水泥漿流經(jīng)鹽層后的性能研究

2012-11-09 02:04:56西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院四川成都610500

長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版) 2012年4期

陳平，田徑 (西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都 610500)

水泥漿流經(jīng)鹽層后的性能研究

陳平，田徑 (西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都 610500)

為了解水泥漿流經(jīng)鹽層前后漿態(tài)性能的變化情況，通過不同含鹽量水泥漿流經(jīng)不同厚度鹽層的模擬試驗(yàn)來分析有關(guān)漿態(tài)性能變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水泥漿流經(jīng)鹽層厚度的增加，不同含鹽量的水泥漿密度出現(xiàn)不同程度的增大；總體上呈現(xiàn)流性指數(shù)變小和稠度系數(shù)增大的趨勢；多數(shù)配方的水泥漿的稠化時(shí)間出現(xiàn)不同程度的增加；淡水水泥漿的失水量變化很大，最終都達(dá)到較高的失水量，使得失水性能遭到完全破壞，而中高含鹽水泥漿的失水量變化不大，只是失水量有所增加，但其失水性能沒有遭到完全破壞。

鹽層；水泥漿；漿態(tài)性能

在進(jìn)行鹽層(尤其是厚鹽層)固井時(shí)，一般都要使用鹽水水泥漿[1]。但是，對于使用何種鹽含量的鹽水水泥漿，研究者的看法并不完全一致，其原因主要是對抗鹽水泥的抗鹽性能了解不夠。鹽層固井中有2個(gè)過程中值得研究，其一是注水泥過程，其二是注完水泥后的整個(gè)凝固過程(包括整個(gè)井的壽命期)[2]。在注水泥過程中，水泥漿要流經(jīng)鹽層，而且最終不同環(huán)空處的水泥漿接觸流經(jīng)鹽層的時(shí)間一樣[3]。這引出如下問題，即水泥漿接觸流經(jīng)鹽層后(包括不同的接觸時(shí)間)各項(xiàng)性能指標(biāo)會(huì)發(fā)生何種變化？在注水泥過程中，流變性能的變化對頂替過程會(huì)產(chǎn)生何種影響？為此，筆者使用不同含鹽量的水泥漿進(jìn)行模擬試驗(yàn)，據(jù)此了解水泥漿流經(jīng)鹽層后的性能變化，從而為現(xiàn)場鹽層固井提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)方案

確定5個(gè)試驗(yàn)用基礎(chǔ)水泥漿配方，利用模擬試驗(yàn)儀器，對5個(gè)水泥漿體系分別在1、0.5m/s返排速度的條件下進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)用配方如下：①淡水水泥漿配方，包括配方1(G級(jí)油井水泥+1.5%降失水劑(HS-2A)+1%分散劑(Sxy)+H2O)和配方2(G級(jí)油井水泥+8%降失水劑(LT-1)+0.5%分散劑(Sxy)+H2O)。②中含鹽水泥漿配方，包括配方3(G級(jí)油井水泥+2.5%降失水劑(HS-2A)+2%分散劑(Sxy)+15%鹽+H2O)和配方4(G級(jí)油井水泥+6.25%降失水劑(LT-1)+ 15%鹽+H2O)。③高含鹽水泥漿配方(即配方5)，即G級(jí)油井水泥+7%降失水劑(HS-2A)+12%微硅(Sxy)+36%鹽+促凝劑2%+H2O。

1.2試驗(yàn)步驟

研究水泥漿漿態(tài)的試驗(yàn)步驟如下：①根據(jù)已確定的水泥漿配方配置水泥漿，在控溫多速組織搗碎機(jī)里均勻攪拌1min左右。②測量水泥漿的密度和流動(dòng)度，然后進(jìn)行預(yù)制(常壓、60℃、時(shí)間20min)。③壓制鹽樣。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)壓制試驗(yàn)所用鹽樣。④做好模擬試驗(yàn)儀器的相關(guān)準(zhǔn)備工作。首先把壓制好的鹽樣固定在圓形轉(zhuǎn)盤上，再利用紅外轉(zhuǎn)數(shù)測定儀調(diào)整無級(jí)調(diào)速儀至試驗(yàn)所需轉(zhuǎn)速，最后設(shè)置水浴裝置的溫度為60℃。⑤將預(yù)制后的水泥漿倒入指定的容器中，調(diào)整轉(zhuǎn)子高度至鹽樣沒入水泥漿中設(shè)定深度，打開轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)，再次調(diào)無級(jí)調(diào)速器至指定轉(zhuǎn)速；⑥在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行水泥漿流經(jīng)鹽層的模擬試驗(yàn)。⑦進(jìn)行水泥漿的密度、流變性測試。⑧做好靜態(tài)失水儀的準(zhǔn)備工作以便進(jìn)行失水試驗(yàn)。⑨取失水試驗(yàn)中的濾液進(jìn)行鹽成分含量分析試驗(yàn)[4]。

