氮气膨胀剂的研究与应用

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摘 要； 氮气膨胀剂水泥浆体系主要由氮气膨胀剂、不渗透油井水泥降失水剂和减阻剂等组成，其中膨胀剂由氮气发气材料、稳气材料和特种表面活性剂组成。通过评价氮气膨胀剂对水泥浆体系膨胀率、稠化时间及抗压强度影响，考察了氮气膨胀剂与S902配伍性及氮气膨胀剂的抗盐性。结果表明，氮气膨胀剂能显著提高水泥膨胀率、对稠化时间和抗压强度无影响，具有良好的抗盐性及配伍性。新型防气窜水泥浆体系在胜利油田的直井、定向井、水平井等井中应用，固井优质率达到85% ，合格率达到了100 %，取得了较好的经济效益和社会效益。关键词； 氮气膨胀剂 气窜 油井水泥 固井质量　　固井后环空窜流一直是影响产能评价、注水效果和油气井产量的突出问题，如果层间封固不良，高压层流体必然窜入低压层，造成油气资源的流失或伤害储层。胜利油田地层复杂，油藏特征差异大，井下复杂情况多样，特别是近几年高压、长封固段等井不断增加，给固井技术提出了更高的要求。为此胜利石油管理局固井公司对防气窜问题进行了全面系统的研究和分析，并在室内实验的基础上，进行了氮气膨胀水泥浆的现场应用，取得了良好的效果。1 氮气膨胀剂水泥浆体系组成厦性能1．1 基本组成　　氮气膨胀剂水泥浆体系主要由氮气膨胀剂、不渗透油井水泥降失水剂和减阻剂等组成。1．1．1 氮气膨胀剂　　氮气膨胀剂外观为浅黄色粉末，能够均匀分布在水中，可以和油井水泥湿混或干混。该膨胀剂由氮气发气材料、稳气材料和特种表面活性剂组成。氮气膨胀剂在38℃以上的温度养护下能够释放出氮气，该氮气在表面活性剂作用下均匀分布在水泥浆体内，使水泥石在常压下也具有很高的抗压强度。1．1．2 S902不渗透油井水泥降失水剂　　S902外观为棕黄色粉末状，能和水泥湿混或干混。它是由多种聚合物经特殊工艺加工而成的添加剂。加到水泥浆内能吸附在水泥颗粒表面，形成吸附膜，在交联剂作用下能够相互粘结在一起形成结构。当浆体受到压差作用时能在地层表面形成不渗透薄膜，阻止失水。1．1．3 SUS油井水泥减阻剂　　SUS吸附在水泥颗粒表面，形成吸附膜，使水泥颗粒处于分散状态，把水泥颗粒内部结构的束缚水变成自由水，从而提高了浆体的流动性。1．2 基本性能　　在胜维G级水泥中加入氮气膨胀剂、自来水后的性能见表1。由表1看出，膨胀剂在低温条件下性能稳定，长期置于低温下基本不发气；中温养护2 h后，膨胀率迅速发展为23．8 %，体积产生轻度膨胀，一方面可以补偿水泥石收缩引起的胶结质量差，提高胶结强度；另一方面，通过发气组分产生的氮气，补充水泥浆重力损失，防止地层流体的侵入。　　　　1．3 氮气膨胀剂对水泥浆性能的影响　　在75℃下，试验用水、水泥类型、密度和水灰比见表l，其它性能参数见表2。由表2可知，氮气膨胀剂对水泥浆稠化时间影响较小，基本上不影响水泥浆的稠化性能，能够克服以往使用氢气膨胀剂严重缓凝的现象，在保证足够的施工时间前提下，能够减少候凝时间，有利于获得较好的防气窜效果；由表2还可以看出，膨胀剂加量对浆体稠化性能、流动度、密度及抗压强度影响不大。　　　　1．4 氮气膨胀剂的加量对膨胀率的影响　　单一的油井水泥在凝固时会产生体积收缩，从而导致固井时水泥环中产生微小缝隙，引起流体窜槽。为了防止此类情况的发生，在油井水泥中加入了膨胀剂。在实验室条件下，对加入氮气膨胀剂的油井水泥进行了膨胀率的测定，结果见表3。　　　　　　由表3可以看出；氮气膨胀剂加量）较小时，在38℃ 的低温情况下已经显示出较明显的膨胀率；在75℃ 的中温条件下，由于温度升高，膨胀剂中的发泡剂分解为气体的部分增加，致使膨胀率也随之大幅度增加；而且，随着膨胀剂加量的增加，膨胀效果也有较大幅度的提高。1．5 氮气膨胀荆的加量对水泥浆稠化时间的影响　　在现场施工中，要求油井水泥外加剂的性能要具有单一性，便于在现场施工中能容易地控制水泥浆的各种性能。实验室内对加入氮气膨胀剂的油井水泥的稠化性能进行评价，结果见表4。　　　　由表4可以看出，加入氮气膨胀剂后，油井水泥的初始稠度值较低，基本满足固井施工的要求。