13 低溫低水化熱早強(qiáng)水泥漿技術(shù)研究(中油海).doc

低水化熱早強(qiáng)水泥漿室內(nèi)研究席方柱 呂光明 高永會 譚文禮 孫富全 熊鈺丹 （中國石油集團(tuán)鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固井技術(shù)研究室，天津，300451）（ 天津中油渤星工程科技有限公司，天津，300451）摘要：針對深水含水合物層固井需要，通過在早強(qiáng)水泥中加入低水化熱外摻料的方法，開發(fā)了低水化熱早強(qiáng)固井材料，比常規(guī)水泥的水化熱低36%以上。同時利用該材料設(shè)計了水泥漿配方并研究了其性能，結(jié)果顯示：在密度為1.35g/cm31.7g/cm3時，水泥漿體系穩(wěn)定，失水量低于50mL，稠化時間可調(diào)，過渡時間低于30min，8下24h強(qiáng)度達(dá)到4.86MPa，滿足深水含水合物地層的固井需要。關(guān)鍵詞：深水 固井 低水化熱 水泥漿 前言深水油氣勘探時，經(jīng)常鉆遇水合物層，水合物為小分子烴和水在高壓低溫環(huán)境下形成的固態(tài)結(jié)晶，在溫度較高時水合物會分解成水和氣體，體積增大100倍以上，造成井壁失穩(wěn)、氣竄等問題，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致油氣井報廢13。而在深水低溫固井時，需要水泥漿具有低溫早強(qiáng)性能，而一般早強(qiáng)水泥漿水化熱放熱迅速，造成水泥候凝時溫升過高，影響水合物的穩(wěn)定性。因此需要采用低水化熱的早強(qiáng)水泥漿4。為此，筆者從降低水泥總水化熱入手，同時考慮早強(qiáng)性能，對低水化熱材料的摻料進(jìn)行了優(yōu)化研究，開發(fā)了低水化熱水泥漿技術(shù)。一、低水化熱早強(qiáng)固井材料研究1. 設(shè)計原理低水化熱早強(qiáng)水泥設(shè)計，可從以下方面著手56：（1）通過改變水泥的組成，降低水泥中水化熱高的成分，提高低水化熱組分含量；或在水泥中加入低水化熱外摻料，降低水泥的總水化熱。（2）采用特種早強(qiáng)水泥，該水泥水化熱與常規(guī)水泥基本相同，但強(qiáng)度發(fā)展較快，可提高水泥的早期強(qiáng)度。2. 試驗(yàn)儀器及方法絕熱養(yǎng)護(hù)釜：將水泥石養(yǎng)護(hù)釜體放入絕熱釜內(nèi)，在釜體中插入熱電偶，記錄水泥漿溫度的變化，比較不同水泥在水化時的溫度升高情況。根據(jù)測得的水泥溫升，可以直觀反映水泥水化放熱量及放熱速率。多通道水化熱測量儀：按照GB/T 12959-2008水泥水化熱測定方法測試水泥水化熱。3. 低水化熱固井材料開發(fā)試驗(yàn)原材料：A：早強(qiáng)水泥DWC；B：G級油井水泥；C：低水化熱材料LHA；D：低水化熱材料LHB；選取了以下幾組配方進(jìn)行了水泥水化熱試驗(yàn)及水泥強(qiáng)度發(fā)展試驗(yàn)。配方1：100%早強(qiáng)水泥+44%水配方2：70%早強(qiáng)水泥+20LHA+10%LHB+44%水配方3：30%早強(qiáng)水泥+70%G級水泥+44%水配方4：40%早強(qiáng)水泥+40%LHA+20%LHB+44%水配方5：40%早強(qiáng)水泥+30%LHA+30%LHB+44%水席方柱：1975年11月，工程師。2003年天津大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工藝專業(yè)畢業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事固井技術(shù)專業(yè)研究。地址：（300451）天津市塘沽津塘公路40號。聯(lián)系電話E-mail:1）水泥水化溫升試驗(yàn)進(jìn)行水化溫升試驗(yàn)時，將水泥按照API標(biāo)準(zhǔn)制備后，迅速倒入養(yǎng)護(hù)釜內(nèi)，從制漿到倒入養(yǎng)護(hù)釜，整個過程在5分鐘內(nèi)完成。其水化溫升曲線見圖1。圖1 不同水泥水化溫升情況（20）上圖試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著低水化熱材料的加入，水泥水化溫升降低，說明加入低水化熱材料降低了水泥的水化熱。而從水化溫度升高的時間點(diǎn)分析，加入低水化熱材料后，對水泥的水化稍微有所延遲，但在5h左右仍然進(jìn)行水化，可以保證水泥的早期強(qiáng)度發(fā)展。