鹽層井段固井水泥石力學性能及微觀結構研究

黃進,羅文波 (中石化江漢油田分公司采油工藝研究院新技術推廣中心,湖北潛江 433121)

許驍 (中石化江漢油田分公司采油工藝研究院采油工程規劃所,湖北武漢 430000)

熊力坤,趙廣海 (中石化江漢油田分公司采油工藝研究院新技術推廣中心,湖北潛江 433121)

鹽層井段固井水泥石力學性能及微觀結構研究

黃進,羅文波 (中石化江漢油田分公司采油工藝研究院新技術推廣中心,湖北潛江 433121)

許驍 (中石化江漢油田分公司采油工藝研究院采油工程規劃所,湖北武漢 430000)

熊力坤,趙廣海 (中石化江漢油田分公司采油工藝研究院新技術推廣中心,湖北潛江 433121)

基于鹽層固井實際,以水泥漿進入環空凝固后的水泥石為研究對象,通過室內試驗,對原漿、含鹽15%和含鹽27%的鹽層水泥石的力學性能和微觀結構進行研究,采用單軸和三軸壓縮試驗研究其力學性能,采用X-射線衍射(XRD)、壓汞試驗(MⅠP)和掃描電子顯微鏡(SEM)方法研究水泥石的物相組成、孔隙結構和水化膠凝相形貌。并從機理上闡釋了鹽對油井水泥石力學性能和微觀結構的影響。研究結果表明,含鹽15%水泥石的單軸抗壓強度和膠結強度最大,分別為27.8MPa和2.4MPa,結構致密;含鹽27%水泥石的楊氏模量9.0GPa,表現出脆性特征,水泥石中有NaCl晶體析出,水泥水化膠凝相與NaCl晶體相共存。該研究為鹽層固井用抗鹽水泥漿所引起的關鍵技術問題提供理論依據,采用15%鹽水水泥漿體系在江漢油田施工24井次,鹽層井段固井質量合格率97%。

鹽層固井;水泥石;力學性能;微觀結構;機理分析;現場應用

鹽層固井時,水泥漿進入環空凝固后,水泥環組成材料中都不同程度含有鹽組分,這種含鹽水泥環性能直接關系到能否抵抗鹽層蠕變等載荷。鹽層是巖鹽(堿金屬和堿土金屬氯化物)地層和膏鹽(硫酸鹽)地層的統稱,在世界范圍內分布廣泛,鹽層固井一直就是固井界公認的難題[1-2]。在鹽層井段固井,水泥漿遇鹽后,其性能應當保持穩定,需要水泥漿體系具有很強的抗鹽能力,當今很多油田都采用抗鹽水泥漿或含鹽水泥漿體系[3-4]。然而,目前國內外對于鹽層水泥環的研究,很多文獻都只測試了某個時間后的強度或是只有泛泛的描述(即當水泥漿中鹽摻量低于10%時,具有明顯的早強作用,隨著鹽摻量的增加,水泥石強度發展會逐漸變慢,且強度也隨之降低),而對有關鹽層固井水泥石力學性能及微觀機理作深入研究的成果少有報道[5]。要提高鹽層的固井質量,提高水泥環和套管及鹽層的適應能力,提高套管和水泥環對鹽層蠕變載荷的抵抗力,減少鹽層井段套管的損毀,必須對起支撐和加強套管作用的水泥環微結構作深入研究和對鹽層水泥環的力學性能有系統掌握。

1 水泥石力學試驗結果

表1 水泥石單軸抗壓強度和膠結強度

1.1 水泥石的制備

按水灰比為0.44配漿,外加劑加量以干水泥質量為基準計算,水泥漿密度均為1.9g/cm3。水泥漿遵循APⅠ標準配制,倒入模具中,放入90℃恒溫、0.1MPa水浴箱中養護48h得到水泥石。原漿水泥石(1#)、含鹽15%水泥石(2#)和含27%鹽水泥石(3#)(含鹽量是指工業NaCl在配漿水中的百分數)烘干后水泥石密度分別為1.78、1.93和2.01g/cm3。

