固井水泥石抗腐蚀性能的研究

文章编号:100125620(2004)0620037204

固井水泥石抗腐蚀性能的研究

郭志勤1　赵庆1　燕平2　魏作斌2

(1.大港油田集团钻采研究院,天津大港;2.中国石油集团工程技术研究院,天津塘沽)

摘要　许多油田在开发过程中,都遇到了地层中含有的诸如C O 2和H 2S 等腐蚀性介质影响油井水泥环密封效果的问题,加强抗腐蚀水泥外加剂和水泥浆体系的研究变得至关重要。从水泥石腐蚀机理的研究出发,通过试验优选出了抗腐蚀性水泥填充料WG 。WG 的主要成分为非晶态S iO 2,具有粒细(平均粒径约为0.1μm )、比表面积大、活性高等特点。另外,选用不渗透剂G 60S 和硅粉,可以提高水泥石密实度,降低水泥石渗透率,从而提高水泥石的抗腐蚀性。通过对9种配方水泥浆固化体进行不同龄期的C O 2、H 2S 腐蚀,测定水泥石腐蚀后的抗压强度、渗透率和腐蚀深度,进行反光显微镜、X 2射线衍射分析,比较了填充料WG 水泥浆、现场水泥浆、纯水泥浆固化体的抗腐蚀性,优选出了抗腐蚀高密度和低密度水泥浆配方。该抗腐蚀水泥浆体系不但具有抗腐蚀性,还具有良好的防气窜、降低自由水、稳定浆体等综合性能,可以满足不同井深条件下的固井作业需要。

关键词　抗腐蚀性　油井水泥　水泥浆添加剂　固井质量　填充料　C O 2　H 2S 中图分类号:TE256.6

文献标识码:A

在套管固井完成的井中,水泥环作为套管的包被层,主要起封隔油、气、水,支撑套管,保护套管,延长油井寿命的作用。但在酸性环境下,C O 2和H 2S 等酸性腐蚀介质会引起水泥环的先导腐蚀,随后引起套管的腐蚀破坏,减少油井寿命。大港油田在乌深1井、板深7井等碳酸盐岩深井的钻井过程中,发现存在C O 2和H 2S 腐蚀,因此与中国石油工程技术研究院共同开展了关于抗腐蚀水泥浆体系的研究。

1　抗腐蚀水泥外加剂

提高水泥石的抗腐蚀能力主要是提高水泥石的

密实度,采用的方法一是加入抗腐蚀填充材料,二是降低水泥石的渗透率。

抗腐蚀填充材料选用WG 。WG 的主要成分为非晶态SiO 2,它具有粒细、比表面积大、活性高等特点。WG 平均粒径约为0.1μm ,比水泥颗粒的直径小。细小的WG 颗粒充填在水泥石的空隙中,使水泥石变得密实,渗透率下降,强度提高,因此能够阻止外部腐蚀介质侵入,达到防腐蚀的目的。此外,WG 还具有防气窜、降低自由水、稳定浆体等优点。

为了降低水泥石的渗透率,选用不渗透剂

G 60S ,以提高水泥石密实度。硅粉可防止高温下水

泥石强度倒缩,利于长期强度的发展。据资料报道,硅粉的加入也有利于水泥石抗腐蚀性能的提高,因为它也可以在一定程度上提高水泥石密实度。

2　试验原料和方法

2.1　原材料

嘉华G 级水泥,硅粉,WG,漂珠,首钢矿渣,膨

润土,降失水剂G 60S (高温)和W99,分散剂CF40和MT 21,激活剂BAS ,缓凝剂H88、G 64和BR 21,消泡剂G 603,塘沽自来水。嘉华G 级水泥和矿渣的化学分

析结果见表1。

表1　嘉华G 级水泥和矿渣的化学分析结果

%　材料CaO

S iO 2

Al 2O 3Fe 2O 3

MgO Na 2O +K 2O S O 3水泥64.0622.31 3.60

4.76

1.29

0.41

2.48

矿渣36.8834.2511.90 3.8111.22——

注:嘉华G 级水泥的烧失量为0.96%。2.2　试验配方优选

为了满足不同井深固井作业的要求,选择了高密度和低密度水泥浆体系的9套配方。这9种配方

第一作者简介:郭志勤,工程师,1969年生,现在大港油田集团钻采研究院从事钻井完井研究工作。地址:天津市大港油田钻采院;邮政编码300280;电话(022)25914145。

第21卷第6期 钻　井　液　与　完　井　液 V ol.21N o.62004年11月 DRI LLI NG F LUI D &C OMP LETI ON F LUI D N ov.2004

