聚合物氯化鉀水泥漿體系性能評價及應(yīng)用研究

陳良 (中海油服油田化學(xué)事業(yè)部湛江基地,廣州 湛江 524051)

彭博,黃敏 (中石化江漢石油工程公司鉆井一公司,湖北 潛江 433121)

聚合物氯化鉀水泥漿體系性能評價及應(yīng)用研究

陳良 (中海油服油田化學(xué)事業(yè)部湛江基地,廣州 湛江 524051)

彭博,黃敏 (中石化江漢石油工程公司鉆井一公司,湖北 潛江 433121)

GK-1井位于江陵凹陷涴市斷裂帶南崗一號斷鼻構(gòu)造,完鉆井深3581m,固井目的層位為含鉀石巖、石膏以及芒硝的粉質(zhì)泥巖地層。使用常規(guī)鹽水水泥漿固井其與地層的膠結(jié)質(zhì)量差,制約著固井質(zhì)量的提高。為提高含鉀石巖地層的固井質(zhì)量,利用抗鹽降失水劑CG80S、防竄增強劑GS12L、抗鹽分散劑CF44S、抗鹽緩凝劑H21L以及復(fù)合加重劑材料CD26F構(gòu)建了以10%氯化鉀鹽水作為配漿水的聚合物氯化鉀鹽水水泥漿體系,并對聚合物氯化鉀水泥漿體系的物理性能和抗污染性能進行了評價。室內(nèi)試驗評價結(jié)果和GK-1井的現(xiàn)場應(yīng)用表明,氯化鉀水泥漿體系的性能可以滿足含鉀石巖以及含石巖、石膏以及芒硝的粉質(zhì)泥巖地層固井要求,具有推廣應(yīng)用的價值。

鹽膏層固井;氯化鉀;抗鹽水泥漿;鉀鹽地層

針對含鉀石巖、石膏以及芒硝的粉質(zhì)泥巖地層的固井難題,構(gòu)建一套具有優(yōu)異的抗鹽污和抗鈣侵能力并與鹽膏層具有良好膠結(jié)性能的水泥漿體系,是有效解決常規(guī)水泥漿在復(fù)雜鹽膏層膠結(jié)性能差、膠凝強度發(fā)展緩慢、早期強度低、不能有效抵御因鹽層地層蠕變引起的外擠力導(dǎo)致厚壁套管變形問題的關(guān)鍵。試驗研究發(fā)現(xiàn),質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%氯化鉀鹽水所配制的水泥漿體系能夠與含鉀石巖形成良好膠結(jié),并且氯化鉀對粉質(zhì)泥巖具有很好水化膨脹抑制作用,能夠很好滿足現(xiàn)場作業(yè)需要[1～3]。下面,筆者利用抗鹽降失水劑CG80S、防竄增強劑GS12L、抗鹽分散劑CF44S、抗鹽緩凝劑H21L以及復(fù)合加重劑材料CD26F構(gòu)建了聚合物氯化鉀水泥漿體系配方,并對聚合物氯化鉀水泥漿體系的物理性能和抗污染性能進行了評價。

1 試驗材料與設(shè)備

1.1 試驗材料

H21L緩凝劑、CG80S抗鹽聚合物降失水劑、GS12L增強防竄劑、高抗硫G級油井水泥、淡水、CX61L消泡劑、CF44S分散劑、EXP-1膨脹劑、CD26F復(fù)合加重劑、氯化鉀。

1.2 試驗設(shè)備

高溫高壓稠化儀、常壓稠化儀、高溫高壓水泥漿失水儀、高溫高壓養(yǎng)護釜、多功能壓力試驗機、六速旋轉(zhuǎn)黏度計。

2 水泥漿配方

1#水泥漿配方:G級水泥+49%氯化鉀鹽水+3%CG80S降失水劑+2%CF44S分散劑+1.5% EXP-1膨脹劑+60%CD26F加重劑+1.2%H21L緩凝劑+0.5%CX61L消泡劑+6%GS12L增強防竄劑,密度為2.25g/cm3。

2#水泥漿配方:G級水泥+53%氯化鉀鹽水+3%CG80S降失水劑+2%CF44S分散劑+1.5% EXP-1膨脹劑+90%CD26F加重劑+1%H21L緩凝劑+0.5%CX61L消泡劑+6%GS12L增強防竄劑,密度為2.35g/cm3。

3#水泥漿配方:G級水泥+57%氯化鉀鹽水+3%CG80S降失水劑+2.2%CF44S分散劑+1.5% EXP-1膨脹劑+116%CD26F加重劑+0.7%H21L緩凝劑+0.5%CX61L消泡劑+6%GS12L增強防竄劑,密度為2.45g/cm3。

