13 低温低水化热早强水泥浆技术研究(中油海).doc

低水化热早强水泥浆室内研究席方柱 吕光明 高永会 谭文礼 孙富全 熊钰丹 （中国石油集团钻井工程重点实验室固井技术研究室，天津，300451）（ 天津中油渤星工程科技有限公司，天津，300451）摘要：针对深水含水合物层固井需要，通过在早强水泥中加入低水化热外掺料的方法，开发了低水化热早强固井材料，比常规水泥的水化热低36%以上。同时利用该材料设计了水泥浆配方并研究了其性能，结果显示：在密度为1.35g/cm31.7g/cm3时，水泥浆体系稳定，失水量低于50mL，稠化时间可调，过渡时间低于30min，8下24h强度达到4.86MPa，满足深水含水合物地层的固井需要。关键词：深水 固井 低水化热 水泥浆 前言深水油气勘探时，经常钻遇水合物层，水合物为小分子烃和水在高压低温环境下形成的固态结晶，在温度较高时水合物会分解成水和气体，体积增大100倍以上，造成井壁失稳、气窜等问题，严重时可能导致油气井报废13。而在深水低温固井时，需要水泥浆具有低温早强性能，而一般早强水泥浆水化热放热迅速，造成水泥候凝时温升过高，影响水合物的稳定性。因此需要采用低水化热的早强水泥浆4。为此，笔者从降低水泥总水化热入手，同时考虑早强性能，对低水化热材料的掺料进行了优化研究，开发了低水化热水泥浆技术。一、低水化热早强固井材料研究1. 设计原理低水化热早强水泥设计，可从以下方面着手56：（1）通过改变水泥的组成，降低水泥中水化热高的成分，提高低水化热组分含量；或在水泥中加入低水化热外掺料，降低水泥的总水化热。（2）采用特种早强水泥，该水泥水化热与常规水泥基本相同，但强度发展较快，可提高水泥的早期强度。2. 试验仪器及方法绝热养护釜：将水泥石养护釜体放入绝热釜内，在釜体中插入热电偶，记录水泥浆温度的变化，比较不同水泥在水化时的温度升高情况。根据测得的水泥温升，可以直观反映水泥水化放热量及放热速率。多通道水化热测量仪：按照GB/T 12959-2008水泥水化热测定方法测试水泥水化热。3. 低水化热固井材料开发试验原材料：A：早强水泥DWC；B：G级油井水泥；C：低水化热材料LHA；D：低水化热材料LHB；选取了以下几组配方进行了水泥水化热试验及水泥强度发展试验。配方1：100%早强水泥+44%水配方2：70%早强水泥+20LHA+10%LHB+44%水配方3：30%早强水泥+70%G级水泥+44%水配方4：40%早强水泥+40%LHA+20%LHB+44%水配方5：40%早强水泥+30%LHA+30%LHB+44%水席方柱：1975年11月，工程师。2003年天津大学化工学院化学工艺专业毕业，硕士研究生，现从事固井技术专业研究。地址：（300451）天津市塘沽津塘公路40号。联系电话E-mail:1）水泥水化温升试验进行水化温升试验时，将水泥按照API标准制备后，迅速倒入养护釜内，从制浆到倒入养护釜，整个过程在5分钟内完成。其水化温升曲线见图1。图1 不同水泥水化温升情况（20）上图试验数据显示，随着低水化热材料的加入，水泥水化温升降低，说明加入低水化热材料降低了水泥的水化热。而从水化温度升高的时间点分析，加入低水化热材料后，对水泥的水化稍微有所延迟，但在5h左右仍然进行水化，可以保证水泥的早期强度发展。2）水泥水化热测量为获得准确的水化热数据，采用多通道水化热测量仪对配方1、4、5及常规G级水泥（同样水灰比）的水化热进行了测量，结果见表1：表1 不同水泥的水化热数据配方水化热，Jg-11d2d4d7dG级水泥194.61264.23351.59399.26配方1226.04305.79343.71377.53配方4138.07188.36218.44252.03配方5118.61176.76204.89241.54根据上表可以看出：与水泥净浆比较，加入低水化热材料后，水泥的水化热大幅度降低，1天的水化热与原来相比降低47%，两天降低42%，7d的降低36%，使得水泥水化温升大幅度降低，仅为原来的1/3。