川渝地區(qū)深井超深井固井水泥漿防污染試驗(yàn)

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1.川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 2.中國(guó)石化西南石油局西南油氣分公司工程技術(shù)處

川渝地區(qū)深井超深井固井水泥漿防污染試驗(yàn)

劉世彬1鄭錕1張弛2曾凡坤1冷永紅1唐煒1王純?nèi)?

1.川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司 2.中國(guó)石化西南石油局西南油氣分公司工程技術(shù)處

劉世彬等.川渝地區(qū)深井超深井固井水泥漿防污染試驗(yàn).天然氣工業(yè),2010,30(8):51-54.

為解決深井、超深井固井水泥漿與鉆井液的相容性問題,在分析鉆井液對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響以及深井常用鉆井液處理劑與深井常用高溫水泥漿進(jìn)行混合流體的流變性能、高溫、高壓稠化時(shí)間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出將深井常用的聚磺、鉀聚磺兩種中高溫鉆井液體系與深井常用的高溫水泥漿體系進(jìn)行體系間混合流體相容性試驗(yàn)的方法。由此篩選出對(duì)水泥漿有促凝作用的鉆井液處理劑,來指導(dǎo)鉆井液處理劑的選擇;并對(duì)現(xiàn)有水泥漿相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和防污染工藝技術(shù)措施進(jìn)行了評(píng)價(jià),總結(jié)出適合深井井下實(shí)際情況的水泥漿相容性試驗(yàn)方法和固井前鉆井液性能調(diào)整技術(shù)、偏心環(huán)空隔離液技術(shù)、提高套管居中度技術(shù)、水泥漿防污染等措施?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明,固井水泥漿防污染技術(shù)能確保深井、超深井固井作業(yè)的安全。最后建議根據(jù)不同地區(qū)特點(diǎn)建立一套較為全面的水泥漿防污染體系,以此來提高固井質(zhì)量。

深井 超深井 固井 水泥漿 防污染 鉆井液 相容性 工藝技術(shù)

深井一般井深較大,井底溫度、壓力高,小間隙,封固段長(zhǎng),地層復(fù)雜、不穩(wěn)定,地層流體顯示活躍,井徑不規(guī)則,同一裸眼井段存在多個(gè)壓力層系,壓力安全窗口小,容易發(fā)生井漏、井涌、氣竄,這就大大增加了深井固井水泥漿防污染技術(shù)的難度。有時(shí)為了解決水泥漿與鉆井液的相容性問題,需要反復(fù)調(diào)節(jié)水泥漿配方、調(diào)整鉆井液性能,既延長(zhǎng)了固井施工周期,又無法確保施工安全(如L G001-3井?127mm尾管插“旗桿”),事倍功半。因此,有必要開展水泥漿防污染技術(shù)研究,找出因鉆井液與水泥漿不相容導(dǎo)致其混合流體稠化時(shí)間試驗(yàn)難以達(dá)標(biāo)的具體原因,并提出針對(duì)性的解決辦法,確保固井施工作業(yè)安全,同時(shí)提高固井質(zhì)量[1-2]。

1 中高溫常用鉆井液體系評(píng)價(jià)

目前,川渝地區(qū)深井常用的聚磺、鉀聚磺兩種鉆井液體系和高溫水泥漿體系,其體系特點(diǎn)及應(yīng)用情況如下:

1)聚磺鉆井液是中、深井段應(yīng)用最廣的鉆井液體系,密度為1.06～2.40g/cm3,具有性能穩(wěn)定、抗高溫、抗膏鹽污染、防塌能力強(qiáng)等特點(diǎn),常用于深井高溫、高壓段的易塌地層鉆進(jìn)。

2)鉀聚磺鉆井液,密度為1.26～2.50g/cm3,具有防塌能力強(qiáng)、抗高溫(可達(dá)150℃)、抗膏鹽污染、流變性易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于井深超過2500m的地層。

