水泥浆体系的发展及保护油气

水泥浆体系的发展及油气保护课程名称：储层保护技术教师：段永刚（教授）罗洪文梅超超王涛王凯王然目录油井水泥发展概况油井水泥外加剂和外掺料水泥浆体系对油气层的损害特种水泥浆体系存在的问题与难点一、油井水泥的发展概况硅酸盐水泥出现以后，应用日益普遍。随着科技的进步和生产工艺的改进，硅酸盐水泥的性能不断提高和完善，且广泛用于钻井、完井、修井工程中，出现了早期的油井水泥。1948年美国制定了第一份规程（API规程32），并于1952年首次颁布，此后美国开始组织生产各类油井水泥，用于各类油气井的固井作业。一、油井水泥的发展概况我国50年代开始了油井水泥的研究和生产，按照当时苏联油井水泥标准生产45°C、90°C、120°C、150°C水泥。目前世界基本油井水泥发展很快，包括波特兰水泥、高铝水泥、市售低密度水泥等共有13类水泥。过去曾今有的API标准A、B、C、D、E、F、G、H、J九种基本水泥，现已经简化或取消成A、B、C、G、H五种。二、油井水泥外加剂和外掺料自50年代以来，随着石油勘探开发事业的发展，钻井技术的进步给固井提出更高的要求。用纯水泥固井已成为过去。一代又一代的油井水泥外加剂问世，用以改善水泥浆性能，使之能适应复杂地层的固井施工，达到封隔地层、支撑套管和地层、保护油气层、延长油井寿命和提高石油采收率的目的。二、油井水泥外加剂和外掺料小于或等于水泥质量的5%外加剂外掺料超过水泥质量的5%二、油井水泥外加剂和外掺料外加剂外掺料物理作用化学作用吸附絮凝分散络合降失水剂缓凝剂促凝剂分散剂充填剂密度减轻剂防气窜剂增密剂加重剂抑泡剂消泡剂膨胀剂等三、水泥浆体系对油气层的损害水泥浆体系对油气层的损害损害程度储层保护对水泥浆的要求损害机理三、水泥浆体系对油气层的损害水泥浆中固相颗粒堵塞油气层1滤液与油气层岩石和流体作用而引起的损害2水泥浆中无机盐结晶沉淀对油气层的损害3损害机理三、水泥浆体系对油气层的损害水泥浆中固相颗粒堵塞油气层水泥浆中固相颗粒直径较大，粒径5-30μm的仍占15%左右，多数砂岩孔喉直径大于此值，因此在压差作用下，这些颗粒仍能进入油气层孔喉中，堵塞油气孔道。由于井壁有泥饼的存在（即使固井中采用冲洗液、泥饼刷、活动套管等措施消除外泥饼，但仍不能消除其在井壁中的内泥饼），根据资料报导，水泥浆固相颗粒侵入深度约为2cm。但如果固井中发生井漏，则水泥浆中固相颗粒就有可能进入油气层深部，造成严重损害。三、水泥浆体系对油气层的损害水泥浆滤液与油气层岩石和流体作用而引起的损害水泥浆失水量通常均高于钻井液滤失量，没有加入降失水剂的水泥浆API失水量可高达1500ml以上。尽管在实际渗透性地层中，水泥浆失水量比按APl标准测得的失水量小于1/60-1/150，但室内试验结果表明，水泥浆滤液仍对油气层产生损害。因为水泥与水发生反应在滤液中形成大量Ca2+、Fe2+、Mg2+、OH-和SO42-等多种离子，OH-离子会诱发碱敏矿物分散运移，上述离子还可能与地层流体作用形成无机垢，滤液还会发生水锁作用与乳化堵塞，滤液中所含表面活性物质可能使岩石发生润湿反转等，上述这些作用都会使油气层受到损害。三、水泥浆体系对油气层的损害水泥浆中无机盐结晶沉淀对油气层的损害水泥浆在水化过程中游离和溶解出大量无机离子，在静止状态下，由于水泥浆液相pH值高，这些离子以过饱和状态存在于液相中。但在固井过程中，液相中无机离子随滤液进入油气层，由于条件的变化，这些无机离子将以结晶析出或沉淀出Ca(OH)2、CaSO4、CaCO3等堵塞孔喉，降低油气层渗透率。三、水泥浆体系对油气层的损害损害程度水泥浆对油气层损害程度与水泥浆组分、失水量大小、钻井液泥饼质量及外泥饼消除情况、压差大小和固井过程在油气层是否发生过漏失等因素有关。西南石油大学所进行的室内试验结果表明，在有泥饼存在的情况下，水泥浆可能使油气层渗透率下降10~20%。水泥浆对油气层的损害程度随钻井液泥饼质量变差而加剧，随井漏的发生而趋于恶化。