摘要　氮?dú)馀蛎泟┧酀{體系主要由氮?dú)馀蛎泟?、不滲透油井水泥降失水劑和減阻劑等組成,其中膨脹劑由氮?dú)獍l(fā)氣材料、穩(wěn)氣材料和特種表面活性劑組成。通過評(píng)價(jià)氮?dú)馀蛎泟?duì)水泥漿體系膨脹率、稠化時(shí)間及抗壓強(qiáng)度影響,考察了氮?dú)馀蛎泟┡cS902 配伍性及氮?dú)馀蛎泟┑目果}性。結(jié)果表明,氮?dú)馀蛎泟┠茱@著提高水泥膨脹率、對(duì)稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度無影響,具有良好的抗鹽性及配伍性。新型防氣竄水泥漿體系在勝利油田的直井、定向井、水平井等井中應(yīng)用,固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)到85 % ,合格率達(dá)到了100 % ,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞　氮?dú)馀蛎泟飧Z　油井水泥　固井質(zhì)量
中圖分類號(hào): TE256. 6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

　固井后環(huán)空竄流一直是影響產(chǎn)能評(píng)價(jià)、注水效 果和油氣井產(chǎn)量的突出問題,如果層間封固不良,高壓層流體必然竄入低壓層,造成油氣資源的流失或傷害儲(chǔ)層。勝利油田地層復(fù)雜,油藏特征差異大,井下復(fù)雜情況多樣,特別是近幾年高壓、長(zhǎng)封固段等井不斷增加,給固井技術(shù)提出了更高的要求。為此勝利石油管理局固井公司對(duì)防氣竄問題進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究和分析,并在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了氮?dú)馀蛎浰酀{的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,取得了良好的效果。

1 　氮?dú)馀蛎泟┧酀{體系組成及性能

1. 1 　基本組成
    氮?dú)馀蛎泟┧酀{體系主要由氮?dú)馀蛎泟?、不滲透油井水泥降失水劑和減阻劑等組成。
1. 1. 1 　氮?dú)馀蛎泟?
    氮?dú)馀蛎泟┩庥^為淺黃色粉末,能夠均勻分布在水中,可以和油井水泥濕混或干混。該膨脹劑由氮?dú)獍l(fā)氣材料、穩(wěn)氣材料和特種表面活性劑組成。氮?dú)馀蛎泟┰?8 ℃以上的溫度養(yǎng)護(hù)下能夠釋放出氮?dú)?該氮?dú)庠诒砻婊钚詣┳饔孟戮鶆蚍植荚谒酀{體內(nèi),使水泥石在常壓下也具有很高的抗壓強(qiáng)度。

1. 1. 2 　S902 不滲透油井水泥降失水劑S902 外觀為棕黃色粉末狀,能和水泥濕混或干混。它是由多種聚合物經(jīng)特殊工藝加工而成的添加劑。加到水泥漿內(nèi)能吸附在水泥顆粒表面,形成吸附膜,在交聯(lián)劑作用下能夠相互粘結(jié)在一起形成結(jié)構(gòu)。當(dāng)漿體受到壓差作用時(shí)能在地層表面形成不滲透薄膜,阻止失水。

1. 1. 3 　SUS 油井水泥減阻劑SUS 吸附在水泥顆粒表面,形成吸附膜,使水泥顆粒處于分散狀態(tài),把水泥顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的束縛水變成自由水,從而提高了漿體的流動(dòng)性。

1. 2 　基本性能
    在勝維G級(jí)水泥中加入氮?dú)馀蛎泟?、自來水后的性能見? 。
由表1 看出,膨脹劑在低溫(35 ℃)條件下性能穩(wěn)定,長(zhǎng)期置于低溫下基本不發(fā)氣;中溫(75 ℃) 養(yǎng)護(hù)2 h 后,膨脹率迅速發(fā)展為23. 8 % ,體積產(chǎn)生輕度膨脹,一方面可以補(bǔ)償水泥石收縮引起的膠結(jié)質(zhì)量差,提高膠結(jié)強(qiáng)度;另一方面,通過發(fā)氣組分產(chǎn)生的氮?dú)?補(bǔ)充水泥漿重力損失,防止地層流體的侵入。

