非渗透抗窜低密度水泥浆在Mynteke油田的应用

张 轩,张明玉,聂世均,高 扬

(1.中国石化胜利渤海固井工程技术有限责任公司,山东东营257234;2.中国石化西南局临盘钻井分公司3.中国石油川庆钻探井下作业公司4.中国石油海洋工程有限公司)

非渗透抗窜低密度水泥浆在Mynteke油田的应用

张 轩1,张明玉2,聂世均3,高 扬4

(1.中国石化胜利渤海固井工程技术有限责任公司,山东东营257234;2.中国石化西南局临盘钻井分公司3.中国石油川庆钻探井下作业公司4.中国石油海洋工程有限公司)

哈萨克斯坦Mynteke油田属典型的窄压力窗口固井地区,其上部有活跃的浅层气,下部地层破裂压力低,钻井液密度在1.05～1.10g/cm3范围内时仍有井漏发生。用常规低密度水泥浆固井后,水泥胶结较差,部分井口有冒气现象。为有效防止气窜,提高固井质量,研究出一种适合该区块的非渗透抗窜低密度水泥浆体系。该水泥浆体系具有低密度可调、流动性好、抗压强度高,失水低、稠化过渡时间短等良好的工程性能。通过室内实验和5口井的现场成功应用表明,非渗透抗窜低密度水泥浆体系能满足该地区浅层气窜和低压漏失的固井施工作业的需求。

Mynteke油田;固井;浅层气;漏失井;非渗透抗窜低密度水泥浆

哈萨克斯坦Mynteke油田井深一般为650～950m,在新生界地层底部存在高压浅气层,且气层非常活跃,固井时容易发生气窜,如果水泥浆性能差,稠化时间过长,易发生井涌或井喷。同时其三叠系灰岩层属于原始缝洞,裂缝异常发育,地层破裂压力低,要求水泥浆液柱压力当量密度要小于漏失时的当量钻井液密度。针对该区块窄压力窗口固井,易发生井漏、气窜等问题,研发了非渗透抗窜低密度水泥浆体系,有效地解决了该区块低压井漏、高压气窜的固井难题,保证了固井质量。

1 非渗透抗窜低密度水泥浆研究

1.1 非渗透抗窜低密度水泥浆作用原理

非渗透抗窜低密度水泥浆是以非渗透交联技术和氮气膨胀发气机理为基础,根据紧密堆积理论进行优化设计的。通过优选各种外加剂加量,使水泥浆的综合性能达到固井施工要求,其密度在1.30～1.80g/cm3范围内可调。根据非渗透交联技术,通过非渗透剂和交联剂间的络合反应,生成的络合物形成连续的凝胶结构(非渗透薄膜),以此阻止水泥浆失水、增加气窜阻力等。同时一定温度条件下,氮气膨胀剂发气,在上部液相压力作用下使水泥浆横向膨胀,从而有效降低液柱压力损失。另一方面,大部分外加剂能够增加水泥浆的粘度、液相阻力,起到一定的防气窜作用。体系中的漂珠、增韧剂和超细增强剂干粉密度比水泥均小,且增韧剂和超细增强剂具有大比表面积,可以增大水灰比,使水泥浆密度可调小,增韧剂和超细增强剂可增加水泥石的强度,超细增强剂还具有一定的促凝和促进水泥浆直角稠化作用,保证油气层的固井质量。

1.2 非渗透抗窜低密度水泥浆体系研究

根据上述原理,优选出的适合Mynteke油田浅层气固井的非渗透抗窜水泥浆,低密度不渗透抗气窜水泥浆配方。

1.2.1 主要外加剂及外掺料

水泥:XJ G级水泥;主要外加剂:氮气膨胀剂(WG169)、降失水剂 (DHG302),减阻剂(DHG401),防窜剂 (WG159),增韧剂 (WG172),低温早强剂(WG148),超细增强剂(WG149);主要外掺料:漂珠(Ball)。

