抗鹽能力,當(dāng)今很多油田都采用抗鹽水泥漿或含鹽水泥漿體系[3-4]。然而,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于鹽層水泥環(huán)的研究,很多文獻(xiàn)都只測(cè)試了某個(gè)時(shí)間后的強(qiáng)度或是只有泛泛的描述(即當(dāng)水泥漿中鹽摻量低于10%時(shí),具有明顯的早強(qiáng)作用,隨著鹽摻量的增加,水泥石強(qiáng)度發(fā)展會(huì)逐漸變慢,且強(qiáng)度也隨之降低),而對(duì)有關(guān)鹽層固井水泥石力學(xué)性能及微觀機(jī)理作深入研究的成果少有報(bào)道[5]。要提高鹽層的固井質(zhì)量,提高水泥環(huán)和套管及鹽層的適應(yīng)能力,提高套管和水泥環(huán)對(duì)鹽層蠕變載荷的抵抗力,減少鹽層井段套管的損毀,必須對(duì)起支撐和加強(qiáng)套管作用的水泥環(huán)微結(jié)構(gòu)作深入研究和對(duì)鹽層水泥環(huán)的力學(xué)性能有系統(tǒng)掌握。

1 水泥石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

表1 水泥石單軸抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度

1.1 水泥石的制備

按水灰比為0.44配漿,外加劑加量以干水泥質(zhì)量為基準(zhǔn)計(jì)算,水泥漿密度均為1.9g/cm3。水泥漿遵循APⅠ標(biāo)準(zhǔn)配制,倒入模具中,放入90℃恒溫、0.1MPa水浴箱中養(yǎng)護(hù)48h得到水泥石。原漿水泥石(1#)、含鹽15%水泥石(2#)和含27%鹽水泥石(3#)(含鹽量是指工業(yè)NaCl在配漿水中的百分?jǐn)?shù))烘干后水泥石密度分別為1.78、1.93和2.01g/cm3。

1.2 水泥石單軸抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度

單軸抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度均采用YE-300壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所示。

由表1可知,2#含鹽15%水泥石的單軸抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度最大,3#含鹽27%水泥石的單軸抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度最小。這可能是由于水泥的水化反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的溶解/沉淀過(guò)程,這一過(guò)程與單一成分的水化反應(yīng)不同,各組分以不同的反應(yīng)速度同時(shí)進(jìn)行水化反應(yīng),而且不同的礦物組分彼此之間存在著互相影響。相對(duì)于1#試樣,2#試樣在水化反應(yīng)的過(guò)程中,體系含有一定量的Na+和Cl-,在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中并沒(méi)析出晶體(參見(jiàn)XRD部分),故離子進(jìn)入了水化產(chǎn)物膠凝相中,改變了膠凝相的物質(zhì)結(jié)構(gòu),故其強(qiáng)度較高。同理,相對(duì)于1#試樣,3#水泥漿中鹽含量飽和,在水化過(guò)程隨體系對(duì)水的消耗,體系析出晶體,對(duì)水泥水化反應(yīng)有一定的抑制作用,影響水泥石結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展,所以抗壓和膠結(jié)強(qiáng)度較低。

圖1 水泥石三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 水泥石三軸抗壓強(qiáng)度、楊氏模量和泊松比參數(shù)表

圖2 不同試樣的X-射線衍射(XRD)圖譜

1.3 水泥石三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果及分析

水泥石三軸壓縮試驗(yàn)采用MG-1油氣藏應(yīng)力敏感性測(cè)試儀。試驗(yàn)條件如下:圍壓(10MPa)、溫度90℃和恒速(2k N/min)加載至水泥石破壞,應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示,特征力學(xué)參數(shù)如表2所示。

由圖1可以看出,在圍壓作用下,試樣都表現(xiàn)出一定的延性,隨含鹽量增加,應(yīng)變?cè)黾?。含鹽水泥石的抗壓強(qiáng)度明顯高于原漿水泥石,其軸向微應(yīng)變也明顯好于原漿水泥石,特別是在高應(yīng)力作用下,力學(xué)變形能力更為明顯。不同試樣在壓縮過(guò)程中經(jīng)歷了壓密實(shí)、彈塑性和破壞階段,無(wú)論是原漿水泥石還是含鹽水泥石,在低應(yīng)力下水泥石均以彈性變形為主,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈直線;隨著應(yīng)力增大,應(yīng)變逐漸偏離直線發(fā)展,即在高應(yīng)力下水泥石逐漸表現(xiàn)出較強(qiáng)的塑性形變。在塑性變形階段,應(yīng)力增量很小,應(yīng)變速率卻明顯增長(zhǎng)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)試樣破壞,但比較3個(gè)樣品應(yīng)力-應(yīng)變曲線可見(jiàn),1#試樣呈現(xiàn)突然的崩裂破壞,而2#、3#試樣仍具有一定的承載能力,試樣并沒(méi)有明顯的破裂面,其破壞不再是純剪切破壞。