1. 3 　氮?dú)馀蛎泟?duì)水泥漿性能的影響
    在75 ℃下,試驗(yàn)用水、水泥類型、密度和水灰比見表1 ,其它性能參數(shù)見表2 。由表2 可知,氮?dú)馀蛎泟?duì)水泥漿稠化時(shí)間影響較小,基本上不影響水泥漿的稠化性能,能夠克服以往使用氫氣膨脹劑嚴(yán)重緩凝的現(xiàn)象,在保證足夠的施工時(shí)間前提下,能夠減少候凝時(shí)間,有利于獲得較好的防氣竄效果;由表2還可以看出,膨脹劑加量對(duì)漿體稠化性能、流動(dòng)度、密度及抗壓強(qiáng)度影響不大。 

1. 4 　氮?dú)馀蛎泟┑募恿繉?duì)膨脹率的影響
    單一的油井水泥在凝固時(shí)會(huì)產(chǎn)生體積收縮,從而導(dǎo)致固井時(shí)水泥環(huán)中產(chǎn)生微小縫隙,引起流體竄槽。為了防止此類情況的發(fā)生,在油井水泥中加入了膨脹劑。在實(shí)驗(yàn)室條件下,對(duì)加入氮?dú)馀蛎泟┑挠途噙M(jìn)行了膨脹率的測(cè)定,結(jié)果見表3 。 

    由表3 可以看出: 氮?dú)馀蛎泟┘恿? 0. 8 %(BWOC) ) 較小時(shí),在38 ℃的低溫情況下已經(jīng)顯示出較明顯的膨脹率(50 min 時(shí)為2 % ,120 min 時(shí)為3 % ,并且達(dá)到指標(biāo)要求) ;在75 ℃的中溫條件下,由于溫度升高,膨脹劑中的發(fā)泡劑分解為氣體的部分增加,致使膨脹率也隨之大幅度增加(膨脹率達(dá)到13 % ,達(dá)到指標(biāo)要求) ;而且,隨著膨脹劑加量的增加,膨脹效果也有較大幅度的提高。

1. 5 　氮?dú)馀蛎泟┑募恿繉?duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響
    在現(xiàn)場(chǎng)施工中,要求油井水泥外加劑的性能要具有單一性,便于在現(xiàn)場(chǎng)施工中能容易地控制水泥漿的各種性能。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)加入氮?dú)馀蛎泟┑挠途嗟某砘阅苓M(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見表4 。 

    由表4 可以看出,加入氮?dú)馀蛎泟┖?油井水泥的初始稠度值較低(一般在6～7 Bc) ,基本滿足固井施工的要求。通過實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),氮?dú)馀蛎泟┑募尤雽?duì)油井水泥的稠化時(shí)間沒有明顯影響,說明氮?dú)馀蛎泟┍旧聿痪邆渚從阅堋?

1. 6 　氮?dú)馀蛎泟┡c降失水劑的配伍性考察
    對(duì)氮?dú)馀蛎泟┡cS902 降失水劑的配伍性進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見表5 。 

    由表5 可以看出:在S902 降失水劑加量不變的情況下,隨著氮?dú)馀蛎泟┘恿康脑黾?油井水泥的膨脹率均有所增加,在75 ℃下膨脹效果較為明顯;隨著氮?dú)馀蛎泟┘恿康脑黾?水泥漿的流動(dòng)度變化較小,并且初發(fā)時(shí)間大大縮短。由此可得, S902 降失水劑對(duì)水泥漿的性能幾乎無影響,與氮?dú)馀蛎泟┯休^好的配伍性。

