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一種經(jīng)濟型低密度水泥漿體系的開發(fā)與應(yīng)用

2022-05-28 15:20:24侯亞偉許前富王義昕陳宇
當代化工研究 2022年9期
關(guān)鍵詞:水泥石固井低密度

*侯亞偉 許前富 王義昕 陳宇

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學研究院 河北 065201)

海內(nèi)外各類低壓易漏失復(fù)雜油氣井廣泛分布,低密度水泥漿的應(yīng)用越來越普遍。目前常用成熟的低密度水泥漿體系有兩種:一種以空心微珠為減輕材料配制水泥漿,優(yōu)點是可根據(jù)需求配制不同低密度的水泥漿且水泥漿性能優(yōu)異,缺點是水泥漿成本高;一種是利用傳統(tǒng)減輕材料如膨潤土、粉煤灰等配制的水泥漿,雖然成本較低,但是水泥漿密度一般為1.5g/cm3以上,且水泥漿穩(wěn)定性差、強度低,尤其是低溫性能差,無法滿足市場施工需求[1-3]。

近年來,油氣田開發(fā)降本增效的壓力逐漸增大,因此開發(fā)性能適宜的經(jīng)濟型水泥漿體系具有重要的現(xiàn)實意義。本研究采用具有吸水性能較強、比表面積大、水化反應(yīng)快的材料開發(fā)了多功能材料C-P10,并以C-P10為核心材料輔以外摻料和功能性外加劑開發(fā)經(jīng)濟型低密度水泥漿體系。構(gòu)建的1.40~1.55g/cm3水泥漿體系成本低,配方簡單,性能滿足一般低壓漏失地層技術(shù)套管固井。

1.實驗部分

(1)材料準備

實驗材料包括G級油井水泥(SD‘G’),降失水劑C-FL83L、增強劑C-BT1、早強劑C-A93L、消泡劑C-X60L等固井外加劑。

針對經(jīng)濟型低密度水泥漿體系需水量大,固相含量低導致水泥漿不穩(wěn)定、水泥石強度發(fā)展慢的問題,中海油服開發(fā)出具備高懸浮性能、早強性能、促凝性能的多功能添加劑C-P10。該添加劑由硅氧晶體組成的層狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)A,小粒徑、高比表面積的活性材料B,納米級活性材料C構(gòu)成。

物質(zhì)A是一種由硅氧晶體組成的層狀結(jié)構(gòu)物質(zhì),具有較強吸水性,能吸收自身體積20倍的水,吸水后在水中成膠態(tài),具有一定黏滯性和觸變性,同時其層間存在大量金屬、非金屬陽離子,有較強的離子交換能力和吸附性能,有利于提高體系的懸浮穩(wěn)定性,在提高液固比的同時能夠有效控制游離液和穩(wěn)定性。

物質(zhì)B是一種反應(yīng)速度較快的材料,有利于增加水泥早期水化反應(yīng)速率,促進水化反應(yīng)的進程,增加體系鈣礬石的數(shù)量有利于早期強度的發(fā)展,同時還可以與體系中的聚合物降失水劑發(fā)生鰲合,從而增加體系穩(wěn)定性。

物質(zhì)C是一種納米尺寸具有高比表面積的活性材料,需水量較高,同時能加速水泥水化反應(yīng),同時與水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠,加速水化反應(yīng)向正向進行,在增加水化產(chǎn)物數(shù)量的同時還能夠填充水泥硬化體中的細小空隙,形成的結(jié)構(gòu)均勻致密,改善水泥石的力學性能[4-5]。

(2)實驗儀器

美國TA公司TAM air水化熱分析儀,美國Chandle公司8040型增壓稠化儀和3500LS旋轉(zhuǎn)粘度計,DFC-0705S型高溫高壓失水儀,YJ-2001型勻加荷壓力試驗機等。

(3)實驗方法

水泥漿配方如下:

配方A:100%SD‘G’+20%C-BT1+X%C-P10+8%C-FL83L+1%C-A93L+0.25%C-X60L+自來水,水泥漿密度為1.4g/cm3。

配方B:100%SD‘G’+15%C-BT1+X%C-P10+6%C-FL83L+0.6%C-A93L+0.25%C-X60L+自來水,水泥漿密度為1.55g/cm3。

在不同溫度、加量等條件下,分別考察了C-P10對構(gòu)建的低密度水泥漿的穩(wěn)定性、抗壓強度、稠化性能等性能的影響。

2.結(jié)果與討論

(1)C-P10對水泥漿穩(wěn)定性影響

本研究構(gòu)建的低密度經(jīng)濟型水泥漿中并未添加任何空心微珠等減輕材料,而是依靠提高配降水用量來降低漿體密度。隨著配漿水量提高,水泥漿穩(wěn)定性下降,從而出現(xiàn)自由液增多,上下密度差變大的現(xiàn)象。

表1 C-P10對水泥漿穩(wěn)定性的影響Tab.1 Effect of C-P10 on slurry stability

水泥漿配方:100%SD‘G’+15%C-BT1+X%C-P10+Y%CFL83L+3+0.6%C-A93L+0.25%C-X60L+自來水。

從表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),體系中同時含有減輕劑C-P10與降失水劑C-FL83L時,水泥漿自由液明顯減少,流變性讀數(shù)提高,水泥石上下密度差也逐步縮小,這說明水泥漿穩(wěn)定性得到很大改善。構(gòu)建的體系可以有效控制自由水<1%,上下密度差小于0.02g/cm3,滿足固井的施工要求。