3)FS-31L+SD10水泥漿體系,密度為1.35～2.50g/cm3,具有抗高溫、失水量小、稠化時(shí)間易調(diào)整、過渡時(shí)間短、防氣竄性能好等特點(diǎn),常用于深井尾管段井底循環(huán)溫度大于105℃條件下的固井。進(jìn)行3種流體的體系評(píng)價(jià)時(shí),采用的常見配方見表1,其中鉆井液配方中處理劑加量按照中等加量添加。結(jié)合深井固井流體混漿模擬試驗(yàn)成果,混合流體比例按照水泥漿/鉆井液為70/30進(jìn)行,稠化時(shí)間試驗(yàn)條件為125℃×70MPa,試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1的試驗(yàn)結(jié)果表明,在該試驗(yàn)條件下水泥漿與上述兩類鉆井液會(huì)發(fā)生污染,混合流體較純水泥漿稠化時(shí)間最高縮短35%,在施工中應(yīng)引起重視。水泥漿與鉆井液接觸污染問題是一個(gè)互相污染的過程,判斷污染源可從2個(gè)方面出發(fā):①根據(jù)混合流體的流變性能判別,如果混合流體流動(dòng)度低則判別為鉆井液抗鈣性差,是由于鉆井液中的黏土顆粒聚結(jié)造成的,即是水泥漿污染了鉆井液的表現(xiàn)。如果混合流體的流變性能保持良好則說明鉆井液的抗鈣能力較強(qiáng),水泥漿對(duì)鉆井液基本沒有不良影響;②根據(jù)混合流體的稠化時(shí)間來判別,如果混合流體稠化時(shí)間較水泥漿稠化時(shí)間縮短,說明是水泥漿受到鉆井液污染后帶來緩凝劑失效造成的。

表1 FS-31L+SD10水泥漿體系與常用的兩種中高溫鉆井液體系混合流體HTHP稠化時(shí)間表 min

2 部分單一鉆井液處理劑對(duì)水泥漿性能的影響

為了進(jìn)一步分析水泥漿受到鉆井液污染后帶來緩凝劑失效的原因,需要開展鉆井液的處理劑對(duì)水泥漿的相容性試驗(yàn)。首先根據(jù)兩種鉆井液體系常用處理劑的使用情況,選取了降濾失劑(SHE-7、SMP-I、RSTF、DR-II、KHM)、防卡潤(rùn)滑劑(RLC-101、FRH-A、FK-10、ZFRJ、DHD、PPL)、乳化劑(SP-80)、頁(yè)巖抑制劑(NRH)、稀釋劑(SMT)5大類15種處理劑進(jìn)行評(píng)價(jià)。在進(jìn)行單一鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的評(píng)價(jià)時(shí),按兩步來進(jìn)行,一是通過混合流體的流變性能(常流、高流、初凝、終凝)試驗(yàn),初步篩選出對(duì)水泥漿可能有促凝作用的鉆井液處理劑;二是通過混合流體的高溫、高壓稠化時(shí)間試驗(yàn),確定篩選出的這些鉆井液處理劑是否對(duì)水泥漿真正具有促凝作用。

2.1 流變性能試驗(yàn)

試驗(yàn)過程如下:①配黏土含量為5%的鉆井液備用;②水泥漿配置同前;③將黏土含量為5%的鉆井液稀釋至3%,然后逐一加入單一鉆井液處理劑,按最大加量添加,充分?jǐn)嚢璺稚?待用;④將水泥漿與配制好的鉆井液按不同的比例混合(水泥漿/鉆井液=100/0、90/10、70/30、50/50、30/70、10/90)進(jìn)行混合流體的常流、高流試驗(yàn),并觀察其2h、4h的凝結(jié)情況。經(jīng)過上述試驗(yàn)可以得出,鉆井液處理劑SP-80、FK-10、DHD、 ZFRJ、DR-II、RSTF、SHE-7、RLC-101、NRH、KHM、FRH-A在該試驗(yàn)條件下表現(xiàn)出對(duì)水泥漿有促凝作用,且促凝主要發(fā)生在水泥漿/鉆井液=70/30、30/70的混合比例下。

2.2 稠化時(shí)間試驗(yàn)

