一种酸溶水泥溶解促进剂

2019-03-18李秀妹王野任强王绮罗文丽马骏杨豫杭余大洲

钻井液与完井液 2019年6期

李秀妹，王野，任强，王绮，罗文丽，马骏，杨豫杭，余大洲

（1.渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，河北任丘 062552；2.渤海钻探第四钻井工程分公司，河北任丘 062552）

在钻完井及修井作业过程中，储层易发生漏失。在处理发生在目的层的漏失时，采用可酸溶凝固型堵漏材料是一种很好的解决办法[1-5]。当目的层发生裂缝及溶洞型严重漏失时，通常采用酸溶水泥堵漏，该水泥像普通水泥一样，在一定的温度下可以凝结，对漏层形成有效封隔，并且在后期作业中可以酸化解除，不会对产层造成污染。隋跃华[6]等人将该技术应用于胜利油田CB244井，解决了该井严重的裂缝性漏失，并获得了700 t/d的高产油流，成效显著。目前的酸溶水泥技术还不太成熟，以水泥等胶凝材料附加碳酸盐为主，有的酸溶率较低，不足90%[7-8]，有的酸溶率可达95%以上，但酸溶所需时间较长，室内评价溶解时间大于1.5 h[10]，不能很好地满足现场需要。此外，镁氧水泥由于其高酸溶的特性，在油水井堵漏中也有应用，但由于镁氧水泥属气硬性材料，在水热环境中随温度的增加，抗压强度有明显衰减，致使其应用受到限制[11]。通过对影响酸溶率的主要因素碳酸盐加量及细度的分析发现，酸溶率达到90%以后，很难进一步得到提升。针对这一问题，研发了一种溶解促进剂，在水泥石形成初期，预留下溶蚀孔洞，加快酸液侵入试块的速度[10-12]。

1 实验材料和仪器

实验材料为G级油井水泥，325目（0.043 mm）、600目（0.025 mm）、1200目（5 µm）碳酸盐（市售），溶解促进剂（自制），15%盐酸。

实验仪器为瓦楞搅拌器、双温强度养护箱；德国Toni的抗压强度试验机；日本HORIBA-920C型激光粒度仪。

2 室内研究

2.1 碳酸盐加量对酸溶率及酸溶速率的影响

G级水泥为水化凝结类无机物，凝结后为堵漏浆体提供足够的强度，具有85%以上的酸溶率，但凝结物经酸溶解后表面易形成钝化膜，阻碍酸液进一步溶蚀，酸溶速率较低。碳酸盐在酸液中溶解速度快，对酸溶水泥的溶解起到决定性作用，考察了碳酸盐加量对酸溶率的影响。将G级水泥和600目的碳酸盐在不同加量下与水充分混合，倒入强度养护模块中，在60 ℃、0.1 MPa下养护24 h，养护完毕后进行酸溶率测试，将试块制成2 cm×1 cm×1 cm的长方体，称重，然后放入15%的盐酸中溶解，将未溶解的固体用滤纸过滤，烘干并称重，2次质量差与初始小长方体质量之比即为酸溶率，实验结果见图1。

图1 酸溶材料加量对酸溶率的影响

由图1可知，前10 min试块的酸溶速率较快，酸溶率比较接近，反应10 min以后，酸溶率出现了差异化，碳酸盐加量越多酸溶率越大，加量达到60%，酸溶率接近80%，需进一步提高加量，才能得到更好的酸溶效果。

2.2 碳酸盐细度对酸溶率及酸溶速率的影响

碳酸盐加量直接影响水泥石的酸溶率，而细度会影响到水泥石的致密性，也会对酸溶率产生影响。G级水泥和不同粒径碳酸盐粒径分布见表1，碳酸盐细度对酸溶率的影响见图2。

表1 不同材料粒径分布表

图2 碳酸盐粒径对酸溶率的影响

由图2可知，碳酸盐粒径为325目时，水泥石的酸溶率和酸溶速率都最大。与G级水泥相比，600目和1200目碳酸盐粒径较小，形成了致密的水泥石结构，酸液侵蚀速度慢；325目碳酸盐与G级水泥粒径较接近，且粒径分布较宽，甚至有部分粒径超过了G级水泥颗粒的大小，形成的水泥石结构松散，孔隙较大，利于酸液的侵蚀，由此可知，粒度较大的碳酸盐有利于提高酸溶率。

进一步提高碳酸盐加量及粒径，在60 ℃、0.1 MPa下养护24 h，进行了酸溶率和抗压强度的测定，见表2。从表2数据可知，200～325目碳酸盐用量增大，酸溶率提高到90%以上，但增长不大，加量超过80%，强度有下降趋势；加有粒径为100目碳酸盐的水泥石，酸溶率达到93%以上，但酸溶率很难达到95%，且抗压强度较前两者下降明显。通过这一系列的分析得到，在保证抗压强度的前提下，碳酸盐加量应小于80%，粒径以200～325目适宜。

