【正文】 3 稠化時間 圖 29 密度 g/cm3 稠化時間超高密度水泥漿 體系室內(nèi)研究及現(xiàn)場應(yīng)用 18 225min 364min 經(jīng)過幾次官深 1井固井方案討論，并針對官深 1井鉆井設(shè)計中水泥漿密度定為 g/cm3，前期要檢測評價以及現(xiàn)場模擬試驗方案水泥漿密度定為 g/cm3，因此后期工作在室內(nèi)重點調(diào)整 g/cm3密度的高密度水泥漿性能實驗，同時實驗條件調(diào)整為 96℃ 60min 94MPa，結(jié)合前期的實驗情況，首先對高密度加重材料的級配比例進(jìn)行了優(yōu)化。 3. 在緩凝劑使用上，起初考慮緩凝劑 DZH1與抗鹽降失水劑 DZJY的協(xié)同效應(yīng)，實驗上也看出在稠化時間調(diào)整上可以滿足要求，但在低溫方面緩凝劑 DZH1有點超緩凝作用，水泥石低溫強(qiáng)度有的 3天并未起強(qiáng)度，水泥石低溫強(qiáng)度也不高，因此下次調(diào)整考慮優(yōu)選其他緩凝劑。室內(nèi)主要進(jìn)行了 g/cm3～ g/cm3密度范圍的超高密度水泥漿性能評價實驗。水泥的松散狀態(tài)下的堆積比例一般只在 45%左右。以上計算是假設(shè)同 1級別顆粒是圓形且顆粒大小是完全一 致，并且要達(dá)到一定的密實狀態(tài)才能達(dá)到。最終通過空間立體幾何知識，算得 3 種球體的最佳半徑比例為 : r1:r2:r3=1:: 式中， : r1 為 1 級球體半徑， r2 為 2 級球體半徑， r3 為 3 級球體半徑。由立體幾何可得到2級小球的半徑 r2與大球半徑 r1的關(guān)系，如 圖 2 3所示。 為研究粒徑級配時孔隙度的變化，在較大粒徑的小球中，引入次級粒徑的小球進(jìn)行級配。這就是緊密堆積理論中顆粒級配的。當(dāng)顆粒具有不同尺寸 (多分散相 )時，即由不同粒徑的顆粒組成時，其 PVF就高 [51]。 = 1 =PVF ? ??絕 對 體 積 / 堆 積 體 積 干 混 材 料 孔 隙 度 堆 積 密 度 / 絕 對 密 度 完全相同的球形顆粒最完美的堆積方式為正六角形堆積，其 PVF 可達(dá) 。 西南石油大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 13 水泥干混物的堆積體積百分比 packing volume fraction (PVF)是衡量顆粒之間達(dá)到給定密實狀態(tài)的相容能力?？煽闯觯?dāng)體系采用合理的顆粒級配時，其空隙率 m? 減小，則 m? 增大，由式 (2 6)可知當(dāng)固相含量的 s? 不變時，懸浮體系的粘度 a? 隨著 m? 的增大而降低。所以一般采取三級顆粒級配比較適宜。理論上講，級配數(shù)越多，排列越緊密，則體系粘度越低。 超高密度水泥漿 體系室內(nèi)研究及現(xiàn)場應(yīng)用 12 圖 2 2非有效流動顆粒模型 采用雙級配時，大顆粒之間的空隙由于填充了小顆粒，不僅減小了空隙率，而且使空隙中液體被擠出，有效流動體積分?jǐn)?shù) eff? 增大，體積粘度 降低。單位體積中有效流動相體積分?jǐn)?shù) eff? 越大，能量耗散速率越快，懸浮體系的粘度 a? 越小，即 a? 與 eff? 成反比，而與固相含量 s? 成正比。 對于固液相懸浮體系，固相填料排列愈緊密，則相同固相含量下體系的粘度越小，為了消除干固體填料堆積與實際懸浮體系中排列的差異，我們將模型 （ 2 4）轉(zhuǎn)化為下面形式 31m in011i i iiiaa x bx??????≤ ≤ ≤ ≤ (2 5) 式中， a? 為懸浮體系的表觀粘度； ,iiab分別為第 i 粒級顆粒體積分?jǐn)?shù) ix 的上、下界。因此實踐中不可能分出那么多粒級來，且由于顆粒形狀不規(guī)則，級配數(shù) n太大時，干涉作用明顯。 根據(jù)最緊密排列理論， n越大，則 ?堆 越大，但實際顆粒的粒徑分布范圍是有限的 (如常規(guī) G 級水泥中水泥顆粒的粒度的大小為 20～ 100μm。 雙級配模型雖較單一顆粒填充排列更緊密，但是體系仍存在較大的空隙率 ? ，欲進(jìn)一步減小空隙率 ? ，則需要采用多級配模型。 設(shè)：大、小顆粒堆積的空隙率分別為 12??、 ，大小顆粒所占的體積分?jǐn)?shù)為 12??、 ， 則 11122121211(1 )1??????????????? （ 2 1） 大、小顆粒級配后，體系的空隙率為 1 21111 [1 ( 2 . 6 2 1 . 6 2 ) ]m KK?? ????? ?? （ 2 2） 式中， 21/K d d? 