將在流變性能試驗(yàn)中表現(xiàn)出對(duì)水泥漿有促凝作用的鉆井液處理劑進(jìn)行高溫、高壓稠化時(shí)間試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)方法如下:①水泥漿配置同前;②將黏土含量為5%的鉆井液稀釋至3%含量,然后加入單一鉆井液處理劑(采用最大加量添加),充分?jǐn)嚢璺稚?待用;③按比例配置混合流體,進(jìn)行高溫、高壓稠化時(shí)間試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以將這些處理劑按照對(duì)水泥漿促凝作用的強(qiáng)弱進(jìn)行歸類。具有促凝作用的有: FRH-A、KHM、NRH、RSTF、SP-80;而 RLC-101、SHE-7、DR-II、ZFRJ、DHD、FK-10沒有促凝作用。

3 相容性試驗(yàn)方法研究

3.1 API RP10B與川渝地區(qū)深井固井相容性試驗(yàn)方法

國(guó)外對(duì)井下流體相容性較重視,嚴(yán)格按照API RP10B《油井水泥試驗(yàn)推薦做法》執(zhí)行。但在國(guó)內(nèi)一般采用配漿藥水或稀釋處理了的鉆井液作為隔離液,規(guī)范性差[3-5]。API RP10B與川渝地區(qū)深井固井相容性試驗(yàn)方法的特點(diǎn)及區(qū)別見表3。

3.2 深井固井相容性試驗(yàn)推薦做法

川渝地區(qū)深井固井相容性試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行,測(cè)試數(shù)據(jù)直觀,能宏觀反映混合流體的流動(dòng)性能,最大限度地考慮了井下流體摻混的復(fù)雜情況,但是無法指導(dǎo)施工摩阻計(jì)算。API RP10B中井下流體相容性試驗(yàn)考慮了井下流體接觸順序,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算混合流體的流變性能,能夠指導(dǎo)施工摩阻計(jì)算。因此,可考慮結(jié)合兩相標(biāo)準(zhǔn),取長(zhǎng)補(bǔ)短,為相容性試驗(yàn)提供參考依據(jù)。

表2 水泥漿與鉆井液混合流體稠化時(shí)間試驗(yàn)情況表

表3 API RP10B與川渝地區(qū)深井固井水泥漿相容性試驗(yàn)方法對(duì)比表

流動(dòng)性能試驗(yàn)方面:增加水泥漿、鉆井液、隔離液的旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試,為流變學(xué)設(shè)計(jì)提供依據(jù);增加鉆井液與隔離液的流動(dòng)性能試驗(yàn)(70/30、30/70)兩組;當(dāng)循環(huán)溫度低于90℃時(shí),“高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)大于注水泥施工作業(yè)總時(shí)間”,循環(huán)溫度高于90℃時(shí),高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間取120min。

稠化時(shí)間試驗(yàn)方面:當(dāng)封固段上下溫差較大時(shí),可采取模擬井下升降溫過程進(jìn)行水泥漿、鉆井液、隔離液混合流體的稠化時(shí)間試驗(yàn);當(dāng)混合流體的流動(dòng)性能試驗(yàn)不能滿足設(shè)計(jì)要求而稠化時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求時(shí),視為相容性試驗(yàn)合格。

4 結(jié)論

1)防污染工藝技術(shù)的關(guān)鍵就是采取一系列的工藝技術(shù)措施,“提高頂替效率,防止或減少接觸污染”(圖1)。

2)水泥漿與鉆井液相容性差是由兩者相互作用引起的。水泥漿污染鉆井液是因?yàn)樗酀{中的Ca2+與鉆井液中黏土的Na+發(fā)生離子交換,導(dǎo)致鉆井液中的黏土顆粒聚結(jié)形成絮凝物質(zhì),鉆井液失去可泵性;鉆井液污染水泥漿是因?yàn)殂@井液的某些處理劑引起水泥漿緩凝劑部分或者全部失效甚至反向,導(dǎo)致水泥漿稠化時(shí)間急劇縮短,水泥漿失去可泵性。