1.2 水泥石單軸抗壓強度和膠結強度

單軸抗壓強度和膠結強度均采用YE-300壓力試驗機進行測試,試驗結果見表1所示。

由表1可知,2#含鹽15%水泥石的單軸抗壓強度和膠結強度最大,3#含鹽27%水泥石的單軸抗壓強度和膠結強度最小。這可能是由于水泥的水化反應是一個復雜的溶解/沉淀過程,這一過程與單一成分的水化反應不同,各組分以不同的反應速度同時進行水化反應,而且不同的礦物組分彼此之間存在著互相影響。相對于1#試樣,2#試樣在水化反應的過程中,體系含有一定量的Na+和Cl-,在養護過程中并沒析出晶體(參見XRD部分),故離子進入了水化產物膠凝相中,改變了膠凝相的物質結構,故其強度較高。同理,相對于1#試樣,3#水泥漿中鹽含量飽和,在水化過程隨體系對水的消耗,體系析出晶體,對水泥水化反應有一定的抑制作用,影響水泥石結構的形成和發展,所以抗壓和膠結強度較低。

圖1 水泥石三軸應力-應變曲線

表2 水泥石三軸抗壓強度、楊氏模量和泊松比參數表

圖2 不同試樣的X-射線衍射(XRD)圖譜

1.3 水泥石三軸壓縮試驗結果及分析

水泥石三軸壓縮試驗采用MG-1油氣藏應力敏感性測試儀。試驗條件如下:圍壓(10MPa)、溫度90℃和恒速(2k N/min)加載至水泥石破壞,應力-應變曲線如圖1所示,特征力學參數如表2所示。

由圖1可以看出,在圍壓作用下,試樣都表現出一定的延性,隨含鹽量增加,應變增加。含鹽水泥石的抗壓強度明顯高于原漿水泥石,其軸向微應變也明顯好于原漿水泥石,特別是在高應力作用下,力學變形能力更為明顯。不同試樣在壓縮過程中經歷了壓密實、彈塑性和破壞階段,無論是原漿水泥石還是含鹽水泥石,在低應力下水泥石均以彈性變形為主,應力-應變曲線呈直線;隨著應力增大,應變逐漸偏離直線發展,即在高應力下水泥石逐漸表現出較強的塑性形變。在塑性變形階段,應力增量很小,應變速率卻明顯增長。當應力達到一定值時試樣破壞,但比較3個樣品應力-應變曲線可見,1#試樣呈現突然的崩裂破壞,而2#、3#試樣仍具有一定的承載能力,試樣并沒有明顯的破裂面,其破壞不再是純剪切破壞。

由表2可知,含鹽水泥石的抗壓強度、彈性模量和泊松比均高于原漿水泥石。隨著鹽含量的增加,水泥石的抗壓強度、彈性模量和泊松比均增加。3#水泥石的彈性模量最大,表現出脆性特征。

2 水泥石微觀結構

2.1 水泥石的物相組成

由圖2的XRD衍射峰可見:1#和2#水泥石物相組成為水化產物Ca(OH)2和未水化的礦物Ca3SiO5, 與JCPDS卡片報道的數據一致[6], 2#試樣中加入的NaCl在水化過程中,Cl-和Na+進入了水泥膠凝相。3#水泥石物相組成為水化產物Ca(OH)2、未水化的礦物Ca3SiO5和NaCl晶體,與JCPDS卡片報道的數據[6]一致,可見一部分Cl-和Na+進入了水泥膠凝相,另一部分隨水化反應的進行,過飽和結晶析出NaCl晶體。

2.2 水泥石壓汞孔徑測試

孔是水泥石微結構中重要的組成之一。孔結構的屬性包括孔隙度、孔徑分布、孔的形貌及孔在空間的排列狀況。水泥石是由固-液-氣組成的多相多孔體系。水泥石性能主要取決于這些成分的性質、相對含量以及它們之間的相互作用。

壓汞測試(MⅠP)方法是近年來混凝土材料科學研究中常用的材料性能評價方法,它是根據壓入混凝土中水銀的數量與所加壓力之間的函數關系,計算孔的直徑和孔的體積[7-8]。為分析鹽對水泥石微觀孔結構的影響,試驗采用壓汞試驗方法測定了1#、2#和3#水泥石的孔結構參數,試驗結果如表3所示。

表3 水泥石孔隙測試結果

從表3可知,2#和3#水泥石的孔隙度、最大孔喉半徑、孔喉中值半徑及滲透率主要貢獻的孔喉半徑均比較接近,比1#均有所改善。鹽的加入,對水泥石孔隙結構的改善可能是由于鹽與水泥水化產物發生反應,結合生成新的物質填充在孔隙中。