2 結(jié)果及分析

2.1密度

返排速度為1m/s和0.5m/s時(shí)的水泥漿密度變化圖分別如圖1和圖2 所示。

圖1 返排速度為1m/s時(shí)水泥漿密度變化圖

圖2 返排速度為0.5m/s時(shí)水泥漿密度變化圖

由圖1可知，配方2的水泥漿流經(jīng)鹽層后密度變化最大，配方4的密度變化較大，配方5的密度變化最小。由圖2可知，配方2在經(jīng)過120m鹽層后和經(jīng)過360～600m后密度變化最大，配方1密度變化較大，而配方5的密度變化最小，其變化趨勢與返排速度為1m/s時(shí)的趨勢基本相同，說明高含鹽水泥漿的密度變化受返排速度影響不大。所有配方的水泥漿密度變化都呈上升趨勢，主要原因是在水泥漿流經(jīng)鹽層時(shí)，鹽層中的鹽進(jìn)入水泥漿中導(dǎo)致水泥漿密度增大。此外，水泥漿流經(jīng)過程中會(huì)產(chǎn)生失水現(xiàn)象，失水量越大，水泥漿密度越大。

2.2流變性

流性指數(shù)和稠度系數(shù)是流變性的主要性能指標(biāo)，因而需要對不同配方水泥漿的流性指數(shù)和稠度系數(shù)進(jìn)行測試。在返排速度為1m/s時(shí),不同配方水泥漿流經(jīng)鹽層后的流性指數(shù)和稠度系數(shù)分別如表1和表2所示。由表1和表2可知，流經(jīng)鹽層后各配方的流性指數(shù)整體上呈減小趨勢，淡水水泥漿體系的稠度系數(shù)顯著變大，中含鹽水泥漿體系的稠度系數(shù)和高含鹽水泥漿的稠度系數(shù)也有所增大，只是其變化相對較小。

表1 不同配方水泥漿的流性指數(shù)

表2 不同配方水泥漿的稠度系數(shù)

2.3稠化時(shí)間

在固井施工中，稠化時(shí)間是決定固井作業(yè)成敗的關(guān)鍵。在確保施工順利的前提下，要求稠化時(shí)間盡可能短，以便縮短候凝時(shí)間，減少水泥漿析水和失水以及可能遭受的水侵或氣竄，并使水泥石及早達(dá)到可以開鉆的機(jī)械強(qiáng)度，為繼續(xù)鉆進(jìn)爭取時(shí)間。不同配方水泥漿稠化時(shí)間變化圖如圖3所示。由圖3可知，配方3的稠化時(shí)間變化最顯著，該配方水泥漿在流經(jīng)鹽層后稠化時(shí)間增加最多，而配方2水泥漿稠化時(shí)間緩慢減少，其他各配方水泥漿的稠化時(shí)間都有不同程度的增加，且配方5的稠化時(shí)間增加幅度最小。

2.4失水性能

圖3 水泥漿稠化時(shí)間變化圖

水泥漿失水是指30min內(nèi)在指定的溫度和壓差下，通過一定的面積孔隙所能濾失的自由水量。對不同配方水泥漿進(jìn)行失水試驗(yàn)，返排速度為1m/s和0.5m/s時(shí)的水泥漿失水量變化圖分別如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，配方1和配方2的水泥漿流經(jīng)鹽層后失水量變化最大，而配方3和配方4的失水量變化較小，配方5的失水量變化最小。以100ml/30min為標(biāo)準(zhǔn)，在分別經(jīng)過360m和480m鹽層段時(shí)，配方1和配方2的失水性能都遭到完全破壞，而且同一配方的失水性能在返排速度為1m/s時(shí)先被破壞；含鹽水泥漿配方配方3～配方5的失水性能沒有遭到完全破壞，只是失水量有所增加。