南方公司低密度固井技术

中石化勘探南方分公司低密度固井技术南方探井上部陆相地层承压能力较差，如采用常规密度水泥浆体系，固井过程中容易发生漏失。针对此类情况，优选了高强度低密度漂珠微硅低密度水泥浆体系，降低固井井漏的风险。1.适合南方海相长封固段低密度水泥浆设计1.1低密度水泥浆性能要求性能良好的低密度水泥体系要求水泥浆具有以下特征：良好的稳定性，不漂浮、不沉淀；良好的强度发展；较好的流动性能；较低的渗透率；失水和自由水控制良好。低密度水泥的设计关键要控制好水灰比，不同的低密度材料都有一个经验的需水量，而且还要知道材料的绝对密度即比重，水泥浆加水量的原则是在保证水泥浆有良好的流动能力的条件下尽量减少水灰比。1.2设计原理利用颗粒级配原理优化水泥与低密度充填材料之间的粒度分布，使材料之间的堆积比例达到最大，减少材料颗粒之间的空隙，从而降低水灰比，提高水泥体系的整体性能。干混物的堆积体积百分比（PVF）是衡量颗粒之间达到给定密实状态时的相容能力。将干粉混合物充满一个容器中并达到给定的压实程度，将容器体积被干粉实际占容器中的体积（绝对体积）除，便可测出PVF。PVF实际就是堆积密度与比重（绝对密度）的比值。完全一样（单分散相）的球形颗粒最完美的堆积方式是正六角形堆积，其PVF可达0.74。同一种球形颗粒之间任意堆积的PVF是0.64。当干粉颗粒具有越多不同尺寸（多分散相）时，PVF越高。因为小尺寸颗粒可以充填于大尺寸颗粒之间的空隙，从而使PVF接近于1。设计高性能的低密度油井水泥正是利用这种PVF值最大化原理。对单一粒径颗粒来讲，可以设球形颗粒构成的基本单元是菱形体，只要确定菱形体的体积Vf和菱形体内各球体的体积Vb，即可确定出堆积体积系数和孔隙度。设球形颗粒的半径为R，每一边有n个圆球，则菱形体的边长为2nR，菱形体的倾角为θ，可推导出菱形体的体积：cos21cos1833RnVf菱形体内圆球的总体积：3334RnVb则菱形体的孔隙度为：cos21cos1611fbVV当θ＝60°时，φ＝26%，即PVF＝0.74当θ＝90°时，φ＝48%，即PVF＝0.52所以说同一粒径的颗粒最理想的堆积是正六角型堆积，从上式可以看出，堆积比例与粒径无关。为实现颗粒级配，可以采取添加不同粒径尺寸的颗粒。设每4个球形颗粒构成一个空隙空间，这其中能填入的最大小球同时与4个大球相切，小球的球心应位于4个大球构成的四面体的几何中心，四面体中心与四面体顶点的距离应是大球半径和小球半径之和，由立体几何可得出小球半径r1。RRr2247.01231增加小球后，颗粒体积变为1brbvv。则孔隙度为：2515.0cos21cos122247.0341333331nRRnrRnvvvfbrb以上计算是假设同一级别颗粒是圆形且颗粒大小是完全一致，并且要达到一定的密实状态才能达到。但事实上各种粉末材料的粒径是在一定范围内按统计规律分布。水泥的松散状态下的堆积比例一般只在45%左右。1.3复合低密度减轻剂优选减轻剂主要是用来降低水泥浆密度，以降低注水泥作业后环空静液柱压力，有助于防止压力薄弱的地层而引起井漏，有利于提高固井质量。减轻剂依据其作用机理的不同可分为三类：一类是通过减轻剂材料的强吸附能力而提高水灰比来降低水泥浆密度，这类材料主要有膨润土、粉煤灰、硅藻土、火山灰等；另一类是低密度材料减轻剂，这类减轻剂因其自身密度比水泥轻，加入水泥浆后可以使水泥浆密度降低，如漂珠、玻璃微珠、硅酸钠、硬沥青等；第三类是泡沫水泥，以向水泥浆中充气或化学方法发气的办法，形成泡沫水泥使之形成超低密度。常用的低密度材料主要有漂珠、微硅、硅藻土。漂珠是应用最普遍的的水泥减轻材料。磨细的煤粉在电厂锅炉内燃烧后，排出炉外时受到急冷，其中的灰粉熔融并在表面张力的作用下团缩成球形。粉煤灰排入水池中，大颗粒，含未燃尽的颗粒以及表面已破损能够吸水的颗粒，即比水重的颗粒沉入池底，少量密闭而比水轻的颗粒漂浮与水上。