降低固井水泥浆密度的新技术

文章编号:1001 5620(2006)04 0047 03

降低固井水泥浆密度的新技术

Fred Sabins

(固井解决方案公司(Cement ing Solut ions,Inc),美国)

摘要 针对现有低密度固井水泥浆存在的一些问题,介绍了一种有效降低水泥浆密度的新技术,即使用新型密度减轻材料 美国3M 公司生产的中空玻璃微球(HG S)作为密度减轻剂。介绍了中空玻璃微球H GS 的基本特点,对H GS 低密度水泥浆进行了杨氏模量和抗张强度实验、压力和温度循环下的胶结强度实验、钻穿测试实验及现场测试,并与泡沫水泥浆和硅酸钠水泥浆进行了对比。实验及测试结果表明,添加了中空玻璃微球H GS 的水泥浆有效地降低了密度,并且其混合、泵送及抗压强度、胶结质量等完全可以满足井下作业的要求。

关键词 固井 固井质量 低密度水泥浆 水泥浆添加剂 中空玻璃微球中图分类号:T E256

文献标识码:A

针对低密度固井水泥浆的应用日益增多及现阶段常用的一些低密度固井水泥浆存在的问题,提供了一种新的解决方案,即使用新型密度减轻材料 美国3M 公司生产的中空玻璃微球研制的新型低密度固井水泥浆体系。

1 传统低密度水泥浆体系的局限性

以水作为密度减轻剂的传统低密度水泥浆最低密度为1.5g/cm 3

,并且需要添加能够吸水并保持水泥均相的物质。虽然这种水泥浆成本低,但其抗压强度低,在强压下无法提供长期层间封隔。使用空心微珠可以使水泥浆密度降至1.35g /cm 3

。空心微珠是从火力发电的副产物 粉煤灰中通过漂选获得的,因此其质量较差,抗压强度较低(一般上限为13.8~20.7M Pa),闭空率较低,水容易进入使空心微珠密度很难控制,使其应用受到了较大限制。

使用氮气的泡沫水泥浆通常用来防止低压储层的循环漏失。但其渗透性高,抗压强度低,因此会导致固井失败和更高的完井成本。而且泡沫水泥浆施工设备较多,使用程序复杂,不易操作,并且存在井内摩阻较大(导致循环漏失)、难以控制固井质量、无法使用声波和超声波测量工具等局限性。

2 中空玻璃微球的基本特点

美国3M 公司生产的中空玻璃微球为薄壁白色

空心球体,成分为碱石灰、硼硅酸盐玻璃,不溶于水,pH 值为9.5,软化温度为600 。3M 中空玻璃微球H GS 系列产品性能如表1所示。

表1 3M 中空玻璃微球H GS 系列产品性能型号抗压强度M Pa 真实密度g /cm 3粒径分布(体积比)/ m 10%50%90%最大HG S200013.80.3220407580HG S300020.70.3518407585HG S400027.60.3815407585HG S500037.90.3816407585HG S600041.30.4615407080HG S1000068.90.6015305565HG S18000

124.0

0.60

11

30

50

60

H GS 中空玻璃微球的特点:为小粒径的完美球体,易混合、易泵送;不可压缩,可以方便准确地进行测井工作;有极高的强度密度比,因此在井下作业时

不会破碎;有相当高的闭空率,水不能进入球体,因此可以使密度保持恒定;呈化学惰性,不会与水泥浆中的其他添加剂发生反应,从而几乎可以和所有的固井水泥浆体系兼容;微球的各向应力一致,可以减少水泥在固化后的收缩;内部有少许气体存在,因此有很好的保温作用,这样就可以加快水泥水化速度,从而减少候凝时间,并且使水泥在短时间内就有较高的强度。

第一作者简介:F red Sabins,专家级高级工程师,作为首席研究员在Cement ing Solutions,Inc 工作了多年,有多年的固井

工作经验。地址:上海市兴义路8号万都中心大厦38层3M 中国有限公司总办事处;邮政编码200336;电话(021)62753535。

第23卷第4期 钻 井 液 与 完 井 液 V ol.23No.42006年7月 DRILLING FLUID &COMPLET ION FLU ID July 2006