1. 7 　氮?dú)馀蛎泟┑目果}性
1. 7. 1 　NaCl 對(duì)氮?dú)馀蛎泟┑男阅苡绊?
    圖1 是38 ℃條件下氮?dú)馀蛎泟┧酀{加NaCl前后水泥漿膨脹性對(duì)比情況。由圖1 可以看出:在加入NaCl 的情況下,相同氮?dú)馀蛎泟┘恿克@示的膨脹效果要優(yōu)于不加NaCl 的情況;加入NaCl 前后油井水泥漿流動(dòng)度的變化也不明顯。這說明氮?dú)馀蛎泟┯幸欢ǖ目果}性。 

1. 7. 2 　CaCl2 對(duì)氮?dú)馀蛎泟┑男阅苡绊?
    圖2 是38 ℃時(shí)氮?dú)馀蛎泟┧酀{加CaCl2 前后的膨脹性對(duì)比情況。由圖2 可以看出:油井水泥
漿中加入18 g CaCl2 后,其膨脹效果比未加CaCl2時(shí)有較大的改善;但是加入CaCl2 后,油井水泥漿的流動(dòng)度降低,對(duì)水泥漿的順利流動(dòng)有所影響。CaCl2 是最常用的油井水泥促凝劑,CaCl2 可以加速硅鋁酸鹽或石膏體系的水滑速度而起到促凝作用。CaCl2 的加入提高了液相中Ca (O H) 2 的溶解度,從而加速了C3 S 的水化速度,同時(shí)提前出現(xiàn)Ca(OH) 2 沉淀和提前結(jié)束誘導(dǎo)期。
 
2 　氮?dú)馀蛎泟┳饔脵C(jī)理

    氮?dú)馀蛎泟┦怯傻獨(dú)獍l(fā)氣材料,穩(wěn)定材料和表面活性劑組成。它的細(xì)度在0. 015～0. 03 mm 之間,在水泥孔隙內(nèi)均勻分布,同時(shí)吸附在穩(wěn)氣材料表面,再經(jīng)過表面活性劑的物理化學(xué)作用,使該分散體
系處于高度穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)達(dá)到一定溫度后,與表面活性劑反應(yīng)放出氮?dú)?。由于上部受到鉆井液和隔離液的壓力作用,使水泥漿只有橫向膨脹,有利于驅(qū)動(dòng)大肚子井段的鉆井液,提高頂替效果,保證固井質(zhì)量;在水泥漿靜止膠凝失重時(shí),由于水泥漿內(nèi)部不斷有氣體產(chǎn)生,使水泥漿擁有向外膨脹力和內(nèi)部結(jié)構(gòu)力,有效防止了地層氣體的侵入,強(qiáng)化了水泥漿和地層的膠結(jié)程度,從而有效防止了氣竄,提高了二界面固
井質(zhì)量。

    圖3 為75 ℃、0. 1 MPa 條件下,每隔20 min 測(cè)定的不同加量的膨脹劑發(fā)氣情況。由圖3 不難發(fā)現(xiàn),在不同加量下,體系的膨脹率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,說明該膨脹劑穩(wěn)定性能好,發(fā)氣過程循序漸進(jìn),適應(yīng)水泥漿在環(huán)空靜止后,由于失重而導(dǎo)致的持續(xù)增加的環(huán)空壓力下降,膨脹率的漸增可以彌補(bǔ)不斷增大的重力損失,以平衡地層壓力;隨著水泥水化的不斷進(jìn)行,水泥漿體內(nèi)微粒的膠凝強(qiáng)度不斷增長(zhǎng),同時(shí)由于膨脹率的增大,得到的附加壓力相應(yīng)增大,從而改變漿體候凝中的失重特征,增加油氣運(yùn)移阻力,實(shí)現(xiàn)環(huán)空氣竄;另一方面膨脹水泥漿體系由于產(chǎn)生體積微膨脹,有助于提高2 個(gè)界面的膠結(jié)強(qiáng)度,補(bǔ)償水泥石的體積收縮,實(shí)現(xiàn)層間封隔。從圖3 還可以看到,在50～70 min 期間體系的膨脹率逐步變大,但變化量不大,這段時(shí)間恰好等于水泥漿在套管內(nèi)流動(dòng)及到達(dá)環(huán)空預(yù)計(jì)位置以前所需要的時(shí)間,并且在特殊情況下,如長(zhǎng)封固段、深井等要求的到達(dá)預(yù)計(jì)位置靜止以前時(shí)間較長(zhǎng),可通過控制膨脹劑中的發(fā)氣組分,適當(dāng)延長(zhǎng)開始發(fā)氣的時(shí)間,以滿足不同固井工藝要求。
 
