触变性水泥浆体系研究与应用进展

第37卷第4期2009年7月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁石󰀁󰀁油󰀁󰀁钻󰀁󰀁探󰀁󰀁技󰀁󰀁术PETROLEUM󰀁DRILLING󰀁TECHNIQUES󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol󰀁37,No󰀁4Jul.,2009󰀁󰀁

收稿日期:2009󰀁01󰀁04;改回日期:2009󰀁06󰀁01作者简介:步玉环(1966󰀁),女,山东茌平人,1988年毕业于石油大学(华东)钻井工程专业,2005年获中国石油大学(华东)油气井工程专业博士学位,教授,硕士生导师,现主要从事油气井工程方面的教学与科研工作。联系电话:(0546)8394360󰀁管理与发展󰀁

触变性水泥浆体系研究与应用进展

步玉环1󰀁尤󰀁军1,2󰀁姜林林1(1󰀁中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营󰀁257061;2󰀁中国石油集团渤海钻探工程有限公司第二固井分公司,天津塘沽󰀁300457)摘󰀁要:触变性水泥浆具有良好的触变性,易充满漏失层,被认为是目前解决恶性井漏问题的一项重要技术手段。笔者在调研触变性水泥浆的应用和研究的基础上,得出了改善水泥浆触变特性的机理,并依据该理论提出了一种新型的具有强触变特性的水泥浆。室内初步试验研究表明:强触变性水泥浆具有较好的触变性和流动性;在静止状态下,能较快形成高静胶凝强度;75󰀁温度下失水量为81mL,24h抗压强度达到19󰀁4MPa,游离液量达到0󰀁8%以下,均满足固井要求。该触变性水泥浆对于解决钻井完井过程中出现的裂缝性、溶洞性漏失难题有重要的现实意义。关键词:水泥浆;触变性;堵漏;凝胶中图分类号:TE256+󰀁7󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1001󰀁0890(2009)04󰀁0110󰀁05目前,我国石油勘探开发中遇到的海相沉积储层越来越多,该储层孕育着大量的裂缝和孔洞,无论是钻井还是固井都面临着海相地层严重井漏的问题[1]。触变性水泥浆在注入顶替过程中是稀的流体,泵送停止后则迅速形成具有刚性、能自身支持的凝胶结构,从而可以有效解决漏失问题。因此,触变性水泥浆被认为是目前解决恶性井漏问题的一项重要技术手段。笔者在调研触变性水泥浆的应用和研究的基础上,得出了改善水泥浆触变特性的机理,并依据该理论提出了一种新型具有强触变特性的水泥浆。1󰀁触变性水泥浆的应用目前,触变性水泥浆主要用于以下条件下的固井作业中[2󰀁4]:1)适用于漏层的注水泥作业和处理钻井过程中的井漏;2)在一定条件下可以防止气窜的发生;3)在渗透地层进行补救挤水泥时,可以采用触变性水泥浆作为先导浆,以达到增加挤注压力和提高挤水泥成功率的目的;4)适用于薄弱地层的固井作业;5)修补破裂或被腐蚀的套管。1󰀁1󰀁采用触变性水泥浆进行堵漏作业[5]1994󰀁1995年,长庆油田使用微硅低密度触变性水泥浆解决了陇东地区固井中洛河层漏失的问题。181口井的固井应用表明,触变性水泥浆使地层承压能力提高了0󰀁07~0󰀁18kg/L;水泥浆返高的合格井为179口;洛河层的声幅测井总合格率由1993年的44󰀁0%提高至76󰀁2%。2001年,胜利油田的3口井分别在876󰀁6~885󰀁9、1100󰀁0~1240󰀁0、1142󰀁0~1152󰀁0m处发生了严重套管漏失,采用触变性水泥进行套管堵漏后,对3口井试压15MPa,稳定10min不降,达到生产要求,完全恢复产能。1󰀁2󰀁利用触变性水泥浆改善挤水泥作业挤水泥作业中常遇到的问题是设法封固一些低压产层的射孔孔眼。Purdy油田的产油层主要集中在Hart和Springer两个砂岩层。过去采用双油管完井,两层间用封隔器隔开。