摘 要: 國內(nèi)外利用顆粒級(jí)配和緊密堆積理論研究開發(fā)了1. 20～1. 65 g/ cm3 的低密度水泥漿體系,解決了固井中的技術(shù)難題,取得了比較滿意的效果。隨著勘探開發(fā)復(fù)雜古潛山油藏、海相碳酸巖鹽裂縫油藏,保護(hù)油層、保護(hù)套管的需要,對(duì)水泥漿提出了更高的要求。特別是超深井、高溫度、長(zhǎng)封固、平衡壓力固井施工,要求水泥漿超低密度、高強(qiáng)度、體積不收縮。目前,國內(nèi)外還沒有水泥漿密度低于1. 10 g/ cm3 的超低密度體系的應(yīng)用報(bào)道。通過采用美國3M公司的高強(qiáng)低密度人造空心微珠,進(jìn)行了超低密度水泥漿體系的試驗(yàn),在水泥漿密度達(dá)到1. 04～1. 10g/ cm3 時(shí),依然具有較高的強(qiáng)度和較好的水泥漿性能,可以應(yīng)用到超深井、超長(zhǎng)封固的固井施工中。
關(guān)鍵詞: 低密度; 超低密度; 水泥漿體系; 空心玻璃微珠
中圖分類號(hào): TE 256. 6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1006 - 768X(2006) 06 - 0107 - 04
一、低密度水泥漿體系的現(xiàn)狀
近年來,國外科研機(jī)構(gòu)利用顆粒級(jí)配充填堆積理論,采用多種低密度材料復(fù)配,通過不同的水泥漿外加劑的調(diào)節(jié),研究開發(fā)了1. 20～1. 65 g/ cm3 不同密度的水泥漿體系[ 1 ] 。目前,應(yīng)用的低密度水泥漿體系有粉煤灰體系、膨潤(rùn)土體系、礦渣體系、珍珠巖體系、泡沫體系等等。每種體系各有其優(yōu)缺點(diǎn),不論哪種低密度水泥漿體系,必須較好地解決低密度材料上浮,保證漿體的穩(wěn)定性。必須摻入一定量的穩(wěn)定劑,防止水泥漿的分層。要選擇較好的不同粒徑的材料,相互配合充填粒徑間的空隙,緊密堆積以提高其抗壓強(qiáng)度。近年來,已經(jīng)應(yīng)用的低密度水泥漿體系形成的水泥石的強(qiáng)度大幅度提高,在48 h后強(qiáng)度能達(dá)到14 MPa。但是目前還沒有水泥漿密度低于1. 10 g/ cm3 的報(bào)道。
二、各種低密度材料的性能和優(yōu)選
(1)粉煤灰:是火力發(fā)電廠煤粉燃燒熔融后排出的粉末狀廢物,具有火山灰特性的微細(xì)灰。主要成分為SiO2 和Al2O3 ,粒徑范圍為0. 5～300μm,密度為2. 0～2. 50 g/ cm3 ,價(jià)格便宜,購買方便。
(2)微硅:生產(chǎn)硅鋼或鐵合金生產(chǎn)過程中分離出來的一種副產(chǎn)品,主要成分是SiO2 ,平均粒徑0. 10～0. 15 μm,具有較大的比表面積。密度2. 50 g/cm3 ,能使水泥石滲透率下降,提高抗腐蝕性能[ 2 ] 。
(3)海泡石:是一種白色質(zhì)輕纖維狀富鎂硅酸鹽礦物,由硅氧四面體和鎂氧八面體組成。主要成分為SiO2 和MgO,其結(jié)構(gòu)中存在一系列晶道,具有極大的比表面積,密度一般為1. 30～2. 10 g/ cm3 ,熱穩(wěn)定性好,抗鹽性好[ 2 ] 。
(4)珍珠巖: 屬于火山玻璃質(zhì)熔巖,主要成分SiO2 ,為白色或淺灰色顆粒,縐褶的蜂窩結(jié)構(gòu),含有大量的空隙,具有較大的膨脹性。密度2. 40 g/ cm3 ,堆積密度0. 10～0. 2 kg/m3 ,可存比自重高5～6倍的水分。研磨成20～30目的顆粒,能形成膨脹珍珠巖水泥漿體系,具有減輕和降失水的良好性能[ 3 ] 。但易上浮,需要選擇與其配伍的穩(wěn)定劑。
(5)漂珠:粉煤灰在水中漂浮起來的球狀顆粒,曬干后即成漂珠,具有密閉、粒細(xì)、質(zhì)輕、壁薄、活性等性能。它的視密度只有0. 7 g/ cm3 左右,用漂珠配制的低密度水泥漿可以達(dá)到較低的密度。但是,由于漂珠本身的強(qiáng)度較低,而且漂珠外殼本身的壁厚和形狀的差異,在一定壓力和混漿泵的攪拌下容易破碎。
