【文章內(nèi)容簡介】 合金生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，為球形顆粒，含氧化錳 96％ 98％，密度 kg/L， 粒徑為 ～ ，大部分粒子的粒徑集中在 ～ L 0 肚 m 之間，比表面積約為 m2/g， 因此在水泥漿中懸浮性能好，漿體穩(wěn)定，而且可以混配于水中而不沉降，還有助于控制失水和強(qiáng)度的發(fā)展，并保持良好的流動(dòng)性能。但是 Micromax 價(jià)格非常昂貴，貨源也不甚充分，很難推廣應(yīng)用。因此，通過對(duì)比分析，認(rèn)為赤鐵礦粉是比較理想的加重材料。室內(nèi)優(yōu)選了不同粒徑、密度 kg/L 的赤鐵礦粉作為加重材料，粒徑有 7 2 15 和 10 ptm。 由于常規(guī)防竄劑自身耐溫性能所決定，在井溫高于 1lo℃的情況下水泥漿存在著失水量比較大的缺點(diǎn)。因此，為滿足南方海相地區(qū)高溫高壓氣井固井的需求，優(yōu)選了FSAM— J 防氣竄外加劑。該外加劑是一種新型預(yù)膠聯(lián)的液態(tài)成膜防氣竄降失水劑，是將線型 PVA 分子與引發(fā)劑通過化學(xué)反應(yīng)制成的具有一定立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和較高相對(duì)分子量的產(chǎn)品。 FSAMJ 防氣竄劑降低濾失量和防氣竄的主要機(jī)理不是增粘作用，而是通過初期瞬間濾失，使聚合物濃度急劇升高 ，并通過交聯(lián)作用在濾餅下面的濾失層表面形成一層有一定韌性的完整致密聚合物膜，這種膜對(duì)液體和氣體的滲透率非常小，不僅具有優(yōu)異的降濾失作用，而且可以有效阻止氣竄。 FSAMJ 防氣竄劑具有良好的抗高溫能力，濾失膜在 120℃時(shí)仍穩(wěn)定不變，濾失量不顯著增大。由于該防氣竄劑已是預(yù)膠聯(lián)的產(chǎn)品， 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 所以現(xiàn)場施工時(shí)不需要加入膠聯(lián)劑的預(yù)水化過程，簡化了現(xiàn)場水泥漿配制過程，避免了膠聯(lián)劑敏感性的影響。 在固井施工中采用措施，彌補(bǔ)環(huán)空壓力下降的有效方法為固井完成后環(huán)空關(guān)井加回壓。如不能加壓，也必須關(guān)閉環(huán)空，使 得環(huán)空密閉，造成地層流體因環(huán)空充滿流體而不易流入環(huán)空。井口加壓的大小可按水泥漿到水柱后的環(huán)空液柱壓力與地層壓力的差來計(jì)算。其加壓過程選擇在水泥漿侯凝 60min 內(nèi)進(jìn)行。具體加壓方法如下： ①作近似的水泥漿失重曲線； ②計(jì)算水泥漿從原始?jí)毫抵了鶋毫Φ氖е厮俾剩? HG P 6 00 01p60pp cwc ?? ③計(jì)算環(huán)空加壓在 1 4 60min 時(shí)的加壓值。 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 第三章 新型分段氣竄預(yù)測模型及水泥漿類型 國內(nèi)外的多種氣竄預(yù) 測模式基本把環(huán)空水泥漿液柱當(dāng)成一個(gè)整體，但事實(shí)情況并非如此，封固段上下有一定的溫差，水泥漿的水化速度不一樣，一般來說自上而下水泥漿水化速度隨溫度的增加而越來越快，不同深度的水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展不同，產(chǎn)生的壓力損失不同?