水泥浆均具有稠化时间易于调整,以及渗透率低、流变性能良好的特点,水泥石强度大于14MPa(养护条件为90℃、常压),API失水量小于100m L。

1#　600g G级水泥+210g硅粉+30g G60S+ 7.2g CF40+48g WG+12m L H88+360g水(ρ=1. 85～1.90g/cm3)

2#　600g G级水泥+210g硅粉+30g G60S+ 7.2g CF40+24g WG+10m L H88+360g水(ρ=1. 85～1.90g/cm3)

3#　400g G级水泥+100g硅粉+40g WG+ 60g漂珠+20g G60S+4.8g CF40+9m L H88+316 g水(ρ=1.55～1.65g/cm3)

4#　400g G级水泥+120g硅粉+20g WG+ 60g漂珠+20g G60S+4.8g CF40+7m L H88+316 g水(ρ=1.55～1.65g/cm3)

5#　(现场高密度)400g G级水泥+140g硅粉+18g G60S+3.32g CF40+0.8g G64+0.20g G603 +224g水(ρ=1.85～1.90g/cm3)

6#　(现场低密度)400g G级水泥+140g硅粉+40g漂珠+24g G60S+10m L H88+0.2g G603+ 250g水(ρ=1.60g/cm3)

7#　600g G级水泥+210g硅粉+6m L H88+ 360g水(ρ=1.90g/cm3)

8#　600g G级水泥+210g硅粉+108g漂珠+6m L H88+360g水(ρ=1.55～1.65g/cm3) 9#　600g G级水泥+70g漂珠+10g W99+0. 5g G64+360g水(ρ=1.55～1.65g/cm3)

2.3　试验方法

根据油气藏井流物的腐蚀介质浓度(C H

2S

=71

～188g/cm3;C CO

2

=0.87%～27.6%(体积分数)),分别将其最小的浓度放大5000倍,制备成腐蚀液。将按API SPEC10制备的水泥浆置于试模中,放置于高温高压养护釜中养护48h,取出脱模。再将已制备好并编号的水泥试块及腐蚀介质放入腐蚀器内,随时观察腐蚀器的压力、温度变化并及时调整,在15d、30d和55d时,测定腐蚀试样的抗压强度、渗透率及腐蚀深度。对破形后的水泥试样进行扫描电子显微镜及X2射线衍射分析(XRD),研究腐蚀前后水泥石的结构变化。

3　实验结果与分析

3.1　实验结果

9套配方水泥浆的密度、稠化时间以及不同龄期的未腐蚀、腐蚀试样的强度见表2。水泥石腐蚀深度、渗透率和未腐蚀渗透率见表3。

表2　水泥浆的密度、稠化时间以及未腐蚀、腐蚀试样的强度

配

方

ρ

g/cm3

t

min

p15d/MPa

未腐蚀腐蚀

p30d/MPa

未腐蚀腐蚀

p55d/MPa

未腐蚀腐蚀1# 1.9021022.020.431.232.031.831.8 2# 1.9025124.821.628.024.032.025.6 3# 1.5534517.614.224.019.424.419.6 4# 1.5638219.817.519.616.424.420.0 5# 1.9038821.220.228.024.834.027.4 6# 1.6033320.419.621.220.830.821.8 7# 1.9524035.230.035.733.648.434.0 8# 1.5724026.026.619.627.618.822.4 9# 1.5717018.916.918.816.823.221.6表3　水泥石的腐蚀深度、渗透率和未腐蚀渗透率

配

方

K未腐蚀

10-5μm2

深度/mm

15d30d55d

K/(10-5μm2)

15d30d55d 1#0.53030.4 1.2 1.30.66440.55560.5556 2#0.55650.5 1.4 1.50.66230.56330.6021 3# 1.4371 1.6 2.1 2.3 1.4988 1.4634 1.4713 4# 1.6369 1.8 2.6 2.8 1.9579 1.7233 1.8670 5#0.62990.6 2.1 2.70.84560.81480.8417 6# 1.8758 2.0 2.8 3.5 2.2475 2.2365 2.8333 7#0.77190.8 2.7 3.10.78200.81420.8245 8# 2.0786 2.5 3.4 3.6 2.2651 2.0796 1.6667 9# 1.9341 2.1 3.1 3.1 2.0754 2.3572 2.4005 注:未腐蚀水泥石渗透率为3d数据。

3.2　结果分析

从反光扫描电子显微镜照片看出,对于同一配方,腐蚀与未腐蚀样品及不同龄期的腐蚀样品,结构以及腐蚀深度都有所不同。观察水泥石基体(即水泥石未遭腐蚀部分)看出,高密度配方水泥石基体比低密度配方密实;水泥石腐蚀界面明显,表面为较硬的青色层,下面为结构松散的黄色层,内部为水泥石基体。

由XRD图谱分析得出:样品普遍存在未水化的

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