高密度欠饱和水泥浆流经盐层性能变化的研究

袁中涛，艾正青，邓建民，杨 谋

1.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院(新疆库尔勒841000)

2.西南石油大学(四川成都610500)

高密度欠饱和水泥浆流经盐层性能变化的研究

袁中涛1，艾正青1，邓建民2，杨 谋2

1.中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院(新疆库尔勒841000)

2.西南石油大学(四川成都610500)

目前国内外对高密度水泥浆的自身性能研究较多，针对水泥浆在流经实际地层后的性能变化的研究尚属空白，而水泥浆在地下的性能变化对固井施工的安全和质量都有着极为重要的影响。采用密度为2.30g/cm3的、含盐量分别为10%(NaCL)和18%(NaCl)的2种高密度盐水水泥浆，模拟施工过程中水泥浆其流经不同厚度的盐层，测试模拟流经盐层前后的密度，对比分析了所流经盐层厚度、水泥浆含盐量、环空返速对密度变化的影响情况。结果表明，水泥浆流经盐层后，密度将增加;在流经相同厚度盐层时，环空返速越高，水泥浆的密度增加越大。

高密度盐水水泥浆;模拟流经盐层;水泥浆含盐量;环空返速

目前，国内外对高密度水泥浆的自身性能研究较多，关于盐对水泥浆性能影响，也有众多研究人员进行了研究［1-10］，而针对水泥浆在流经实际地层后的性能变化的研究尚属空白，而水泥浆在地下的性能变化对固井施工的安全和质量都有着极为重要的影响。

1 实验

采用自制的水泥浆流经盐层的实验仪器［11］，进行了盐水水泥浆模拟流经盐层前后密度变化的室内研究。

采用了密度为2.30g/cm3、含盐量分别为10% (NaCL)和18%(NaCL)的2种水泥浆:

配方1:阿H水泥+90%铁矿粉(BWOC)+30%硅粉(BWOC)+12%微硅(BWOC)］固+8%降失水剂(BWOC)+5%缓凝剂(BWOC)+10%盐(NaCl)+0.1%消泡剂(BWOC)。

性能:密度:2.30g/cm3;流动度23.7cm;稠化时间:435min(144℃×83MPa×70min);失水量:30mL/30 min(144℃×6.9MPa);自由水含量0;抗压强度21.92 MPa(160℃×21MPa×48h)。

配方2:阿H水泥+90%铁矿粉(BWOC)+30%硅粉(BWOC)+12%微硅(BWOC)］固+8%降失水剂(BWOC)+3%缓凝剂(BWOC)+18%盐(NaCl)+0.1%消泡剂(BWOC)。

性能:密度2.30g/cm3;流动度22.9cm;稠化时间:440min(144℃×83MPa×70min);失水量38mL/30 min(144℃×6.9MPa);自由水含量0;抗压强度:21.26 MPa(160℃×21MPa×48h)。

2 实验结果分析

利用实验仪器，对2种水泥浆体系在1m/s，0.5m/s返排速度情况下进行模拟实验，水泥浆流经模拟盐层的厚度为120m、240m、360m、480m和600m。模拟其流经不同厚度的盐层，测试模拟流经盐层前后的密度，对比分析了所流经盐层厚度、水泥浆含盐量、环空返速对密度变化的影响情况。

表1 模拟环空返速0.5m/s时水泥浆流经不同厚度盐层前后的密度变化情况

表2 模拟环空返速1m/s时水泥浆流经不同厚度盐层前后的密度变化情况

图1 不同环空返速时水泥浆密度随流经盐层厚度变化示意图

图2 不同含盐量时水泥浆密度随流经盐层厚度变化示意图

表1、表2是分别模拟环空返速0.5m/s、1m/s时水泥浆流经不同厚度盐层前后的密度变化情况。

图1是不同含盐量时水泥浆密度随流经盐层厚度的变化示意图。图2是不同环空返速时水泥浆密度随流经盐层厚度的变化示意图。

从表1、表2、图1、图2可以看出:

1)水泥浆流经盐层后，密度将增加。且随着所流经盐层厚度的增加，而增加。

2)在流经相同厚度盐层时，低含盐量水泥浆的密度比高含盐量水泥浆的密度增加幅度相对要大。

3)在流经相同厚度盐层时，环空返速越高，水泥浆的密度增加越大。

岩盐的溶解过程是一个物理化学过程，他是盐体与溶剂界面上发生的一种非均质反应。这种反应包括溶剂进入溶质表面，溶剂与溶质间相互作用以及溶解后的溶质扩散等基本过程。

岩盐溶解、扩散的化学势主要是溶剂NaCL的浓度差和温度。当溶剂作用到岩盐矿物的表面时，NaCL分子由于本身的运动和溶剂分子对它的吸引，逐渐离开盐体表面并通过扩散作用分散到溶剂中去。与此同时，进行着一个与溶解相反的过程，即结晶(析盐)。溶解到溶剂中的溶质的Na+和Cl-离子在运动过程中遇到尚未溶解的NaCl晶体，又被吸引住重新回到岩盐体表面。在开始溶解时，溶液中的溶质粒子很少，溶解速度远远大于结晶速度。因此表现出来的似乎只是固体的溶解。随着溶解过程的继续进行，单位体积内溶质的分(离)子数逐渐增多，溶液的浓度逐渐增大，结晶的速度也随之增大。当溶液中的溶质质量增加到一定程度，结晶速度与溶解速度相等时，岩盐的溶解形成动态平衡。NaCL的溶解同时发生2种过程:①破坏晶格，溶质粒子与晶体分离向溶液中扩散，吸收热量的物理过程;②NaCL分子与水分子结合生成水化合物并放出热量的化学过程。

岩盐的溶解速率除与岩盐本身结构、构造、含量有关，还受溶剂性质、溶液浓度、温度、倾角等因素约束。当溶液浓度为零时，NaCL溶解速度将达到最大值，当溶液浓度与饱和浓度相同时，NaCL溶解化学势为零，其NaCL总体溶解速率为零。

由此可见，不同盐含量的水泥浆体系经过模拟实验后的密度变化幅度不同:低含盐水泥浆大于高含盐水泥浆。正是由于基浆的盐浓度不同，导致了其密度的变化幅度不同。

随着流经盐层厚度的增加，水泥浆与盐层接触的时间增加，相应的所溶解的盐量增加，其密度增加。

对于同样厚度的盐层，返速不同时所流经的时间不一样。返速高时间相对短，返速低时间相对长。实验结果表明，在流经相同厚度盐层时，环空返速越高，水泥浆的密度增加越大。这说明，水泥浆在盐层壁面的剪切速率对盐溶解速度的影响大于相应的时间的影响。

水泥浆密度增加，将导致环空的静液柱压力。假设盐层上的水泥封固长度为800m、所流经的盐层厚度为600m，返速为1m/s。计算结果表明，盐层顶以上由于水泥浆密度增加所增加的静液柱压力分别为:10%含盐量的水泥浆增加0.40MPa，18%含盐量的水泥浆增加0.32MPa。

所以现场固井施工过程中应考虑水泥浆流经盐层后密度变化的影响因素，根据盐层的厚度对水泥浆的密度做相应的调整，尤其是窄压力安全窗口固井。

3 结论

1)水泥浆流经盐层后，密度将增加。且随着所流经盐层厚度的增加，密度增加值越大。

2)在流经相同厚度盐层时，低含盐量水泥浆的密度比高含盐量水泥浆的密度增加幅度相对要大。

3)在流经相同厚度盐层时，环空返速越高，水泥浆的密度增加越大。

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［11］李明亮.水泥浆流经盐层后性能变化的研究［D］.成都:西南石油大学，2009.

Currently，the studies on the high density slurry at home and abroad focus on its own properties，the study on the performance changing of the high-density slurry flowing through salt layer is little.But the underground performance changing of the highdensity slurry is important to the safety and the quality of cementing.The performance changing of high-density slurry flowing through the salt layer of different thickness in cementing is simulated using two kinds of slurry whose density is all 2.30g/cm3and NaCl content is 10%and 18%separately，the density of two kinds of slurry before and after flowing through salt layer is measured，and the effects of the thickness of salt layer，the NaCl content of slurry，the slurry flowing rate in annular space on the change of slurry density are studied.It is shown that:the density of slurry increases when the slurry flows through salt layer;when flowing through the salt layer of the same thickness，the higher the flow rate of the slurry in annular space，the more the density of slurry increases.

high-density salt water slurry;simulation of flowing through the salt layer;salt content of slurry;return flow rate in annular space

尉立岗

2015-03-31

袁中涛(1983-)，男，主要从事油气井固井方面的科研和生产管理工作。