圖1 固井防污染工藝技術(shù)圖

3)目前川渝地區(qū)深井超深井常用鉆井液處理劑按照對(duì)水泥漿有促凝作用的強(qiáng)弱進(jìn)行歸類,具有促凝作用的有FRH-A、KHM、NRH、RSTF、SP-80;沒有促凝作用的有 RLC-101、SHE-7、DR-II、ZFRJ、DHD、FK-10。

4)良好的深井井下條件是避免水泥漿被污染的必要前提,鉆井液性能調(diào)整、隔離液技術(shù)、提高套管居中度等措施是解決水泥漿與鉆井液相容性最直接的手段。

5)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,川渝地區(qū)現(xiàn)行井下流體相容性試驗(yàn)方法是從深井固井井下條件復(fù)雜出發(fā),注重水泥漿、鉆井液、隔離液三相混合流體的稠化時(shí)間試驗(yàn),是宏觀的評(píng)價(jià)方法;API RP10B中井下流體相容性試驗(yàn)認(rèn)為隔離液能夠有效隔離鉆井液與水泥漿,二者接觸機(jī)會(huì)很小,注重水泥漿、鉆井液兩相相容性試驗(yàn),是微觀的評(píng)價(jià)方法。因此,應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)特點(diǎn)建立一套較為全面的水泥漿防污染技術(shù)。

[1]李靜,郭小陽(yáng),楊香艷,等.隔離液合理選材設(shè)計(jì)以改善與水泥漿相容性實(shí)驗(yàn)探索[J].鉆井液與完井液,2007,24(4):43-46.

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DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.08.014

Liu Shibin,senior engineer,born in1973,is engaged in research on cementing technology and cementing services.

Add:No.6,Ruifeng Lane,North Sec.4,2nd Ring Rd.,Chengdu,Sichuan610051,P.R.China

Tel:+86-28-86019026 Mobile:+86-1380783272 E-mail:lsbwwlnx@163.com

An experimental study on the prevention of cement slurry contamination during deep or ultradeep well cementing at Sichuan and Chongqing oil/gas fields

Liu Shibin1,Zheng Kun1,Zhang Chi2,Zeng Fankun1,Leng Yonghong1,Tang Wei1,Wang Chunquan1
(1.Downhole Operation Company,Chuanqing Drilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan610051,China;2.Engineering Technology Department,Sinopec Southwest B ranch Company,Deyang,Sichuan610700,China)

To ensure the compatibility between the cement slurry and the drilling fluid used in deep and ultradeep well drilling,a compatibility experiment is conducted using the commonly used poly-sulphonate drilling fluid and potassium-poly-sulphonate with hightemperature cement slurry systems on the basis of an analysis of the effects of drilling fluid on cement slurry’s thickening time and the test results of the rheology and high-pressure high-temperature thickening time of the conventional drilling fluid additives/cement slurry mixture used in deep well drilling.The drilling fluid additives helpful for flocculation in cement slurry are chosen as future drilling fluid additive candidates.The existing cement slurry compatibility test criteria and contamination-prevention measures are also evaluated herein,and a set of slurry compatibility test methods and a set of measures like drilling fluid proper adjustment before cementing operation,eccentric annulus spacer fluid placement,casing centralizing improvement,and cement slurry contamination prevention are summed up.The field application shows that the cement slurry contamination prevention technology can provide a safe way for deep and ultradeep well cementing.It is recommended that a cement slurry contamination prevention system be set up to improve the cementing quality under different conditions at different areas.

deep well,ultradeep well,cementing,cement slurry,contamination prevention,drilling fluid,compatibility,technology

book=51,ebook=612

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.08.014

2010-05-27 編輯 鐘水清)

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)項(xiàng)目”(編號(hào):2008ZX05022-005)子課題的研究成果。

劉世彬,1973年生,高級(jí)工程師;從事固井科研和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工作。地址:(610051)四川省成都市二環(huán)路北四段瑞豐巷6號(hào)井下作業(yè)公司研發(fā)中心。電話:(028)86019026,13880783272。E-mail:lsbwwlnx@163.com

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE8,pp.51-54,8/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)