深井水泥浆体系研究与应用.doc

深井水泥浆体系研究与应用摘要：辽河油田的开采进入了开发的中后期，随之而来的是加大了深层勘探开发的力度。深井固井的成败直接关系 到勘探成果。深井固井由于弗下的高温、高压及复杂的地质情况给固井施工带来较大的困难，不但对施TIE艺有特殊要 求，而且更需要相应的水泥浆体系与之配套。注水泥材料及其性能愈加成为关键的因素。本文着重介绍了辽河石油勘探 局钻井二公司固井公司为了保证和提高深井的固井质量，在深井水泥浆体系研究与应用方面的情况。主题词：固井深井水泥浆外加剂概述随着各油田的开采进入了开发的中后期，浅层资源大幅度减少，为了满足日益增长的工业需要，世 界各国都加大了深层勘探的力度。我国西部油田深井和超深井较多，但近几年东部油田也加大了深层勘 探和外围找油的力度，预计在今后几年内将有更多的深井投入钻探，以期找到地下深层新的油气储量。 辽河油田近年来也加大了深层勘探的力度。深并井下的高温、高压及复杂的地质情况给固井施工带来较 大的困难，不但对施工工艺有特殊要求，而且更需要相应的水泥浆体系与之配套。随着需要封固的套管 串深度的加大，注水泥材料及其性能愈加成为关键的因素。在国际上，高温井段的固井费用(包括相应 的外加剂费用)往往高出常规井段的几倍甚至几十倍，这从另一个侧面反映出复杂深井固井的难度及风 险性。深井的钻井投入大、风险高，是创造经济效益的关键。固井的成败直接关系到勘探成果为了保证 和提高深井的固井质量，我们着重从深井水泥浆体系、深井固井工艺技术等方面进行了大量研究工作。 本文着重介绍了辽河石油勘探局钻井二公司固井公司在深井水泥浆体系研究与应用方面的情况。以前深井水泥浆体系存在的问题： 在过去的深井固井中，基本水泥浆通常为J级水泥浆。但是，J级水泥浆具有以下缺点：(I)J级水泥同大部分水泥外加剂的配伍性较差，很难找到适合于与J级水泥配伍的水泥外加剂。(2)J级水泥浆纯浆失水量较大：失水量一般在18002100 ml69MPa30rain。 (3)J级水泥由于检测标准较为宽松，因此导致性能不稳定，稠化时间调节性能差。 J级水泥对的检测标准是：在试验温度120。C或62。C条件下稠化时间大于180分钟即算合格。不使用外加剂很难调节稠化时间，特别是很难达到直角稠化。 (4)流变性能差，流变性能只能通过调整水灰比(即调整水泥浆密度)来控制。水泥浆密度过低又会影响水泥浆体系的强度。所以，水泥浆的流变性能可调节的范围较小。由于J级水泥浆体系的固有缺陷，我们研究的深井水泥浆体系是以G gP。Tl(泥浆为基本水泥、采用 各种水泥外加剂和外掺料调节性能的水泥浆体系。1、水泥浆体系技术指标的设计密度：1851909cm3水泥浆失水量：24cm或初始稠度500rain 无强度8003446 874O318982148 858003498 8 126O-3 18884130 78800 3508 126O8O-3 18878 265rain68800352 8125123 O318878 41lmin 无强度注：上表中FL是粉末状非缓凝性的降失水剂；HTR200为液体高温缓凝剂；HTR100为液体中温缓凝剂；ATR 为液体消泡剂。下同。从表1的试验数据可以看出，菲利普斯公司的水泥外加剂产品从稠化时间和水泥浆体系强度不能满 足设计的水泥浆性能要求。表2：正常密度水泥浆体系：试验温度65。C；斯伦贝谢公司裹华 90 3070Bc稠化时间(65 强度(90，强度(60。C， 水 D168 D075D162D175 密度G级失水 时间 oC，40MPa，35rain)常压，24h)常压，24h)ggg gggera3grrdmlrl minM咿a M咿a7692307t 29491225057420281896027 275246199J76783042944141l0573202518960 27 355 2418注：上表中D168是降失水剂；D075是中温分散剂；D162是中温防沉降剂；D175是消泡剂。下同。从表2试验数据可以看出，斯伦贝谢公司的水泥浆体系满足设计的水泥浆性能要求。表3：正常密度水泥浆体系：试验温度65。C；天津渤星公司24h强度嘉华 90 3070BC稠化时la-(6524h强度24h，48h强度 24h强度(130才(BX-l BX2密度 f150G级失水 时间 ，40MPa，35(60，常 (90。