聚合物氯化钾水泥浆体系性能评价及应用研究

陈良 (中海油服油田化学事业部湛江基地,广州 湛江 524051)

彭博,黄敏 (中石化江汉石油工程公司钻井一公司,湖北 潜江 433121)

聚合物氯化钾水泥浆体系性能评价及应用研究

陈良 (中海油服油田化学事业部湛江基地,广州 湛江 524051)

彭博,黄敏 (中石化江汉石油工程公司钻井一公司,湖北 潜江 433121)

GK-1井位于江陵凹陷涴市断裂带南岗一号断鼻构造,完钻井深3581m,固井目的层位为含钾石岩、石膏以及芒硝的粉质泥岩地层。使用常规盐水水泥浆固井其与地层的胶结质量差,制约着固井质量的提高。为提高含钾石岩地层的固井质量,利用抗盐降失水剂CG80S、防窜增强剂GS12L、抗盐分散剂CF44S、抗盐缓凝剂H21L以及复合加重剂材料CD26F构建了以10%氯化钾盐水作为配浆水的聚合物氯化钾盐水水泥浆体系,并对聚合物氯化钾水泥浆体系的物理性能和抗污染性能进行了评价。室内试验评价结果和GK-1井的现场应用表明,氯化钾水泥浆体系的性能可以满足含钾石岩以及含石岩、石膏以及芒硝的粉质泥岩地层固井要求,具有推广应用的价值。

盐膏层固井;氯化钾;抗盐水泥浆;钾盐地层

针对含钾石岩、石膏以及芒硝的粉质泥岩地层的固井难题,构建一套具有优异的抗盐污和抗钙侵能力并与盐膏层具有良好胶结性能的水泥浆体系,是有效解决常规水泥浆在复杂盐膏层胶结性能差、胶凝强度发展缓慢、早期强度低、不能有效抵御因盐层地层蠕变引起的外挤力导致厚壁套管变形问题的关键。试验研究发现,质量分数10%氯化钾盐水所配制的水泥浆体系能够与含钾石岩形成良好胶结,并且氯化钾对粉质泥岩具有很好水化膨胀抑制作用,能够很好满足现场作业需要[1～3]。下面,笔者利用抗盐降失水剂CG80S、防窜增强剂GS12L、抗盐分散剂CF44S、抗盐缓凝剂H21L以及复合加重剂材料CD26F构建了聚合物氯化钾水泥浆体系配方,并对聚合物氯化钾水泥浆体系的物理性能和抗污染性能进行了评价。

1 试验材料与设备

1.1 试验材料

H21L缓凝剂、CG80S抗盐聚合物降失水剂、GS12L增强防窜剂、高抗硫G级油井水泥、淡水、CX61L消泡剂、CF44S分散剂、EXP-1膨胀剂、CD26F复合加重剂、氯化钾。

1.2 试验设备

高温高压稠化仪、常压稠化仪、高温高压水泥浆失水仪、高温高压养护釜、多功能压力试验机、六速旋转黏度计。

2 水泥浆配方

1#水泥浆配方:G级水泥+49%氯化钾盐水+3%CG80S降失水剂+2%CF44S分散剂+1.5% EXP-1膨胀剂+60%CD26F加重剂+1.2%H21L缓凝剂+0.5%CX61L消泡剂+6%GS12L增强防窜剂,密度为2.25g/cm3。

2#水泥浆配方:G级水泥+53%氯化钾盐水+3%CG80S降失水剂+2%CF44S分散剂+1.5% EXP-1膨胀剂+90%CD26F加重剂+1%H21L缓凝剂+0.5%CX61L消泡剂+6%GS12L增强防窜剂,密度为2.35g/cm3。

3#水泥浆配方:G级水泥+57%氯化钾盐水+3%CG80S降失水剂+2.2%CF44S分散剂+1.5% EXP-1膨胀剂+116%CD26F加重剂+0.7%H21L缓凝剂+0.5%CX61L消泡剂+6%GS12L增强防窜剂,密度为2.45g/cm3。