三、水泥浆体系对油气层的损害对水泥浆的要求优选外加剂降低水泥浆失水量储层保护三、水泥浆体系对油气层的损害优选外加剂根据产层特性和施工井况，采用减阻、降失水、调凝、增强、抗腐蚀、防止强度衰退等外加剂，合理调配水泥浆各项性能指标，以满足安全泵注、替净、早强、防损害、耐腐蚀及稳定性的要求。三、水泥浆体系对油气层的损害降低水泥浆失水量为了减少水泥浆固相颗粒及滤液对油气层的损害，需在水泥浆中加入降失水剂，控制失水量小于250ml（尾管固井时，控制失水量小于50ml）。控制水泥浆失水量不仅有利于保护油气层，而且是保证安全固井，提高环空层间封隔质量及顶替效率的关键因素。四、特种水泥浆体系问题的提出深井、超深井、特殊井、疑难井越来越多不同的水泥、混合水、外加剂、外掺料之间的相容性差异四、特种水泥浆体系纤维胶乳微膨胀水泥浆高强低密度水泥浆体系高密度水泥浆体系可膨胀水泥浆体系胶乳防气窜水泥浆体系塑性防漏水纤维水泥防气、水窜水泥浆体系钻井液固井液一体化MTC固井技术泡沫水泥浆体系抗腐蚀水泥浆体系抗盐耐高温水泥浆体系四、特种水泥浆体系泡沫水泥是低密度水泥的一个重要种类，分为化学发泡泡沫水泥和机械充气水泥两种。水泥浆密度随发泡剂掺量的增大而降低。最低地面密度为0.6g/cm3，最低井下当量密度为1.45g/cm3，与漂珠减轻剂配合使用最低井下密度可达到1.15g/cm3泡沫水泥浆体系四、特种水泥浆体系具有很好的防气窜能力导热系数低，比普通水泥1.1ｗ／ｍ•℃要低保温性能好，减少热采井的蒸汽热量损失适用井深在3000m以内对敏感性粘土、页岩、岩盐层的危害较小有效改善水泥石的胶结质量泡沫水泥浆体系特点四、特种水泥浆体系泡沫水泥浆体系泡沫水泥浆由产生泡沫的方式不同可分为两种类型：机械充气式泡沫水泥浆和化学充气泡沫水泥浆。泡沫产生方式四、特种水泥浆体系泡沫水泥浆体系机械充气就是利用地面辅助设备给水泥浆中充入气体产生细小气泡。用这种方法形成的泡沫水泥浆，施工工艺比较复杂，水泥浆密度不易控制，而且需要添加一些辅助设备，因而没有推广应用。机械产生方式四、特种水泥浆体系泡沫水泥浆体系将发泡剂、稳泡剂等外加剂加入水泥浆中形成稳定的、细小而又相互独立的气泡。用这种方法制成的低密度水泥浆，密度可达到0.69g/cm3。密度0.84g/cm3的泡沫水泥浆24h抗压强度可达到3.45MPa，渗透率小于10-3μm2，而且施工方法简便易行，无需增加任何辅助设备。化学产生方式四、特种水泥浆体系泡沫水泥浆体系失水控制较好密度较低固相含量少油气层保护四、特种水泥浆体系泡沫水泥浆体系用泡沫水泥作为处理该地区套管腐蚀源于以下几个要求：低密度高粘度压缩系数注入水泥气体的膨胀性能使用水泥，隔离液，前置液避免泥浆漏失进入地层国外(阿曼地区)应用实例四、特种水泥浆体系泡沫水泥浆体系为每个阶段设计水泥浆时，应考虑以下两个标准：泡沫的质量需足够高，可抑制漏失并使水泥返排至地面。泡沫水泥的泡沫应在一定的范围之（18%~38%），有助于发挥泡沫水泥的优势，在油井的开采期内以提供封隔和抗腐蚀的作用。如果泡沫含量低于18%或是高于38%，那么泡沫水泥就会一定程度的失效。为实现以上两个标准，井底到井口随深度变化泡沫密度分布如下图所示改图引自SPE-128261•在墨西哥南部油气井的最大挑战之一，是储层一般为裂缝碳酸盐。许多油井，有一个或多个的早期水的突破，包括：水锥进，近井紊流，高导流通道，分层隔离。当水比油在不同的时间间隔生产，降低含水量的成功率小于30％。•在这些情况下，无水泥浆挤压已被证明是解决多余的产水量的有效方法。该方法已成功地用于减少产水量，在墨西哥南部的几个领域有近100％的成功率。国外一种特殊的无水水泥浆体系应用举例设备展示无水泥浆选择性性质•根据紧密堆积理论已开发了高强度低密度水泥浆技术，当水泥浆密度为1.1g/cm3时，其24小时的抗压强度可以达到14MPa以上，基本可以和纯水泥相媲美，而且具有较好的堵漏和防窜性能，水泥浆失水可以控制在50ml以下，已在胜利、大港、长庆和伊朗的欠平衡钻井中得到应用，并取得了好的效果。