12常，207MPa)ggggcm3207MPagml mlrl rIlin)min 压)MPa 压)MPa MPa，)MPa800 352 24241950400 203800 32824241952400800328 24O8 1950 1156315389216800328 241619248 10 21428432939622 1080032824 2 1885011 320 283220注：上表中BX1是降失水剂；BX2是中温缓凝剂。下同。从表3试验数据可以看出，天津渤星公司的水泥浆体系也能满足设计的水泥浆性能要求。三家产品比较： 由表1、表2和表3的试验数据可以看出l (1)天津渤星公司与斯伦贝谢公司提供的水泥外加剂的稠化时间，均可通过调调整缓凝剂的加量来满足不同固井施工的要求，且水泥浆为直角稠化。 (2)与天津渤星公司的相比，斯伦贝谢公司的水泥浆体系的直角稠化时间偏长，而且常压90。C条件下的抗压强度略低于天津渤星公司，失水量稍大。 (3)菲利普斯公司的水泥外加剂产品无法调整出满足技术要求的适宜的水泥浆配方。 表4、表5、和表6分别是三家公司在实验温度为100。C时的水泥浆体系实验数据。表4：正常密度水泥浆体系：试验温度100；菲利浦斯公司-嘉华 HTR HTR90 3070B稠化时间(100强度(130 硅粉 水 FL腮密度。G级200 100失水 c时间 60MPa,50min)，207MPa,24h)g ggmlgcm3gmlml mlnlmmin N伊a600 210 3438 15 106O318976 500rnin600 210300 8167O318978 2326 157、600 210 3308 185O3188 84 5 88 15O600210 330815303188829 321148600 2103008208O318980 5 334159注：上表中硅粉是高温稳定剂。其作用是保证水泥石在高温状态下强度不衰减，达到提高油井寿命的目的。-，菲利普斯公司的水泥外加剂在高温高压条件下的抗压强度比较好，但当HTR200缓凝剂加量为185ml时，稠化时间仅88分钟，稠化曲线出现拐点。232表5：正常密度水泥浆体系：试验温度100。C；斯伦贝谢公司嘉华 90 3070Bc 稠化时间(100强度(90C，硅粉 水 D168DD75D162 D175 密度G级失水 时间 60MPa,50min) 常压，24h)g ggggg gcm3gml 113111 minMPa5837 204297 2517 107304351539 1960 7312 145839 204297 25181073043515418960 3 203142b583820429132518143l0435153918962 ：420从表5的试验数据可以看。出，斯一险贝谢公司的水泥J,l,：Otl剂性能：啕符合预期的要求，常压90。C条件 下24h即可形成142MPa的抗压强度。表6：正常密度水泥浆体系：试验温度100qZ；天津渤星公司嘉华 流动 90 30Bc70BC稠化时间(100 强度(130 强度水 BX1 BX2 密度G级硅粉g 度 失水 时间 ，60MPa，50rain)，2 1MPa,24h)(90，常压，g ggg，cdgClTI ml rain rainMPa 54h)MPa600210 334824421892934 34059-600210 312 24 3618927 32 40011600210 312 241618827 345 212 2825600210 312 24 2419l 2632 5 382276 253600210 31224121882648 l22027 248从表6的试验数据可以看出，天津渤星公司的水泥外加剂性能也符合预期的要求。稠化时间通过调 整BX2缓凝剂的加量能够满足不同固井施工时间的要求，且水泥浆稠化特性为直角稠化，稠度由30BC 至70BC的时间能够控制在10分钟以下，失水量可控制在50rnl以下，高温高压条件下的抗压强度超过10MPa，常压90。C条件下经过54h抗压强度可达到253MPa。 三家产品比较：由表4、表5和表6的试验数据可以看出：(1)天津渤星公司提供的水泥外加剂性能相对比较稳定。