由表3可以看出;氮气膨胀剂加量(0.8 %(BWOC))较小时,在38℃ 的低温情况下已经显示出较明显的膨胀率(50 min时为2 %,120 min时为3 %,并且达到指标要求);在75℃ 的中温条件下,由于温度升高,膨胀剂中的发泡剂分解为气体的部分增加,致使膨胀率也随之大幅度增加(膨胀率达到13%,达到指标要求);而且,随着膨胀剂加量的增加,膨胀效果也有较大幅度的提高。
在现场施工中,要求油井水泥外加剂的性能要具有单一性,便于在现场施工中能容易地控制水泥浆的各种性能。实验室内对加入氮气膨胀剂的油井水泥的稠化性能进行评价,结果见表4。
由表4可以看出,加入氮气膨胀剂后,油井水泥的初始稠度值较低(一般在6~7 Bc),基本满足固井施工的要求。通过实验还发现,氮气膨胀剂的加入对油井水泥的稠化时间没有明显影响,说明氮气膨胀剂本身不具备缓凝性能。
1.7.2 CaCl2 对氮气膨胀剂的性能影响
图2是38℃ 时氮气膨胀剂水泥浆加CaCl2前后的膨胀性对比情况。由图2可以看出;油井水泥浆中加入18 g CaCl2 后,其膨胀效果比未加CaCl2时有较大的改善;但是加入CaCl2后,油井水泥浆的流动度降低,对水泥浆的顺利流动有所影响。
CaCl2是最常用的油井水泥促凝剂,CaCl2可以加速硅铝酸盐或石膏体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,从而加速了C3S的水化速度,同时提前出现Ca(0H)2沉淀和提前结束诱导期。
2 氮气膨胀剂作用机理
氮气膨胀剂是由氮气发气材料,稳定材料和表面活性剂组成。它的细度在0.015~0.03 mm 之间,在水泥孔隙内均匀分布,同时吸附在稳气材料表面,再经过表面活性剂的物理化学作用,使该分散体系处于高度稳定状态,当达到一定温度后,与表面活性剂反应放出氮气。由于上部受到钻井液和隔离液的压力作用,使水泥浆只有横向膨胀,有利于驱动大肚子井段的钻井液,提高顶替效果,保证固井质量;在水泥浆静止胶凝失重时,由于水泥浆内部不断有气体产生,使水泥浆拥有向外膨胀力和内部结构力,有效防止了地层气体的侵入,强化了水泥浆和地层的胶结程度,从而有效防止了气窜,提高了二界面固井质量。
图3为75℃、0.1 MPa条件下,每隔20 min测定的不同加量的膨胀剂发气情况。由图.3不难发现,在不同加量下,体系的膨胀率随时间的延长而增大,说明该膨胀剂稳定性能好,发气过程循序渐进,适应水泥浆在环空静止后,由于失重而导致的持续增加的环空压力下降,膨胀率的渐增可以弥补不断增大的重力损失,以平衡地层压力;随着水泥水化的不断进行,水泥浆体内微粒的胶凝强度不断增长,同时由于膨胀率的增大,得到的附加压力相应增大,从而改变浆体候凝中的失重特征,增加油气运移阻力,实现环空气窜;另一方面膨胀水泥浆体系由于产生体积微膨胀,有助于提高2个界面的胶结强度,补偿水泥石的体积收缩,实现层问封隔。从图3还可以看到,在50~70 min期间体系的膨胀率逐步变大,但变化量不大,这段时间恰好等于水泥浆在套管内流动及到达环空预计位置以前所需要的时间,并且在特殊情况下,如长封固段、深井等要求的到达预计位置静止以前时间较长,可通过控制膨胀剂中的发气组分,适当延长开始发气的时间,以满足不同固井工艺要求。
3 新型防气窜体系在胜利油田的应用
3.1 樊22—26井
樊22—26井是一口注水井,完井井深为3360m,油层顶位于井深2060 m,油层底位于井深3320m;一开用φ444.5 mm钻头钻至井深237 m,下入φ339.7 mm套管至井深235.06 m;二开用φ215.9mm钻头钻至井深3360 m,下入φ139.7 mm套管至井深3355.14 m,该井在井深2300 m处的最大井斜为6.3。。钻井液密度为1.30 g/cm3,粘度为60s,滤失量为5 mL,泥饼厚度为0.5 mm,pH值为8,含砂量为0.3% ,井径平均扩大率为10.79 %。
3.1.1 水泥浆性能
水泥浆配方如下。
胜维G级水泥+0.9 %S902+0.5 %膨胀剂+0.5%SUS(W/C=0.44,75℃)
