泡沫水泥浆技术在大庆油田的应用与认识2

泡沫水泥浆在大庆油田研究与试验泡沫水泥浆在大庆油田研究与试验 姜开文 周记满 刘艳斌 大庆石油管理局钻探集团钻井生产技术服务公司 黑龙江大庆 摘要 泡沫水泥浆是一种新型低密度水泥浆体系 可以有效解决低压易漏长封井固井压稳和漏失矛盾 它是利用几种化学制剂在水泥浆中产生反应生成气体从而降低水泥浆密度 并通过加入表面活性剂使泡沫 水泥浆体系均匀稳定 泡沫水泥浆具有滤失量低 稳定性好 防气窜作用强 稠化时间易于控制 其突出 的性能是在较低的密度下 保持较高的强度 具有良好的应用前景 本文介绍了化学法制备泡沫水泥浆的 方法 作用机理 主要性能 现场施工工艺和现场试验情况 关键词 泡沫水泥浆 性能评价 施工工艺 现场试验 1 前言 泡沫水泥浆是一种新型的低密度水泥浆 通常是通过机械和化学两种方法获得 机械法由于设 备投入多 成本高 前景不被看好 化学法是利用化学制剂在水泥浆中产生反应生成氮气形成泡沫 水泥 同时通过稳泡剂的作用 使生成的气泡均匀地分布于水泥浆体系从而降低水泥浆密度 泡沫 水泥具有浆体稳定 密度低 失水量少 强度高等特点 有良好的防气窜性能 能有效解决低压易 漏长封井固井 稠油热采井固井难题 提高固井质量 并能满足一次性长封井水泥上返要求 缩短 钻井周期 减少钻井总成本 化学法制备泡沫水泥浆由于制备技术简单 成本低 体系均匀稳定成 为泡沫水泥浆主要制备技术 2 泡沫水泥浆的作用机理及组成 泡沫水泥浆的作用机理 通过优选发气剂 使发气剂在碱性的环境下 快速发生氧化反应生成 N2 在常规水泥浆中生成大量分布均匀 相对密闭独立的微小气泡 形成泡沫水泥浆 泡沫水泥浆 的密度大小 取决于泡沫水泥浆中发气量的大小 而发气量的大小可由发气剂加量来控制 为使生 成的泡沫持久稳定 还必须在泡沫水泥浆中加入稳定剂 它能维持泡沫水泥浆中气泡的均匀性和稳 定性 化学法制备泡沫水泥浆化学组份 发气剂 A 发气剂 B 稳泡剂 调凝剂 其中 A 和 B 在常温常压分离状态下 为稳定的灰白色粉粒状固体和无色液体 当在水中混合后 会快速发生化学反应生成大量 N2 泡沫水泥浆主要外加剂物理性能见表 1 表 1 泡沫水泥浆主要外加剂物理性能 名称外观密度 g cm3 细度 20 目筛筛余 溶解性 发气剂 A灰白色粉粒状固体 2 24 50 溶于水 发气剂 B无色液体 1 10 易溶于水 稳泡剂浅黄色液体 1 00 易溶于水 3 泡沫水泥浆的室内制备技术 泡沫水泥浆是一种低密度水泥浆 是以气体作为减轻剂达到降低水泥浆密度 利用化学发气法 制备泡沫水泥浆先将一定量的发气剂 干混于水泥中 用清水配制非泡沫水泥浆 密度控制在 1 85 1 90g cm3 方法同 API 标准 然后将制好的非泡沫水泥浆在低速下 4000rpm 再搅拌 10 秒 同时加入一定量的发气剂 B 和稳泡剂 则可制成泡沫水泥浆 采用这种方法制备的泡沫水泥浆 比较均匀 泡沫细小 且无需控制反应速度和发泡时间 4 泡沫水泥浆密度变化规律研究 4 1 泡沫水泥浆配方的确定 发气量的多少决定泡沫水泥浆的密度 而发气量是由发气剂 A B 的加量控制 当发气剂 A B 的加量比一定的情况下 生成的气体趋于稳定 见图 1 和表 2 图 1 当发气剂加量和发气量之间的关系 表 2 稳定剂加量与泡沫稳定性关系 A B g mL 水 mL F mL 气泡性 cm3 均匀性稳定性 min 结果 7 2 505500 不均匀 2 不好 6450 较均匀 8 不好 7425 均匀 9 好 8325 均匀细小 12 好 从上表可以看出 发气剂 A B 与稳泡剂 F 之间的关系 另外稳泡剂的加量还受溶液粘度的影 响 如果液体本身的粘度较大 则液膜中的液体不易排出 液膜原厚度变小的速度较慢 因此延缓 了液膜破裂时间 故 F 加量可小些 因为 F 的加量过大 还会降低泡沫水泥浆的流动性和发气量 应根据化验结果进行合适配比 4 2 温度 压力对泡沫水泥密度变化规律的影响 0 100 200 300 400 500 024681012141618 发气剂A加量 发气量 