由表2可知,含鹽水泥石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比均高于原漿水泥石。隨著鹽含量的增加,水泥石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比均增加。3#水泥石的彈性模量最大,表現(xiàn)出脆性特征。

2 水泥石微觀結(jié)構(gòu)

2.1 水泥石的物相組成

由圖2的XRD衍射峰可見(jiàn):1#和2#水泥石物相組成為水化產(chǎn)物Ca(OH)2和未水化的礦物Ca3SiO5, 與JCPDS卡片報(bào)道的數(shù)據(jù)一致[6], 2#試樣中加入的NaCl在水化過(guò)程中,Cl-和Na+進(jìn)入了水泥膠凝相。3#水泥石物相組成為水化產(chǎn)物Ca(OH)2、未水化的礦物Ca3SiO5和NaCl晶體,與JCPDS卡片報(bào)道的數(shù)據(jù)[6]一致,可見(jiàn)一部分Cl-和Na+進(jìn)入了水泥膠凝相,另一部分隨水化反應(yīng)的進(jìn)行,過(guò)飽和結(jié)晶析出NaCl晶體。

2.2 水泥石壓汞孔徑測(cè)試

孔是水泥石微結(jié)構(gòu)中重要的組成之一。孔結(jié)構(gòu)的屬性包括孔隙度、孔徑分布、孔的形貌及孔在空間的排列狀況。水泥石是由固-液-氣組成的多相多孔體系。水泥石性能主要取決于這些成分的性質(zhì)、相對(duì)含量以及它們之間的相互作用。

壓汞測(cè)試(MⅠP)方法是近年來(lái)混凝土材料科學(xué)研究中常用的材料性能評(píng)價(jià)方法,它是根據(jù)壓入混凝土中水銀的數(shù)量與所加壓力之間的函數(shù)關(guān)系,計(jì)算孔的直徑和孔的體積[7-8]。為分析鹽對(duì)水泥石微觀孔結(jié)構(gòu)的影響,試驗(yàn)采用壓汞試驗(yàn)方法測(cè)定了1#、2#和3#水泥石的孔結(jié)構(gòu)參數(shù),試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 水泥石孔隙測(cè)試結(jié)果

從表3可知,2#和3#水泥石的孔隙度、最大孔喉半徑、孔喉中值半徑及滲透率主要貢獻(xiàn)的孔喉半徑均比較接近,比1#均有所改善。鹽的加入,對(duì)水泥石孔隙結(jié)構(gòu)的改善可能是由于鹽與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng),結(jié)合生成新的物質(zhì)填充在孔隙中。

2.3 水泥石掃描電鏡

由1#、2#和3#水泥石放大20000倍后的掃描電鏡照片(見(jiàn)圖3)可見(jiàn),1#水泥石中清晰可見(jiàn)絮狀的水泥水化膠凝相,大孔數(shù)量較多;2#水泥石中片狀的Ca(OH)2晶體和絮狀的水泥水化產(chǎn)物界面結(jié)合緊密,幾乎沒(méi)有大的孔隙存在;3#水泥石也沒(méi)有大孔分布,結(jié)構(gòu)致密,同時(shí)可見(jiàn)有細(xì)小的NaCl晶體析出。2#水泥石中連續(xù)相和分散相膠結(jié)情況比3#水泥石好,其力學(xué)性能優(yōu)異,與上面測(cè)試結(jié)果相一致。

圖3 不同試樣的掃描電鏡(SEM)形貌圖

3 鹽對(duì)油井水泥石力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)影響的機(jī)理分析

由以上強(qiáng)度和孔徑等微觀分析可知,使用含鹽15%的水泥漿固井,水泥石強(qiáng)度和膠結(jié)性能良好,微觀結(jié)構(gòu)致密;而使用含鹽27%的水泥漿固井,在水泥水化過(guò)程中,反應(yīng)掉部分水后,導(dǎo)致飽和鹽水變成過(guò)飽和而有NaCl晶體析出,在水泥漿形成強(qiáng)度的過(guò)程中,析出的鹽晶體占有一部分體積但對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很小。同時(shí),析出的晶體在濕環(huán)境下會(huì)對(duì)套管產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,直接影響油氣井長(zhǎng)期壽命。