2）水泥水化熱測量為獲得準(zhǔn)確的水化熱數(shù)據(jù)，采用多通道水化熱測量儀對配方1、4、5及常規(guī)G級水泥（同樣水灰比）的水化熱進(jìn)行了測量，結(jié)果見表1：表1 不同水泥的水化熱數(shù)據(jù)配方水化熱，Jg-11d2d4d7dG級水泥194.61264.23351.59399.26配方1226.04305.79343.71377.53配方4138.07188.36218.44252.03配方5118.61176.76204.89241.54根據(jù)上表可以看出：與水泥凈漿比較，加入低水化熱材料后，水泥的水化熱大幅度降低，1天的水化熱與原來相比降低47%，兩天降低42%，7d的降低36%，使得水泥水化溫升大幅度降低，僅為原來的1/3。早強(qiáng)水泥的水化熱與G級油井水泥的總水化熱相當(dāng)，但早期水化速率塊，放熱量大。對照水泥水化熱和水泥水化溫升，可以看出水泥水化溫升可以直觀反映水泥的水化放熱速率和放熱量。3） 低水化熱固井材料抗壓強(qiáng)度發(fā)展對以上幾組配方水泥的抗壓強(qiáng)度發(fā)展進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要研究了4和8條件下的抗壓強(qiáng)度發(fā)展，其強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如下。表2 不同水泥的低溫抗壓強(qiáng)度發(fā)展情況配方4強(qiáng)度 ，MPa8強(qiáng)度，MPa配方113.417.8配方28.912.6配方33.58.6配方47.410.8配方56.910.5根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，結(jié)合水化熱測量結(jié)果，選擇配方5作為低水化熱固井材料的基本膠凝材料，既可以獲得較高的早期強(qiáng)度，又能保持較低的水化熱。二、低水化熱水泥漿性能研究 1. 水泥漿組成及配方1）試驗(yàn)原材料早強(qiáng)水泥DWC；低水化熱外摻料LHW（50%LHA和50%LHB組成）；空心微珠：密度0.7g/cm3；緩凝劑BCR-270L；早強(qiáng)劑CA30S；低溫降失水劑DF；低溫分散劑為BCD-220L。2）水泥漿配方深水表層地層結(jié)構(gòu)疏松，破裂壓力低，需要采用低密度水泥漿進(jìn)行封固，同時表層井眼大，井徑擴(kuò)大率高，需要水泥漿量大，注替時間長。針對其低密度要求，設(shè)計了密度1.35g/cm31.7g/cm3的水泥漿配方：密度1.7g/cm3：早強(qiáng)水泥+150%LHW+20%漂珠+86%水+2%BCD-220L+12%DF+3%CA30S+1.3BCR-270L+0.1%G603。密度1.5g/cm3：早強(qiáng)水泥+150%LHW+45%漂珠+105%水+2%BCD-220L+14%DF+3%CA30S+1.5BCR-270L+0.1%G603。密度1.35g/cm3：早強(qiáng)水泥+120%LHW+65%漂珠+130%水+2%BCD-220L+15%DF+3%CA30S+1.8BCR-270L+0.1%G603。2. 試驗(yàn)儀器及方法1）試驗(yàn)儀器8040型高溫高壓稠化儀，低溫循環(huán)液裝置，MIR-154低溫恒溫養(yǎng)護(hù)箱，7204型水泥石抗壓強(qiáng)度測試儀，HTD7169水泥濾失儀，范式六速旋轉(zhuǎn)黏度儀。2）試驗(yàn)方法參照石油和天然氣工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ISO 10426-3-2003油井固井用水泥和材料 第3部分：深水井水泥配方試驗(yàn)進(jìn)行水泥漿的制備、水泥漿性能的測試。3稠化性能對幾個配方的水泥漿作了不同溫度下的稠化時間試驗(yàn)，不同密度的水泥漿的不同溫度的稠化時間數(shù)據(jù)見表3。表3 水泥漿的稠化時間及過渡時間水泥漿密度，gcm-320稠化時間，min15稠化時間，min10稠化時間，min稠化過渡時間，min1.719826833718231.518130540520281.351363145241727根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可以看出，水泥漿在15下的稠化時間能夠滿足深水表層套管固井施工要求，同時在20時地稠化時間在3h以上，提高了施工的安全性。隨著溫度升高，同一配方的水泥漿稠化時間逐漸縮短，各個配方的稠化過渡時間均低于30min，說明具有較強(qiáng)的防竄能力。在稠化試驗(yàn)過程中，壓力和溫度變化對水泥漿的稠度影響較小，說明了其能在水泥漿注替過程中保持漿體的流變穩(wěn)定，有利于水泥漿的頂替順利進(jìn)行。