cm3 在实际井眼条件下 泡沫水泥浆受井下温度和压力的影响 实际密度与地面密度相差较大 对 常温 常压下密度为 1 0 g cm3的泡沫水泥浆分别随温度 压力变化及温度压力综合变化情况进行 试验研究 试验结果见图 2 从图 2 可以看出 1 常压下 温度小于 50 时 泡沫水泥密度受其影响很小 当温度大于 50 时 密度受其 影响较大 2 当压力小于 2MPa 时 密度变化较大 当压力超过 2MPa 时 密度受其影响较小 这是因为 当开始增压时 气泡由大变小 体积压缩较大 当压力超过 2MPa 时 气泡体积被压缩至水泥颗粒 之间的空隙内 同时由于水泥颗粒的支撑作用阻止了气泡的进一步压缩 此时密度受压力影响不大 3 当温度压力均升高时 压力对密度变化的影响较为明显 压力在大于 2MPa 时 从 50 到 90 泡沫水泥浆密度略有降低 但幅度不大 5 泡沫水泥浆的主要性能 1 密度低 强度高 泡沫水泥之所以能在较低密度下仍能保持较高的抗压强度 主要是由于气体密度比其他减轻材 料低得多 2 低失水 对泡沫水泥而言 控制失水的添加剂与非充气水泥一样 但由于在泡沫水泥中 失水是在气泡 周围进行的 液体离开浆体所需 走 的路径较长 失水就降低了 3 防窜性好 泡沫水泥浆在高压下可以变得几乎不可压缩 这是由于真实气体的相对不可压缩性造成的 水 泥浆开始稠化时 处于从液态向固态过渡 此时 可以部分地传递静液压力 随着水泥水化的进行 静液压力随之减小 作用于地层的孔隙压力就会快速下降 此时泡沫水泥浆中的气体可以有效地补 偿孔隙压力的下降 从而压稳气层 另外 由于泡沫水泥浆中含有稳泡剂 能够使侵入水泥浆体系中的气体乳化成微小的气泡稳定 地存在于泡沫水泥中 与泡沫水泥形成一体 直至内外压力平衡 2 4 6 6 8 0 012耳耴567 慐 I 朠振m I I 3 9 E 0 m 图 2 不同温度下压力对泡沫水泥浆密度的影响 6 泡沫水泥浆现场施工工艺 6 1 现场施工工艺 1 发气剂 A 调凝剂均按一定比例干混于水泥中 混拌均匀后装入灰罐车 2 施工前将发气剂 B 稳泡剂按设计量倒入注泡沫剂水泥车上的水柜内 3 发气剂 A 和 B 相遇立即发生化学反应生成氮气 故不能象普通注水泥施工一样 为了避 免由于气泡对上水和下灰速度的影响 施工工序可以分为两部分 一路注基浆水泥 由于水泥中只 含发气剂 打水泥时不会出现氮气 如同打纯水泥一样 另一路注泡沫剂 内含发气剂 B 和稳 泡剂 两路均经过管汇车或三通后混合入井 这样发气剂在管内反应的同时进入井内形成泡沫水 泥浆 见图 3 图 3 泡沫水泥现场试验示意图 6 2 施工参数控制技术及现场施工操作注意事项 1 由于注基浆排量和注泡沫液排量直接关系到泡沫水泥发气量的大小 即泡沫水泥浆密度 和水灰比的大小 排量过小 入井泡沫水泥浆的密度偏大 排量过大 则水灰比偏大 影响强度 因此设计原则 泡沫液总量 水泥总量 泡沫水泥总水灰比 水泥基浆水灰比 泡沫剂排量 泡沫剂总量 水泥总量 注水泥排量 在现场施工中 基浆排量和泡沫液的排量比一般保持在 10 1 保证同时结束注入 且注泡沫液 要比注基浆提前开泵 滞后停泵 避免基浆没有发泡入井 2 水泥浆基浆密度要求控制在基浆设计密度的 0 05 0 03g cm3之间 要求注基浆过程 中密度均匀 排量控制平稳 3 注完基浆和泡沫液往原浆过渡时 要注意减少混合罐中基浆剩余量 从而减少基浆对原 浆的影响 然后正常过渡到原浆 4 由于水泥基浆中混有发气剂 A 在基浆注入的过程中水泥浆表观流动度有增稠现象 水 泥车操作手要注意根据车载密度计情况控制水泥浆密度 5 由于受其它微量外加剂的影响 在基浆的注入过程中 可能出现水泥浆起泡现象 施工 人员绝不能往基浆中倒入消泡剂 7 泡沫水泥浆现场试验应用 灰罐车 注水泥车 水罐车 注泡沫剂 替 替替 手提仪表 三 通 井口 三参数仪器车 管汇车 手提仪表显示端 7 1 朝 105 51 井现场试验 该井完钻井深 1121 m 油顶 885m 封高 336m 洗井钻井液密度 1 75g cm3 钻井工程正常 没有出现漏失 