；谶@種考慮，筆者提出對(duì)水泥漿進(jìn)行分段分析，根據(jù)不同井段水泥漿的水化狀態(tài)，來計(jì)算靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展的臨界值，然后計(jì)算各段的靜液壓力損失，累積后計(jì)算水泥漿液柱對(duì)氣層的壓穩(wěn)系數(shù)，稱之為新型分段氣竄預(yù)測模型。該預(yù)測模型能夠比較真實(shí)地預(yù)測固井后環(huán)空氣竄的危險(xiǎn)性，從而指導(dǎo)防氣竄固井壓穩(wěn)設(shè)計(jì)，避免盲目過壓穩(wěn)或 欠壓穩(wěn)。 在水泥漿膠凝失重理論的基礎(chǔ)上，針對(duì)南方海相地區(qū)固井工程的特點(diǎn)，制定了氣竄預(yù)測的基本條件和壓穩(wěn)設(shè)計(jì)的基本條件： 1）環(huán)空液柱當(dāng)量密度小于地層的破裂壓力或最低漏失壓力當(dāng)量密度； 2)采用雙凝水泥漿，尾漿的靜膠凝強(qiáng)度在達(dá)到 240 Pa 時(shí)的環(huán)空液柱壓力與氣層壓力比 ?surF 1。 3)水泥漿性能設(shè)計(jì)時(shí)，要發(fā)揮領(lǐng)漿的壓穩(wěn)作用，使尾漿與領(lǐng)漿的靜膠凝強(qiáng)度呈階梯狀發(fā)展，即尾漿的靜膠凝強(qiáng)度在達(dá)到 240 Pa 時(shí)，領(lǐng)漿的靜膠凝強(qiáng)度要小 于 48 Pa，因?yàn)樗酀{靜膠凝強(qiáng)度在 48～ 240Pa 之間的過渡期內(nèi)發(fā)生氣竄的危險(xiǎn)性最大； 領(lǐng)漿最大失重 Pls 上述氣竄預(yù)測和壓穩(wěn)設(shè)計(jì)基本條件中要求，尾漿的靜膠凝強(qiáng)度在達(dá)到 240 Pa 時(shí)，領(lǐng)漿的靜膠凝強(qiáng)度要小于 48 Pa，所以計(jì)時(shí)按領(lǐng)漿的許可最大值 48 Pa 計(jì)算失重壓力。故有 : (4) 式中 Pls為領(lǐng)獎(jiǎng)最大失重， MPa； Dn 為井眼直徑， mm； Dp為套管外徑， mm； Lc1，為領(lǐng)漿 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 長度， m. 尾漿最大失重 Pts 同上，尾漿靜膠凝強(qiáng)度按 240 Pa 計(jì)算失重壓力，故： (5) 式中， Pls 為尾漿最大失重， MPa； Lc2為尾漿長度， m。但是，水泥液柱失重后最低當(dāng)量液柱壓力是靜水壓力，所以當(dāng)式 (5)計(jì)算的失重壓力大于該段水泥漿的最初液柱壓力時(shí)，失重壓力以最初的液柱壓力與靜水壓力之差來計(jì)算。即： (6) 式中 ,Pc2為水泥漿尾漿密度； kg/L； ρ w為水的密度， kg/L。 最終環(huán)空液柱壓力 Pfc 最終環(huán)空液柱壓力即為初始環(huán)空液柱壓力 (鉆井液柱和水泥液柱壓力之和 )與水泥漿液柱失重壓力的差值，即： (7) 式中， Pc1為領(lǐng)漿密度， kg/L；ρ m 為鉆井液密度， kg/L； Lm為鉆井液長度， m。 氣竄必須具備兩個(gè)基本條件：一是要有通道，二是地層壓力要大于環(huán)空有效液柱壓力與通道流動(dòng)阻力之和。因此，防氣竄的關(guān)鍵是當(dāng)有效靜液 柱壓力下降到地層壓力時(shí)，建立起足夠的通道流動(dòng)阻力并快速關(guān)閉通道。 防氣竄水泥漿的設(shè)計(jì) 防氣竄控制與失水控制 從現(xiàn)有的添加劑使用情況來看，膠乳在高溫下的降失水性能最為穩(wěn)定，且具有顆粒堵塞孔隙通道和化學(xué)收縮小的防氣竄功能，冷漿與熱漿稠度變化不大等優(yōu)點(diǎn)，因此，它通常作為高溫高密度防氣竄水泥漿的主劑。