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纳米材料PC-GS13L在固井水泥浆中防气窜性能研究与应用

  • 投稿vior
  • 更新时间2015-09-23
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朱新华1 孟青山2 许伟汉2 罗东辉2 陈 良2

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术公司,广东 湛江 524057;

2.中海油服油田化学事业部湛江基地,广东 湛江 524051)

【摘 要】近年,国内投入开发的高压油藏、超深油藏愈来愈多,此类油藏由于气压高或埋藏深、温度高、储层流体压力高等原因,固井难度大,采用常规类固井材料完井后常出现固井质量不合格,表现为一、二界面固结质量差和存在管外窜槽等。研究开发出一种纳米固井新材料PC-GS13L,实验结果表明,其具有悬浮提切、防窜、增强和耐高温的特点。现场应用表明,纳米材料PC-GS13L的应用是有效解决高温高压气田固井水泥浆防气窜难题的一项新技术。

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关键词 高压油藏;纳米材料;防气窜;高温高压固井;研究应用

0 前言

近年,国内投入开发的超深油藏和高温高压气田固井愈来愈多,此类油藏由于温度高、储层流体压力高等原因,固井难度大,采用常规水泥类固井材料完井后,常出现固井质量不合格,表现在一、二界面固结质量差和存在管外窜槽等。本文研究开发出一种纳米固井新材料PC-GS13L,实验结果表明,其具有悬浮提切、防窜、增强和耐高温的特点。现场应用表明,纳米材料PC-GS13L的应用是有效解决高温高压气田固井水泥浆防气窜难题的一项新技术。

1 技术原理

纳米固井材料主要由无机纳米活性功能材料及其它助剂组成。纳米材料表面活性高,表面缺陷多,表面原子周围因缺少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱和性质,易与其它原子相结合而稳定下来,具有很高的化学活性,极易与及其它助剂发生水化键合,生成以纳米材料为核心(网络节点)的三维网络结构,同时纳米材料颗粒微细均匀,极易进入水化产物的毛细孔及其微裂缝等缺陷结构中,对其进行填充和补强,可显著改善了固井材料的物理力学性能,强度更高;同时,微细的纳米材料在固井时,其浆体较水泥类固井材料更容易进入存在微空隙的部位,同时有迅速促进水泥水化的推动作用,减少水泥稠化过渡时间及缩短静胶凝强度发展的时间,可有效提高防气窜的成功率。

2 室内试验部分

2.1 纳米固井材料耐温性能评价试验

将纳米固井材料固化后分别放在不同温度下养护10天后测突破压力,由图1可知,随着温度的升高,纳米固井材料突破压力有的增强趋势。说明纳米固井材料在高温下能继续发生反应,所以纳米固井材料固化体强度在高温下不仅不会衰退,反而有所提高。

2.2 纳米固井材料耐矿化度评价试验

试验结果如表1所示。

试验表明,矿化度对纳米固井材料的初凝时间有一定的影响,原因是金属盐尤其是钙盐对纳米固井材料有促凝作用,但即使在23.6×104mg/L的矿化度下,纳米固井材料的初凝时间仍在5.3小时以上。

2.3 纳米固井材料流变性能评价试验

用旋转粘度计测定纳米固井材料浆液的触变性,测试结果见表2,从表中看出,静切力初值4.2-4.8Pa,终值8.3-8.8Pa,纳米固井材料浆液具有理想的触变性,这利于纳米固井材料悬浮,又不致于静止后开泵时泵压过高,而且纳米固井材料浆液塑性粘度低(低于20mPa.s),易于泵注。

2.4 纳米固井材料高温防窜性能测试

2.4.1 防窜评价方法

对于防窜性能的评价,目前公认及最流行的方法主要有有四种:

(a)稠化过渡时间小于30min,即稠化过渡时间从30BC达到100BC的拐角时间越短越好;水泥浆的迅速稠化,将使浅层气向井眼环空的运移启动和运移的时间变短,浅层气的集聚强度和急剧趋势变缓,浅层气的产生和危害变小,因此能够极大降低固井作业风险。

(b)水泥浆的静胶凝强度发展性能,是实验室常用来检验水泥浆在一定条件下的抗气窜性能的参考数据。一般要求水泥浆的静胶凝强度由100lb/100ft2发展至500lb/100ft2的时间足够短才能够有效的预防气窜的产生,理想的过渡时间小于30min。

(c)SPN值计算法,SPN值反应了水泥浆失水量及水泥浆凝固过程阻力变化系数A值对气窜的影响,

SPN=QAPI×A

A=0.1826[(T100Bc)1/2-(T30Bc)1/2]

水泥浆API失水量越低.稠化时间T100Bc与T30Bc的差值越小,即在此稠化时间内阻力变化越大,A值越小,SPN值也越小,防气窜能力越强。

依据以上防窜评价方法,综合考虑选用T100Bc与T30Bc稠化过渡时间、从100lb/100ft2发展至500lb/100ft2的静胶凝强度发展过渡时间、SPN值等方法进行对比评价。

2.4.2 防窜评价结果

使用高密度2.15g/cm3水泥浆作为基浆,同时在126℃的循环温度及152℃的静止温度下测试水泥浆性能,测定结果如下图所示。

水泥浆配方1: 56.95%FW+0.5%X60L+0.5%X66L +2%F41L+4%GR6+4.5%G80L+0% PC-GS13L+6%MICROBLOCK+1.4%H40L+25%D20(250目)+50%D20(1200目)+40%C81+100%SD”G”水泥

水泥浆配方2: 56.95%FW+0.5%X60L+0.5%X66L +2%F41L+4%GR6+4.5%G80L+2%PC-GS13L+6%MICROBLOCK+1.5%H40L+25%D20(250目)+50%D20(1200目)+40%C81+100%SD”G”水泥

实验结果表明:1)加入2%纳米防窜剂PC-GS13L后,稠化拐角时间更短,仅为4分钟,有利于防窜;2)加入2%纳米防窜剂PC-GS13L后,静胶凝强度发展更快,从100bl/100ft2-500bl/100ft2过渡时间仅为2分钟,有利于防窜;3)加入2%纳米防窜剂PC-GS13L后,SPN值仅为0.82,防窜性能良好;4)加入2%纳米防窜剂PC-GS13L后,浆体沉降稳定性良好,流变性能好,失水低,稠化曲线平稳,抗压强度高,满足进一步作业施工要求。

3 现场应用

中国南海莺琼盆地既存在高压,也存在高温,是目前世界海上三大高温高压地区之一。据不完全统计资料,1984年至2011年,我国南海海域共钻高温高压探井25口。从已钻井情况看,大部分井集中在4000m-5000m之间。 在已完成的25口井中,温度超过200℃,泥浆比重超过2.20sg以上的超高温高压井有4口。1984-2004年,南海15口高温高压井,中外作业者的作业过程都异常艰辛,固井成功率不高,特别是尾管固井,成功率仅47%。东方1-1气田位于南海北部湾莺歌海海域,7寸尾管固井存在气窜风险。经过对水泥浆体系进行优化改进,使用PC-GS13L防窜剂加入到水泥浆中,在DF1-1气田7口井的7”套管固井中未发生过气窜现象,工艺成功率100%,有效成功率100%,取得了显著的经济效益和社会效益。

4 结语

1)实验结果表明,PC-GS13L防窜剂具有悬浮提切、防窜、增强和耐高温的特点;

2)现场应用表明,纳米材料PC-GS13L的应用是有效解决高温高压气田防气窜难题的一项新技术,应用前景良好。

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参考文献

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[责任编辑:汤静]