3 　新型防氣竄體系在勝利油田的應(yīng)用

3. 1 　樊22226 井
    樊22226 井是一口注水井, 完井井深為3360m ,油層頂位于井深2060 m ,油層底位于井深3320m ;一開用φ444. 5 mm 鉆頭鉆至井深237 m ,下入φ 339. 7 mm 套管至井深235. 06 m ;二開用φ 215. 9 mm 鉆頭鉆至井深3360 m ,下入φ139. 7 mm 套管至井深3355. 14 m ,該井在井深2300 m 處的最大井斜為6. 3°。鉆井液密度為1. 30 g/ cm3 ,粘度為60s ,濾失量為5 mL ,泥餅厚度為0. 5 mm ,p H 值為8 ,含砂量為0. 3 %,井徑平均擴(kuò)大率為10. 79 %。

3. 1. 1 　水泥漿性能水泥漿配方如下。
    勝維G級(jí)水泥+ 0. 9 %S902 + 0. 5 %膨脹劑+ 0. 5 %SUS(W/ C = 0. 44 ,75 ℃) 水泥漿密度為1. 90 g/ cm3 ,流動(dòng)度為23 cm ,常壓、75 ℃下養(yǎng)護(hù)24 h 后抗壓強(qiáng)度為18 MPa ,水泥漿稠度達(dá)到40 Bc 的時(shí)間為108 min ,120 min 后膨脹率為25 %,6. 9 MPa 下30 min 的失水45 mL 。
3. 1. 2 　現(xiàn)場(chǎng)注水泥
    樊22226 井注入3 m3 隔離液后,注水泥,水泥漿最高密度為1. 90 g/ cm3 ,最低為1. 66 g/ cm3 ,平均為1. 88 g/ cm3 ;注水泥壓力為6. 5 MPa ,替漿為38. 8 m3 ,替漿壓力為0～8 MPa ,碰壓20 MPa ,敞壓候凝36 h 。聲幅測(cè)井固井質(zhì)量為優(yōu)。

3. 2 　梁432斜9 井
    梁432斜9 井是一口生產(chǎn)斜井,井深2800 m 處井斜為36°,方位為360°,全角變化率為25°/ m ,完井井深為2943 m ,下入φ 139. 7 mm N80 套管(壁厚7. 72 mm) 和291 根油管,總長(zhǎng)為2850. 99 m。使用聚合物鉆井液體系,鉆井液密度為1. 20 g/ cm3 ,粘度為54 s ,濾失量為5 mL ,泥餅厚度為0. 5 mm ,p H值為9 ,含砂量為0. 3 % ,初切為2 Pa ,終切為3 Pa 。

3. 2. 1 　水泥漿性能水泥漿配方如下。
    勝維G級(jí)水泥+ 0. 8 %S902 + 0. 4 %膨脹劑+ 0. 4 %SUS(W/ C = 0. 44 ,70 ℃) 水泥漿密度為1. 90 g/ cm3 ,流動(dòng)度為23. 0 cm , 常壓、70 ℃下養(yǎng)護(hù)24 h 后抗壓強(qiáng)度為18 MPa ,水泥漿稠度達(dá)到40 Bc 的時(shí)間為116 min ,120 min 后膨脹率為23 % ,6. 9 MPa 下30 min 失水量為68 mL 。

