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 S18000124.00.6011305060H 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 20063 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)050010001500H 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 2.593.3 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 1.170.153.3.2 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月胶结强度测试结果显示,温度循环对硬地层内管模型(模拟硬地层)中水泥石胶结强度的改变很小,但对软地层内管模型有一定影响。
3.4 钻穿测试使用包括一个位于外管轴心的内管以及焊接盘的90cm模型模拟钻穿水泥塞条件进行钻穿测试,测量钻穿前后环形空间的液流情况并对环空内水泥体性能进行评估。
环形液流包括透过水泥石(渗透性)的液流以及流过水泥体周围(如裂缝或微环隙)的液流。
使用液流数据计算等效体积渗透性。
在准备钻穿测试所需模型时,盖住压力输入口,然后在内外管间的环形空间底部填入7.6cm高的沙子。
在实验室里混合待测低密度水泥浆,然后将其倒入内管和环形空间中直到离管道顶部7.6cm处。
在水泥石顶部加水至管道顶部边缘,然后使水泥浆在模型中固化7d。
第8天时对环形液体进行0.69M Pa 压差测试。
由结果可知,硅酸钠水泥浆中的水立刻流出,当流量稳定后测得此时流速为134mL/m in; 24h后泡沫水泥石和H GS水泥石的流量为零。
首次实验及其它液体流量测试结果(见表6)表明, H GS水泥石发生的损害最小,并且保持了较高的弹性水平。
第9天,钻穿每个模型内管中的水泥,得到H GS水泥石的平均渗透速率为30.48m/h。
第10天使用0.69M Pa测试压差进行另一个环形液体流量测试。
由结果可知,水立刻通过硅酸钠水泥石流出,流量稳定后测得流速为197m L/min;24h后泡沫水泥石和H GS水泥石的流量为零。
未对硅酸钠水泥石进行进一步的液流测试。
第11天对内管进行8个阶段的压力循环测试,对内管施加13.79 MPa的压力并保持10m in,然后停止施压10m in。
使用0.69MPa测试压差对H GS、泡沫水泥石进行环形液体流量测试,2种水泥石的流量都为零;将测试压升至3.45MPa,2种水泥石中的水均流出,液流稳定后测得H GS水泥石的流速为80mL/m in,泡沫水泥石的流速为100mL/m in。
表6 钻穿试验中的环形液流和等效体积渗透性水泥浆体系环形流速(cm3/min)/等效体积渗透性(10-3 m2)第8d0.69M P a第9d第10d0.69M Pa第11d0.69M P a3.45M P a硅酸钠134/88钻穿197/90H GS0/0钻穿0/00/080/104 现场测试(1)混合和泵送测试。