(6)人造空心玻璃微球: HGS中空玻璃微球是美國3M公司人工制造的空心微珠,是一種堿性硅硼酸鈣鹽,不溶于水和油,平均直徑90 μm,壁厚2～3μm,耐高溫,化學(xué)穩(wěn)定,破碎壓力14～124MPa,能降低流體的粘度,改善流動(dòng)性,較高的強(qiáng)度和不可壓縮性。其拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、楊氏模量均優(yōu)于漂珠。另外HGS中空玻璃微球水泥漿體系在凝固時(shí),收縮率非常低,能保證較好的膠結(jié)強(qiáng)度。目前國內(nèi)已經(jīng)可以生產(chǎn)人造的空心玻璃微珠,并有產(chǎn)品銷售,但是性能與國外還有差距。
人造高強(qiáng)度空心微珠的誕生,為超低密度水泥漿體系的開發(fā)提供了條件。
三、3M公司HGS空心微珠性能
3M公司已經(jīng)形成了系列空心微珠產(chǎn)品,是惰性物質(zhì),不溶于油和水。具有良好的耐溫性和高強(qiáng)度,最高耐溫600℃,最高抗壓強(qiáng)度124 MPa (見表1) ,這就意味著超低密度水泥漿可以適應(yīng)更深的油井和超深井使用。
通過表1中的數(shù)據(jù),根據(jù)不同井深的油藏壓力和不同的水泥封固段,可以選擇不同級(jí)別的產(chǎn)品,滿足工程的需要。
用HGS空心玻璃微球作水泥漿減輕劑可使水泥漿密度降到0. 90 g/ cm3 ,而且由于破碎壓力較高,用離心泵泵送也不會(huì)對(duì)實(shí)際密度有較大影響。中空玻璃微球與漂珠在相同實(shí)驗(yàn)條件下的破碎體系比較見圖1。
可見在相同條件下漂珠的破碎率遠(yuǎn)大于HGS空心玻璃微球,這說明HGS空心玻璃微球在混拌和泵送過程中的破碎率遠(yuǎn)小于漂珠,對(duì)實(shí)際密度的影響較小。
HGS空心玻璃微球可解決低壓漏失地層和多級(jí)壓力梯度固井的難題,減少固井風(fēng)險(xiǎn),提高固井成功率。
四、超低密度水泥漿的設(shè)計(jì)
高強(qiáng)超低密度水泥漿體系的穩(wěn)定性和早期強(qiáng)度是衡量超低密度水泥漿體系性能優(yōu)劣的兩個(gè)主要指標(biāo),超低密度水泥漿體系要求穩(wěn)定性好、早期強(qiáng)度高。
根據(jù)顆粒級(jí)配緊密堆積理論,通過優(yōu)化低密度混合物中粒度分布,提高水泥漿體系的密實(shí)程度,可以使超低密度水泥漿體系的強(qiáng)度和其它性能大幅度的提高。因此,要注意以下問題:
(1)較好的穩(wěn)定性:水泥漿在一定的條件下,漿體不發(fā)生分層離析,形成的水泥石縱向密度分布要基本一致,析水小、體積收縮小。
(2)合適的流變性和密度:選擇減輕劑的類型和級(jí)別粒徑,不能盲目增大用水量,用水量應(yīng)嚴(yán)格控制在所選擇減輕劑的最大允許范圍內(nèi)。
(3)較高的早期強(qiáng)度:不能盲目追求水泥漿的流變性能和濾失量控制,而損害水泥漿的抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性。選擇不同粒徑的低密度材料緊密堆積輔以外加劑以提高早期強(qiáng)度。
因此,選擇了細(xì)漂珠作為減輕以及粗顆粒干混材料。用細(xì)漂珠作減輕劑配制低密度水泥漿,在較低液固比時(shí),就可獲得較低密度的水泥漿,從而使得水泥石的強(qiáng)度較高。對(duì)于粒度較細(xì)的顆粒,選擇微硅以及3M公司產(chǎn)品作為細(xì)顆粒充填材料。
五、實(shí)驗(yàn)情況
根據(jù)以上原則,經(jīng)過優(yōu)選,配制出了密度為1. 20～1. 04 g/ cm3 的高強(qiáng)超低密度水泥漿體系。這幾套體系選用國產(chǎn)漂珠和3M公司的空心微珠,都具有密度低(國產(chǎn)0. 70 g/ cm3 , 3M公司0. 46～0. 60 g/cm3 ) ,抗壓強(qiáng)度高、粒度細(xì)的特點(diǎn)。
根據(jù)減輕材料(漂珠)的不同,制定實(shí)驗(yàn)方案:
(1)采用國產(chǎn)漂珠配制1. 20～1. 10 g/ cm3 的水泥漿體系,并調(diào)節(jié)其各項(xiàng)性能;