。? = %，對應(yīng)固相顆粒的體積分?jǐn)?shù) V0 分別為 %和 %。 在一般情況下，采用雙級配模型最為簡單，即采用大、小兩種尺寸的顆粒進(jìn)行級配。這是一種連續(xù)級配方式，其排列的平面示意圖 2 1如所示。 顆粒級配實際上是一種“鉆空隙”理論。后來提出了一些半經(jīng)驗法 [46]，對理想模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，但仍與實際情況有較大差異。因此，為了獲得最緊密的顆粒排列，通常采取顆粒級配技術(shù)，即將小尺寸顆粒充填于大尺寸顆粒的空隙中。 第四步：超高密度水泥漿在現(xiàn)場施工中的應(yīng)用 技術(shù)路線圖如下所示： 圖 1 2 技術(shù)路線圖西南石油大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 9 第 2章 超高密度水泥漿體系 先期 室內(nèi)實驗 在水泥漿體系中，存在著顆粒的堆積問題。 第三步：固井前的超高密度水泥 漿室內(nèi)實驗 超高密度水泥漿 體系室內(nèi)研究及現(xiàn)場應(yīng)用 8 包括對超高密度水泥漿小樣的室內(nèi)調(diào)整實驗，以及混配好后進(jìn)行半大樣和大樣的復(fù)核實驗。由此可能造成配制的水泥漿性能達(dá)不到要求。 第二步：對超高密度水泥漿進(jìn)行試混配以獲得最佳的混配工藝 由于超高密度水泥漿中的加重材料比重較大，干混材料的混配特別是加重材料的配合尤其困難，混配不好就會出現(xiàn)密度不均等問題。 主要研究內(nèi)容如下： 國內(nèi)外超高密度水泥漿體系設(shè)計方法及施工工藝技術(shù)資料 調(diào)研 超高 密度水泥漿體系中水泥、加重材料、分散劑、降失水劑、緩凝劑的優(yōu)選 水泥漿現(xiàn)場試混配 及 試 混配工藝的改進(jìn) 固井前超高密度水泥漿體系配方研究 Micromax加重材料物理性能研究 水泥大樣、半大樣性能復(fù)合實驗 水泥漿低溫頂部強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律研究 隔離液性能及相容性研究 超高密度水泥漿固井工藝技術(shù)研究 通過理論分析以及室內(nèi)實驗，優(yōu)選出符合現(xiàn)場施工要求的混配工藝以及超高密度水泥漿配方。首先，通過對油井水泥材料、外加劑以及加重材料的優(yōu)選以進(jìn)行先期室內(nèi)實驗；然后，通 過對混配工藝的模擬，以尋找到最佳的混配工藝；最后，通過固井前的室內(nèi)試驗以及半大樣、大樣復(fù)核試驗以配制最佳的超高密度水泥漿體系。另外，在國際投標(biāo)中，為了簡便，一般很少準(zhǔn)備水泥干混裝置，而且國外對環(huán)保要求也較高，加重劑干混非常困難，因此研制一套簡便的車載干混裝置非常必要。但性能不穩(wěn)定，高溫、高壓下水泥漿性能難于調(diào)節(jié)，要求水泥石抗高溫穩(wěn)定性更高，固井施工難度 很大 [3740]。文中根據(jù)南海西部氣井固井井溫高、地層壓力系數(shù)高、氣竄潛力大等特點，通過優(yōu)選水泥外加劑和外摻料，結(jié)合固相顆粒堆積最密實的粒度級配原理，研究出了水泥漿漿體密度 ，適應(yīng)井底循環(huán)溫度為 125℃和 163℃的防氣竄水泥漿配方 [30]。前者是保證注水泥施工安全和均勻驅(qū)替環(huán)空泥漿的主要因素，后者則是保證水泥漿凝固質(zhì)量和密封質(zhì)量的主要因素。 羅宇維，張光超固井工程要求水泥漿具有良好的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。 馮克滿、朱江林等人為實現(xiàn)緬甸 A地區(qū)淺層 高壓氣、低溫超高密度的油氣井的固井，根據(jù)緊密堆積理論的顆粒級配原理，在室內(nèi)建立了緊密堆積顆粒級配模型，通過在單位體積水泥漿內(nèi)增加固相顆粒 [27]，盡量降低水泥漿的水灰比，實現(xiàn)水泥漿體系密度的增加和水泥漿性能的改善。 孫玲、張宏軍等人應(yīng)用緊密堆積和顆粒級配原理，使用微硅與鐵礦粉進(jìn)行顆粒級配，并優(yōu)選了鐵礦粉和沃爾德的外加劑，配制出高性能的密度在 ~超高密度水泥漿 體系室內(nèi)研究及現(xiàn)場應(yīng)用 6 范圍內(nèi)可調(diào)的水泥漿體系 [26]。 長慶油田鉆采院鉆井所以高爐水淬礦渣為水化材料，添加少量礦渣激活劑和少量水泥、膨潤土，配制成 ~體系 [24]，用以封固油氣井油氣層部位的井段 [25]。