通过实验还发现，氮气膨胀剂的加入对油井水泥的稠化时间没有明显影响，说明氮气膨胀剂本身不具备缓凝性能。1．6 氮气膨胀剂与降失水荆的配伍性考察　　对氮气膨胀剂与S902降失水剂的配伍性进行评价，结果见表5。　　　　　　由表5可以看出；在S902降失水剂加量不变的情况下，随着氮气膨胀剂加量的增加，油井水泥的膨胀率均有所增加，在75℃下膨胀效果较为明显；随着氮气膨胀剂加量的增加，水泥浆的流动度变化较小，并且初发时间大大缩短。由此可得，S902降失水剂对水泥浆的性能几乎无影响，与氮气膨胀剂有较好的配伍性。1．7 氮气膨胀剂的抗盐性1．7．1 NaCI对氮气膨胀剂的性能影响　　图1是38℃条件下氮气膨胀剂水泥浆加NaCl前后水泥浆膨胀性对比情况。由图1可以看出；在加入NaCl的情况下，相同氮气膨胀剂加量所显示的膨胀效果要优于不加NaCl的情况；加入NaCl前后油井水泥浆流动度的变化也不明显。这说明氮气膨胀剂有一定的抗盐性。　　　　　　　　1．7．2 CaCl2 对氮气膨胀剂的性能影响　　图2是38℃ 时氮气膨胀剂水泥浆加CaCl2前后的膨胀性对比情况。由图2可以看出；油井水泥浆中加入18 g CaCl2 后，其膨胀效果比未加CaCl2时有较大的改善；但是加入CaCl2后，油井水泥浆的流动度降低，对水泥浆的顺利流动有所影响。　　CaCl2是最常用的油井水泥促凝剂，CaCl2可以加速硅铝酸盐或石膏体系的水滑速度而起到促凝作用。CaCl2的加入提高了液相中Ca2 的溶解度，从而加速了C3S的水化速度，同时提前出现Ca2沉淀和提前结束诱导期。2 氮气膨胀剂作用机理 　　氮气膨胀剂是由氮气发气材料，稳定材料和表面活性剂组成。它的细度在0．015～0．03 mm 之间，在水泥孔隙内均匀分布，同时吸附在稳气材料表面，再经过表面活性剂的物理化学作用，使该分散体系处于高度稳定状态，当达到一定温度后，与表面活性剂反应放出氮气。由于上部受到钻井液和隔离液的压力作用，使水泥浆只有横向膨胀，有利于驱动大肚子井段的钻井液，提高顶替效果，保证固井质量；在水泥浆静止胶凝失重时，由于水泥浆内部不断有气体产生，使水泥浆拥有向外膨胀力和内部结构力，有效防止了地层气体的侵入，强化了水泥浆和地层的胶结程度，从而有效防止了气窜，提高了二界面固井质量。　　图3为75℃、0．1 MPa条件下，每隔20 min测定的不同加量的膨胀剂发气情况。由图．3不难发现，在不同加量下，体系的膨胀率随时间的延长而增大，说明该膨胀剂稳定性能好，发气过程循序渐进，适应水泥浆在环空静止后，由于失重而导致的持续增加的环空压力下降，膨胀率的渐增可以弥补不断增大的重力损失，以平衡地层压力；随着水泥水化的不断进行，水泥浆体内微粒的胶凝强度不断增长，同时由于膨胀率的增大，得到的附加压力相应增大，从而改变浆体候凝中的失重特征，增加油气运移阻力，实现环空气窜；另一方面膨胀水泥浆体系由于产生体积微膨胀，有助于提高2个界面的胶结强度，补偿水泥石的体积收缩，实现层问封隔。从图3还可以看到，在50~70 min期间体系的膨胀率逐步变大，但变化量不大，这段时间恰好等于水泥浆在套管内流动及到达环空预计位置以前所需要的时间，并且在特殊情况下，如长封固段、深井等要求的到达预计位置静止以前时间较长，可通过控制膨胀剂中的发气组分，适当延长开始发气的时间，以满足不同固井工艺要求。　　　　3 新型防气窜体系在胜利油田的应用3．1 樊22—26井　　樊22—26井是一口注水井，完井井深为3360m，油层顶位于井深2060 m，油层底位于井深3320m；一开用φ444．5 mm钻头钻至井深237 m，下入φ339．7 mm套管至井深235．06 m；二开用φ215．9mm钻头钻至井深3360 m，下入φ139．7 mm套管至井深3355．14 m，该井在井深2300 m处的最大井斜为6．3。。钻井液密度为1．30 g／cm3，粘度为60s，滤失量为5 mL，泥饼厚度为0．5 mm，pH值为8，含砂量为0．3% ，井径平均扩大率为10．79 %。3．1．1 水泥浆性能　　水泥浆配方如下。　　