1.2.2 体系配方及基本性能

配方:XJ G+40%ball+(1%～1.5%)DHG302+(0.8%～1.0%)WG169+(0.5%～0.8%)DHG401+(8%～15%)WG159+(1%～3%)WG172+(10%～15%)WG149+(2%～5%)WG148+水

根据该区的地质和工程特点,设计出的水泥浆沉降稳定性和流动性好,24h抗压强度高,远大于API规定的低密度水泥浆24h大于3.5MPa的性能,且失水低,稠化时间可调,静胶凝强度过渡时间短,SPN防气窜系数低等(表1)。

表1 非渗透抗窜低密度水泥浆性能

图1 非渗透抗窜低密度水泥浆稠化曲线

1.3 非渗透抗窜低密度水泥浆外加剂作用及优选

1.3.1 非渗透防窜剂

非渗透防气窜剂由高分子聚合物、交联剂组成,在水泥和水混合初期,添加在水泥浆中非渗透剂与交联剂在水泥浆碱性条件下发生络合反应,形成络合结构(图2)。当水泥浆中非渗透剂和交联剂浓度较高时,络合物分子间就会相互连接形成连续的凝胶结构。在压差作用下,水泥颗粒、非渗透凝胶颗粒、未络合的非渗透剂分子、交联剂分子均向失水的井壁方向运移,各种组分的分子密度相对增大,进一步促使未络合的非渗透剂分子和交联剂分子发生络合反应生成络合物,形成凝胶结构。不断增加的凝胶结构分子会相互靠近、接触、粘结成连续的凝胶结构,进而形成均匀稳定的不渗透膜,迅速减低滤失渗透率和水泥浆失水量。在水泥胶凝过渡期,由于水泥浆在保持液态情况下已经发生交联反应生成了非渗透膜,增加了气体侵入水泥浆内的运移阻力。同时气体在水泥浆中运移阻力也在加大,保证了环空静压力(P静)和气体流动阻力(P阻)之和大于气层压力(P气),防止环空气窜发生。

图2 非渗透剂络合结构

通过外加剂优选,形成的水泥浆体系具有良好的防窜能力,从表2可以知道,该水泥浆体系的SPN值在0～3之间,防气窜能力强。SPN反应了水泥浆失水量及水泥浆凝固过程中阻力变化系数对气窜的影响,综合防气侵能力评价了失水、析水和 T值对气窜的影响。

表2 非渗透抗窜低密度水泥浆防窜性能凭评价

1.3.2 漂珠、增韧剂和超细增强剂

利用颗粒级配原理(图3),优选2～3种不同颗粒直径的水泥减轻剂,优选采用漂珠、增韧剂和超细增强剂复合使用,优化其配比关系,提高低密度水泥浆性能。

图3 颗粒级配图

漂珠颗粒密度低(0.7g/cm3左右),颗粒直径大(平均粒径150～250μm),在水泥浆中易上浮,使水泥浆失稳分层,造成封固段上部封固不良。超细增强剂的平均颗粒直径0.15μm,远比水泥和漂珠小,且比表面积大(15～25m2/g),在水泥混合时需要大量水来润湿其表面,对漂珠水泥浆的稳定起到很好作用。但两者增加了水泥石脆性,其加量与降低密度的效率受到限制。但增韧剂具有密度小和可增大水灰比优势,能提高水泥石韧性。因此,通过优化配方,突出漂珠、增韧剂和超细增强剂各自的优点,设计出综合性能好的低密度水泥浆体系。

此外增韧剂、超细增强剂颗粒小能够充填在漂珠和水泥颗粒之间的空隙,正好符合颗粒级配原理。利用颗粒级配原理,在压差作用下,非渗透水泥浆进入漏失裂缝,不同粒径的颗粒材料在裂缝间起架桥作用,充填于其空隙或微裂缝中,堵塞漏失微孔。同时由于凝胶结构等多种协同作用,在施工完后静止状态下,水泥浆稠度和粘性强度急剧增加,很快失去流动性,在漏失通道的裂缝、孔隙壁面粘附胶结,形成堵塞物,从而避免与地层水接触而出现强烈稀释现象,提高堵漏和防窜效果。

