顆粒級配技術的超高密度水泥漿體系研究

馮克滿,朱江林,王同友 (中海油田服務股份有限公司油田化學事業部,北京1 01 149)

許明標 (長江大學石油工程學院,湖北荊州434023)

徐壁華 (西南石油大學石油工程學院,四川成都61 0500)

方國偉 (中海油田服務股份有限公司油田化學事業部,北京1 011 49)

在緬甸A地區遭遇的淺層高壓氣、低溫超高密度固井作業在國內還屬空白。該地區某井固井水泥漿密度達到2.3g/cm3,另一口井水泥漿密度達到2.35g/cm3;后期的區塊鉆井液密度將達到2.5～2.8g/cm3。在該情況下的固井要滿足平衡壓力固井,水泥漿密度將超過2.70g/cm3,這在國內外也屬罕見,還沒有成功的經驗借鑒。要實現超高密度水泥漿,必須采取使用密度較高的加重材料進行加重,常規的一些加重方法,如減少水灰比、配鹽水溶液等已經不能滿足所要加重密度的需要。依靠減少水灰比、加入分散劑來提高流動度的方法[1],因其受漿體稠度的限制,純水泥漿密度能夠達到的極限是1.97g/cm3;而配成不同濃度的鹽水溶液,用該溶液作配漿水進行加重的方法,也只能使水泥漿密度達到2.1g/cm3。為此,筆者選擇了顆粒級配技術進行超高密度水泥漿體系研究。

1 顆粒級配技術研究

1.1 緊密堆積理論

水泥干混物的堆積體積百分比(PVF)是衡量顆粒之間達到給定密實狀態時的相容能力。PVF實際就是堆積密度與比重 (絕對密度)的比值[2]。

完全一樣的球形顆粒最完美的堆積方式是正六角形堆積,其PVF可達0.74。同一種球形顆粒之間任意堆積的PVF是0.64。當干粉顆粒具有不同尺寸(多分散相)時,即由不同粒度的顆粒組成時,其PVF就高。因為小尺寸顆粒可以充填于大尺寸顆粒之間的空隙,從而使PVF接近于1。這就是緊密堆積理論中顆粒級配的原理,如圖1所示。

圖1 顆粒級配原理示意圖

設計高性能的超高密度油井水泥正是利用這種PVF最大化原理,采用不同粒度的加重劑進行顆粒級配,使單位體積水泥漿內的固相顆粒增加,盡量降低其水灰比,并且提高水泥石的抗壓強度,降低其孔隙度和滲透率,實現水泥漿體系的密度的增加和性能的優化[3]。

1.2 顆粒級配數學與力學模型研究

為研究粒度級配時孔隙度的變化,在較大粒度的小球中,引入次級粒度的小球進行級配。每4個1級粒度球形顆粒構成 1個空隙空間,這其中能填入的最大次級小球同時與4個大球相切,小球的球心應位于4個大球構成的四面體的幾何中心,四面體中心與四面體頂點的距離應是大球半徑和小球半徑之和。由立體幾何可得出次級小球的半徑r2與大球半徑r1的關系,如圖2所示。同理,當在半徑為r2小球與半徑為r1大球相切的孔隙中引入半徑為r3的小球時,則達到3級級配的效果,如圖2(b)所示。最終通過空間立體幾何知識,算得3種球體的最佳半徑比例為:

圖2 不同級別的顆粒級配示意圖

式中,r1為1級球體半徑;r2為2級球體半徑;r3為3級球體半徑。

在上面的模型中,通過增加次級粒度的小球,實現了空隙的填充,達到了較緊密堆積的效果。以上計算是假設同1級別顆粒是圓形且顆粒大小是完全一致,并且要達到一定的密實狀態才能達到。但事實上各種粉末材料的粒徑是在一定范圍內按統計規律分布。水泥的松散狀態下的堆積比例一般只在45%左右。

2 水泥漿加重材料的優選

水泥漿加重劑的選擇范圍不是很廣,最常用的水泥加重劑是重晶石、鈦鐵礦石、赤鐵礦石以及Micromax(氧化錳加重材料)等,分別利用以上材料進行了水泥漿加重試驗優選。試驗結果見表1。

表1 各種加重材料性能特性對比

赤鐵礦為具有金屬光澤的黑色粉末,密度為4.8～5.2g/cm3,細度一般在200目左右 (“目”指顆粒可以通過的篩網篩孔尺寸,以1英寸寬度篩網內的篩孔數表示)。在加工顆粒較細時 (如500目以上),鐵礦粉呈紅色[4]。對于較細的赤鐵礦,當加量較大時需增大分散劑用量以降低水泥漿粘度。由于赤鐵礦自身密度大,比重晶石所需附加水少,因此可以使水泥漿密度升高到2.4g/cm3左右,可制備超高密度水泥漿。當與分散劑、降失水劑復合使用時,可使水泥漿密度提高到2.6g/cm3以上。

從以上分析中可以看出,Micromax是比較理想的加重材料,但是由于Micromax價格非常昂貴,除了Micromax之外,只有赤鐵礦粉可以使水泥漿密度超過2.5g/cm3,因此,根據對比結果,選用赤鐵礦粉作為超高密度水泥漿的加重材料。