上述配方中百分?jǐn)?shù)均為質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同。

3 聚合物氯化鉀水泥漿體系物理性能評價

室內(nèi)對不同密度聚合物氯化鉀水泥漿體系的性能進行了評價,GK-1井完鉆井身3581m,井底靜止溫度94℃,循環(huán)溫度76℃,所以室內(nèi)將水泥漿的試驗條件設(shè)定為76℃×80MPa。

由表1所示數(shù)據(jù)可見,氯化鉀鹽水水泥漿具有稠化時間可調(diào)、水泥石養(yǎng)護強度高、失水可控和漿體穩(wěn)定性好的特點,針對含鉀石巖、石膏以及芒硝的粉質(zhì)泥巖地層的固井能夠與鹽膏層形成良好的膠結(jié)。從水泥漿稠化轉(zhuǎn)化時間評價結(jié)果看,水泥漿稠化轉(zhuǎn)化時間均較短,有助于水泥漿防止流體上竄。

表1 聚合物氯化鉀水泥漿物理性能

4 聚合物氯化鉀水泥漿體系抗污染性能評價

目標(biāo)層位為含有鉀石巖、石膏以及芒硝的粉質(zhì)泥巖,封固該層位需要水泥漿具有良好的抗鹽污、抗石膏污染的能力[4]。室內(nèi)重點考察了密度為2.35g/cm3的聚合物氯化鉀水泥漿抗鹽污和抗膏侵的能力,結(jié)果如表2所示。在氯化鉀鹽、硫酸鈉鹽以及石膏粉侵污下,水泥漿的性能未發(fā)生突變,各種性能基本能夠滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。值得注意的是,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的石膏粉侵入水泥時,水泥漿的黏度明顯增大,水泥漿觸變性增強,所以在現(xiàn)場應(yīng)用時,水泥漿的黏度要考慮適當(dāng)降低。

表2 水泥漿抗侵污能力評價

5 現(xiàn)場應(yīng)用

GK-1井井身結(jié)構(gòu),一開:?393.7mm鉆頭×502m+?273.1mm套管×500m;二開:?241.3mm鉆頭×3472m+?193.7mm套管×3470m;三開:?165.1mm鉆頭×3681.0m+?127mm尾管(3212～3677.37m)。

該井三開所用鉆井液密度為2.27g/cm3,黏度為79mPa·s,塑性黏度為110mPa·s,初切力為2Pa,終切力為6Pa,動切力為17.5Pa,含砂量為0.5%,失水量為4.0ml,p H值為14。鉆進過程中發(fā)現(xiàn)井底當(dāng)量密度小于2.25 g/cm3時出現(xiàn)溢流,大于2.47g/cm3時發(fā)生井漏。該井3472～3630m巖性主要為泥巖及粉砂巖,3630m至井底以膏鹽層為主。

5.1 固井施工難點

1)下部裸眼井段鹵水層活躍,地層孔隙壓力高,鉆井液密度提高至2.25g/cm3才能壓穩(wěn)地層,水泥漿候凝過程中易因失重導(dǎo)致地層流體上竄。

2)存在 “糖葫蘆”井眼。砂泥巖井段受溢流、故障處理影響,多次出現(xiàn)垮塌,井徑擴大嚴(yán)重,膏鹽層井段有縮徑現(xiàn)象,下鉆易遇阻。擴徑井段固井頂替時難以將大井眼死角處的鉆井液頂替干凈,這些殘留的鉆井液將影響水泥漿的膠結(jié)強度。

3)該井裸眼井段短:3472～3681m,水泥漿量按實際井徑計算只有5.4m3,水泥漿即使受到少量污染也會對整個固井質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

5.2 技術(shù)措施

1)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%氯化鉀鹽水聚合物水泥漿體系進行封固,物理性能見表3。水泥漿密度為2.35g/cm3,采用雙凝領(lǐng)、尾水泥漿設(shè)計,領(lǐng)漿稠化時間360～420min,尾漿稠化時間150～200min。領(lǐng)漿固化時間長,有效保證上部液柱壓力順利傳導(dǎo),有利于尾漿固化過程中壓穩(wěn)地層,防止底部流體上竄,確保底部裸眼段固井質(zhì)量[5,6]。

表3 現(xiàn)場領(lǐng)、尾水泥漿物理性能

2)為了避免水泥漿與泥漿直接接觸產(chǎn)生污染,同時考慮頂替效率等因素,設(shè)計高性能隔離液10m3,密度2.30g/cm3。隔離液的沉降穩(wěn)定性良好(見表4),確保泥漿與水泥漿完全隔開,防止因混漿造成無法拔出中心管的事故。

表4 隔離液的沉降穩(wěn)定性

3)固井施工時采用塞流頂替,控制井底當(dāng)量密度維持在2.30～2.35g/cm3,防止鹽水浸入和壓漏地層。固井施工結(jié)束,在水泥漿膠凝失重過程中附加10MPa壓力,加壓候凝,平衡液柱壓力損失。同時采用塞流頂替可有效解決 “糖葫蘆”井眼固井質(zhì)量問題。