水泥浆密度为1.90 g/cm3,流动度为23 cm,常压、75℃下养护24 h后抗压强度为18 MPa,水泥浆稠度达到40 Bc的时间为108 min,120 min后膨胀率为25 %,6.9 MPa下30 min的失水量为45 mL。
3.1.2 现场注水泥
樊22-26井注入3 m3隔离液后,注水泥,水泥浆最高密度为l.90 g/cm3,最低为1.66 g/cm3,平均为1.88 g/cm3;注水泥压力为6.5 MPa,替浆为38.8 m3,替浆压力为0~8 MPa,碰压20 MPa,敞压候凝36 h。声幅测井固井质量为优。
3.2 梁43-斜9井
梁43-斜9井是一口生产斜井,井深2800 m处井斜为36。,方位为360。,全角变化率为25。/m,完井井深为2943 m,下人φ139.7 mm N80套管(壁厚7.72 mm)和291根油管,总长为2850.99 m。使用聚合物钻井液体系,钻井液密度为1.20 g/cm3,粘度为54 s,滤失量为5 mL,泥饼厚度为0.5 mm,pH值为9,含砂量为0.3%,初切为2 Pa,终切为3 Pa。
3.2.1 水泥浆性能
水泥浆配方如下。
胜维G级水泥+0.8%S902+0.4% 膨胀剂+0.4%SUS(W/C=0.44。70℃)
水泥浆密度为1.90 g/cm3,流动度为23.0 cm,常压、70℃下养护24 h后抗压强度为18 MPa,水泥浆稠度达到40 Bc的时间为116 min,120 min后膨胀率为23% ,6.9 MPa下30 min失水量为68 mL。
3.2.2 现场施工
梁43-斜9井下套管后,循环钻井液,固井前注3 m3 隔离液后,注水泥,替浆,顶替压力为0~8MPa,碰压15 MPa,水泥浆最大密度为2.0 g/cm3,最小为l.25 g/cm3,平均为1.88 g/cm3,敞压候凝。候凝36 h,声幅测井固井质量为优
3.3 临2-23井
临2—23井完钻井深为1790 m,油层顶位于井深1280 m,油层底位于井深1755 m。该井井径扩大率为7.56 %。使用聚合物钻井液,钻井液密度为1.18 g/cm3,粘度为55 s,滤失量为6 mL,泥饼厚度为0.5 mm,pH值为8,含砂量为0.3 %。
3.3.1 水泥浆性能
水泥浆配方如下。
胜维G级+0.9%S902+0.4%膨胀剂+0.5%SUS+现场水(W/C一0.44,55℃)
水泥浆密度为1.90 g/cm3,流动度为23.0 cm,常压、55℃下养护24 h后抗压强度为15.5 MPa,水泥浆稠度达到40 Bc时用时127 min,120 rain后膨胀率为23% ,6.9 MPa下30 min失水量为55 mL。
3.3.2 现场施工
临2—23井下完套管后,循环钻井液,注入3 m3隔离液后,注水泥,泵压为3 MPa,水泥浆最高密度为1.96 g/cm3,最低密度为1.78 g/cm3 ,平均密度为l.89 g/cm3,10 min后替浆21.5 m3,顶压为0~8 MPa,碰压为20 MPa,施工一切正常,敞压候凝48h。候凝后声幅测井固质量为优。
氮气膨胀剂自2002年5月底推广以来,已在高压井、长封固段井及井径扩大率超标井中应用576井次,固井合格率为99.9 %,优质率为83.8% ,比同类型井固井合格率增长了3.41 %(2001年固井合格率为96.49% ),优质率增长15.96% (2001年优质率为67.84 %),避免了由于固井不合格而采取的其它补救等作业,取得了较大的经济效益。
4 结论
1.氮气膨胀剂能显著提高水泥浆体系的膨胀率,水泥浆在常压下具有较高的抗压强度,体系膨胀量可以达到25 %,对抗压强度影响不大(常压)。
2.氮气膨胀剂对水泥浆体系的流变性、稠化时间没有影响,与S902降失水剂配伍性好,并具有很好的抗盐能力。
3.新型防气窜水泥浆体系能够提高二界面的封固质量,直角稠化性能好,具有双重防气窜作用。
4.该体系即可以干混也可以湿混,使用方便。
原作者: 孙凌 吕容平 蔡涛 齐志刚