颗粒级配技术的超高密度水泥浆体系研究

冯克满,朱江林,王同友 (中海油田服务股份有限公司油田化学事业部,北京1 01 149)

许明标 (长江大学石油工程学院,湖北荆州434023)

徐壁华 (西南石油大学石油工程学院,四川成都61 0500)

方国伟 (中海油田服务股份有限公司油田化学事业部,北京1 011 49)

在缅甸A地区遭遇的浅层高压气、低温超高密度固井作业在国内还属空白。该地区某井固井水泥浆密度达到2.3g/cm3,另一口井水泥浆密度达到2.35g/cm3;后期的区块钻井液密度将达到2.5～2.8g/cm3。在该情况下的固井要满足平衡压力固井,水泥浆密度将超过2.70g/cm3,这在国内外也属罕见,还没有成功的经验借鉴。要实现超高密度水泥浆,必须采取使用密度较高的加重材料进行加重,常规的一些加重方法,如减少水灰比、配盐水溶液等已经不能满足所要加重密度的需要。依靠减少水灰比、加入分散剂来提高流动度的方法[1],因其受浆体稠度的限制,纯水泥浆密度能够达到的极限是1.97g/cm3;而配成不同浓度的盐水溶液,用该溶液作配浆水进行加重的方法,也只能使水泥浆密度达到2.1g/cm3。为此,笔者选择了颗粒级配技术进行超高密度水泥浆体系研究。

1 颗粒级配技术研究

1.1 紧密堆积理论

水泥干混物的堆积体积百分比(PVF)是衡量颗粒之间达到给定密实状态时的相容能力。PVF实际就是堆积密度与比重 (绝对密度)的比值[2]。

完全一样的球形颗粒最完美的堆积方式是正六角形堆积,其PVF可达0.74。同一种球形颗粒之间任意堆积的PVF是0.64。当干粉颗粒具有不同尺寸(多分散相)时,即由不同粒度的颗粒组成时,其PVF就高。因为小尺寸颗粒可以充填于大尺寸颗粒之间的空隙,从而使PVF接近于1。这就是紧密堆积理论中颗粒级配的原理,如图1所示。

图1 颗粒级配原理示意图

设计高性能的超高密度油井水泥正是利用这种PVF最大化原理,采用不同粒度的加重剂进行颗粒级配,使单位体积水泥浆内的固相颗粒增加,尽量降低其水灰比,并且提高水泥石的抗压强度,降低其孔隙度和渗透率,实现水泥浆体系的密度的增加和性能的优化[3]。

1.2 颗粒级配数学与力学模型研究

为研究粒度级配时孔隙度的变化,在较大粒度的小球中,引入次级粒度的小球进行级配。每4个1级粒度球形颗粒构成 1个空隙空间,这其中能填入的最大次级小球同时与4个大球相切,小球的球心应位于4个大球构成的四面体的几何中心,四面体中心与四面体顶点的距离应是大球半径和小球半径之和。由立体几何可得出次级小球的半径r2与大球半径r1的关系,如图2所示。同理,当在半径为r2小球与半径为r1大球相切的孔隙中引入半径为r3的小球时,则达到3级级配的效果,如图2(b)所示。最终通过空间立体几何知识,算得3种球体的最佳半径比例为:

图2 不同级别的颗粒级配示意图

式中,r1为1级球体半径;r2为2级球体半径;r3为3级球体半径。

在上面的模型中,通过增加次级粒度的小球,实现了空隙的填充,达到了较紧密堆积的效果。以上计算是假设同1级别颗粒是圆形且颗粒大小是完全一致,并且要达到一定的密实状态才能达到。但事实上各种粉末材料的粒径是在一定范围内按统计规律分布。水泥的松散状态下的堆积比例一般只在45%左右。

2 水泥浆加重材料的优选

水泥浆加重剂的选择范围不是很广,最常用的水泥加重剂是重晶石、钛铁矿石、赤铁矿石以及Micromax(氧化锰加重材料)等,分别利用以上材料进行了水泥浆加重试验优选。试验结果见表1。

表1 各种加重材料性能特性对比

赤铁矿为具有金属光泽的黑色粉末,密度为4.8～5.2g/cm3,细度一般在200目左右 (“目”指颗粒可以通过的筛网筛孔尺寸,以1英寸宽度筛网内的筛孔数表示)。在加工颗粒较细时 (如500目以上),铁矿粉呈红色[4]。对于较细的赤铁矿,当加量较大时需增大分散剂用量以降低水泥浆粘度。由于赤铁矿自身密度大,比重晶石所需附加水少,因此可以使水泥浆密度升高到2.4g/cm3左右,可制备超高密度水泥浆。当与分散剂、降失水剂复合使用时,可使水泥浆密度提高到2.6g/cm3以上。

从以上分析中可以看出,Micromax是比较理想的加重材料,但是由于Micromax价格非常昂贵,除了Micromax之外,只有赤铁矿粉可以使水泥浆密度超过2.5g/cm3,因此,根据对比结果,选用赤铁矿粉作为超高密度水泥浆的加重材料。