(2)斯伦贝谢公司的水泥多t4Jtl剂性能同天津渤星公司相比，稠化特性指标基本相同，均符合预期的要求，但与天津渤星公司相比，存在失水量偏大的不足。(3)尽管菲利普斯公司的水泥外加剂虽然高温高压条件下的抗压强度比较好，但该产品存在性能 不稳定(当HTR200缓凝剂加量为185ml时，稠化时间超短，出现拐点，是水泥浆体系的致命缺陷)， 而且失水量也偏大。表7、表8、和表9分别是三家公司在实验温度为125。C时的水泥浆实验数据。表7：正常密度水泥浆体系：试验温度125。C；菲利浦斯公司嘉华 HT-R1090失 3070Bc 稠化时间(125 强度(90。C，硅粉 水 FL朋t20燃密度G级0 水 时间60MPa,50rnin)常压，24h)g g g0ml mlgcm3mlmlmln min M陴a600 210 3008 208O318982 400rain无强度233表8：正常密度水泥浆体系：试验温度125。(2；斯伦贝谢公司嘉华90 3070Bc稠化时间(125 强度硅粉 水D168D075D149D175密度G级失水 时间 ，60MPa，50min) (90，常压，54h)gggg gcm3mlm111 minMPag56651982905 3529 104106231494 186363 246 10注：上表中D149是高温防沉降剂。下同。 从表8的试验数据可以看出，斯伦贝谢公司的水泥外加剂性能能够满足设计的水泥浆性能要求。表9：正常密度水泥浆体系：试验温度125。C；天津渤星公司嘉华BXF90 30-70B 稠化时间(125强度(130强度(t50 强度(90，常 硅粉 水BX2密度G级200L 失水c时间 ，60MPa，50 21MPa,24h) 21MPa24压，54h)ggg管镊&ggml n11Il min)min MPah)MPaMPa60021033482715619028400 24600 210 306278418928 230310789600 210 306279 190262 326 1022619。660021033027 9618828l361 116243 90从表9的试验数据可以看出，天津渤星公司的水泥夕l-JJIl剂性能同样能够满足设计的水泥浆性能要求。三家产品比较： 由表7、表8和表9中的试验数据可以看出： (1)天津渤星公司与斯伦贝谢公司提供的水泥外加剂的稠化时间均可通过调整缓凝剂的加量来满足不同固井施工时间的要求，而且水泥浆稠化特性为直角稠化，水泥浆直角稠化的时间均可控制在10rain以下，失水量均小于50ml。 (2)天津渤星公司提供的水泥外加剂配制的水泥浆在高温高压条件下的抗压强度超过20MPa。 (3)菲利普斯公司的产品与国内的G级水泥配伍的性能较差，无法调整出适宜的水泥浆配方。3、使用成本核算对比 通过大量的室内实验数据的比较选择可以看出，天津渤星公司和斯伦贝谢公司的水泥外加产品均能满足深井固井对水泥浆体系的技术要求，菲利普斯的产品试验结果不很理想，难以满足设计的水泥浆性能要求。因此，我们选择了天津渤星公司和美国斯伦贝谢公司的水泥外加剂产品初步进行了成本核算， 对比结果见表lO。表10、渤星公司和斯伦贝谢公司的产品使用成本核算对比每方水泥浆使用成本核算温度天津渤星公司 斯伦贝谢公司 差额元防水泥浆美元，方水泥浆元，方水泥浆65 916$103670=￥86046 l76886l1002633 $123066=￥1021448 758148125 3122 $144400=￥11985208863204、室内试验结论 通过对三家公司的水泥外加剂产品在不同温度和不同压力下进行的大量试验，综合表l一表9的室内水泥浆试验数据和表lo的使用成本核算对比数据，可以得出以下结论：(1)天津渤星公司提供的水泥外加剂形成的水泥浆体系，总体性能可以满足设计的水泥浆性能的 技术要求：失水量控制在50ml以下；水泥浆的流动性较好，初始稠度24cm；水泥浆 的稠化时间可以通过缓凝剂的加量进行有效地控制来满足不同井深和施工时间的要求；直角稠化的过渡 时间在10rain以下；水泥石抗压强度能够达到预期的要求。这种优良的水泥浆性能为有效的保护油气 层不受伤害提供了强有力的保证。