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深水固井水泥浆的水化放热研究

来源:摘自《石油天然气学报》2010年 06期 日期:2011-04-22 浏览量:
【摘要】 如何在不破坏水合物稳定性的前提下,对深水油气资源进行高效安全地开采,是摆在油气开发者面前最大的难题。通过对4种水泥及部分添加剂的水化放热进行室内研究,准确绘制水化放热曲线,找出了适合深水固井的低水化放热水泥及添加剂,并对混配水泥、混配促凝剂和深水固井所用的海水屏蔽剂和增强剂进行了水化放热试验研究,确定了深水固井的低水化放热基本配方,解决了深水水合物层固井中面临的困难。
 
【中文关键词】 深水油气藏; 固井; 水泥浆; 水化放热;
 
深水油气资源被认为是石油工业的一个重要前沿领地, 深水、超深水油气资源已成为美、英等西方发达国家竞相开采的热点。深水固井技术是深水油气资源开采的关键环节, 虽然近年来深水固井技术已有了长足发展, 但是针对水合物层的深水固井技术还存在许多亟待解决的问题[1]。如何在不破坏水合物稳定性的前提下, 对水合物层以下的油气资源进行高效安全的开采, 是摆在油气开发者面前最大的难题。水合物的极不稳定性使深水水合物层固井面临的问题更为复杂多变, 比陆上油气作业和浅水区域作业提出的挑战更为艰巨。笔者通过研究分析4种水泥及部分添加剂的水化放热, 为深水固井所面临的水化放热问题提供解决途径。
1  深水固井面临的水化放热问题
 
深水泥线下地层中的天然气水合物是一种在低温高压下稳定存在的沉积物[2]。泥线下地层中水合物如果分解, 就会导致井眼扩大、水气窜流, 使本已胶结良好的水泥环与井壁之间出现微环空或导致井壁失稳等现象。因此, 在固井过程中如何降低水泥浆的水化放热, 保证水合物不分解是一个挑战[3]。在深水固井中, 水泥浆水化放热直接引起水泥浆温度升高, 加快水泥的水化速度。一般情况下混浆初期的水化放热速率很慢 (与水泥浆体系有关) , 在接近凝结时速度加快, 使水泥浆的温度迅速升高,水化加快, 早期强度迅速提高[4]。当水泥浆水化基本上结束时, 大部分热量已释放, 水泥浆的温度达到最高。专业人士认为[5], 井眼温度达到最高时水泥浆已经凝固。但是在水泥浆水化过程中如果存在水合物层, 水泥浆水化放出的大量热量就会引起气体水合物的分解, 从而引起气体流动, 形成异常高压, 容易造成井喷[6]。因此, 在水泥浆设计时力求降低水化放热, 同时水泥浆其他性能要满足或超过深海固井
的需要。4种水泥及部分添加剂进行了水化放热室内试验, 该研究有利于实现深海油气井开发过程中保持水合物稳定, 从而延长油井寿命, 提高经济效益。
2 试验部分
 
2.1 试验配方
试验配方包括以下5个部分。 4种水泥的水化放热配方: 500g 水泥+ 220g 水; 普通 G 级水泥单一促凝剂的水化放热配方: 500g 普 G 水泥+ 单一促凝剂Acc1/ CaCl2/ Acc2+ 220g 水; ;普通 G级水泥加混合促凝剂的水化放热配方: 500g 普G 水泥+ 混合促凝剂+ 220g 水; #普 G 水泥与超细水泥不同比例混配的水化放热配方: 普G 水泥+ 超细水泥+ 300g 水+ 30g 海水屏蔽剂+ 20g 增强剂; ∃海水屏蔽剂和增强剂对普通G 级水泥水化放热影响的配方: 普 G 水泥+ 330g 海水+ 海水屏蔽剂+ 40g 增强剂+ 60g 超细水泥+ 65g 漂珠, 普 G 水泥+ 330g 海水+ 30g 海水屏蔽剂+ 增强剂+ 60g 超细水泥+ 65g漂珠。
2.2试验方法
 
制备水泥浆, 将其放入保温容器中, 插入温度传感器, 测试温度变化值, 并记录温度变化曲线。以下试验的水化条件都是在18% 环境下绝热水化24h测得的。
3 试验结果及分析
3.1 4种水泥水化特性对比
普通G 级水泥、G 级超细水泥、硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥都以0.44的水灰比, 取 300g 水泥浆做水化放热测试。
从图1可以看出, 4种水泥中只有普通G 级水泥 (简称 " 普 G 水泥") 的水化温度最低, 但是普 G水泥的水化时间最长, 大概需要10h。其他几种水泥的水化温度太高, 并且水化非常剧烈, 水化曲线几乎成大角度上升。下面以普G 水泥为对象, 进一步研究其水化放热情况。
 
