一种防窜直角稠化水泥浆体系的室内研究及现场应用*

廖易波 ,李望军,周成裕,黄 强

（1中海油田服务股份有限公司油化事业部深圳作业公司，广东 深圳 518000；2重庆科技学院化学化工学院，重庆 401331）

随着国家能源安全战略的调整,国内油气勘探力度空前加大,南海东部海域油气资源勘探逐步向深水挺进。深水高压油气井在固井作业过程中存在很多困难因素,如油气水层易互窜,界面胶结质量差,水泥柱上下温差较大,井眼压差大易发生气窜,钻井费用高,钻井周期长。究其原因,主要是水泥浆稠化过渡时间长,固井后发生环空气窜[1-3]所导致。固井后环空气窜是指在注水泥结束后,在水泥浆由液态转化为固态过程中,水泥浆由于胶凝失重或窜槽等原因造成胶结质量不好,气层气体窜入水泥石基体,或进入水泥与套管或水泥与井壁之间的间隙中造成层间互窜甚至窜入井口。发生环空气窜的主要危害[4]是:直接影响水泥石胶结强度；导致层间窜流,直接影响油气层的测试评价,污染油气层,降低油气采收率；对油田开发后续作业如酸化压裂和分层开采等造成不利影响；严重时可在井口冒油、冒气,甚至造成固井后井喷事故,即使采用挤水泥等补救工艺也很难奏效。为了有效避免气窜现象的发生,本文优选了一种具有防气窜[5]、直角稠化的水泥浆体系,该水泥浆体系以胶乳为主剂,辅以相配伍的降失水剂、防气窜剂以及其他外加剂配制而成[6]。室内研究表明,防气窜直角稠化水泥浆体系配方简单,易于调节,稠化过渡时间短,接近直角稠化,静胶凝过渡时间小于20 min,具有良好的沉降稳定性,游离液为零；浆体流变性能良好；具有良好的防气窜性能[7]。防窜直角稠化水泥浆体系已多次成功应用于南海东部番禺油气田区块。

1 实 验

1.1 主要仪器和药品

主要仪器:双缸增压稠化仪；静胶凝强度分析仪；高温高压养护釜；高温高压失水仪；旋转粘度计；恒速搅拌器；电子天平；钻井液密度计。

药品:山东水泥；复合硅粉；消泡剂；分散剂；降失水剂；胶乳；防气窜剂；高温缓凝剂；水。

1.2 实验内容

1.2.1 水泥浆体系配制

防窜直角稠化水泥浆体系以胶乳为主剂,辅以相配伍的降失水剂、防气窜剂以及其他外加剂配制而成。采用山东G级水泥,井底循环温度(BHCT）为160℃,井底静止压力(BHP）为80 MPa。水泥浆配方见表1。

表1 水泥浆配方Table 1 Cement slurry fomula

1.2.2 常规性能评价

根据GB19139-2012相关章节要求完成水泥浆失水、游离液、抗压强度、静胶凝强度、稠化时间等常规性能的评价。

1.2.3 稠化时间可调性

根据1.3中实验方法,保持水泥浆其他添加剂加量不变的情况下,通过调整高温缓凝剂的加量,研究高温缓凝剂加量变化对水泥浆稠化时间可调性影响。

1.2.4 静胶凝过渡时间可调性

根据1.3中实验方法,保持水泥浆其他添加剂加量不变的情况下,通过调整防气窜剂的加量,研究防气窜剂加量变化对水泥浆静胶凝过渡时间的影响。

1.2.5 温敏性

根据1.3中实验方法,保持水泥浆各添加剂加量不变的情况下,通过测试升10℃以及降10℃的稠化时间,分别研究温度变化对水泥浆稠化时间的影响。

2 结果与讨论

2.1 防窜直角稠化水泥浆体系的常规性能

由表1可知,防窜直角稠化水泥浆体系配方简单,易于调节。从表2可知,防窜直角稠化水泥浆体系稠化过渡时间为2 min,接近直角稠化,静胶凝过渡时间为7 min,具有良好的控制失水性能、以及防气窜性能。