国内利用美国3M公司的漂珠，水泥浆密度可以降低到0.96g/cm3左右。四、特种水泥浆体系高强低密度水泥浆体系•采用玻璃微珠作减轻材料,并选用适合超低密度水泥浆的增强材料及水泥外加剂进行实验。在水泥浆中加入不同量的降失水剂XF、分散剂XD,实验结果见表,水泥浆配方如下。•1#100gG级水泥+110g玻璃微珠+140g增强剂•2#130gG级水泥+70g玻璃微珠+100g增强剂•3#100gG级水泥+65g玻璃微珠+90g增强剂•4#90gG级水泥+60g玻璃微珠+80g增强剂•水泥浆的稠化曲线见图1。由图可以看出,密度为1.10g/cm3的水泥浆具有良好的流变性,稠化过渡时间较短。•斯伦贝谢公司利用合理的水泥和超细球型的加重剂的粒径分布以及各材料的紧密堆积，配制出流动性能良好的高性能水泥浆（最高密度可达2.9g/cm3），已在墨西哥、阿曼和我国的南海等油田使用。国内的高密度水泥浆基本上还是采用普通加重剂的方法，如通过钛铁矿石、赤铁矿石、重晶石等手段来提高水泥浆的密度，国内油田利用优选赤铁矿粉和配套的外加剂研制了密度高达3.0g/cm3的水泥浆体系解决了异常高压油气夹层和盐水侵固井难题。四、特种水泥浆体系•高密度水泥浆体系•为了补偿水泥石在凝固过程中体积收缩问题，提高胶结强度，保证固井质量，人们开发出了可膨胀水泥浆体系，依据膨胀源和作用机理的不同，常用的油井水泥膨胀材料可分为两大类：①发气材料，依靠外加剂与水泥浆反应产生气体，其膨胀源为可压缩气体。②晶体膨胀材料，主要依靠膨胀源晶体材料重结晶或晶形时转变产生的结晶膨胀压，将化学能转变为机械力对外做功，其膨胀特性不受压力和温度（但钙矾石类膨胀源受温度制约）的影响。四、特种水泥浆体系•可膨胀水泥浆体系•苏丹1/2/4区块具有高渗透,地层温度高,易塌、气窜等复杂问题,经过努力实践,开发出了新型膨胀水泥浆体系,此体系具有高强度、低失水、无析水、防气窜之功效.•外加剂优选•通过大量实验,筛选出几种外加剂:(1)XP膨胀剂,具有微膨胀、增加强度,防气窜。(2)CHJ降失水剂,控制失水量、防气窜保护油气层。(3)BF减阻剂,使水泥容易泵送,提高顶替效率。(4)J-RL缓凝剂,保证施工所需时间。(5)XX消泡剂,消除水泥浆中的气泡。•膨胀水泥浆体系在苏丹1/2/4区块水平井固井中的应用胶乳水泥浆体系是一种利用橡胶聚合物作为分散体系高浓悬浮体系。水泥浆密度为1.85～1.90g/cm3；使用温度在40～120℃之间；体系中的大量胶乳和表面活性剂可以降低水泥间的空隙，阻止气体的侵入；与普通水泥浆相比，弹性提高，韧性增强，而且随着胶乳掺量的加大，韧性越好；胶乳水泥浆体系可以减小水泥环体积收缩，改善水泥环与套管、地层的胶结，同时也具有耐腐蚀性能，延长油井寿命，对抑制油气水窜、提高第二界面固井质量都有明显的效果。胜利油田从改善水泥浆体系入手,进行了大量室内模拟试验,调配出了科学合理的胶乳防气窜水泥浆体系今后油田的勘探开发提供了可靠的技术保障。四、特种水泥浆体系•胶乳防气窜水泥浆体系•国内外对防气窜水泥浆体系进行研究的多年来,已经形成了膨胀水泥、不渗•透水泥、触变性水泥等系列水泥浆体系,但目前国内外在解决窜流的固井技术上较为成熟的是以斯仑贝谢(Schlumberger)公司D600G防气窜剂为代表的胶乳防窜水泥浆体系。具有良好的防窜效果,在国内的应用和研究尚比较欠缺。•胶乳是一种乳化聚合物,可与粉煤灰、漂珠、微硅、重晶石、钛铁矿结合使用,配置成不同密度的水泥浆体系,也可与不同缓凝剂配套使用,适和不同井深的油气井固井。50年代,美国道威尔公司首次推出了用于油井水泥的胶乳,该水泥浆体系具备如下特点:减少水泥环体积收缩,改善水泥环与套管、地层间的胶结情况;降低射孔时水泥环的破裂度;提高防钻井液污染的能力;具有良好的防气窜性能;降低水泥浆失水量;延长油井寿命。四、特种水泥浆体系•胶乳防