氮氣膨脹劑的研究與應(yīng)用
2006-08-07 00:00
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(qiáng)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(jié)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(qiáng)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(yīng)用，固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)到85% ，合格率達(dá)到了100 %，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
關(guān)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(fù)雜，油藏特征差異大，井下復(fù)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(shù)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(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究和分析，并在室內(nèi)實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了氮氣膨脹水泥漿的現(xiàn)場應(yīng)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
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(hù)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(qiáng)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(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(jié)在一起形成結(jié)構(gòu)。當(dāng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(hù)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(bǔ)償水泥石收縮引起的膠結(jié)質(zhì)量差，提高膠結(jié)強(qiáng)度；另一方面，通過發(fā)氣組分產(chǎn)生的氮氣，補(bǔ)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(yán)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(qiáng)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(chǎn)生體積收縮，從而導(dǎo)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(jìn)行了膨脹率的測定，結(jié)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(dá)到指標(biāo)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(dá)到13%，達(dá)到指標(biāo)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(jìn)行評價，結(jié)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荊的配伍性考察
對氮氣膨脹劑與S902降失水劑的配伍性進(jìn)行評價，結(jié)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 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。
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（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(jié)束誘導(dǎo)期。
2 氮氣膨脹劑作用機(jī)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(xì)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(xué)作用，使該分散體系處于高度穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到一定溫度后，與表面活性劑反應(yīng)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(jié)構(gòu)力，有效防止了地層氣體的侵入，強(qiáng)化了水泥漿和地層的膠結(jié)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(jìn)，適應(yīng)水泥漿在環(huán)空靜止后，由于失重而導(dǎo)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(bǔ)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(jìn)行，水泥漿體內(nèi)微粒的膠凝強(qiáng)度不斷增長，同時由于膨脹率的增大，得到的附加壓力相應(yīng)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(jié)強(qiáng)度，補(bǔ)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(dá)環(huán)空預(yù)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(dá)預(yù)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(dāng)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(yīng)用
3．1 樊22—26井
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(kuò)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(hù)24 h后抗壓強(qiáng)度為18 MPa，水泥漿稠度達(dá)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。
3．1．2 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)。
3．2 梁43-斜9井
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。
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(hù)24 h后抗壓強(qiáng)度為18 MPa，水泥漿稠度達(dá)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)
3．3 臨2-23井
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(kuò)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 %。
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(hù)24 h后抗壓強(qiáng)度為15．5 MPa，水泥漿稠度達(dá)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。
3．3．2 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(kuò)大率超標(biāo)井中應(yīng)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(bǔ)救等作業(yè)，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。
4 結(jié)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(qiáng)度，體系膨脹量可以達(dá)到25 %，對抗壓強(qiáng)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
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