现Hart层产能逐渐降低,故决定挤入触变性水泥浆封堵其射孔孔眼而集中开采Springer层。5口井的作业结果表明,利用触变性水泥浆进行挤水泥作业切实可行,减少了用其他水泥进行同样施工所带来的注水泥塞的麻烦,节约了时间和施工费用。1󰀁3󰀁应用触变性水泥浆防止气窜Arco公司应用触变性水泥浆在得克萨斯Per󰀁mian盆地的油井防窜中取得了极大的成功[6]。该地区过去用低失水水泥浆固井,曾多次发生气窜和层间串通,此外由于胶结不良导致酸化作业时挤入的酸液进入射开的下部井段后,沿水泥环内部的沟槽窜入环空,大大限制了油井产量。为解决上述问题,采用了具有󰀁短过渡时间󰀁和󰀁强触变能力󰀁的LXT水泥浆,在连续8口井的施工中获得成功。水泥胶结测井曲线表明,该水泥浆改善了气层上、下水泥环的胶结状态,且减少了射孔作业中的气窜问题,也提高了酸化增产措施的成效,从而提高了油井产量。由此可知,触变水泥对于解决我国油气井固井作业中普遍存在的水泥浆上返和环空气窜等问题有较好的应用前景。2󰀁水泥浆触变特性的研究现状2󰀁1󰀁水泥浆触变剂的研究2󰀁1󰀁1󰀁无机类触变剂常见的无机类触变剂有膨润土、硫酸钙、硫酸铝/硫酸亚铁等。黏土基水泥浆[7]󰀁含有吸水膨胀黏土(如膨润土)的波特兰水泥浆,可产生胶凝强度,并呈现出一定程度的触变性能。硫酸盐类水泥浆[8]󰀁比较常见的硫酸盐类水泥浆主要包括硫酸钙水泥浆和硫酸铝与硫酸亚铁水泥浆。硫酸钙与硫酸铝均能够反应生成钙铝钒,促进水泥颗粒之间较大的自然结合,从而形成网状或凝胶结构。当搅拌时,网状结构很容易破坏,水泥浆又转变为流体状态。硫酸钙半水化合物的水泥浆具有触变性以及很好的抗硫酸盐性。RFC水泥浆[9]󰀁RFC(regulatedfill󰀁upcement,堵漏速凝水泥浆)是道威尔公司开发的一种触变性水泥浆。该水泥浆中加入了触变剂D53或D111,D53与水泥中的C3A反应,形成胶凝结构,该水泥浆触变性较强。延迟触变性水泥浆[10]󰀁延迟触变性水泥浆采用由碳酸和碱金属碳酸盐组成的触变剂。该触变剂能与C3A水解产生的Ca2+发生反应而产生细小的碳酸钙胶状颗粒,改变水泥浆的黏度,从而改善水泥浆的触变性,水泥浆的触变性会在其组分混合大约5min后表现出来,但其触变性能一般。2󰀁1󰀁2󰀁可交联的聚合物类触变剂可交联的聚合物类触变剂,包括以锆等过渡金属作交联剂和用钛螯合物作交联剂的改性纤维素体系。1)LXT水泥浆[6],即胶乳膨胀触变性水泥浆。该水泥浆触变能力强,凝结过程中体积膨胀,有助于充满环空和控制井漏,并能改善层间封隔效果。2)用钛螯合物作交联剂的防漏失、防气窜触变性水泥浆[8,11󰀁12]。大多数螯合物尤其是钛螯合物是很好的交联剂。有代表性的钛交联剂主要有:间戊二酮钛螯合剂󰀁(CH3)2CHO2Ti[OC(CH3)=CHCOCH3]2;乳酸钛螯合剂󰀁(HO)2Ti(OCH(CH3)COO-)2][M+]2,式中M+可为H原子、碱金属阳离子和NH4+等;三乙醇胺钛螯合剂󰀁CH3)2CHO]2Ti[OCH2CH2N(CH2CH2OH)2]2,被交联物质采用水溶性纤维素衍生物或聚乙烯醇。其中,钛鳌合物对稠化时间的影响小,易在低密度水泥浆中获得触变性。3)采用混合金属层状氢氧化物作交联剂的触变性水泥浆以混合金属层状氢氧化物为主触变剂,改性纤维素+磺化醛酮缩合物为触变剂[11]。该水泥浆触变性很强,75󰀁、24h抗压强度达到15󰀁3MPa。4)用锆、钇等过渡金属元素作交联剂的触变性水泥浆[13󰀁14]主要用于挤水泥作业中封固油气井套管,它以高价金属离子与水溶性纤维素酯反应生成触变剂。2󰀁2󰀁改善水泥浆触变特性机理的研究通过调研得出了目前所用触变剂改善水泥浆触变性的机理:1)触变剂或者其水化产物能够与水泥中的C3A发生反应,生成钙铝钒晶体,从而促使水泥颗粒之间较大的自然结合,形成网状或凝胶结构,当搅拌时,网络结构很容易被破坏,水泥浆又转变为流体状态;2)水泥浆中的主触变剂和触变剂发生反应形成网络结构,同时水泥胶粒发生缔合,受到剪切网络结构被破坏,水泥浆恢复流动性,剪切停止,重新形成网络结构。