5.3 現(xiàn)場作業(yè)情況

2013年1月31日6∶00套管順利下完,循環(huán)泵壓14.5MPa;16∶00進行懸掛器座掛,座掛過程正常;17∶17～17∶22注入加重隔離液5m3,密度2.30g/cm3;17∶45～18∶05注入高密度水泥漿9m3,密度2.38g/cm3;18∶09～18∶45注入保護液10m3,密度2.30g/cm3;18∶45～19∶05水泥車替泥漿5.5m3,密度2.25g/cm3,施工壓力25MPa;19∶06～19∶11水泥車替泥漿0.5m3碰壓。固井施工過程順利,經(jīng)掃塞、通井后于2月7日進行聲幅測井,聲幅顯示層間封隔良好,固井質(zhì)量合格。

6 結(jié)論

1)氯化鉀鹽水水泥漿具有稠化時間可調(diào)、水泥石養(yǎng)護強度高、失水可控和漿體穩(wěn)定性好的特點,針對含鉀石巖、石膏以及芒硝的粉質(zhì)泥巖地層的固井能夠與鹽膏層形成良好的膠結(jié)。

2)氯化鉀聚合物水泥漿體系具有良好的抗鉀鹽、鈣鹽的侵污性能,能夠有效保障入井水泥漿的性能穩(wěn)定。

3)氯化鉀聚合物鹽水水泥漿體系的現(xiàn)場應(yīng)用成功,說明水泥漿針對含鉀石巖固井具有良好的封固效果,有推廣應(yīng)用的價值。

[1]Van Kleef R P A R.Optimized slurry design for salt zone cementations[J].SPE18620,1989.

[2]彭雷,許明標(biāo).鹽膏層固井用抗溫抗鹽低濾失聚合物鹽水水泥漿體系研究[J].石油天然氣學(xué)報(江漢石油學(xué)院學(xué)報),2008, 30(2):550～552.

[3]許前富,羅宇維,馮克滿,等.一種高密度鹽膏層固井水泥漿的研究及應(yīng)用[J].鉆井液與完井液,2014,31(1):68～71.

[4]Devesh B,Nestor P,Arshad W,et al.First application of a lightweight salt slurry to help cement longest intermediate casing across salt section and improve well economics:case history from the gulf of Suez[J].SPE150711,2012.

[5]Gilson C,Cristina A S,Cristiane R M,et al.Salt-tolerant cement systems to mitigate gelling effect[J].SPE170477,2014.

[6]田常銘.塔里木盆地古近系—白堊系微膨脹防竄鹽水泥漿的應(yīng)用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(3),25～28.

[編輯]洪云飛

長江大學(xué)獲批42項2015年度國家自然科學(xué)基金項目

8月17日,國家自然科學(xué)基金委員會公布了2015年度國家自然科學(xué)基金申請項目評審結(jié)果(國科金發(fā)計[2015]59號文件),有42個以長江大學(xué)為依托單位的項目獲批。

2015年度長江大學(xué)自科基金獲批項目總經(jīng)費為1423萬元。在獲批的42個項目中,胡文寶教授主持的《非均勻第中低頻電磁輻射源探測與反演定位》(項目批準(zhǔn)號41574064)和尹艷樹教授主持的《三角洲前緣儲層多點地質(zhì)統(tǒng)計建模方法研究》(項目批準(zhǔn)號41572081)分別獲批資助經(jīng)費90萬元,排名第一。

據(jù)基金委介紹,2015年3月2日至3月20日項目申請集中接收期間,國家自然科學(xué)基金委員會共接收項目申請165598項,經(jīng)初步審查受理162433項。根據(jù)《國家自然科學(xué)基金條例》、國家自然科學(xué)基金相關(guān)類型項目管理辦法的規(guī)定和專家評審意見,決定資助面上項目16709項、重點項目624項、創(chuàng)新研究群體項目38項、優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目400項、青年科學(xué)基金項目16155項、地區(qū)科學(xué)基金項目2829項、海外及港澳學(xué)者合作研究基金項目136項、重點國際 (地區(qū))合作研究項目105項、國家重大科研儀器研制項目(自由申請)81項、部分聯(lián)合基金項目(NSAF聯(lián)合基金、天文聯(lián)合基金和鋼鐵聯(lián)合研究基金)130項,合計37207項。

TE256.7

A

1673-1409(2015)25-0014-03

[引著格式]陳良,彭博,黃敏.聚合物氯化鉀水泥漿體系性能評價及應(yīng)用研究 [J].長江大學(xué)學(xué)報 (自科版),2015,12(25): 14～16,57.

2015-06-01

國家科技重大專項(2011ZX05026-001-03)。

陳良(1979-),男,碩士,工程師,現(xiàn)主要從事油氣井固井工藝技術(shù)方面的研究工作;E-mail:chenliang13@cosl.com.cn。