胜维G级水泥+0．9 %S902+0．5 %膨胀剂+0．5%SUS　　水泥浆密度为1．90 g／cm3，流动度为23 cm，常压、75℃下养护24 h后抗压强度为18 MPa，水泥浆稠度达到40 Bc的时间为108 min，120 min后膨胀率为25 %，6．9 MPa下30 min的失水量为45 mL。3．1．2 现场注水泥　　樊22-26井注入3 m3隔离液后，注水泥，水泥浆最高密度为l.90 g／cm3，最低为1．66 g／cm3，平均为1．88 g／cm3；注水泥压力为6．5 MPa，替浆为38．8 m3，替浆压力为0～8 MPa，碰压20 MPa，敞压候凝36 h。声幅测井固井质量为优。3．2 梁43-斜9井　　梁43-斜9井是一口生产斜井，井深2800 m处井斜为36。，方位为360。，全角变化率为25。／m，完井井深为2943 m，下人φ139．7 mm N80套管和291根油管，总长为2850．99 m。使用聚合物钻井液体系，钻井液密度为1．20 g／cm3，粘度为54 s，滤失量为5 mL，泥饼厚度为0．5 mm，pH值为9，含砂量为0．3%，初切为2 Pa，终切为3 Pa。3．2．1 水泥浆性能　　水泥浆配方如下。　　胜维G级水泥+0．8%S902+0．4% 膨胀剂+0．4%SUS　　水泥浆密度为1．90 g／cm3，流动度为23．0 cm，常压、70℃下养护24 h后抗压强度为18 MPa，水泥浆稠度达到40 Bc的时间为116 min，120 min后膨胀率为23% ，6．9 MPa下30 min失水量为68 mL。3．2．2 现场施工　　梁43-斜9井下套管后，循环钻井液，固井前注3 m3 隔离液后，注水泥，替浆，顶替压力为0～8MPa，碰压15 MPa，水泥浆最大密度为2．0 g／cm3，最小为l.25 g／cm3，平均为1．88 g／cm3，敞压候凝。候凝36 h，声幅测井固井质量为优3．3 临2-23井　　临2—23井完钻井深为1790 m，油层顶位于井深1280 m，油层底位于井深1755 m。该井井径扩大率为7．56 %。使用聚合物钻井液，钻井液密度为1．18 g／cm3，粘度为55 s，滤失量为6 mL，泥饼厚度为0．5 mm，pH值为8，含砂量为0．3 %。3．3．1 水泥浆性能　　水泥浆配方如下。　　胜维G级+0．9%S902+0．4%膨胀剂+0．5%SUS+现场水　　水泥浆密度为1．90 g／cm3，流动度为23．0 cm，常压、55℃下养护24 h后抗压强度为15．5 MPa，水泥浆稠度达到40 Bc时用时127 min，120 rain后膨胀率为23% ，6．9 MPa下30 min失水量为55 mL。3．3．2 现场施工　　临2—23井下完套管后，循环钻井液，注入3 m3隔离液后，注水泥，泵压为3 MPa，水泥浆最高密度为1．96 g／cm3，最低密度为1．78 g／cm3 ，平均密度为l.89 g／cm3，10 min后替浆21．5 m3，顶压为0～8 MPa，碰压为20 MPa，施工一切正常，敞压候凝48h。候凝后声幅测井固质量为优。　　氮气膨胀剂自2002年5月底推广以来，已在高压井、长封固段井及井径扩大率超标井中应用576井次，固井合格率为99．9 %，优质率为83．8% ，比同类型井固井合格率增长了3．41 %，优质率增长15．96% ，避免了由于固井不合格而采取的其它补救等作业，取得了较大的经济效益。4 结论　　1．氮气膨胀剂能显著提高水泥浆体系的膨胀率，水泥浆在常压下具有较高的抗压强度，体系膨胀量可以达到25 %，对抗压强度影响不大。　　2．氮气膨胀剂对水泥浆体系的流变性、稠化时间没有影响，与S902降失水剂配伍性好，并具有很好的抗盐能力。　　3．新型防气窜水泥浆体系能够提高二界面的封固质量，直角稠化性能好，具有双重防气窜作用。　　4．该体系即可以干混也可以湿混，使用方便。原作者： 孙凌 吕容平 蔡涛 齐志刚

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