,空心微珠在低密度油井水泥中的利用
隨著石油工業(yè)的迅猛發(fā)展,油,氣井固井工程用的油井水泥需求量也在不斷上升。尤其是由于井深加深,地質(zhì)條件差,低密度油井水泥的需求更顯得迫切。因此,許多國(guó)家都瞄準(zhǔn)和探索合適的水泥減輕劑——空心微珠,并為配制低密度油井水泥這項(xiàng)新技術(shù)的研制和開(kāi)發(fā)作出不懈的努力。我國(guó)同樣也做出許多新貢獻(xiàn),先后在許多油,氣井工程中實(shí)際應(yīng)用上取得了一些經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然,有些方面還有待改進(jìn)。
(一) 固井工程與低密度油井水泥
在油氣田的勘探與開(kāi)發(fā)中,為了防止表土坍塌,建立了鉆井液循環(huán)系統(tǒng),以克服鉆井中遇到的井塌,漏失,氣竄等復(fù)雜情況。封隔已鉆穿的油,氣,水層段,達(dá)到分層試采油氣的目的,需先后下入多層鋼管(套管)。按其作用可劃分為表層套管,技術(shù)套管,油層套管等。在每層套管與井眼的環(huán)形空間內(nèi)均需按要求注入不同性質(zhì)的水泥漿,使套管與井壁緊密連接起來(lái),為油,氣的開(kāi)采建立鋼鐵的井筒。這種將套管下至預(yù)定深度,用水泥車(chē)在環(huán)形空間注以水泥漿并安裝井口以及相輔助的工序統(tǒng)稱(chēng)為固井。
由于純水泥漿是由水泥車(chē)泵送入套管至井底后,再?gòu)沫h(huán)形空間上返到預(yù)定深度,水泥漿柱隨著套管的深度承受著愈來(lái)愈高的溫度和壓力,因此,這就要求油井水泥具有顆粒微細(xì),漿體初始稠度(從配漿開(kāi)始15~30min內(nèi)水泥漿的粘滯力)低,稠化時(shí)間(水泥漿處于可以泵送的狀態(tài)的時(shí)間),水泥石早期(8~24h)強(qiáng)度高等基本的特殊性能。
同時(shí)由于在固井工作中,將純水泥采用常規(guī)水灰比配制成的漿體,其體積密度一般都大于1.85g/cm3,當(dāng)這種漿體注入井下時(shí),具有裂縫,孔洞的巖層,地層壓力系數(shù)很低,或由于封固段超長(zhǎng)達(dá)1500m以上,不少脆弱地層的地耐力及對(duì)于承受該水泥漿體的液柱壓力等因素,造成水泥漿體發(fā)生井漏,引起漿面低返,達(dá)不到預(yù)期填充高度,必需進(jìn)行二次封固,這不僅延緩交井周期,而且即使采取補(bǔ)救措施,也由于水泥漿體的流失,已造成油氣層污染,影響油氣產(chǎn)量。為此,在發(fā)展石油工業(yè)的同時(shí),如何研制,應(yīng)用低密度油井水泥(即配制的水泥漿體密度低于1.85g/cm3),已成為固井工程的一個(gè)突出問(wèn)題,其技術(shù)要求大致歸納如下:①克服地層壓力系數(shù)低,水泥漿柱高,壓力增大產(chǎn)生井漏,導(dǎo)致水泥面低返,封固長(zhǎng)度不符合采油等現(xiàn)象;②平衡地層壓力,延緩水泥漿“失重”時(shí)間,防止油氣“竄出”;③降低主要儲(chǔ)層的水泥漿失水量,保護(hù)油氣層,防止污染;④作領(lǐng)漿使用,沖刷井壁,提高主要油氣層段的水泥封固質(zhì)量;⑤抵抗地層水的腐蝕,保護(hù)套管,延長(zhǎng)油井壽命;⑥填充非主要環(huán)形空間,節(jié)約水泥,降低成本。
由于井深,地溫梯度,油氣壓力和地質(zhì)條件的不同,我國(guó)油井水泥標(biāo)準(zhǔn)于1988年參照美國(guó)石油學(xué)會(huì)APISPEC10-86《油井水泥材料和試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn),修訂成九個(gè)級(jí)別(A,B,C,D,E,F,G,H和J級(jí)),不同級(jí)別的水泥又分為普通型,中抗硫酸鹽型及高抗硫酸鹽型三種類(lèi)別,但仍不足以解決固井工程中的不同要求。因此,在固井時(shí)除需要選擇適當(dāng)級(jí)別和類(lèi)型的油井水泥外,還需要摻加不同的油井水泥外加劑,以提高固井質(zhì)量。如稠化時(shí)間調(diào)節(jié)劑(促凝劑和緩凝劑),改變水泥漿流動(dòng)性的外加劑(分散劑或稱(chēng)減阻劑),控制水泥漿失水性的外加劑(降失水劑),水泥漿密度的調(diào)節(jié)劑(減輕劑和加重劑),提高水泥石熱穩(wěn)定性的外加劑等。