表2 碳酸盐加量对水泥浆的酸溶率和抗压强度

2.3 溶解促进剂的研究

为了进一步提高水泥石的酸溶率，研发了一种外加剂，在碱性条件及一定温度下能够自身分解，在水泥水化过程中，能够缓慢、稳定地产生细小均匀的气泡，在水泥基体上预留下溶蚀孔洞，增大酸液与水泥接触面积，促进水泥石溶解。

2.3.1 主原料的选择

选用可以发气的产品作为促进剂的主原料，对常用的几类发气剂进行了考察，见表3。由表3可以看出，表面活性剂类发泡剂产生的气泡大、稳定性差，无机发泡剂一般需要在较高的温度下才能发泡，都不适合作为酸溶促进剂使用，最终选择有机类发泡剂。

表3 常见发气剂性能分析

有机大分子中C原子的数量直接影响到促进剂在水泥浆中分解的温度与速度。以加入发泡剂后水泥石的线性增长率作为发气的评价依据进行实验，结果见表4。可以看出，C原子数在12～18之间的化合物在水泥浆中的发气性能较好，温度高于40 ℃开始发气，高于70 ℃发气量趋于稳定，发气量大，基本可以满足要求。

表4 促进剂主原料的选择

2.3.2 稳定剂的选择

在实验过程中发现，加入发气剂后，水泥石抗压强度随着温度的升高而降低，在脱模的试块中可以看到温度高于70 ℃后，试块中气泡大且较为密集（见图3）。这可能是因为温度升高后，气体产生的速度较快，部分气体在水泥浆中聚集，使气泡不均匀，从而使强度降低。为了抑制气体的聚集，需要加入一种稳定剂，使气体在水泥浆中均匀分散，不对强度产生太大的影响。优选了含有磺酸根的饱和烷烃作为稳定剂。从表5中使用稳定剂前后的抗压强度对比结果可以看出，加入稳定剂后，气体对强度的影响较小，随着温度升高，强度增大。从图3中也可以看出，使用稳定剂后产生的气泡细小、均匀，不再存在气泡聚集的现象。

表5 稳定剂使用前后抗压强度的对比

图3 加入稳定剂前（左）后（右）的强度试块

2.3.3 溶解促进剂对酸溶水泥性能的影响

在碳酸盐加量为80%的条件下，测定了促进剂对水泥石强度及酸溶率的影响，结果见表6。对加有促进剂的酸溶水泥在不同时间下的酸溶率进行了测定，见图4。

表6 溶解促进剂加量对酸溶水泥性能的影响（70 ℃、24 h）

图4 溶解促进剂加量对酸溶率的影响

由表6可知，促进剂对提高水泥石的酸溶率效果明显，随着用量增大，酸溶率明显增大，可以提高到95%以上，但由于水泥中酸不溶物的存在，无法达到100%。促进剂用量过大，会使水泥石抗压强度降低，建议加量不超过0.3%。从图4反应初期曲线的斜率可以看出，酸溶反应速度快，30 min时酸溶率约96%，基本接近溶解终点，促进作用明显。

3 现场应用

苏1K-1X井是华北油田苏桥储气库群苏1储气库的一口注采井，设计井深为4094.98 m。钻进至井深3977 m发现钻时加快，观察液面发生井漏，漏速为4.2 m3/h，继续钻进至井深3981 m漏速加大至11.4 m3/h，共漏失钻井液22.8 m3。后钻进至井深3987.58 m，快钻0.4 m，突然放空0.3 m，至井深3988.28 m，井下再次出现漏失，井口失返。多次采用酸溶水泥浆堵漏均告失败。根据漏失情况判断井下为大裂缝或溶洞漏失，为了解决这一问题，同时减小对储层的污染，决定采用酸溶水泥堵漏。

为了保证堵漏浆能够准确地停在洞口，优化堵漏工艺，根据地层平衡压力精确计算堵漏浆和顶替液的用量，使浆体通过自重漏入地层，形成封隔半径后，停在洞口；优化浆体性能，计算施工时间约为80 min，通过调节缓凝剂加量，使稠化时间控制在150～200 min，既保证了施工安全，又确保浆体到达漏层后可以快速凝结，形成有效封隔。现场水泥浆配方如下。

酸溶水泥+3% 降失水剂ZJ-5+0.2% 缓凝剂ZH-2+0.3%酸溶促进剂+0.1%消泡剂XP-1，油水比为0.5

水泥浆密度为1.80 g/cm3，稠化时间为182 min，滤失量为68 mL，24 h抗压强度为6.9 MPa，酸溶率为96.5%。该次堵漏施工一次成功，很好地解决了恶性漏失，同时对储层起到了很好地保护作用。