早强水泥的水化热与G级油井水泥的总水化热相当，但早期水化速率块，放热量大。对照水泥水化热和水泥水化温升，可以看出水泥水化温升可以直观反映水泥的水化放热速率和放热量。3） 低水化热固井材料抗压强度发展对以上几组配方水泥的抗压强度发展进行了试验研究，主要研究了4和8条件下的抗压强度发展，其强度试验结果如下。表2 不同水泥的低温抗压强度发展情况配方4强度 ，MPa8强度，MPa配方113.417.8配方28.912.6配方33.58.6配方47.410.8配方56.910.5根据表2的数据，结合水化热测量结果，选择配方5作为低水化热固井材料的基本胶凝材料，既可以获得较高的早期强度，又能保持较低的水化热。二、低水化热水泥浆性能研究 1. 水泥浆组成及配方1）试验原材料早强水泥DWC；低水化热外掺料LHW（50%LHA和50%LHB组成）；空心微珠：密度0.7g/cm3；缓凝剂BCR-270L；早强剂CA30S；低温降失水剂DF；低温分散剂为BCD-220L。2）水泥浆配方深水表层地层结构疏松，破裂压力低，需要采用低密度水泥浆进行封固，同时表层井眼大，井径扩大率高，需要水泥浆量大，注替时间长。针对其低密度要求，设计了密度1.35g/cm31.7g/cm3的水泥浆配方：密度1.7g/cm3：早强水泥+150%LHW+20%漂珠+86%水+2%BCD-220L+12%DF+3%CA30S+1.3BCR-270L+0.1%G603。密度1.5g/cm3：早强水泥+150%LHW+45%漂珠+105%水+2%BCD-220L+14%DF+3%CA30S+1.5BCR-270L+0.1%G603。密度1.35g/cm3：早强水泥+120%LHW+65%漂珠+130%水+2%BCD-220L+15%DF+3%CA30S+1.8BCR-270L+0.1%G603。2. 试验仪器及方法1）试验仪器8040型高温高压稠化仪，低温循环液装置，MIR-154低温恒温养护箱，7204型水泥石抗压强度测试仪，HTD7169水泥滤失仪，范式六速旋转黏度仪。2）试验方法参照石油和天然气工业标准ISO 10426-3-2003油井固井用水泥和材料 第3部分：深水井水泥配方试验进行水泥浆的制备、水泥浆性能的测试。3稠化性能对几个配方的水泥浆作了不同温度下的稠化时间试验，不同密度的水泥浆的不同温度的稠化时间数据见表3。表3 水泥浆的稠化时间及过渡时间水泥浆密度，gcm-320稠化时间，min15稠化时间，min10稠化时间，min稠化过渡时间，min1.719826833718231.518130540520281.351363145241727根据表3中的数据可以看出，水泥浆在15下的稠化时间能够满足深水表层套管固井施工要求，同时在20时地稠化时间在3h以上，提高了施工的安全性。随着温度升高，同一配方的水泥浆稠化时间逐渐缩短，各个配方的稠化过渡时间均低于30min，说明具有较强的防窜能力。在稠化试验过程中，压力和温度变化对水泥浆的稠度影响较小，说明了其能在水泥浆注替过程中保持浆体的流变稳定，有利于水泥浆的顶替顺利进行。图2 配方2水泥浆稠化曲线 4强度发展研究了不同温度下各个配方水泥石的24h抗压强度发展，各个配方的抗压强度如表4所示。表4 不同温度下水泥石的24h抗压强度水泥浆密度，gcm-315强度，MPa8强度，MPa4强度，MPa1.711.57.844.531.57.825.323.861.356.244.862.85表4显示： 水泥浆低温强度发展较快，在15稠化时间满足现场施工的情况下，其8强度大于3.5MPa，已经能够满足支撑套管要求，可以进行继续钻进。但是可以看出，在4条件下，密度为1.35g/cm3的水泥浆存在强度发展缓慢的问题 ，还需进一步优化。 5水泥浆失水性能针对低水化热水泥浆，开发了一种合成聚合物的降失水剂DF。