将这些漂浮与水上的颗粒收集起来，烘干后就是漂珠，也就是粉煤灰的进一步分选产品。漂珠外壳是由含硅铝的玻璃体组成，故具有一定的活性，能与水泥水化析出的Ca(OH)2或CaSO4作用，生成具有胶凝性质的化合物，提高其强度。漂珠的主要成分是SiO2，其含量为55～59%，颗粒粒度大，粒径40～250μm，珠内被封闭的气体为N2和CO2。漂珠的平均密度只有0.7g/cm3，所以主要用于超低密度高强度水泥体系，解决易漏地层和地热井、热采井固井施工问题。漂珠颗粒密度只有0.7g/cm3左右，颗粒直径大（平均粒径150～250μm），在水泥浆中会产生大于自身重力的浮力而上浮，使水泥浆体系失稳产生分层，固井时会造成封固段上部封固不良。微硅的平均颗粒直径0.15um，远比水泥和漂珠小，所以微硅有巨大的比表面积（15～25m2/g），因而与水泥混合时需要大量的水来润湿其表面，对水灰比的敏感性较强，加量与降低密度的效率也受到限制。采用微硅漂珠复合低密度体系正是利用漂珠和微硅各自的优点，而且又能互相克服对方的缺点，从而能设计出性能好的低密度水泥浆体系，而且微硅颗粒小能够充填在漂珠和水泥颗粒之间的空隙，正好符合颗粒级配原理。另外根据漂珠的耐压程度，在压力超过40MPa条件下，优选了特殊中空玻璃微珠作为减轻剂，避免了因漂珠破碎而导致水泥浆密度的上升。所选用的HGS中空玻璃微球是一种碱石灰硼硅酸玻璃，不溶于水和油，具有不可压缩性，呈低碱性。其直径在15-125um间，外观为纯白色，流动性好。在显微镜下观察为具有银白色光泽的球体，中空，有坚硬的外壳，壳内为稀薄气体，最高可以承受124MPa的压力。2.漂珠微硅低密度水泥浆体系综合性能研究和评价2.1设计方法以往设计水泥浆密度都是以经验和实验为依据，最后确定水泥浆各组份间的比例关系，这里采用一种新的设计方法，其设计过程如下：即先确定需要的密度，然后得出所需混合物的比重，然后再确定混合物组份之间的比例关系。即：vvSG1/式中：SG--混合物比重ρ--水泥浆密度v—水与固相百分比,v通常取0.5-0.6对于漂珠微硅水泥体系，结合室内室内实验结果，设计过程如下：vvSG1/BA4或3B式中：A,B为漂珠和微硅占水泥的质量百分比漂珠和微硅的比例关系为经验关系V取0.55-0.6注：通过室内实验对比，漂珠微硅的比例为4:1～3:1时的强度，流变性能较好；水固比0.55-0.6时水泥浆性能较好。2.2配方优选实验优选了降失水剂FSAM、分散剂DZS、膨胀剂DZP、早强剂DZ-C和SY提高低温下强度。优选的微硅漂珠复合低密度水泥体系具有密度低，失水小，强度优异的特点。通过合理设计，使水泥体系的水灰比较常规低密度水泥减少，并保持良好的流变性能，这也是提高低密度水泥强度和其他性能得主要措施之一。低密度水泥浆综合配方与性能见表2-1。BASGBA16.27.015.31表2-1漂珠－微硅低密度水泥浆性能配方序号水泥浆配方（水均为水固比）密度（g/cm3）1JHG＋35%Ball＋12%MS＋8%FSAM-J＋3.2%DZS＋2%DZC＋0.2%SY＋0.05%DZH＋55%水1.342JHG＋30%Ball＋10%MS＋8%FSAM-J＋3.2%DZS＋2%DZC＋0.2%SY＋0.05%DZH＋55%水1.373JHG＋20%Ball＋8%MS＋8%FSAM-J＋1%DZP＋2%DZS＋1%DZC＋0.1%DZH＋55%水1.454JHG＋20%Ball＋5%MS＋8%FSAM-J＋0.8%SXY-2＋1%DZC＋0.1%DZH＋0.05%SY＋60%水1.475JHG＋12%Ball＋5%MS＋8%FSAM-J＋1%DZP＋2%DZS＋1%DZC＋0.12%DZH＋55%水1.556JHG＋10%Ball＋3%MS＋6%FSAM-J＋1%DZP＋2%DZS＋1.5%DZC＋0.5%DZH＋60%水1.65配方序号实验