3 室内实验

3.1 测试参数

基于典型陆地表层套管固井和海洋深海固井作业,建立以下模拟条件:井底循环温度为25.5 和15.5 ;井底静止温度为35.5 和7.2 ;增稠时间为4~6h;最大自由水含量为1%。实验使用 型水泥,用于对比评价的密度为1.38g/cm3的水泥浆有: 混有16.2%(BWOC)H GS的水泥浆,含水26838.57cm3/袋(7.09g al/sk); 泡沫水泥浆,含113.56cm3/袋(0.03gal/sk)Witcolate 7093和75.71cm3/袋(0.02g al/sk)Arom ox C/12,含水19684.14cm3/袋(5.20gal/sk); 混有3.0% (BW OC)硅酸钠的水泥浆,含水63859.9cm3/袋(16.87g al/sk)。配制H GS水泥浆时,除按H SG 的要求用水外,每添加1g H GS需要再添加1g水。

3.2 杨氏模量和抗张强度测试

对试样施加三轴负载以模拟井筒条件,测试其杨氏模量和抗张强度。将直径为3.8cm的试样切至7.6cm长,把末端置于地面直至与地面垂直,然后把其放于橡胶套管中并安装杨氏模量测试设备。设置轴向和局限应力为0.69MPa,使试样保持直立直至压力和张力达到平衡,然后每分钟加压0.17~ 0.35M Pa,直至试样断裂,结果见表2。

表2 1.38g/cm3水泥石的机械性能(1psi=6.895kPa)

水泥浆体系

局限应力(psi)下的

杨氏模量( 105psi)

050010001500

局限应力(psi)下的

有效抗压强度(psi)

050010001500

H GS 4.24 3.40 3.37 2.833880450847735006硅酸钠0.590.100.220.523156517771450泡沫 2.500.83 1.21 1.211590166920411956

按照AST M C190和AST M C496方法测试抗张强度,结果见表3。在ASTM C190方法中需拉伸水泥样品直至断裂,在AST M C496方法中,需每分钟向圆柱状样品侧面增加68.95kPa(10psi)压力直至样品裂开。杨氏模量和抗张强度测试结果表明,H GS中空玻璃微球低密度水泥浆比传统低密度水泥浆具有更高的抗压强度、张裂强度和抗张强度。加入H GS中空玻璃微球后,水泥石的抗压强度约为传统泡沫水泥石的2倍,抗张强度比硅酸钠水泥石约高50%,与泡沫水泥石的抗张强度几乎相同。

表3 1.38g/cm3水泥石的抗张强度

水泥浆

体系

平均抗张强度(M Pa)

(A ST M C190)

平均断裂抗张强度(M P a)

(AST M C496)

HG S 2.15 1.69

硅酸钠0.390.91

泡沫 1.48 2.59

3.3 压力和温度循环下的胶结强度

胶结强度为使水泥石与内管间胶结断开所需的力,可以用测试仪测得。测量时持续向内管施压直至胶结断裂,内管移动所需的力即为胶结力。测试仪在向内管施压时可以提供放置水泥底部的平台。

3.3.1 压力循环测试

为了评价H GS低密度水泥浆是否能够承受钻井时的温度和压力变化,进行了压力和温度循环测试。压力循环步骤的设计旨在模拟钻井作业条件。先将样品置于大气压力下,在7.2 的水浴中固化14d,然后进行5个阶段的压力循环测试,结果见表4。在这些压力循环过程中,将内管加压至34.47 M Pa并保持10min,然后再降至0M Pa并保持10 m in。由表4可知,H GS水泥浆性能优于硅酸钠水泥浆,而与泡沫水泥浆性能相似。

表4 硬地层和软地层中压力循环对胶结强度的影响

水泥浆

体系

硬地层中内管在压力下

的胶结强度(M Pa)

基线压力循环

软地层内管在压力下

的胶结强度(M P a)

基线压力循环

H G S 2.77 1.980.990.16

硅酸钠 1.040.85

泡沫 3.11 2.10 1.170.15

3.3.2 温度循环测试

温度循环步骤模拟的作业条件与压力循环模拟条件相同,温度变化最高可达57.2 。先将样品置于大气压下在7.2 的水浴中固化14d,见表5。

表5 温度循环对软地层胶结强度的影响

水泥浆

体系

软地层胶结强度(M P a)

基线温度循环HG S 1.4960.386

硅酸钠0.4960.069

泡沫 1.3310.048*

注:*肉眼观测到该样品已碎裂。

48 钻 井 液 与 完 井 液 2006年7月