DF降失水剂为溶性高分子材料，可吸附于水泥颗粒表面，形成吸附水化层，造成水泥颗粒桥接进而形成网状结构，束缚住大量自由水，堵塞水泥内部空隙。测试了三个水泥浆的API失水量。结果如表5所示。表5 水泥浆的失水量试验结果水泥浆密度，gcm-5API失水量，mL423438表5显示，1.351.7g/cm3的水泥浆均具有良好的控制失水性能。同时考察了DF掺量对水泥浆API失水的影响。采用密度为1.5g/cm3的水泥浆配方进行了试验，DF掺量对水泥浆API失水量的影响如图3所示，从图3可以看出，随着DF掺量的增加，水泥浆失水量降低，当加入合适的降失水剂时，水泥浆失水可控制在50mL以下。图3 水泥浆的API失水量与DF掺量关系（20）6水泥浆流变性及稳定性流变性参数的确定可以通过粘度计来测量，确定相应模型的流变参数值。室内研究了几种不同密度水泥浆的流变性。结果如表6。表6水泥浆流变性试验结果水泥浆密度，gcm-330020010063nK，Pasn流变读数，Pa1.7956835750.9090.1681.51057540960.8780.2241.3511577461080.8340.352试验数据显示，几种不同密度的低温水泥浆流变性能良好。对密度1.351.7g/cm3的水泥浆的沉降稳定性作了研究。试验结果如表7所示：表7 水泥浆稳定性试验结果（20）序号密度， gcm-511.7011.4961.35321.6931.4951.34831.6981.4981.35541.6891.5051.35051.6951.5111.35161.6941.5101.35271.7051.5121.35381.7011.5061.355水泥浆的上下密度差低于0.03g/cm3，表明水泥浆的沉降稳定性良好。三、结论1）通过对早强水泥和低水化热外掺料的优化研究，形成了低温低水化热早强固井材料，既可以显著降低水泥的水化热，又具有较高的早期强度，可配制低水化热水泥浆。2）低水化热水泥浆性能的研究结果表明，该水泥浆在1.351.7g/cm3密度范围内，失水低、稠化时间可调、过度时间短、强度发展迅速，充分满足深水表层固井的要求。3）低水化热水泥浆体系稳定，水化热低，可满足含水合物层的固井，有利于维持水合物的稳定性，降低水合物破坏的风险。参考文献：1王成文，王瑞和，卜继勇，等深水固井面临的挑战和解决方法J钻采工艺，2006，29(3)：1114.2 Kris Ravi and Seth Moore,Cement Slurry Design to Prevent Destabilization of Hydrates in Deepwater Environment，SPE Indian Oil and Gas Technical Conference and Exhibition, 4-6 March 2008, Mumbai, India，SPE113631. 3Pelletier, J. H., Ostermeier, R. M. and Winker, C. D. , “Shallow water flow sands in the deepwater Gulf of Mexico: some recent shell experienceR,” proc Int Forum on Shallow Water Flows, 4 B.R. Reddy，Novel Low Heat-of-Hydration Cement compositions for Cementing Gas Hydrate Zones. CIPC/SPE Gas Technology Symposium 2008 Joint Conference, 16-19 June 2008, Calgary, Alberta, Canada，SPE114927.5Lance, E