由于膠乳的懸浮能力偏弱，所以，它常常還要和某些增稠的降失水劑配合使用。由于深氣井固井施工安全系數(shù)要求大、水泥漿密度控制要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，一般不推薦使用觸變水泥和泡沫水泥，而建議使用膠乳 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 水泥漿。設(shè)計(jì)膠乳水泥 漿配方時(shí)，要調(diào)整好膠乳與膠乳穩(wěn)定劑之間的比例，并選用與之匹配的緩凝劑，使得水泥漿的過渡時(shí)間小于 30 分鐘，以增強(qiáng)防氣竄能力。如果 GFP接近 8，則在膠乳水泥中添加高溫膨脹劑，既補(bǔ)償因膠凝強(qiáng)度發(fā)展造成的孔隙壓力損失，又減少包括泥漿通道和水泥孔隙通道在內(nèi)的通道截面面積，達(dá)到防氣竄的目的。此外，所有的外摻料都粗細(xì)搭配，有利于水泥顆粒堆積得更加致密，因而也有利于防氣竄。 稠化時(shí)間控制 溫度是影響水泥漿稠化時(shí)間的關(guān)鍵因素，因此，一定要弄準(zhǔn)井底溫度。所選的緩凝劑既要耐井底高溫，又要防止長封固段水泥漿頂部因 溫度低出現(xiàn)超緩凝現(xiàn)象，還要避免使用對(duì)溫度和加量變化太敏感的緩凝劑。通常的做法是：同時(shí)使用兩種不同類型的緩凝劑，達(dá)到提高抗高溫性能，減少緩凝劑用量的目的。據(jù) HALLIBURTON 公司介紹，非木質(zhì)素磺酸鹽緩凝劑 SCR100L 對(duì)長封固段大溫差條件下水泥漿的凝固特性影響較小。 水泥漿密度與混漿稠度控制 用于高壓氣層固井的水泥漿密度通常在 。要獲得好的水泥漿混漿稠度，常用的加重劑有 325 目（ 45μ m）左右、密度 右、密度 。兩者按一定配比使用，通過調(diào)整它們的比例及加重劑總量與水泥的比例，使得水泥漿既有較高的密度，又有較低的配漿稠度。為降低加重劑與水泥的比例，達(dá)到在相同配漿稠度下提高水泥石抗壓強(qiáng)度的目的，通常在水泥漿中需加入適量的分散劑。 沉降穩(wěn)定性控制 水泥漿中的加重材料容易引起水泥漿沉淀。要想水泥漿在井底循環(huán)溫度下有足夠的懸浮加重材料顆粒的能力，就必須在配漿稠度允許的情況下盡量 提高顆粒較細(xì)的外摻料的比例，同時(shí)盡量 避免使用冷漿稠度高、熱漿稠度低的添加劑。 防強(qiáng)度衰退 控制常規(guī)水泥石在溫度超過 110℃時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)度衰退。防強(qiáng)度衰退的最簡單方法是在水泥中摻入 30%40%（ BWOC）的硅粉。據(jù)有關(guān)資料介紹，如果硅粉的有效摻量小于30%,水泥石的強(qiáng)度比不加硅粉的更差。高溫高密度水泥漿通常摻入總量為 35%40%的硅粉， 100 目的粗硅粉和 200 目的細(xì)硅粉按適當(dāng)比例使用。 防氣竄高密度水泥漿的的配方和性能 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 根據(jù)高壓氣井固井對(duì)高密度水泥漿性能的要求和防竄水泥漿的設(shè)計(jì)對(duì)性能控制方法，本文經(jīng)過大量的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，獲得了高密度防竄水泥漿的典型配方見表 1，表 2 是其相應(yīng)性能。 由表 1 和表 2 可知，以 Halliburton 或 Dowell 公司的外加劑和外摻料設(shè)計(jì)的高密度水泥漿體系，其綜合性能滿足要求。 