2.3 水泥石掃描電鏡

由1#、2#和3#水泥石放大20000倍后的掃描電鏡照片(見圖3)可見,1#水泥石中清晰可見絮狀的水泥水化膠凝相,大孔數量較多;2#水泥石中片狀的Ca(OH)2晶體和絮狀的水泥水化產物界面結合緊密,幾乎沒有大的孔隙存在;3#水泥石也沒有大孔分布,結構致密,同時可見有細小的NaCl晶體析出。2#水泥石中連續相和分散相膠結情況比3#水泥石好,其力學性能優異,與上面測試結果相一致。

圖3 不同試樣的掃描電鏡(SEM)形貌圖

3 鹽對油井水泥石力學性能和微觀結構影響的機理分析

由以上強度和孔徑等微觀分析可知,使用含鹽15%的水泥漿固井,水泥石強度和膠結性能良好,微觀結構致密;而使用含鹽27%的水泥漿固井,在水泥水化過程中,反應掉部分水后,導致飽和鹽水變成過飽和而有NaCl晶體析出,在水泥漿形成強度的過程中,析出的鹽晶體占有一部分體積但對強度的貢獻很小。同時,析出的晶體在濕環境下會對套管產生電化學腐蝕,直接影響油氣井長期壽命。

基于滲流理論的水泥石微結構模型認為,由隨機分布的結晶相、膠凝相(C-S-H)、孔隙及微裂縫構成了水泥石的微觀結構[9-10]。水泥石的力學性能決定于連續相、分散劣化相(孔隙及微裂縫)及分散增強膠凝相(C-S-H)在空間所占體積分數、分布特點及聯結程度。一般來說,按照孔尺寸的大小,可以概略地分為凝膠孔、毛細孔及過渡孔。凝膠孔對水泥石的強度幾乎沒有影響,但凝膠水的轉移,會造成干縮和徐變。由于孔在樣品中本身并不具有強度,所以1#水泥石在養護48h之后由于孔隙較多,抗壓強度、彈性模量和形變能力均較差。2#和3#水泥石的共同點在于鹽的加入,提高了水泥石中由未水化粒子、水化產物組成的固相體系的強度,也就是說,隨著水化反應的進行,孔隙度減小,表3的測試結果也說明了這一點。所以2#和3#水泥石的三軸抗壓強度、形變能力均比1#水泥石好,2#和3#水泥石不同點在于鹽加量的不同,改變了體系的物相組成,以及相界面之間結合情況,故而影響其力學性能。由此可見,水泥石的微觀結構一定程度上決定其力學性能。

4 現場應用

江漢油田王場東區、廣華西區和黃場等區塊主力油層為潛江組的第4段3油組的1、2、3號小層。儲層埋深約1800～2800m,儲量超過1000×104t,儲層特征表現為:滲透率低,隔層薄,儲層上下鹽膏層發育,固井質量不好給后續增產措施帶來了困難。

以h1井為例,2010年以前采用常規水泥漿體系固井,如圖4所示。鹽膏層井段一、二界面固井質量均不理想,固井質量合格率僅為70%。2011年以來采用15%鹽水水泥漿體系24井次,如圖5所示。以h7斜-1井為例,鹽膏層井段一、二界面固井均為良好,固井質量合格率達到97%。

圖4 h1井聲波變密度測井固井質量評價圖

圖5 h7斜-1井聲波變密度測井固井質量評價圖

5 結論

1)壓汞、SEM試驗表明,鹽的加入,一定程度改善了水泥石的孔隙度和微觀結構,減少了大孔的數量; XRD試驗結果表明,含鹽27%的水泥石中有NaCl晶體析出,在濕環境下會對套管產生腐蝕作用。

2)孔結構對鹽層固井水泥石強度、彈性模量、泊松比和形變能力起決定性作用,其中大孔的多少和分布是一個很重要的因素,連續相和分散增強相界面結合情況也會影響水泥石的力學性能。

3)含鹽15%水泥石的單軸抗壓強度、膠結強度和形變能力優于原漿和含鹽27%的水泥石,15%鹽水水泥漿在江漢油田某區塊應用24井次,鹽膏層井段固井質量合格率97%。

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[編輯]辛長靜

TE256.6

A

1673-1409(2014)26-0070-04

2014-03-05

黃進(1985-),男,碩士,工程師,現主要從事油氣田開發與開采技術方面的研究工作。