上述配方中百分数均为质量分数,下同。

3 聚合物氯化钾水泥浆体系物理性能评价

室内对不同密度聚合物氯化钾水泥浆体系的性能进行了评价,GK-1井完钻井身3581m,井底静止温度94℃,循环温度76℃,所以室内将水泥浆的试验条件设定为76℃×80MPa。

由表1所示数据可见,氯化钾盐水水泥浆具有稠化时间可调、水泥石养护强度高、失水可控和浆体稳定性好的特点,针对含钾石岩、石膏以及芒硝的粉质泥岩地层的固井能够与盐膏层形成良好的胶结。从水泥浆稠化转化时间评价结果看,水泥浆稠化转化时间均较短,有助于水泥浆防止流体上窜。

表1 聚合物氯化钾水泥浆物理性能

4 聚合物氯化钾水泥浆体系抗污染性能评价

目标层位为含有钾石岩、石膏以及芒硝的粉质泥岩,封固该层位需要水泥浆具有良好的抗盐污、抗石膏污染的能力[4]。室内重点考察了密度为2.35g/cm3的聚合物氯化钾水泥浆抗盐污和抗膏侵的能力,结果如表2所示。在氯化钾盐、硫酸钠盐以及石膏粉侵污下,水泥浆的性能未发生突变,各种性能基本能够满足现场作业要求。值得注意的是,当质量分数2%的石膏粉侵入水泥时,水泥浆的黏度明显增大,水泥浆触变性增强,所以在现场应用时,水泥浆的黏度要考虑适当降低。

表2 水泥浆抗侵污能力评价

5 现场应用

GK-1井井身结构,一开:Ø393.7mm钻头×502m+Ø273.1mm套管×500m;二开:Ø241.3mm钻头×3472m+Ø193.7mm套管×3470m;三开:Ø165.1mm钻头×3681.0m+Ø127mm尾管(3212～3677.37m)。

该井三开所用钻井液密度为2.27g/cm3,黏度为79mPa·s,塑性黏度为110mPa·s,初切力为2Pa,终切力为6Pa,动切力为17.5Pa,含砂量为0.5%,失水量为4.0ml,p H值为14。钻进过程中发现井底当量密度小于2.25 g/cm3时出现溢流,大于2.47g/cm3时发生井漏。该井3472～3630m岩性主要为泥岩及粉砂岩,3630m至井底以膏盐层为主。

5.1 固井施工难点

1)下部裸眼井段卤水层活跃,地层孔隙压力高,钻井液密度提高至2.25g/cm3才能压稳地层,水泥浆候凝过程中易因失重导致地层流体上窜。

2)存在 “糖葫芦”井眼。砂泥岩井段受溢流、故障处理影响,多次出现垮塌,井径扩大严重,膏盐层井段有缩径现象,下钻易遇阻。扩径井段固井顶替时难以将大井眼死角处的钻井液顶替干净,这些残留的钻井液将影响水泥浆的胶结强度。

3)该井裸眼井段短:3472～3681m,水泥浆量按实际井径计算只有5.4m3,水泥浆即使受到少量污染也会对整个固井质量产生严重影响。

5.2 技术措施

1)采用质量分数10%氯化钾盐水聚合物水泥浆体系进行封固,物理性能见表3。水泥浆密度为2.35g/cm3,采用双凝领、尾水泥浆设计,领浆稠化时间360～420min,尾浆稠化时间150～200min。领浆固化时间长,有效保证上部液柱压力顺利传导,有利于尾浆固化过程中压稳地层,防止底部流体上窜,确保底部裸眼段固井质量[5,6]。

表3 现场领、尾水泥浆物理性能

2)为了避免水泥浆与泥浆直接接触产生污染,同时考虑顶替效率等因素,设计高性能隔离液10m3,密度2.30g/cm3。隔离液的沉降稳定性良好(见表4),确保泥浆与水泥浆完全隔开,防止因混浆造成无法拔出中心管的事故。

表4 隔离液的沉降稳定性

3)固井施工时采用塞流顶替,控制井底当量密度维持在2.30～2.35g/cm3,防止盐水浸入和压漏地层。固井施工结束,在水泥浆胶凝失重过程中附加10MPa压力,加压候凝,平衡液柱压力损失。同时采用塞流顶替可有效解决 “糖葫芦”井眼固井质量问题。