(2)采用進(jìn)口漂珠配制1. 10～1. 05 g/ cm3 的水泥漿體系,并調(diào)節(jié)其各項(xiàng)性能。
通過優(yōu)選水泥漿體系配方,達(dá)到要求,實(shí)驗(yàn)情況與水泥漿性能如下:
1. 國產(chǎn)漂珠進(jìn)口外加劑超低密度體系(1. 20 g/ cm3 )
配方: AP I - G水泥+ 自來水300 g + 漂珠147% +充填劑18% +充填增強(qiáng)劑80% +防竄劑2. 0% +液體降失水劑7% +液體緩凝劑1. 5% +液體減阻劑5% +消泡劑0. 1%;性能:密度1. 20 g/ cm3 ,水泥漿上下密度無差異;流動(dòng)度19 cm,游離水0;
流變: 200 /110 /78 /44 /8 /7 (0. 1MPa ×93℃ ×20min) ; AP I失水: 80 ml ( 6. 9 MPa ×93℃ ×30 min) ;稠化時(shí)間: 252 min ( 105℃ ×40 MPa) ; 抗壓強(qiáng)度:17. 4MPa /24h; 18. 5MPa /48 h (0. 1MPa ×80℃) 。
2. 國產(chǎn)漂珠國產(chǎn)外加劑超低密度體系(1. 20 g/ cm3 )
配方: AP I - G級(jí)水泥200g +水357g +漂珠110% +充填劑70% +早強(qiáng)劑2. 5% +降失水劑0. 9% +液體減阻劑2. 5% +液體緩凝劑0. 45%;性能:密度:ρ= 1. 20 g/ cm3 ;流動(dòng)度: 22 cm;流變性能: n = 0. 855; K = 0. 329 Pa·Sn ( 93℃ ×0. 1MPa ×20 min) ; 失水: 80 ml ( 93℃ ×6. 9 MPa ×30min) ; 強(qiáng)度: 13. 8 MPa ( 80℃ ×0. 1 MPa ×48 h) ;15. 1MPa (100℃ ×15 MPa ×48 h) ;稠化時(shí)間:增壓稠化(105℃ ×40MPa) ,緩凝劑加量0. 4% ～0. 6%,稠化時(shí)間180～300 min,初始稠度20BC,直角稠化,稠化時(shí)間可調(diào)。
3. 進(jìn)口(3M)微珠進(jìn)口外加劑超低密度體系(1. 10g/ cm3 )
配方: AP I - G水泥+ 自來水240 g +漂珠150% +充填劑5% +充填增強(qiáng)劑90% +防竄劑2. 0% +液體降失水劑7% +液體緩凝劑1. 6% +液體減阻劑6% +消泡劑0. 1%;性能:密度: 1. 10 g/ cm3 ,水泥漿上下密度無差異;流動(dòng)度: 19 cm;游離水: 0;AP I失水: 92 ml (6. 9 MPa ×93℃ ×20 min) ;稠化時(shí)間: 180 min (105℃ ×40 MPa) ;抗壓強(qiáng)度: 21. 9MPa /24 h; 25. 8MPa / 48 h (0. 1MPa ×80℃) 。
4. 國產(chǎn)漂珠進(jìn)口外加劑超低密度體系( 1. 10 g/cm3 )
配方: AP I - G水泥+ 自來水240 g +漂珠200% +充填劑10% +充填增強(qiáng)劑50% +防竄劑2. 0% +液體降失水劑8% +液體緩凝劑1. 6% +液體減阻劑5% +消泡劑0. 1%;性能:密度: 1. 10 g/ cm3 ,水泥漿上下密度無差異;流動(dòng)度: 20 cm;游離水: 0;流變: 185 /102 /75 /42 /7 /5 ( 0. 1 MPa ×93℃ ×20 min ) ; AP I失水: 40 ml ( 0. 1 MPa ×93℃ ×20min) ;稠化時(shí)間: 250 min ( 105℃ ×40 MPa) ;抗壓強(qiáng)度: 18MPa / 48h (0. 1MPa ×80℃) 。
5. 國產(chǎn)微珠國產(chǎn)外加劑超低密度體系(1. 10 g/ cm3 )