3 超高密度水泥漿體系的設計

根據室內的試驗結果,采用單一目數 (100目或500目)的赤鐵礦粉加重水泥漿,所能達到的密度極限為2.6g/cm3左右,而且漿體性能較差,不能滿足現場施工的需求。為實現超過2.6g/cm3的超高密度水泥漿,考慮利用顆粒級配的原理,建立顆粒緊密堆積模型,采用多種目數鐵礦粉進行復配。

室內優選了不同目數比重大于4.7的赤鐵礦粉,規格有100目、200目、500目、800目和1200目。并利用激光粒度儀對不同級別的鐵礦粉進行顆粒分析,分別實測了其顆粒的粒度。部分實測結果見表2。

表2 鐵礦粉粒度分布

常規G級水泥中水泥顆粒的粒度大小為20～100μ m左右的占到總量的60%～70%以上。從表2中可以看出,100目鐵礦粉的同級粒度 (20～150μ m)也占到了總數的80%以上。為實現顆粒級配的目的,首先選用了顆粒粒度較粗的與水泥相近的100目鐵礦粉作為主要加重劑。利用緊密堆積理論模型的計算,計算出理想模型下合理的2級填充顆粒的粒度約為30um左右,根據表2,500目鐵礦粉的粒度與要求比較接近,因此選用100目和500目鐵礦粉進行主要粒度級配。

在圖2中,假定顆粒都為圓球形,可以明顯看出在同等情況下,3級級配體系可以比2級體系實現更緊密的堆積。因此,為實現超高密度的目標,在常規2級級配的基礎上,進一步選用了1200目的鐵礦粉進行了3級級配。

4 緊密堆積超高密度水泥漿體系性能

4.1 高密度水泥漿綜合性能

高密度水泥漿體系難點主要在于流變性、沉降穩定性、濾失量控制、水泥石的強度發育等方面,開發和優選適合高密度水泥漿的外加劑體系,使水泥漿體系穩定、簡單實用,并盡量減小水泥漿體系對地層的再次污染[5]。最后優選的加重劑混合物命名為CD26F。同時為防止高溫強度衰減,加入了超細目數的硅粉;對于緬甸A地區防氣竄能力的特殊需要,加入了增強型防氣竄能力較好的防氣竄劑。稠化轉化時間都在7min之內,具有較強的防氣竄能力。各項性能指標滿足固井要求。試驗數據見表3。

表3 高密度水泥漿2.80g/cm3的高溫綜合性能

4.2 具有防漏堵漏功能的高密度水泥漿性能

在水泥漿要封隔的地層中,如果存在漏失地層或可能發生誘發性漏失層位,則水泥漿漏失難以避免。通過對硬瀝青、珍珠巖、胡桃殼、炭黑、賽珞玢、纖維類的試驗,最終優選出纖維材料對水泥漿的漏失控制和水泥石的性能改善具有更好的效果,試驗結果如表4。

表4 纖維在不同加量下的堵漏試驗結果

從以上試驗數據可以得出,一般情況下,隨著纖維加量的增加,水泥漿的漏失得到控制程度的現象也越明顯,堵漏效果越好。這是由于隨著纖維加量的增加,水泥石中的纖維密度增加,有效 “架橋”纖維數量增加,效果變好。但當纖維加入量大于0.5%時水泥漿的動切力增大,在實際使用中需要增加水泥泵泵壓,對現場實際操作不利。

4.3 現場應用

緬甸A地區固井項目作為公司重點海外項目,使高密度水泥漿體系在緬甸很多區塊成功投入使用。該區塊某井表層套管使用的是密度2.30g/cm3高密度水泥漿,技術套管使用的是2.35g/cm3高密度水泥漿,固井質量全部為優良。后續井將陸續使用到顆粒級配技術的更高密度的水泥漿體系。

5 結 論

1)在水泥漿體系中,各種顆粒的堆積方式直接影響水泥漿性能。采用不同粒度的加重劑進行顆粒級配,使單位體積水泥漿內的固相顆粒增加,盡量降低其水灰比,能夠實現水泥漿體系的密度的增加并且顯著改善水泥漿的性能。

2)利用3重堆積模型,不同粒度的赤鐵礦粉實現了密度為2.80g/cm3超重水泥漿的加重,所優選的超高密度體系性能良好;無機纖維加入到高密度水泥漿體系中有較好的防漏堵漏效果。

3)根據所建立的堆積模型,利用常見的赤鐵礦粉所研制的緊密堆積鐵礦粉加重高密度水泥漿體系,性能優良,證明了所建立的堆積模型是比較可靠的。經過緬甸A地區現場固井應用,固井質量優良。

[1]劉崇建,黃柏宗.油氣井注水泥理論與應用 [M].北京:石油工業出版社,2001.

[2]黃柏宗.緊密堆積理論優化的固井材料和工藝體系 [J].鉆井液與完井液,2001,18(6):1～9.

[3]M arc J,Dominique B,Guillot,et al.Concrete Developments in Cementing Technology.Oilfield Review[J].Spring,1999.11～16.

[4]Sumartha I,Martinez R J A.Application of a New Technique for Light-weight Cement Formulation to Improve Ccement Placement in Campeche Ray Area[J].SPE39889,1998.

[5]Johnston N C,Senese M.New Approach to High-dengsity Cement slurries for Cementing High-pressure.High-temperature Wells[J].SPE24976,1992.