3.2普G水泥加单一促凝剂的水化试验
普G 水泥的水化温度最低, 最符合深水低温环境下的固井需要; 但是普 G 水泥的水化时间较长,不能在较短的时间内达到一定的强度, 因此要对普G 水泥进行单一促凝剂的水化试验, 希望缩短普 G水泥的凝固时间。
1) Acc1对普G 水泥的促凝试验 Acc1对普G 水泥水化特性的影响见图2。从图2可以看出, 随着Acc1加量的增加, 普G 水泥水化最高温度是逐渐降低的, 但促凝作用不很明显, 可以说Acc1对普G 水泥水化的促凝作用不强。
2) CaCl2对普G 水泥的促凝试验 CaCl2对普 G 水泥水化特性的影响见图 3。从图 3 可以看出,CaCl2使普G 水泥的水化最高温度值先升高再下降, 但总体还在42~ 50% 之间, 当加量达到 4g 时和不
加促凝剂相比, 水化时间提前了大概4h, 促凝效果不错。
3) Acc2对普 G 水泥的促凝试验Acc2 对普 G 水泥水化特性的影响见图4。从图 4 可以看出,Acc2对普 G 级水泥也有不错的促凝作用, 但是降低水化最高温度效果一般。
3.3 普通G级水泥加混合促凝剂的水化试验
由前面的水化促凝试验的结果可以看到, Acc2降低水化最高温度效果不错, CaCl2等促凝剂的促凝效果明显。所以设计以下的试验: 将这几种促凝剂进行混配, 希望能将各种促凝剂的效果同时发挥出来。
1) Acc1和CaCl2以 1 ( 1 比例混配成 NC11 的促凝试验Acc1 和 CaCl2以 1 :1 比例混配成NC11对普G 水泥水化特性的影响见图5。由图5可以看出, 这2种促凝剂混配后有很好的效果。NC11对普G 水泥可以在两方面同时起到促进作用, 一方面降低水化的温度, 另一方面加快水化速度。随着混合促凝剂加量的增加, 普G 水泥的水化曲线向左下角移动, 能降低水化的最高温度, 也能同时缩短水泥石达到一定强度的时间。
2) Acc1和Acc2 以1 :1 比例混配成 NA11的促凝试验Acc1 和 Acc2 以 1 :1 比例混配成NA11对普G 水泥水化特性的影响见图6。从图6可以看出, NA11对普 G 水泥水化的促凝效果欠佳,只是降低了水化的最高温度
34 普通G级水泥与G级超细水泥混配水化
 
由于普G 水泥水化慢, 所以考虑混入 G 级超细水泥, 希望缩短水化时间, 但是温度又不能太高,混入的比例比较重要, 下面通过试验作出了一个曲线图7。从图7可以看出, 随着G 级超细水泥加量的增加, 使水泥浆的水化准备期缩短; 同时水化的最高温度也逐渐升高; 达到最高温度的时间也逐渐从19h缩短到8h。
35 评价海水屏蔽剂和增强剂对普G水泥水化性能的影响综上所有试验, 硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥和 G 级超细水泥的水化剧烈, 水化温度高且水化准备期很短; 大量G 级超细水泥与普G 水泥混合会增加成本。只有普G 水泥最适合深水低温的固井需要:水化温度低, 成本低, 加入Acc2和CaCl2的混合促凝剂就能有很好的促凝效果。但是针对深海的固井条件, 还需要加入海水屏蔽剂和增强剂。
1) 海水屏蔽剂对普G 水泥水化性能的影响 由于该试验主要是针对应用于海上深水低温环境下的固井水泥浆, 海上固井配浆主要用海水, 而海水中的矿物离子对水泥的性能有影响, 因此就必须加足量的海水屏蔽剂来屏蔽海水中矿物对水泥浆性能的影响。海水屏蔽剂中的成分又会对水泥浆的水化时间产生影响, 因此有必要就海水屏蔽剂对普G 水泥的水化特性的影响作出评价, 评价结果见图8。由图8可以看出, 海水屏蔽剂 ( CF401) 对普 G 水泥有促凝作用, 并且会使水泥水化的最高温度升高。当海水屏蔽剂的加量达到 30g 后, 其促凝效果就不是很明显了, 水化准备时间停留在 46h 左右, 水化最高温度基本保持在55% 不变, 并且水化最高温度出现的时间也基本在11 5h左右。
2) 增强剂对海水配浆普 G 水泥水化特性的影响 由于深水固井水泥浆的水化温度比较低, 早期强度不高, 所以要加入增强剂来增加早期强度, 但是增强剂一般都对水化时间和水化放热有影响。图9 为增强剂的水化放热曲线
图。由图9可以看出, 增加增强剂的加量可以提高水泥浆的水化最高温度, 同时缩短水泥浆的水化时间。当增强剂的加量达到 60g 后, 水泥水化的最高温度出现了很大的变化, 与不加增强剂相比上升了接近 10% , 并且水化最高温度出现的时间也在逐渐提前。由此可见, 增强剂有比较强的促凝作用。
4  结  论
 
  1) 硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥和G 级超细水泥水化都很剧烈, 水化温度很高, 普G 水泥的水化温度比较低, 适合深水固井。
2) 通过对普G 水泥的促凝试验, 可以看出: 单一促凝剂的促凝和降低水化最高温度的综合效果都不是很好, 混合促凝试验中, 只有N C11的效果明显, 也很有规律。因此, NC11对普G 水泥是很好的促凝剂。
3) 从普G 水泥与G 级超细水泥混配水化试验可以看出, 水泥的颗粒粒径可以影响水泥的水化速度。颗粒的粒径越小, 反应就越快越完全, 水化温度越高。
4) 海上深水低温固井采用海水配浆更为方便, 采用海水屏蔽剂可以有效消除海水中有害成分的干扰。
5) 确定了深水固井低水化放热的基本配方: 普G 水泥 (可混入部分超细水泥) + 海水 + 海水屏蔽剂 ( CF401) + 增强剂+ 漂珠+ 促凝剂 ( NC11) 。