由此可知,触变剂改善水泥浆触变性能的机理󰀁111󰀁第37卷第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁步玉环等:触变性水泥浆体系研究与应用进展在于其自身能够形成网络结构或者能够与水泥浆中的成分反应形成胶凝结构,在浆体静止不动时水泥浆发生胶凝,一经搅动或摇动,已经胶凝的浆体又重新获得流动性,若再静止又重新凝固,从而改善水泥浆的触变性能。3󰀁目前触变性水泥浆存在的不足3󰀁1󰀁触变性水泥浆的性能不足3󰀁1󰀁1󰀁无机类触变剂1)触变性能较差。黏土基水泥浆、硫酸铝与硫酸亚铁水泥浆与延迟触变性水泥浆的触变性较差。2)失水量大。硫酸钙半水化合物的水泥浆与大多数降失水剂不配伍。3󰀁1󰀁2󰀁可交联的聚合物类触变剂1)钛螯合物作交联剂的触变性水泥浆对温度较敏感,75󰀁、24h抗压强度仅为11󰀁9MPa。2)采用混合金属层状氢氧化物作交联剂的触变性水泥浆,25󰀁、0󰀁7MPa下失水量约300mL,75󰀁、7󰀁0MPa下失水量约1500mL。3)用锆、钇等过渡金属元素作交联剂的触变性水泥浆触变性改善有限,尤其在高温和低密度水泥浆中,不易获得触变性,不易控制胶凝强度的发展。3󰀁2󰀁改善水泥浆触变性机理研究的不足1)目前有关触变剂反应机理研究的文献资料很少,尤其是关于可交联的聚合物类触变剂的研究更少,并且已有文献对触变剂所形成结构的研究仅限于浅层分析,缺乏系统的化学表征与分析;对于触变剂在水泥浆中的反应机理还未见报道。2)对于改善水泥浆触变性能的机理研究缺乏理论支撑,对于触变剂对触变水泥水化过程以及触变水泥浆长期性能的影响规律的研究还不够深入。4󰀁新型强触变性水泥浆的研究4󰀁1󰀁新型触变剂概念提出的理论基础目前,调剖堵水中常见的聚丙烯酰胺类堵剂均为具有网络结构的冻胶型堵剂[15󰀁19]。根据前期对改善水泥浆触变性机理的调研可知,将冻胶作为触变剂在理论上是可行的。然而将聚丙烯酰胺类冻胶应用于水泥浆中,最大的障碍在于其成胶过程需要在低矿化度的水溶液中进行,而水泥浆均为高矿化度流体。高矿化度会增大聚合物的空间位阻,使其不易成胶。若直接采用丙烯酰胺单体与触变副剂反应形成冻胶,则会避免其成胶过程受矿化度影响较大的问题的出现。因此,丙烯酰胺类冻胶更适合作为水泥浆的触变剂,并且其结构相对于传统冻胶来说更加致密。4󰀁2󰀁新型触变性水泥浆前期试验研究触变性水泥浆配方:胜潍G级水泥+5󰀁00%丙烯酰胺+0󰀁05%触变副剂+0󰀁05%引发剂SG+0󰀁40%分散剂+0󰀁40%降失水剂,水灰比0󰀁44。4󰀁2󰀁1󰀁触变性研究水泥浆的触变性是指搅拌后水泥浆变稀,静置后水泥浆变稠的特性。试验中将配置好的触变水泥浆进行静置、剪切、静置、高速剪切后,分成两部分,一部分用来观察其流动性的变化;同时采用薄刀片水平切割法对另一部分水泥浆的静胶凝强度进行测定[20],试验结果为:触变性水泥浆静置10min后静胶凝强度发展迅速,达到198󰀁702Pa,流动性变差,见图1(a);经过高速搅拌后,其静胶凝强度降低,降至23󰀁366Pa,流动性变好,见图1(b);将触变性水泥浆继续静置20min后,静胶凝强度仍然发展迅速,达到587󰀁318Pa,从而导致流动性变差,见图1(c);再次将触变水泥浆进行高速搅拌后,其静胶凝强度大大降低,静胶凝强度值仅为24󰀁437Pa,流动性变好,见图1(d)。由此可知,该新型触变剂的加入能够得到触变性能良好的水泥浆。

图1󰀁新型触变水泥浆触变性测试4󰀁2󰀁2󰀁触变性水泥浆常规性能研究对强触变性水泥浆的流变性能、常压稠化性能、󰀁112󰀁石󰀁󰀁油󰀁󰀁钻󰀁󰀁探󰀁󰀁技󰀁󰀁术󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2009年7月