Y油田防腐防窜水泥浆体系的研究与应用

2014-10-25苟明

石油地质与工程 2014年1期

苟明

（中国石化中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳 457001）

Y油田构造属于中东波斯湾盆地扎格罗斯山前褶皱和阿拉伯地台东缘的过渡带，构造背景为一轴向近南北的大型长轴背斜。该油田F储层是主力产层，岩性以层状灰岩及生物碎屑灰岩为主，含有H2S及CO2酸性腐蚀气体，H2S与水泥石水化物反应生成 CaS、FeS、Al2S3，FeS、Al2S3等没有胶结性的物质，破坏界面胶结，H2S含量大时生成Ca（HS）2，致使水泥环柱孔隙度增大，降低了水泥石强度，从而使套管失去防护屏障而受到腐蚀。该油田平均井深4600 m左右，φ244.5 mm技术套管下深1500 m，φ177.8 mm尾管下深4000 m左右；F储层主要采用φ149.2 mm钻头完钻，下φ114.3 mm尾管固井，套管与地层环空理论间隙仅为17.5 mm。由于封固段短，环空间隙小，泵压高，套管居中度差，不利于水泥浆顶替，且在固井候凝期间易发生环空油气水窜问题。为此，开展了防腐防窜水泥浆体系研究，并成功地在Y油田进行了现场应用，取得了良好的固井效果。

1 H2S与CO2混合气体对水泥石腐蚀机理研究

按API标准制备水泥石，然后模拟F地层环境进行腐蚀养护，分别从水泥石的强度变化、渗透率变化、微观结构等方面进行考查。腐蚀介质质量分数：H2S65.2%，CO234.8%；实验时间：21天。

（1）在95℃条件下，进行了不同水泥浆配方的腐蚀实验，其结果见表1。水泥浆配方为：1＃：高抗G级水泥＋46%水；2＃：高抗G级水泥＋35%硅粉＋46%水；3＃：高抗G级水泥＋6%AGM＋1.5%DZS＋12%DC200＋46%水；4＃：高抗G级水泥＋6%AGM＋3.5%DZS＋12%DC200＋15%DC206＋46%水；5＃：高抗G级水泥＋6%AGM＋3.0%DZS＋30%DC206＋10%DC208＋46%水。

（2）在130℃条件下，进行了不同水泥浆配方腐蚀实验，结果见表2，其水泥浆配方为95℃条件下一样。

表1 水泥石腐蚀试样抗压强度与气体渗透率的变化情况

（3）水泥石H2S、CO2复合腐蚀微观结构与产物分析。在95℃、130℃条件下，对H2S、CO2复合腐蚀水泥石试块进行了X衍射分析和扫描电镜实验，其结果表3。

以2＃样为例，在95℃条件下，试样经过混合气体腐蚀后，外层有微晶CaCO3和大量方解石生成，内层有Ca（OH）2，这说明，CO2和 H2S同时对水泥腐蚀时，生成的CaCO3对孔隙起到了阻塞作用，加入的硅粉可消耗水泥浆体系内部的Ca（OH）2，相应的水化硅酸钙增加，阻止了腐蚀气体的进一步深入腐蚀［1］。

表2 水泥石腐蚀试样抗压强度与气体渗透率的变化情况

从表3可看出，在130℃条件下，所有试样的表面均生成了大量的微晶碳酸钙CaCO3（1）和方解石CaCO3（2），且有少量石膏生成。腐蚀试样内部1、3号试样中水化硅酸钙（C2SH）最高，5号试样中C2SH最少，4号试样次之，这些说明在硬化水泥浆体中，C2SH是影响渗透率的重要因素，C2SH含量高，腐蚀试样渗透率增加。

（4）腐蚀机理。从上述水泥石的微观结构和变化结果来看，H2S、CO2对水泥石的复合腐蚀作用机理为：当H2S、CO2混合气体溶于水后，由于H2S、CO2的水溶液属弱酸性，而常温下酸性H2CO3＞H2S＞H2SiO3，因此，在腐蚀过程中首先发生如下反应［2］