表2 常规性能Table 2 General performance

2.2 防窜直角稠化水泥浆体系的稠化时间可调性

在其他添加剂加量不变的情况下,改变高温缓凝剂的加量,其配方如表3所示。水泥浆稠化曲线见图1～图3。

表3 不同高温缓凝剂加量的水泥浆配方Table 3 Different pecent of HT retarder cement slurry fomula

图1 1#稠化曲线Fig.1 1#Thicking curve

图2 2#稠化曲线Fig.2 2#Thicking curve

图3 3#稠化曲线Fig.3 3#Thicking curve

根据图1、图2、图3的稠化曲线,我们可以得出不同高温缓凝剂加量下水泥浆对应的稠化时间,见表4。

表4 高温缓凝剂对稠化时间影响Table 4 Effect of HT retarder on thicking time

从表4可以看出,防窜直角稠化水泥浆体系配方中随着高温缓凝剂的加量逐渐加大,水泥浆的稠化时间逐渐变长,聚合物胶乳水泥浆体系配方中随着高温缓凝剂的加量逐渐降低,水泥浆的稠化时间逐渐缩短,说明防窜直角稠化水泥浆体系的稠化时间可通过改变高温缓凝剂的加量来实现线性可调。

2.3 防窜直角稠化水泥浆体系的静胶凝强度时间可调性

在其他添加剂加量不变的情况下,改变防气窜剂的加量,其配方如表5所示。水泥浆静胶凝过渡曲线见图4～图7。

根据图4～图7的静胶凝过渡曲线,我们可以得出不同防气窜剂加量下水泥浆对应的静胶凝过渡时间,见表6。

表5 不同防气窜剂加量的水泥浆配方Table 5 Different pecent of anti-gas additives cement slurry fomula

图4 1#静胶凝过渡曲线Fig.4 1#Static gel transition curve

图5 4#静胶凝过渡曲线Fig.5 4#Static gel transition curve

图6 5#静胶凝过渡曲线Fig.6 5#Static gel transition curve

图7 6#静胶凝过渡曲线Fig.7 6#Static gel transition curve

表6 防气窜剂对静胶凝过渡时间的影响Table 6 Effect of anti-gas additives on static gel transition time

从表6可以看出,不加防气窜剂的时候,水泥浆的静胶凝过渡时间长达94 min；加入防气窜剂的时候,水泥浆的静胶凝过渡时间明显缩短至20 min以内；并且随着防气窜剂剂加量的逐渐增加,水泥浆的静胶凝过渡时间逐渐缩短。因此,防窜直角稠化水泥浆的静胶凝过渡时间可以通过加入防气窜剂来进行调节。

2.4 防窜直角稠化水泥浆体系的温敏性

图8 150℃ 稠化曲线Fig.8 150℃ thicking curve

图9 170℃ 稠化曲线Fig.9 170℃ thicking curve

为了研究防窜直角稠化水泥浆体系对温度的敏感性,对该体系进行降10℃(150℃）、升10℃(170℃）的温度敏感性稠化实验,具体实验结果如图8、图9所示。

根据图1、图8、图9的稠化曲线,我们可以得出不同温度条件下水泥浆对应的稠化时间,见表7。

表7 温度变化对稠化时间的影响Table 7 Effect of temperature on static gel transition time

从表7可以看出,随着实验温度的降低,水泥浆稠化时间增加；随着实验温度的升高,水泥浆稠化时间缩短；说明防窜直角稠化水泥浆体系在该温度段温度敏感性良好。

2.5 防窜直角稠化水泥浆体系的现场应用

防窜直角稠化水泥浆体系成功应用于南海东部区块多口井作业,现场应用表明:防窜直角稠化水泥浆体系现场易配浆、浆体流动性良好、水泥浆气泡少、现场操作方便、候凝时间短、未发现窜漏、节约了钻井生产成本,现场固井质量优良。

3 结 论

(1）防气窜直角稠化水泥浆体系配方简单,易于调节；

(2）防气窜直角稠化水泥浆体系稠化过渡时间短,接近直角稠化；

(3）防气窜直角稠化水泥浆体系具有良好的防气窜性能；

(4）防窜直角稠化水泥浆体系固井候凝时间短,节约了钻井生产成本。