基于滲流理論的水泥石微結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為,由隨機(jī)分布的結(jié)晶相、膠凝相(C-S-H)、孔隙及微裂縫構(gòu)成了水泥石的微觀結(jié)構(gòu)[9-10]。水泥石的力學(xué)性能決定于連續(xù)相、分散劣化相(孔隙及微裂縫)及分散增強(qiáng)膠凝相(C-S-H)在空間所占體積分?jǐn)?shù)、分布特點(diǎn)及聯(lián)結(jié)程度。一般來(lái)說(shuō),按照孔尺寸的大小,可以概略地分為凝膠孔、毛細(xì)孔及過(guò)渡孔。凝膠孔對(duì)水泥石的強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響,但凝膠水的轉(zhuǎn)移,會(huì)造成干縮和徐變。由于孔在樣品中本身并不具有強(qiáng)度,所以1#水泥石在養(yǎng)護(hù)48h之后由于孔隙較多,抗壓強(qiáng)度、彈性模量和形變能力均較差。2#和3#水泥石的共同點(diǎn)在于鹽的加入,提高了水泥石中由未水化粒子、水化產(chǎn)物組成的固相體系的強(qiáng)度,也就是說(shuō),隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,孔隙度減小,表3的測(cè)試結(jié)果也說(shuō)明了這一點(diǎn)。所以2#和3#水泥石的三軸抗壓強(qiáng)度、形變能力均比1#水泥石好,2#和3#水泥石不同點(diǎn)在于鹽加量的不同,改變了體系的物相組成,以及相界面之間結(jié)合情況,故而影響其力學(xué)性能。由此可見(jiàn),水泥石的微觀結(jié)構(gòu)一定程度上決定其力學(xué)性能。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

江漢油田王場(chǎng)東區(qū)、廣華西區(qū)和黃場(chǎng)等區(qū)塊主力油層為潛江組的第4段3油組的1、2、3號(hào)小層。儲(chǔ)層埋深約1800～2800m,儲(chǔ)量超過(guò)1000×104t,儲(chǔ)層特征表現(xiàn)為:滲透率低,隔層薄,儲(chǔ)層上下鹽膏層發(fā)育,固井質(zhì)量不好給后續(xù)增產(chǎn)措施帶來(lái)了困難。

以h1井為例,2010年以前采用常規(guī)水泥漿體系固井,如圖4所示。鹽膏層井段一、二界面固井質(zhì)量均不理想,固井質(zhì)量合格率僅為70%。2011年以來(lái)采用15%鹽水水泥漿體系24井次,如圖5所示。以h7斜-1井為例,鹽膏層井段一、二界面固井均為良好,固井質(zhì)量合格率達(dá)到97%。

圖4 h1井聲波變密度測(cè)井固井質(zhì)量評(píng)價(jià)圖

圖5 h7斜-1井聲波變密度測(cè)井固井質(zhì)量評(píng)價(jià)圖

5 結(jié)論

1)壓汞、SEM試驗(yàn)表明,鹽的加入,一定程度改善了水泥石的孔隙度和微觀結(jié)構(gòu),減少了大孔的數(shù)量; XRD試驗(yàn)結(jié)果表明,含鹽27%的水泥石中有NaCl晶體析出,在濕環(huán)境下會(huì)對(duì)套管產(chǎn)生腐蝕作用。

2)孔結(jié)構(gòu)對(duì)鹽層固井水泥石強(qiáng)度、彈性模量、泊松比和形變能力起決定性作用,其中大孔的多少和分布是一個(gè)很重要的因素,連續(xù)相和分散增強(qiáng)相界面結(jié)合情況也會(huì)影響水泥石的力學(xué)性能。

3)含鹽15%水泥石的單軸抗壓強(qiáng)度、膠結(jié)強(qiáng)度和形變能力優(yōu)于原漿和含鹽27%的水泥石,15%鹽水水泥漿在江漢油田某區(qū)塊應(yīng)用24井次,鹽膏層井段固井質(zhì)量合格率97%。

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[編輯]辛長(zhǎng)靜

TE256.6

A

1673-1409(2014)26-0070-04

2014-03-05

黃進(jìn)(1985-),男,碩士,工程師,現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)與開采技術(shù)方面的研究工作。