(2)美国斯伦贝谢公司提供的水泥外加剂形成的水泥浆体系，总体性能也可满足技术要求：失水量控制在100ml以下；水泥浆体系的强度基本达到要求，但与天津渤星公司比较，在常压下强度形成 的比较晚；水泥浆流动性较好，初始稠度24cm，浆体稳定；水泥浆的稠化时间也可以 通过缓凝剂的加量调节；直角稠化的过渡时间在30min以下，但比天津渤星公司的稍长。(3)菲利普斯公司的水泥外加剂形成的水泥浆体系，虽某些指标符合要求，但无法形成完整的水 泥浆体系，试验中常有异常拐点出现，难以控制。(4)从使用成本核算对比表中可以看出，美国斯伦贝谢公司的价格远远高于天津渤星公司的价格， 选择并使用天津渤星公司的水泥外加剂从技术角度来说是可行的，完全能够满足深井固井质量的要求； 从经济的角度来说是经济、实用的。 (5)选用天津渤星公司的水泥外加剂研制成功的深井水泥浆体系(基准配方见表6，根据不同井 下条件缓凝剂、降失水剂等加量可调)可以进行现场试验。 5、天津渤星公司的降失水剂及缓凝剩的作用机理探讨51、BX1降失水剂的作用机理BX一1降失水剂是一种由多种水溶性单体通过共聚反应而制得的多元共聚物，其中含有磺酸基、酰 胺基、氢氧基、羧基等功能性基团。其作用机理主要表现在以下两个方面：(1)该降失水剂是一种带有吸附基团的长链高分子，吸附在水泥颗粒表面从而形成三维网络结构， 防止水泥颗粒聚集，并束缚住自由水。当水泥浆滤液向地层滤失并在地层表面形成滤饼时，BX1降失 水剂可以改善滤饼结构，使之形成致密、渗透率低的滤饼，从而降低失水。(2)该降失水剂具有一定的增粘效果，可增大水泥浆的滤液粘度，增加向地层滤失的阻力，从而 降低水泥浆失水。52、BX2缓凝剂的作用机理 油井水泥缓凝剂的作用机理仍是一个有争议的问题。目前所提出的几种理论没有哪一种能全面解释缓凝剂的作用机理。关于缓凝剂作用机理主要有以下四种理论： (1)吸附理论：缓凝作用是由于缓凝剂吸附于水泥水化产物表面而实现的，此吸附层可以屏蔽水 泥颗粒与水的接触从而降低水化速度。(2)沉淀理论：缓凝剂和液相中的Ca2+或OH一反应形成一个不溶解、不渗透的膜包裹在水泥颗粒表面，从而抑制水泥颗粒的进一步水化，起到降低水化速度的作用。 (3)成核理论：缓凝剂吸附在水化产物的微核上阻碍它进一步生产。 (4)络合理论：Ca2+被缓凝剂分子螯合，阻止核形成。BX一2缓凝剂是由多种低分子有机化合物组成的缓凝剂，含有氢氧基、羰基、羧基等吸附基团，吸 附在水泥颗粒表面进而阻止水泥水化，作用机理可用上述理论解释，只不过各种机理在水泥水化过程的 不同阶段中作用程度不同而已。6、现场试验与应用情况 经过大量的室内试验之后，现场进行了试验。 (1)小221637C井5”尾管固井该井原井油层曾经发生过井喷。由于有井喷诱导，造成井下油气层活跃，因此我们决定选用新研制的深井水泥浆体系进行固井。 基本数据如下： 井身结构：1778mm技术套管2530m+152mm钻头3000m。 设计水泥返高2380米，理论封固段长度620米。 最大井斜：280；泥浆密度：128一130 gcm3。为了保证该井的固井质量，采用了新研制的深井水泥浆体系，并采用双凝水泥浆体系。 水泥浆体系配方如下： 领浆：嘉华G级水泥6009+硅粉2109+水3129+BX一1降失水剂249+BX2缓凝剂O89；水泥浆密度1909cm3。尾浆：嘉华G级水泥6009+硅粉2109+水3129+BX一1降失水剂249；水泥浆密度1909cm3。水泥浆性能室内试验数据如表ll和表12。表11、水泥浆流变性能 试验温度 一 旋转粘度计读数 f 600300 200 f 100 f 6 f 395210 162 9618 14表12、水泥浆性能数据(稠化时间、强度等)稠化时间 抗压强度 流度参数析水泥浆失水量 温度温度 压力 时间 初始稠度 50BC 100BC 24h481ak水 69MPa30min 备注 nMPa mlnBC n皿 mm MPa M咿aPasAllml70450 40 14 18418495 133O7113O10 36 领浆70450 4015 129 129 95 14O7l1334 尾浆理论注水泥量：56方 设计注水泥量：85方 实际注水泥量：8。5方(其中领浆4方，尾浆45方) 实际替泥浆量：148方，碰压正常。固井施工正常。 固井质量：优质。 (2)红3C井4”尾管固井红3C井是一口大修侧钻井，并且是一口重点探井，油气层较为活跃，固井中选用新研制的深井水 泥浆体系有利于保障固井质量。基本数据如下：井身结构：1397mm技术套管2577m+l 18mm钻头2994m。设计水泥返高2522米，理论封固段长度470米。236 最大井斜：17。(井深2670米，方位16。)；泥浆密度：139 gcm3理论注水泥量：347方+设计注水泥量：620方设计替泥浆量：890方 尾管悬挂器：采用512”x 4”机械式尾管悬挂器。 试验的水泥浆体系的配方如下：嘉华G级水泥6009+硅粉2109+水3129+BXl降失水剂249+BX2缓凝剂O89；水泥浆密度1909cm30水泥浆性能室内试验数据如下表。表13、红3C井水泥浆性能室内试验数据稠化时间 抗压强度流度参数 析滤失量温度 L温度 压力 时间 初始稠度 50BC 100BC口ak水69N皿a30mincC n MPamlnBC nUn nUn 24h48hPaSAn ml704504023 200 2059513307113010 36固井施工：情况正常。 固井质量：优质。 (3)马古1井958”技术套管固井马古1井是一口重点探井，采用958技术套管在井深3840米中途完并。 基本数据如下： 井身结构：660mm钻头53m+508mm表层套管50m+4445mm钻头1243m+3397mm技术套管1240m+311mm钻头384610m。 油顶：2150m；气顶：1650m。显示较好的油气层：21602375m；26302750m；显示一般的油气层：30603665m；38003846m。 设计水泥返高1100米，理论封固段长度2740米。 最大井斜：250(I-12360m)。地质分层：馆陶组：1185m；东营组：1765m；沙一段：2160m；沙二段：2334m；沙三段：3768m；中生界：3816m；太古界：3846m(即太古界古潜山揭开40米)o泥浆密度：1391409cm3。 由于封圊段长，采用了双级注水泥工艺固井。双级注接箍下深2360米。 该井在第一级注水泥时采用了新研制的水泥浆体系。水泥浆体系采用的是三凝水泥浆将体组合：领浆为流动性较好、浆体密度较低的稀水泥浆；中间浆为稠化时间约200分钟的正常密度水泥浆；尾浆采用稠化时间较短(约150分钟)的水泥浆。水泥浆体系的配方如下表。表14、马古1井水泥浆配方(第一级)浆体名称 嘉华G级水泥硅粉 水BX1 BX2 浆体密度gg gg g 曾c蔷领浆600 210 416 3222175中间浆60021031224 171901尾浆 600210312 2410190水泥浆体系的稠化时间室内试验数据见表15。237试验温度压力 升温时间 初始稠度 50BC 100BC浆体名称 MPamlnBC 咖n nUn领浆 100 60 55 12 400 415 中间浆 100 60 55 14 212 215 尾浆 100 60 55 16 155 155试验温度抗压强度，MPa 流度参数析水 滤失量 浆体名称 24h48hn kPaS869MPa30rnin rnl中间浆 95 133 O71 128 O10 36 尾浆 130 36 07l 128 O10 35 固井施工情况：由于该下完套管后发生井漏，开泵不返泥浆，被迫强行固井。固井施工中井口一直不返泥浆，固井 后并t：lSZ有泥浆返出现象(返出量约30方)，因此，造成水泥低返。经过采用相同水泥浆体系进行不久， 取得成功。固井质量：合格 (4)马古2井9518”技术套管固井 马古2井是继马古l井之后在马圈子地区部署的又一口重点探井，也是采用95，8”技术套管中途完井。 基本数据如下： 井身结构：660ram钻头54m+508mm表层套管52m+4445mm钻头1200m+3397mm技术套管1198m+311ram钻头4308m。 设计水泥返高900米，理论封固段长度3400米。 最大井斜：7840泥浆密度：138一139 gcm。 由于封固段长，采用了双级注水泥工艺固井。双级注接箍下深1700米。 该井在第一级注水泥中采用了新研制的深井水泥浆体系。通过调节稠化时间，水泥浆体系采用的是两凝水泥浆将体组合：领浆为流动性较好、浆体密度较低(1551609cm3)的稀水泥浆；中间浆为稠 化时间约280分钟的正常密度水泥浆；尾桨采用稠化时间较短(约200分钟)的