(二) 國(guó)內(nèi)外低密度油井水泥的研制概況
1. 國(guó)外低密度油井水泥的研制
美國(guó)研制油井水泥減輕劑過(guò)程是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。
早在20世紀(jì)40年代,美國(guó)開(kāi)始用空心微珠作油井水泥的減輕劑,至1965年在固井工程中已有年用粉煤灰13萬(wàn)t的記錄。其時(shí),水泥漿體采用絕對(duì)體積比,空心微珠與水泥之比為1:1;如改為質(zhì)量比,則為37:47。在該配比中摻入少量膨潤(rùn)土或粘土,以提高漿體的流動(dòng)度和保水性,但在漿體中,膨潤(rùn)土之類(lèi)的混合料必須攪拌均勻,方可保證質(zhì)量。
當(dāng)時(shí),美國(guó)配制的純硅酸鹽水泥漿體的密度一般為1.87g/cm3,而用空心微珠作減輕劑的水泥漿體的密度則為1.69g/cm3,已能適應(yīng)一般固井工程的需要。
美國(guó)石油學(xué)會(huì)也曾經(jīng)頒布油井水泥用空心微珠標(biāo)準(zhǔn)。
1973年,美國(guó)又開(kāi)始研制利用空心微珠作減輕劑,來(lái)減輕油井水泥漿體的密度,至1980年獲得成功。Halliburton公司曾提出以 “高強(qiáng)微珠”(Hishstrength microspheres)作水泥減輕劑,其配制的水泥漿體的密度低達(dá)0.9~1.10g/cm3,幾乎只有純水泥漿體密度值的一半,堪稱(chēng)超低密度,次年獲得“空心微珠低密度油井水泥”專(zhuān)利。
2. 國(guó)內(nèi)低密度油井水泥的研制
我國(guó)低密度油井水泥研究起步較晚,但20世紀(jì)80年代以后發(fā)展速度較快,現(xiàn)按所用減輕劑材料,分述如下:
。1)硅粉。1966年中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院研制出在油井水泥中添加67%的硅粉或硅藻土的低密度油井水泥。當(dāng)水灰比為0.8~1.10時(shí),密度降至1.40~1.52g/cm3,在大港油田試驗(yàn)成功。1974年,錦西水泥廠為遼河油田試驗(yàn)生產(chǎn)水泥漿的密度為1.55~1.60g/cm3的礦渣油井水泥,并將其用于固井。
。2)空心微珠。20世紀(jì)80年代末,大港油田將粉煤灰添加進(jìn)G級(jí)水泥中,使?jié){體密度降至1.50~1.60g/cm3。為解決克拉瑪依油田克拉瑪依——烏魯木齊大斷裂以南的井眼漏失問(wèn)題,1983年新疆石油管理局鉆井工藝研究所用空心微珠作減輕劑,配制低密度油井水泥,使水泥漿密度降至1.15~1.50 g/cm3,推廣后較好地解決了該地區(qū)的水泥漿的漏失問(wèn)題。
1984年,遼河油田將空心微珠添加在錦西水泥廠75℃油井水泥中,使水泥漿密度降至1.25~1.55g/cm3,較好地防止了古潛山油礦的井眼漏失。1984~1991年共應(yīng)用623井次,使用空心微珠達(dá)4000余噸。
至1988年末,全國(guó)又有大慶,華北,四川,勝利,青海等油田或多或少地采用了空心微珠低密度油井水泥。 1988~1990年,石油部工程技術(shù)研究所針對(duì)中原油田抗鹽防漏問(wèn)題,遼河油田稠油熱采井防漏問(wèn)題,與中原油田協(xié)作,以空心微珠作減輕料,輻以T50等外加劑,研制出密度為1.20~1.40g/cm3的抗硫酸鹽和耐高溫的低密度水泥漿,并獲得成功。