圖2 配方2水泥漿稠化曲線 4強(qiáng)度發(fā)展研究了不同溫度下各個配方水泥石的24h抗壓強(qiáng)度發(fā)展，各個配方的抗壓強(qiáng)度如表4所示。表4 不同溫度下水泥石的24h抗壓強(qiáng)度水泥漿密度，gcm-315強(qiáng)度，MPa8強(qiáng)度，MPa4強(qiáng)度，MPa1.711.57.844.531.57.825.323.861.356.244.862.85表4顯示： 水泥漿低溫強(qiáng)度發(fā)展較快，在15稠化時間滿足現(xiàn)場施工的情況下，其8強(qiáng)度大于3.5MPa，已經(jīng)能夠滿足支撐套管要求，可以進(jìn)行繼續(xù)鉆進(jìn)。但是可以看出，在4條件下，密度為1.35g/cm3的水泥漿存在強(qiáng)度發(fā)展緩慢的問題 ，還需進(jìn)一步優(yōu)化。 5水泥漿失水性能針對低水化熱水泥漿，開發(fā)了一種合成聚合物的降失水劑DF。DF降失水劑為溶性高分子材料，可吸附于水泥顆粒表面，形成吸附水化層，造成水泥顆粒橋接進(jìn)而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，束縛住大量自由水，堵塞水泥內(nèi)部空隙。測試了三個水泥漿的API失水量。結(jié)果如表5所示。表5 水泥漿的失水量試驗(yàn)結(jié)果水泥漿密度，gcm-5API失水量，mL423438表5顯示，1.351.7g/cm3的水泥漿均具有良好的控制失水性能。同時考察了DF摻量對水泥漿API失水的影響。采用密度為1.5g/cm3的水泥漿配方進(jìn)行了試驗(yàn)，DF摻量對水泥漿API失水量的影響如圖3所示，從圖3可以看出，隨著DF摻量的增加，水泥漿失水量降低，當(dāng)加入合適的降失水劑時，水泥漿失水可控制在50mL以下。圖3 水泥漿的API失水量與DF摻量關(guān)系（20）6水泥漿流變性及穩(wěn)定性流變性參數(shù)的確定可以通過粘度計來測量，確定相應(yīng)模型的流變參數(shù)值。室內(nèi)研究了幾種不同密度水泥漿的流變性。結(jié)果如表6。表6水泥漿流變性試驗(yàn)結(jié)果水泥漿密度，gcm-330020010063nK，Pasn流變讀數(shù)，Pa1.7956835750.9090.1681.51057540960.8780.2241.3511577461080.8340.352試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，幾種不同密度的低溫水泥漿流變性能良好。對密度1.351.7g/cm3的水泥漿的沉降穩(wěn)定性作了研究。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示：表7 水泥漿穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果（20）序號密度， gcm-511.7011.4961.35321.6931.4951.34831.6981.4981.35541.6891.5051.35051.6951.5111.35161.6941.5101.35271.7051.5121.35381.7011.5061.355水泥漿的上下密度差低于0.03g/cm3，表明水泥漿的沉降穩(wěn)定性良好。三、結(jié)論1）通過對早強(qiáng)水泥和低水化熱外摻料的優(yōu)化研究，形成了低溫低水化熱早強(qiáng)固井材料，既可以顯著降低水泥的水化熱，又具有較高的早期強(qiáng)度，可配制低水化熱水泥漿。2）低水化熱水泥漿性能的研究結(jié)果表明，該水泥漿在1.351.7g/cm3密度范圍內(nèi)，失水低、稠化時間可調(diào)、過度時間短、強(qiáng)度發(fā)展迅速，充分滿足深水表層固井的要求。3）低水化熱水泥漿體系穩(wěn)定，水化熱低，可滿足含水合物層的固井，有利于維持水合物的穩(wěn)定性，降低水合物破壞的風(fēng)險。參考文獻(xiàn)：1王成文，王瑞和，卜繼勇，等深水固井面臨的挑戰(zhàn)和解決方法J鉆采工藝，2006，29(3)：1114.2 Kris Ravi and Seth Moore,Cement Slurry Design to Prevent Destabilization of Hydrates in Deepwater Environment，SPE Indian Oil and Gas Technical Conference and Exhibition, 4-6 March 2008, Mumbai, India，SPE113631. 3Pelletier, J. 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