(2)C-P10對水泥漿流變性能的影響

表2 C-P10對水泥漿流變性能的影響Tab.2 Effect of C-P10 on rheological property

從表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),不同溫度下,隨著C-P10加量的提高,水泥漿的低轉(zhuǎn)速讀數(shù)增大明顯,但高轉(zhuǎn)數(shù)讀數(shù)較低。表明C-P10可以有效提高水泥漿的切力和水泥漿的穩(wěn)定性。水泥漿較低的高轉(zhuǎn)速讀數(shù),保證了水泥漿在泵送過程中磨阻較低。

(3)C-P10對水泥石強度的影響

對于低密度水泥漿,水泥石抗壓強度是衡量水泥漿能否施工的重要指標,采用配方B,在不同的溫度下,研究了C-P10對水泥石強度的影響。

表3表明,在不同溫度下,水泥石強度均隨著C-P10加量增多而增大。隨著加量的增加水泥石強度緩慢增加。C-P10在一定加量范圍內(nèi)可以有效提高水泥石強度,但是隨著加量增大,C-P10的促凝作用達到飽和,部分C-P10不再參與水泥早期水化,無法進一步起到提高早期強度效果。圖1表明相同溫度下,水泥石的抗壓強度隨著C-P10加量的增加而逐漸增加。

表3 不同C-P10加量下1.55g/cm3水泥石抗壓強度Tab.3 Compressive strength of 1.55g/cm3 cement set with different dosage of C-P10

圖1 同一溫度(40℃)不同加量C-P10對水泥石抗壓強度的影響變化規(guī)律Fig.1 The influence of C-P10 on the compressive strength of cement set at the same temperature(40℃)with different dosage

(4)C-P10對水泥漿稠化時間的影響

C-P10在不同加量時對水泥漿稠化時間的影響如圖3所示。

圖2 C-P10加量對水泥漿稠化時間的影響Fig.2 Influence of C-P10 on thickening time of cement slurry with different dosage

由圖2可以看出,不同溫度下,水泥漿的稠化時間隨著C-P10的加量增大而縮短,C-P10具備較好的促凝性能,可以有效促進水泥漿的水化,低溫下可將稠化時間從418min縮短至226min左右,大大提高了低溫下水泥漿稠化時間的可調(diào)性。

圖3緩凝劑加量對水泥漿稠化時間的影響表明,水泥漿的稠化時間隨緩凝劑加量增大而規(guī)律性延長,具備良好的可調(diào)性,認為C-P10的促凝性能并未破壞緩凝劑的作用,較高溫度下可以通過添加緩凝劑的方法調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時間。

圖3 緩凝劑加量對水泥漿稠化時間的影響(50℃)Fig.3 Effect on thickening time of cement slurry(50℃) with different retarder dosage

(5)水泥漿綜合性能

以C-P10構(gòu)建的1.4~1.5g/cm3水泥漿的基本性能如表4。

表4 1.4~1.55g/cm3水泥漿基礎(chǔ)性能Tab.4 Basic performance of 1.4~1.55g/cm3 cement slurry

圖4 1.4g/cm3水泥漿稠化曲線Fig.4 Thickening curve of 1.4 g/cm3 cement slurry

3.現(xiàn)場應(yīng)用

由于渤海海域各區(qū)塊水深均較淺,約為數(shù)十米,對表層固井水泥漿性能的要求較低,表層固井過程中,多采用領(lǐng)尾漿配合固井,其中領(lǐng)漿主要起填充功能,一般水泥漿密度需滿足密度1.4~1.6g/cm3,稠化時間4~6h可調(diào),24h水泥石強度不小于6.9MPa,API失水小于100ml,自由水小于1%,循環(huán)溫度大多介于20~50℃。如采用常規(guī)的空心微珠配制的水泥漿雖然水泥漿性能好,但通常價格很高,成本回報率低,使用以C-P10為主要材料的低密度水泥漿體系作為領(lǐng)漿在渤海灣岐口(QK)18-XX井進行了首次應(yīng)用。

岐口(QK)18-XX井完鉆井深為573m,完鉆鉆井液密度為1.16g/cm3,一開固井,φ17-1/2”井眼,下入φ13-3/8”套管,井底BHCT/BHST為28℃/35℃,尾漿采用常規(guī)的1.9g/cm3水泥漿(水灰比0.44),領(lǐng)漿采用水泥漿密度為1.5g/cm3,要求稠化時間4~5h,低密度水泥漿性能如表4所示,滿足領(lǐng)漿固井需求,固井結(jié)束后,電測固井質(zhì)量優(yōu)。

表5 經(jīng)濟型低密度水泥漿性能Tab.5 Performance of cement slurry with low cost and low density

以C-P10為主要材料配制的低密度水泥漿體系,因主要依賴水為減輕材質(zhì),大幅降低空心材料的添加量,使得水泥漿成本大幅降低,且性能良好,具備很好的現(xiàn)場應(yīng)用價值。

4.結(jié)論

(1)C-P10在提高水泥漿液固比的同時還有助于體系穩(wěn)定和水泥石強度發(fā)展,可將其作為減輕劑配制低密度水泥漿。

(2)C-P10原料來源廣泛,市場價格低,可減少甚至不使用高成本的人造微珠構(gòu)建水泥漿體系,從而顯著降低體系成本。

(3)以C-P10為核心構(gòu)建的1.40~1.55g/cm3經(jīng)濟型低密度水泥漿各項技術(shù)性能均滿足施工要求。該體系的現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果良好,可以推廣使用。

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