配方: API - G級(jí)水泥100g +水370g +漂珠230% +充填增強(qiáng)劑67. 0% +早強(qiáng)劑6. 5% +降失水劑2. 4% +液體減阻劑4. 0% +液體緩凝劑0. 20%;性能:密度:ρ= 1. 10 g/ cm3 ;流動(dòng)度: 22 cm;流變性能: n = 0. 769; K = 0. 570 Pa · sn ( 93℃ ×0. 1MPa ×20 min) ; 失水: 66 ml ( 93℃ ×6. 9 MPa ×30min) ; 強(qiáng)度: 13. 9 MPa ( 80℃ ×0. 1 MPa ×48 h) ;14. 5MPa (100℃ ×15 MPa ×48 h) ;稠化時(shí)間:增壓稠化(105℃ ×40 MPa) ,緩凝劑加量0% ～0. 20%,稠化時(shí)間200～350 min,初始稠度20 BC左右,直角稠化,稠化時(shí)間可調(diào)。
6. 進(jìn)口(3M)微珠進(jìn)口外加劑超低密度體系( 1. 08g/ cm3 )
配方(1) : AP I - G水泥87g + 自來水210 g + 3M漂珠182% +充填劑30% +充填增強(qiáng)劑115% +防竄劑6. 0% +液體降失水劑8% +液體減阻劑4% +消泡劑0. 3%;性能: 密度: 1. 08 g/ cm3 ; 流動(dòng)度: 22 cm; 游離水: 0; AP I失水: 45 ml (80℃ ×7MPa ×30 min) ;稠化時(shí)間: 270 min (80℃ ×50MPa) ;抗壓強(qiáng)度:22MPa (24 h ×80℃ ×0. 1 MPa) ; 7 MPa (24 h ×0. 1MPa ×40℃) 。
配方(2) :以上配方加液體緩凝劑0. 4%。性能:稠化時(shí)間和強(qiáng)度發(fā)生了變化。稠化時(shí)間:330 min (80℃ ×50MPa) ;抗壓強(qiáng)度: 18. 5MPa (24 h×80℃ ×0. 1 MPa ) ; 5 MPa ( 24 h ×0. 1 MPa ×40℃) 。
7. 進(jìn)口(3M)微珠進(jìn)口外加劑超低密度體系( 1. 06g/ cm3 )
配方:AP I - G水泥85 g + 自來水220 g + 3 M漂珠208% +充填劑31% +充填增強(qiáng)劑113% +防竄劑6. 0% +液體降失水劑8% +液體減阻劑4%+消泡劑0. 3%;性能: 密度: 1. 06 g/ cm3 ; 流動(dòng)度: 21 cm; 游離水: 0; AP I失水: 44 ml (80℃ ×7MPa ×30 min) ;稠化時(shí)間: 265 min (80℃ ×50MPa) ;抗壓強(qiáng)度:14MPa (24 h ×80℃ ×0. 1 MPa) ; 5 MPa (24 h ×0. 1MPa ×40℃) 。
8. 進(jìn)口(3M)微珠進(jìn)口外加劑超低密度體系(1. 04g/ cm3 )
配方(1) : AP I - G水泥80 g + 自來水235 g + 3M 漂珠225% + 充填劑31. 5% + 充填增強(qiáng)劑112. 5% +防竄劑6. 0% +液體降失水劑8% +液體減阻劑4% +消泡劑0. 3%;性能: 密度: 1. 04 g/ cm3 ; 流動(dòng)度: 20 cm; 游離水: 0; AP I失水: 42 ml (80℃ ×7MPa ×20 min) ;稠化時(shí)間: 262 min (80℃ ×50MPa) ;抗壓強(qiáng)度:9MPa ( 24 h ×0. 1 MPa ×80℃) ; 4 MPa (24 h ×0. 1MPa ×40℃) 。
配方(2) :以上配方增加液體緩凝劑0. 2%。性能:稠化時(shí)間和強(qiáng)度發(fā)生了變化。稠化時(shí)間:305 min (80℃ ×50 MPa) ;抗壓強(qiáng)度: 8 MPa (24 h ×80℃ ×0. 1MPa) ; 2MPa (24 h ×0. 1MPa ×40℃) 。
配方(3) :以上配方增加固體早強(qiáng)劑0. 5%。性能:稠化時(shí)間和強(qiáng)度發(fā)生了變化。稠化時(shí)間:198 min (80℃ ×50MPa) ;抗壓強(qiáng)度: 12MPa (24 h ×80℃ ×0. 1MPa) ; 3MPa (24 h ×0. 1MPa ×40℃) 。