1.3.3 氮气膨胀剂

氮气膨胀剂由氮气发气材料、稳定剂和特殊表面活性剂组成,在38℃以上时稳定剂开始溶解,发气材料开始释放氮气,稳定材料控制发气时间和速度。表面活性剂使气泡稳定、高度均匀的泡沫分布在水泥浆中,使水泥浆均匀膨胀,水泥浆和地层紧密接触,在水泥浆静止胶凝时补偿压力损失,阻止地层气体的侵入,起到防窜和提高二界面胶结质量的目的。

由于氮气膨胀气的作用条件是在38℃下,所以现场作业中要增加其加量或控制配浆水温度,保证入井水泥浆温度在25℃以上,使入井水泥浆缓慢释放氮气。控制配浆水温度同时能使水泥浆稠化时间变短,提高防窜能力。

1.3.4 降失水剂

降失水剂由多种聚合物加工而成,当混有降失水剂的水泥遇到水后,吸附在水泥颗粒表面,在多种外加剂的作用下相互粘结在一起形成结构,束缚间隙水,降低滤失速度,并在滤失下在滤失层形成非渗透膜,进一步阻止水泥浆失水,这便有效地防止了地层流体的侵入,起到防窜、降失水作用。

2 现场应用

非渗透抗窜低密度水泥浆体系现场配制程序简单,且具有良好的工程性能,目前已在Mynteke油田浅层气固井应用5口井(表3),很好地解决了该地区浅层气窜和低压漏失性技术难题,固井质量合格率100%,声幅测井质量优质率达到了75%以上。其中,M-37井是一口开发井,完井井深400.0m,设计水泥浆返到地面。完钻时泥浆密度1.15g/cm3,破裂压力梯度在1.18～1.25g/cm3之间。设计采用非渗透抗窜低密度水泥浆与常规水泥浆两种体系,其中领浆平均密度为1.45～1.50g/cm3,尾浆平均密度为1.90～1.95g/cm3。该井使用的低密度水泥浆体系配方及性能见表4,在历时51min施工作业中,共注入低密度水泥浆5.0m3(平均密度1.51g/cm3),常规密度水泥浆10.0m3(平均密度1.92g/cm3)。候凝48h后,电测固井质量及试压作业合格,其中,声幅电测质量优质率为91.1%,这为该地区其它井施工作业提供了很好地参考。

表3 非渗透抗窜低密度水泥浆体系应用情况统计

表4 M-37井非渗透抗窜低密度水泥浆性能

3 结论

(1)非渗透抗窜低密度水泥浆体系主要是在一定条件作用下,通过氮气膨胀剂发气膨胀,进行压力补充,可有效地防止固井后环空气窜。

(2)非渗透抗窜低密度水泥浆具有良好防窜、防漏功能,其失水、析水、抗压强度、胶凝过渡时间等性能良好,密度可根据现场需要,在1.30～1.80g/cm3范围内进行调节。

(3)非渗透抗窜低密度水泥浆体系具有优良、可调的工程性能,应用效果良好,能有效解决Mynteke区块浅层气气窜和固井漏失问题,为提高该地区固井质量奠定了基础。

[1] 许明标,张群,王晓亮,等.微膨胀纤维增强水泥浆的性能试验研究[J].石油地质与工程,2007,21(2):97-100.

[2] 谭化新,张宏军.新型防气窜水泥浆在埕岛油田CB306-1井中的应用[J].钻井液与完井液,2004,21(3):56-57.

[3] 覃永,李成国,杨杰,等.低密度高强度矿渣浆体系固井工艺技术[J].河南石油,2006,20(3):66-68.

[4] 韦炜德,杨杰,覃永,等.矿渣 M T C固井技术在漏失井盘7-斜30井的应用[J].钻井液与完井液,2004,21(4):67-68.

编辑:刘洪树

TE254

A

2010-06-17;改回日期:2010-09-14

张轩,工程师,1978年生,2001年毕业于西南石油学院,现从事固井技术工作。

1673-8217(2011)01-0118-04