表3 1－5号腐蚀试样相的组成情况 130℃

反应生成的微晶碳酸钙在高温高压作用下结晶、长大形成方解石。

方解石的生成，首先大幅度降低了体系中的碱度，另外，CaCO3（2）钙原子的摩尔体积0.0369 nm3大于0.0327 nm3，结果使水泥石的孔隙率降低，密实度提高。在试样开始接触腐蚀气体时，H2S和CO2可能会同时进入浆体空隙中，由于方解石的生成，堵塞了水泥浆水化产生的孔隙，改变了孔隙结构，有效地阻止了腐蚀气体的渗入；而被封堵于试体内部的H2S可能发生两种反应：水泥石表面初始碳化，一是生成石膏：C－S－H＋H2S＋O2→CaSO42H2O＋SiO2；二是生成单质硫：H2S（加热）→H2＋S。第二种反应发生，可能在试体中存在单质硫，从而在表面会有发亮物质。

2 抗CO2、H2S水泥浆体系外加剂的研制

根据CO2、H2S腐蚀机理与实验结果，防腐水泥浆体系研究思路为：降低体系的渗透率，增加水泥石的密实度，以增加体系的抗腐蚀能力，并对抗CO2、H2S水泥添加剂的研究提出了三个原则［3］：①降低渗透率：添加如胶乳等超细颗粒材料，降低水泥石渗透率来减小地层气体的入侵，减少被腐蚀的几率。②防止钙流失：通过添加无机复配料，使形成的硬化水泥石组成物质与CO2、H2S反应活性大幅度降低，以提高水泥石抗CO2、H2S的能力。③增加惰性：CO2、H2S与水存在长期稳定的有机物和无机物，该物堵塞水泥石的空隙或与水泥形成耐酸的复合结构，从根本上解决了油井水泥的耐腐蚀问题。

在此基础上，优选了 DC200、DC205、DC206、DC218和DC219等抗腐蚀材料，对不同外加剂水泥浆体系进行抗CO2、H2S混合气体腐蚀实验，其结果见表4。从中可见，加入DC200、DC206等抗腐蚀材料的水泥浆体系抗复合腐蚀效果较好。DC206的加入有效地吸收了水泥中水化产物CH，抑制了C2SH生成，在硬化水泥浆体中，C2SH是影响渗透率的重要因素，C2SH含量高，腐蚀试样渗透率增加，因此，DC206外加剂的加入有效地降低了水泥石的渗透率。

3 防腐防窜水泥浆体系优选及性能评价

（1）防腐防窜水泥浆优选。针对Y油田腐蚀环境条件，结合水泥石腐蚀机理与抗腐蚀外加剂的研究，推荐以防腐剂DC206和降失水剂DC200为主的水泥浆体系。按API标准，进行了防腐防窜水泥浆体系的优化实验及室内评价，典型的水泥浆配方：G＋35%硅粉＋20%DC206＋3%WG＋7%DC200＋3%AGM＋1.2%SD－2＋2.5%DZS＋0.8%SD－3＋0.7%DZH＋0.8%DZX＋42%水，其常规性能见表5。

由表5可知：防腐防窜水泥浆具有良好的流变性能，流型指数大于0.7，流动度20 cm以上；在高温条件下失水小，API失水小于30 mL，具有良好的强度发展，110℃高压强度24 h可以达到20 MPa以上；水泥浆初始稠度低，稠化过渡时间短，小于10 min，有利于防止环空流体窜槽。

表4 水泥石腐蚀试样抗压强度与气体渗透率的变化情况

表5 防腐水泥浆综合性能

（2）防腐防窜水泥浆特殊性能评价。一是利用5265型超声波静胶凝强度分析仪，对防腐防窜水泥浆的静胶凝强度发展开展了实验。实验结果表明，水泥浆静胶凝强度曲线变化近于直角，过渡时间短。这说明该水泥浆体系一旦形成胶凝强度，水泥浆会迅速由液态过渡到低渗透固体状态，这样可有效防止油气水窜发生，提高油气井固井质量［4］；二是利用气窜模拟分析仪对防腐防窜水泥浆防气窜性能进行了室内实验，其结果表明，在水泥浆液柱压力等于地层压力时，此时的气窜量为零，说明防腐防窜水泥浆体系具有良好的防窜能力［5］。