井涌现象 设计原则 用 A 级原浆封固主力油层段 785 1121m 用泡沫水泥浆封固非主力油层段 625 785 泡沫水泥浆设计 泡沫水泥浆浆密度设计为 1 50 g cm3 水泥浆基浆配方 哈 A 级 2 发气剂 A 0 8 缓凝剂 密度 1 85g cm3 泡沫液配方 1 发气剂 B 4 稳泡剂 3 水 1 泡沫水泥浆中气体体积分数计算 泡沫水泥浆的地面密度为 基浆密度为 为了计算方便取单位体积泡沫水泥浆 其中的 s L 气体体积分数为 那么基浆 液体 的体积分数为 1 它们之间的关系为 1 sLg 其中 为地面气体密度 与相比 0 001251g cm3 可以忽略不计 所以上式可 g L g 简化为 1 sL 根据配浆方案 0 936 g cm3 1 85 g cm3 则 49 4 s L 2 井下泡沫水泥浆密度计算 采用工程气体定律计算气体压缩性对泡沫密度的影响 但为了分析方便 氮气按理想气体定律 处理 这与忽略气体重量相互抵消 在井下实际条件下 氮气的温度 压力 体积都发生变化 可 以根据热力学原理确定其状态参数 s s ppV TT 式中为地面压力 MPa Ts 为地面温度 K p V T 分别为单位体积泡沫水泥浆中的气体 s p 在井下某一深度处的压力 温度 体积 其中 T Ts H 为地温梯度 100m 而此时的基液 体积因不可压缩仍为 1 此时气体的体积为 ss s pTH V Tp 则井下某一深度处的泡沫水泥浆密度为 1 s p ss s pTH T p 计算不同井深的静液压力需求解微分方程 0 0098 p dpdH 将两式联合 微分求解 经计算 结果见表 3 和图 4 所示 表 3 朝 105 51 井泡沫水泥浆密度与井深和压力的关系 井深 m 625650675700725750785 压强 MPa 12 4112 4112 8613 0913 3213 5513 87 密度 g cm3 1 4311 4451 4541 4601 4671 4731 485 从图 4 可以看出 当井深小于 675m 时 泡沫水泥浆密度增加较大 尤其是当井深小于 650m 时 密度随井深增加更大 而当井深大于 675m 时 密度增加较小 受井深影响程度变小 但在 625 7850m 的固井范围内 泡沫水泥浆都能始终保持低密度 这就达到了预期的固井效果 朝 105 51 井泡沫水泥浆固井声变检测结果见表 4 表 4 朝 105 51 井泡沫水泥浆固井声变检测结果 井段BI 值描述 475 5320 4 0 7 532 5370 8 537 5530 75 553 6500 8 1 0 650 7380 9 1 0 7 2 其它井试验情况 为进一步了解泡沫水泥浆封固质量和整体性能 掌握泡沫水泥浆固井施工艺 在大庆油田朝 图 4 朝 105 51 井泡沫水泥浆密度与井深的关系曲线 1 42 1 43 1 44 1 45 1 46 1 47 1 48 1 49 600625650675700725750775800 井深 m 密度 g cm 3 阳沟区块和永乐区块又进行了 5 口井现场试验 试验情况见表 5 表 5 其它井试验情况 井号翻172 斜79南220 360召35 30井翻178 斜77翻178 斜79 水泥浆方案 上部泡沫水泥浆 下部原浆 上部低密度水泥浆 中间泡沫水泥浆 下部原浆 上部泡沫水泥浆 下部原浆 上部泡沫水泥浆 下部原浆 上部泡沫水泥 浆 下部原浆 基浆密度 g cm31 651 851 851 601 60 泡沫水泥浆当量密 度g cm3 1 451 601 501 201 25 泡沫水泥浆封固井 段m 663 855500 10501175 1593443 560608 780 检测结果优质合格优质优质优质 8 几点认识 1 发气剂 A 和 B 在碱性环境下可快速反应生成氮气 发气量大 反应后残余物对水泥浆性 能没有不利影响 2 通过稳泡剂的作用 使水泥浆中的泡沫细小均匀 密闭独立 气泡不易聚结 稳定性好 3 泡沫水泥浆具有密度低 强度发展快 防窜性能好 失水量小等特点 4