温度流变性能600/300/200/100/6/3抗压强度（MPa）稠化时间113℃×60min×60MPaAPI失水（ml）24h30℃（72h）195℃155/89/60/38/11/919.89.998（6）min27295℃133/78/54/31/7/618.510.6101（9）min11395℃146/82/56/32/14/1217.712.5126（8）min9495℃90/55/44/31/19/1616.912.6171（12）min21595℃59/29/21/14/5/416.614.3219（11）min18695℃140/81/58/34/6/418.415.8319（7）min39水泥浆性能评价：（1）低密度水泥体系的密度可控制在1.34～1.65g/cm3；（2）抗压强度高，24h抗压强度＞14MPa，早强剂DZC与SY复合使用效果更佳。并且早期强度发展快，静胶凝强度过渡时间短（图2-8）；（3）能有效地控制失水，FSAM-J掺量在5～8%（BWOC）之间，可使水泥浆API失水控制在50ml以内；（4）流变性能优异且各外加剂之间有良好的配伍性；（5）稠化时间过渡时间短均小于12min（图2-7）。（6）经过早强剂DZC与SY复合使用，使低密度水泥浆有良好的低温强度。图2-1低密度水泥浆稠化曲线0102030405060708090100Consistency(Bc)020406080100120140160180200Temperature(℃)0306090120150180210240270300Pressure(MPa)0:000:150:300:451:001:151:301:452:002:152:302:453:00Time(HH:MM)3.南方公司低密度固井工作量统计2007年1月至2009年10月，中石化勘探南方分公司共对36口井，44井次应用了漂珠微硅低密度水泥浆体系进行了固井施工，固井合格率100%，为南方海相固井技术提供了有力的技术保障。固井工作量见表2-2年份井号固井方式水泥浆密度固井质量备注2007龙8井尾管1.42普光10井尾管1.57表套1.43河坝102井技套1.60元坝2井技套1.62老君1井尾管1.55大湾402井技套1.60大湾3井技套1.45双庙101井技套1.35普光12井尾管1.60普光12井表套1.65普光12井尾管1.50新清溪1井技套1.55清溪2井表套1.47清溪3井技套1.50雷北1井技套1.53铁北1井技套1.48河坝1井表套1.35元坝102井表套1.45东岳1井表套1.602008老君2井尾管1.68大湾402井尾管1.69大湾402井尾管1.65分1井技套1.62020406080100120140160180200Temperature(℃)020406080100120140160180200Pressure(MPa)02468101214161820TransitTime(microsec/in)0500100015002000250030003500400045005000CompressiveStrength(psi)024681012141618202224Time(Hours)020406080100120140160180200Temperature(℃)020406080100120140160180200Pressure(MPa)010002000300040005000600070008000900010000GelValue0140280420560700840980112012601400StaticGelStrength(lb/100ft2)0:001:403:205:006:408:2010:00Time(HH:MM)图2-2低密度水泥浆体系强度发展与静胶凝强度发展年份井号固井方式水泥浆密度固井质量备注