氮氣膨脹劑的研究與應用

 
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(zhì)率達到85% ,合格率達到了100 %,取得了較好的經(jīng)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(zhì)量
 
 
  固井后環(huán)空竄流一直是影響產(chǎn)能評價、注水效果和油氣井產(chǎn)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(nèi)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廈性能
11 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。
 
111 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(nèi),使水泥石在常壓下也具有很高的抗壓強度。
 
112 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(jīng)特殊工藝加工而成的添加劑。加到水泥漿內(nèi)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。
 
113 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(nèi)部結構的束縛水變成自由水,從而提高了漿體的流動性。
 
12 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(chǎn)生輕度膨脹,一方面可以補償水泥石收縮引起的膠結質(zhì)量差,提高膠結強度;另一方面,通過發(fā)氣組分產(chǎn)生的氮氣,補充水泥漿重力損失,防止地層流體的侵入。
 
    
 
13 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l,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。
 
    
 
14 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(chǎn)生體積收縮,從而導致固井時水泥環(huán)中產(chǎn)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(jīng)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。
 
15 氮氣膨脹荊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(nèi)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。
 
16 氮氣膨脹劑與降失水荊的配伍性考察
 
  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。
 
17 氮氣膨脹劑的抗鹽性
171 NaCI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。
 
    
 
    
 
172 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(OH)2 的溶解度,從而加速了C3S的水化速度,同時提前出現(xiàn)Ca(0H)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(nèi)均勻分布,同時吸附在穩(wěn)氣材料表面,再經(jīng)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(qū)動大肚子井段的鉆井液,提高頂替效果,保證固井質(zhì)量;在水泥漿靜止膠凝失重時,由于水泥漿內(nèi)部不斷有氣體產(chǎn)生,使水泥漿擁有向外膨脹力和內(nèi)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(zhì)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(nèi)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(chǎn)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)層問封隔。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(nèi)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
31 22—26
 
  樊22—26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φ339.7 mm套管至井深235.06 m;二開用φ215.9mm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,pH值為8,含砂量為0.3% ,井徑平均擴大率為10.79 %。
 
311 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的失水量為45 mL。
 
312 現(xiàn)場注水泥
 
  樊22-26井注入3 m3隔離液后,注水泥,水泥漿最高密度為l.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(zhì)量為優(yōu)。
 
32 43-斜9
 
  梁43-斜9井是一口生產(chǎn)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,下人φ139.7 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,pH值為9,含砂量為0.3%,初切為2 Pa,終切為3 Pa。
 
321 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。
 
322 現(xiàn)場施工
 
  梁43-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l.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(zhì)量為優(yōu)
 
33 2-23
 
  臨2—23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,pH值為8,含砂量為0.3 %。
 
331 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一0.44,55℃)
 
  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 rain后膨脹率為23% ,6.9 MPa下30 min失水量為55 mL。
 
332 現(xiàn)場施工
 
  臨2—23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l.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48h。候凝后聲幅測井固質(zhì)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(zhì)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(zhì)率增長15.96% (2001年優(yōu)質(zhì)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(jīng)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(zhì)量,直角稠化性能好,具有雙重防氣竄作用。
 
  4.該體系即可以干混也可以濕混,使用方便。
 
原作者: 孫凌 呂容平 蔡濤 齊志剛

(中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉載請注明出處)

編輯:

監(jiān)督:0571-85871667

投稿:news@ccement.com

本文內(nèi)容為作者個人觀點,不代表水泥網(wǎng)立場。聯(lián)系電話:0571-85871513,郵箱:news@ccement.com。

最新評論

網(wǎng)友留言僅供其表達個人看法,并不表明水泥網(wǎng)立場

暫無評論

發(fā)表評論

閱讀榜

2024-12-23 08:19:10