5.3 现场作业情况

2013年1月31日6∶00套管顺利下完,循环泵压14.5MPa;16∶00进行悬挂器座挂,座挂过程正常;17∶17～17∶22注入加重隔离液5m3,密度2.30g/cm3;17∶45～18∶05注入高密度水泥浆9m3,密度2.38g/cm3;18∶09～18∶45注入保护液10m3,密度2.30g/cm3;18∶45～19∶05水泥车替泥浆5.5m3,密度2.25g/cm3,施工压力25MPa;19∶06～19∶11水泥车替泥浆0.5m3碰压。固井施工过程顺利,经扫塞、通井后于2月7日进行声幅测井,声幅显示层间封隔良好,固井质量合格。

6 结论

1)氯化钾盐水水泥浆具有稠化时间可调、水泥石养护强度高、失水可控和浆体稳定性好的特点,针对含钾石岩、石膏以及芒硝的粉质泥岩地层的固井能够与盐膏层形成良好的胶结。

2)氯化钾聚合物水泥浆体系具有良好的抗钾盐、钙盐的侵污性能,能够有效保障入井水泥浆的性能稳定。

3)氯化钾聚合物盐水水泥浆体系的现场应用成功,说明水泥浆针对含钾石岩固井具有良好的封固效果,有推广应用的价值。

[1]Van Kleef R P A R.Optimized slurry design for salt zone cementations[J].SPE18620,1989.

[2]彭雷,许明标.盐膏层固井用抗温抗盐低滤失聚合物盐水水泥浆体系研究[J].石油天然气学报(江汉石油学院学报),2008, 30(2):550～552.

[3]许前富,罗宇维,冯克满,等.一种高密度盐膏层固井水泥浆的研究及应用[J].钻井液与完井液,2014,31(1):68～71.

[4]Devesh B,Nestor P,Arshad W,et al.First application of a lightweight salt slurry to help cement longest intermediate casing across salt section and improve well economics:case history from the gulf of Suez[J].SPE150711,2012.

[5]Gilson C,Cristina A S,Cristiane R M,et al.Salt-tolerant cement systems to mitigate gelling effect[J].SPE170477,2014.

[6]田常铭.塔里木盆地古近系—白垩系微膨胀防窜盐水泥浆的应用研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2015,42(3),25～28.

[编辑]洪云飞

长江大学获批42项2015年度国家自然科学基金项目

8月17日,国家自然科学基金委员会公布了2015年度国家自然科学基金申请项目评审结果(国科金发计[2015]59号文件),有42个以长江大学为依托单位的项目获批。

2015年度长江大学自科基金获批项目总经费为1423万元。在获批的42个项目中,胡文宝教授主持的《非均匀第中低频电磁辐射源探测与反演定位》(项目批准号41574064)和尹艳树教授主持的《三角洲前缘储层多点地质统计建模方法研究》(项目批准号41572081)分别获批资助经费90万元,排名第一。

据基金委介绍,2015年3月2日至3月20日项目申请集中接收期间,国家自然科学基金委员会共接收项目申请165598项,经初步审查受理162433项。根据《国家自然科学基金条例》、国家自然科学基金相关类型项目管理办法的规定和专家评审意见,决定资助面上项目16709项、重点项目624项、创新研究群体项目38项、优秀青年科学基金项目400项、青年科学基金项目16155项、地区科学基金项目2829项、海外及港澳学者合作研究基金项目136项、重点国际 (地区)合作研究项目105项、国家重大科研仪器研制项目(自由申请)81项、部分联合基金项目(NSAF联合基金、天文联合基金和钢铁联合研究基金)130项,合计37207项。

TE256.7

A

1673-1409(2015)25-0014-03

[引著格式]陈良,彭博,黄敏.聚合物氯化钾水泥浆体系性能评价及应用研究 [J].长江大学学报 (自科版),2015,12(25): 14～16,57.

2015-06-01

国家科技重大专项(2011ZX05026-001-03)。

陈良(1979-),男,硕士,工程师,现主要从事油气井固井工艺技术方面的研究工作;E-mail:chenliang13@cosl.com.cn。