3 超高密度水泥浆体系的设计

根据室内的试验结果,采用单一目数 (100目或500目)的赤铁矿粉加重水泥浆,所能达到的密度极限为2.6g/cm3左右,而且浆体性能较差,不能满足现场施工的需求。为实现超过2.6g/cm3的超高密度水泥浆,考虑利用颗粒级配的原理,建立颗粒紧密堆积模型,采用多种目数铁矿粉进行复配。

室内优选了不同目数比重大于4.7的赤铁矿粉,规格有100目、200目、500目、800目和1200目。并利用激光粒度仪对不同级别的铁矿粉进行颗粒分析,分别实测了其颗粒的粒度。部分实测结果见表2。

表2 铁矿粉粒度分布

常规G级水泥中水泥颗粒的粒度大小为20～100μ m左右的占到总量的60%～70%以上。从表2中可以看出,100目铁矿粉的同级粒度 (20～150μ m)也占到了总数的80%以上。为实现颗粒级配的目的,首先选用了颗粒粒度较粗的与水泥相近的100目铁矿粉作为主要加重剂。利用紧密堆积理论模型的计算,计算出理想模型下合理的2级填充颗粒的粒度约为30um左右,根据表2,500目铁矿粉的粒度与要求比较接近,因此选用100目和500目铁矿粉进行主要粒度级配。

在图2中,假定颗粒都为圆球形,可以明显看出在同等情况下,3级级配体系可以比2级体系实现更紧密的堆积。因此,为实现超高密度的目标,在常规2级级配的基础上,进一步选用了1200目的铁矿粉进行了3级级配。

4 紧密堆积超高密度水泥浆体系性能

4.1 高密度水泥浆综合性能

高密度水泥浆体系难点主要在于流变性、沉降稳定性、滤失量控制、水泥石的强度发育等方面,开发和优选适合高密度水泥浆的外加剂体系,使水泥浆体系稳定、简单实用,并尽量减小水泥浆体系对地层的再次污染[5]。最后优选的加重剂混合物命名为CD26F。同时为防止高温强度衰减,加入了超细目数的硅粉;对于缅甸A地区防气窜能力的特殊需要,加入了增强型防气窜能力较好的防气窜剂。稠化转化时间都在7min之内,具有较强的防气窜能力。各项性能指标满足固井要求。试验数据见表3。

表3 高密度水泥浆2.80g/cm3的高温综合性能

4.2 具有防漏堵漏功能的高密度水泥浆性能

在水泥浆要封隔的地层中,如果存在漏失地层或可能发生诱发性漏失层位,则水泥浆漏失难以避免。通过对硬沥青、珍珠岩、胡桃壳、炭黑、赛珞玢、纤维类的试验,最终优选出纤维材料对水泥浆的漏失控制和水泥石的性能改善具有更好的效果,试验结果如表4。

表4 纤维在不同加量下的堵漏试验结果

从以上试验数据可以得出,一般情况下,随着纤维加量的增加,水泥浆的漏失得到控制程度的现象也越明显,堵漏效果越好。这是由于随着纤维加量的增加,水泥石中的纤维密度增加,有效 “架桥”纤维数量增加,效果变好。但当纤维加入量大于0.5%时水泥浆的动切力增大,在实际使用中需要增加水泥泵泵压,对现场实际操作不利。

4.3 现场应用

缅甸A地区固井项目作为公司重点海外项目,使高密度水泥浆体系在缅甸很多区块成功投入使用。该区块某井表层套管使用的是密度2.30g/cm3高密度水泥浆,技术套管使用的是2.35g/cm3高密度水泥浆,固井质量全部为优良。后续井将陆续使用到颗粒级配技术的更高密度的水泥浆体系。

5 结 论

1)在水泥浆体系中,各种颗粒的堆积方式直接影响水泥浆性能。采用不同粒度的加重剂进行颗粒级配,使单位体积水泥浆内的固相颗粒增加,尽量降低其水灰比,能够实现水泥浆体系的密度的增加并且显著改善水泥浆的性能。

2)利用3重堆积模型,不同粒度的赤铁矿粉实现了密度为2.80g/cm3超重水泥浆的加重,所优选的超高密度体系性能良好;无机纤维加入到高密度水泥浆体系中有较好的防漏堵漏效果。

3)根据所建立的堆积模型,利用常见的赤铁矿粉所研制的紧密堆积铁矿粉加重高密度水泥浆体系,性能优良,证明了所建立的堆积模型是比较可靠的。经过缅甸A地区现场固井应用,固井质量优良。

[1]刘崇建,黄柏宗.油气井注水泥理论与应用 [M].北京:石油工业出版社,2001.

[2]黄柏宗.紧密堆积理论优化的固井材料和工艺体系 [J].钻井液与完井液,2001,18(6):1～9.

[3]M arc J,Dominique B,Guillot,et al.Concrete Developments in Cementing Technology.Oilfield Review[J].Spring,1999.11～16.

[4]Sumartha I,Martinez R J A.Application of a New Technique for Light-weight Cement Formulation to Improve Ccement Placement in Campeche Ray Area[J].SPE39889,1998.

[5]Johnston N C,Senese M.New Approach to High-dengsity Cement slurries for Cementing High-pressure.High-temperature Wells[J].SPE24976,1992.