高密度水泥漿的防竄性能評(píng)價(jià) 水泥漿的實(shí)際防氣竄能力，可用水泥漿被頂替就位后凝結(jié)過程中的實(shí)測當(dāng)量密度表示。水泥漿被頂替到位后凝結(jié)不同時(shí)刻的有效當(dāng)量密度（指實(shí)測氣侵的最小壓力當(dāng)量密度）如表 3。 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 從表 3 可知，水泥漿不同時(shí)刻的有效當(dāng)量密度都接近或大于水泥漿的原始密度。如水泥漿的原始密度能滿足防氣竄的要求，則所研究的水泥漿體系在凝結(jié)過程中不會(huì)因?yàn)槭е囟l(fā)生氣侵。高密度水泥漿，雖然其失重較快，但阻力增加也較大，凝結(jié)不同時(shí) 刻的有效當(dāng)量密度要比一般密度水泥漿大。因此，適當(dāng)增加水泥漿的密度，有利于防止水泥漿凝結(jié)過程中的氣竄問題。另一方面，水泥漿凝固 60 分鐘左右，是氣侵最易發(fā)生的時(shí)刻，因此，實(shí)測水泥漿的防竄能力時(shí)，可重點(diǎn)測試模擬水泥漿頂替就位候凝 60 分鐘左右的有效當(dāng)量密度。 固井的主要目的之一是提供長期的層問封隔。層間封隔必須在油井壽命期內(nèi)和油井報(bào)廢后都有效。水泥漿在井下凝固后，由于井下條件的變化可以產(chǎn)生足夠的應(yīng)力．破壞水泥環(huán)的整體性，從而導(dǎo)致層間封隔失效，甚至擠毀套管。在沒有化學(xué)損害的情況下，引起層間封隔失效 的原因可能是水泥本身的力學(xué)失效、水泥與套管不膠結(jié)或者水泥與地層不膠結(jié)。力學(xué)失效可能會(huì)導(dǎo)致裂縫形成和水泥過量收縮，而不膠結(jié)則會(huì)形成微環(huán)空。這些條件都會(huì)為流體連 通提供通道。 現(xiàn)在．除了采用特殊的固井方法外。防止形成微環(huán)空的唯一技術(shù)是用不收縮水泥，甚至是膨脹水泥。實(shí)驗(yàn)表明，常規(guī)膨脹水泥在硬巖石地層中的工作性能最好．水泥獲得預(yù)應(yīng)力和良好的水力密封，這就意味著水泥必須盡可能地比巖石更具彈性。 斯倫貝謝公司開發(fā)了 1 種新的水泥漿體系 —— 柔性水泥漿。柔性水泥漿通常是在水泥漿配方中加入柔性外加劑．如硫化橡膠。 該體系的特點(diǎn)是有彈性、可壓縮性低、沒有收縮、滲透率極低，可以避免由于井眼壓力增加或溫度升高引起的水泥環(huán)損壞。為防止形成微環(huán)空．應(yīng)加入水泥膨脹劑。 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 柔性水泥漿配方中含有柔性外加劑、膨脹劑和常規(guī)外加劑 (如分散劑、消泡劑、緩凝劑和降失水劑 )。為進(jìn)行性能對(duì)比．實(shí)驗(yàn)時(shí)配制了不同的水泥漿，其配方及流變性參數(shù)見表 1。在所有配方中都使用了 Dyckerhoff North G 級(jí)水泥，用淡水配制。膨脹劑基于氧化鈣制得。 撓曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度 撓曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見表 1。表 1 說明，與常規(guī)水泥相比，柔性水泥漿體系可以減小揚(yáng)氏模量，增加柔性。在給定的巒度下可以得到不同的揚(yáng)氏模量。柔性外加劑濃度越高．凝固水泥的彈性越高，而相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度則越低，見圖 1。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)