3. 2. 2 　現(xiàn)場(chǎng)施工
梁432斜9 井下套管后,循環(huán)鉆井液,固井前注3 m3 隔離液后, 注水泥, 替漿, 頂替壓力為0 ～ 8MPa ,碰壓15 MPa ,水泥漿最大密度為2. 0 g/ cm3 ,最小為1. 25 g/ cm3 ,平均為1. 88 g/ cm3 ,敞壓候凝。候凝36 h ,聲幅測(cè)井固井質(zhì)量為優(yōu)。

3. 3 　臨2223 井
    臨2223 井完鉆井深為1790 m ,油層頂位于井深1280 m ,油層底位于井深1755 m。該井井徑擴(kuò)大率為7. 56 %。使用聚合物鉆井液,鉆井液密度為1. 18 g/ cm3 ,粘度為55 s ,濾失量為6 mL ,泥餅厚度為0. 5 mm ,p H 值為8 ,含砂量為0. 3 %。

3. 3. 1 　水泥漿性能水泥漿配方如下。
    勝維G級(jí)+ 0. 9 %S902 + 0. 4 %膨脹劑+ 0. 5 %SUS + 現(xiàn)場(chǎng)水(W/ C = 0. 44 ,55 ℃) 水泥漿密度為1. 90 g/ cm3 ,流動(dòng)度為23. 0 cm , 常壓、55 ℃下養(yǎng)護(hù)24 h 后抗壓強(qiáng)度為15. 5 MPa ,水泥漿稠度達(dá)到40 Bc 時(shí)用時(shí)127 min ,120 min 后膨脹率為23 %,6. 9 MPa 下30 min 失水量為55 mL 。

3. 3. 2 　現(xiàn)場(chǎng)施工
    臨2223 井下完套管后,循環(huán)鉆井液,注入3 m3隔離液后,注水泥,泵壓為3 MPa ,水泥漿最高密度為1. 96 g/ cm3 ,最低密度為1. 78 g/ cm3 ,平均密度為1. 89 g/ cm3 ,10 min 后替漿21. 5 m3 ,頂壓為0～8 MPa ,碰壓為20 MPa ,施工一切正常,敞壓候凝48 h 。候凝后聲幅測(cè)井固質(zhì)量為優(yōu)。
氮?dú)馀蛎泟┳?002 年5 月底推廣以來,已在高壓井、長(zhǎng)封固段井及井徑擴(kuò)大率超標(biāo)井中應(yīng)用576 井次,固井合格率為99. 9 % ,優(yōu)質(zhì)率為83. 8 % ,比同類型井固井合格率增長(zhǎng)了3. 41 %(2001 年固井合格率為96. 49 %) ,優(yōu)質(zhì)率增長(zhǎng)15. 96 %(2001 年優(yōu)質(zhì)率為67. 84 %) ,避免了由于固井不合格而采取的其它補(bǔ)救等作業(yè),取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 　結(jié)論
    1. 氮?dú)馀蛎泟┠茱@著提高水泥漿體系的膨脹率,水泥漿在常壓下具有較高的抗壓強(qiáng)度,體系膨脹量可以達(dá)到25 % ,對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大(常壓) 。
    2. 氮?dú)馀蛎泟?duì)水泥漿體系的流變性、稠化時(shí)間沒有影響,與S902 降失水劑配伍性好,并具有很好的抗鹽能力。
    3. 新型防氣竄水泥漿體系能夠提高二界面的封固質(zhì)量,直角稠化性能好,具有雙重防氣竄用。      
    4. 該體系即可以干混也可以濕混,使用方便。

參考文獻(xiàn)
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[2 ] 　劉崇建,等. 油氣井注水泥理論與應(yīng)用. 石油工業(yè)出版社,2001 ,171～176