六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論
通過采用國產(chǎn)和進(jìn)口的低密度材料和水泥外加劑,優(yōu)選了超低密度水泥漿體系。實(shí)驗(yàn)表明,選擇不同級(jí)別不同粒徑的低密度材料,通過緊密堆積可以配制密度1. 04 ～1. 20 g/ cm3 的超低密度水泥漿,而且體系具有良好的性能: 漿體穩(wěn)定性好,流變性能好,抗壓強(qiáng)度高。
(1)流動(dòng)性較好,現(xiàn)在的設(shè)備可以滿足要求;
(2)漿體穩(wěn)定,水泥漿上下密度沒有差別,沉降穩(wěn)定性較好;
(3)稠化時(shí)間可調(diào)性好,可根據(jù)施工需要隨意調(diào)節(jié);
(4)稠化過度時(shí)間短( 40～100 BC) ,基本成直角稠化;
(5)失水控制較好,可將AP I失水有效控制在100 ml以下;
(6)雖然密度低,但抗壓強(qiáng)度高, 24 h抗壓強(qiáng)度可達(dá)14MPa以上,特別是使用進(jìn)口漂珠的水泥漿體系的24 h強(qiáng)度在20MPa以上;
(7)美國3M公司HGS空心微珠的各項(xiàng)性能均比國產(chǎn)漂珠要好,且不受井底壓力的影響。因此在成本條件允許的情況下,建議使用美國3M公司的空心微珠配制的超低密度水泥漿體系,以滿足深井、超深井、超長(zhǎng)封固和保護(hù)油氣層的需要。
超低密度水泥漿體系的研究成功,對(duì)于開發(fā)復(fù)雜潛山油藏、海相碳酸巖鹽裂縫油藏、古生界奧陶系漏失油藏,對(duì)于保護(hù)油層和實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)水泥封固都具有重要意義。例如輪南塔河油田、川東北油田、勝利油田的樂安和濱南古潛山裂縫油藏。特別是樁西地區(qū)、富臺(tái)油田、渤深6潛山等,在5 000多米井深的古潛山有了重大發(fā)現(xiàn),針對(duì)埋藏深、溫度高( 150℃～180℃)的特點(diǎn),優(yōu)選材料和配方,可以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)封固,平衡地層壓力固井。簡(jiǎn)化施工程序,減少多級(jí)固井風(fēng)險(xiǎn),降低成本。降低套管外擠力,保護(hù)套管,減少采油后期套管變形的可能性,延長(zhǎng)油井壽命。中石化重點(diǎn)深探井塔深1井已經(jīng)成功的應(yīng)用了超低密度水泥漿體系。
七、結(jié)論
(1)使用粉煤灰漂選的空心微珠質(zhì)量差、抗壓強(qiáng)度低、容易破碎,滿足需要強(qiáng)度的水泥漿密度最低可以降到1. 20 g/ cm3。
(2)泡沫水泥漿可以降到較低的密度,而在井底的實(shí)際密度要高,其水泥石的滲透性高,抗壓強(qiáng)度低。
(3)人造空心微珠具有完美的球體形狀和較高的抗壓強(qiáng)度,可以配制密度1. 10 g/ cm3 以下密度的水泥漿,而且具有良好的性能,可以滿足工程的需要。
(4)目前國產(chǎn)空心微珠最低可以達(dá)到1. 10 g/cm3 密度的具有較高強(qiáng)度的超低密度水泥漿, 3M公司生產(chǎn)的空心微珠可以達(dá)到1. 04 g/ cm3 的密度,依然具有較高的強(qiáng)度,是普通漂珠配制的水泥漿體系的兩倍,但是低溫下抗壓強(qiáng)度還比較低,它具有的耐溫600℃和彈性可以滿足臨界固井條件。
(5)配制的密度0. 90 g/ cm3 的水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度還比較低(抗壓強(qiáng)度: 5. 6 MPa /24 h ×0. 1MPa ×80℃) ,密度1. 00 g/ cm3 以下的超低密度水泥漿體系的性能還需要繼續(xù)深入的研究。
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