該體系適用溫度達(dá) 150℃；失水可控制在50mL以下；流變性好，漿體穩(wěn)定，上下密度差小于 ；強(qiáng)度發(fā)展迅速，在井下循環(huán)溫度下 24h后的抗壓強(qiáng)度大于 14MPa。 同時研究院還開發(fā)出了新型加重劑 BCW500S，并對高密度水泥漿體系的配方 和性能進(jìn)行了研究 [20]，通過緊密堆積實現(xiàn)了高密度水泥漿的高性能 [21]。 中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院結(jié)合石油鉆井工程需要，開發(fā)出了 G60、 BXF1，SQ、 BXF200L 為降失水劑的高密度水泥漿體系，在冷科一井、鴨深一井、冷七2 井和烏滋別克等成功應(yīng)用 [19]。 西南石油大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 5 降穩(wěn)定性、可接受的流變性等性能 阿曼南部 3500～4800 95～ 120 ～ 窄安全窗口密度，高含鹽地層 使用顆粒分布優(yōu)化技術(shù)（ PSD）的水泥漿體系 國內(nèi)的高密度 水泥漿基本上還是采用普通加重劑的方法，比如通過鈦鐵礦石、赤鐵礦石、重晶石等手段來提高水泥漿的密度 [1, 3, 1217]。 土水泥漿技術(shù) 科威特 4724～6096 侏羅系、三疊系、二疊系 190 ～ 235（ BHCT） — 高溫高壓地層、大尺寸的套管、油基泥漿、高含量的CO2/H2S，窄地層 /破裂壓力窗口 改進(jìn)的隔離液技術(shù)、合成的緩凝劑、降失水劑和防氣竄劑，自研的細(xì)粒度加重劑、使用高溫高壓流變儀等手段 沙特阿拉伯Ghawar油藏 3048～3352 83～ 124 很高的地層壓力，泥漿密度高（ ～）、窄安全窗口密度 (地層孔隙壓力至地層破裂壓力 ) 使用基于優(yōu) 化堆積體積分?jǐn)?shù)的高密度高性能水泥漿體系(HDHPS) 意大利北部 5382 132（ BHCT） — Po Valley 地區(qū)的井底壓力 150MPa，溫度 190℃。斯倫貝謝公司在沙特阿拉伯 Ghawar 油田使用優(yōu)化的高密度高性能水泥漿克服了高溫高壓固井過程中的挑戰(zhàn) [11]。通過對一系列技術(shù)的改進(jìn)，包括隔離液技術(shù)、合成的緩凝劑、降失水劑和防氣竄劑，自研的細(xì)粒度加重劑、使用高溫高壓流變儀等手段來提高固井的成功率 [10]。通過液態(tài)混凝土原理，調(diào)整顆粒大小分布可以使水泥漿的密度、抗壓強(qiáng)度、流變性能滿足實際井況 [9]。通過超過 40口井的 作業(yè)，使用這種高密度彈性水泥體系并聯(lián)合診斷軟件已成為一種常用的方法 [8]。 西南石油大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文 3 圖 1 1 含水化膜的顆粒堆積示意圖 德克薩斯南部固井作業(yè)中面臨著一些列的挑戰(zhàn)，通常井底靜止溫度超過 149℃，孔隙壓力需要泥漿密度超過 。哈利伯頓公司通過對高密度水泥進(jìn)行機(jī)械性能改進(jìn)，使其具有彈性，并使用先進(jìn)的診斷軟件預(yù)測需要用到這種水泥的井況。具有薄層水膜的膠凝顆粒不僅能增大顆粒間的斥力，且具有滾珠效應(yīng)，盡管液固比較小，體系仍具有良好的流動性。 但這種改善是有限的，當(dāng)加入分散劑使水灰比小于 時，水泥漿的稠度、流變性、抗壓強(qiáng)度、失水、流動度并沒有進(jìn)一步改善，是因為處于顆?？障短幍耐饧觿┖退]有為材料強(qiáng)度做貢獻(xiàn)，有時候才增加了其體系粘度。這種材料無需預(yù)混，并且可以在水泥基漿準(zhǔn)備好之后才加入，這項技術(shù)對于意大利固井中所遇到的用出廠就加有 40%硅粉的 G水泥十分有利 [4]。 在意大利北部波河河谷的固井施工中遇到了 150MPa 以及 190℃的井，采用傳統(tǒng)干混必須考慮在初混后再對水泥漿設(shè)計進(jìn)行微調(diào)時所耗時間以及費用，因為將原料送回供應(yīng)基地重混；再者過量的固井材料的傾倒將對環(huán)境的影響也將成為固井施工中考慮的問題。該公司還在阿塞拜疆使用了一種高性能分散劑 ， 在不加加重劑時 ，水泥漿密度能達(dá)到 ， 能保持良好的流動性能及失水控制性能。 20 世紀(jì) 90 年代后期，斯倫貝謝公司將緊密堆積理論應(yīng)用于固井高密度水泥漿設(shè)計中，形成了以 DensCRETE 等為主要產(chǎn)品的高性能高密度水泥漿， DensCRETE水泥就是利用有合理粒徑分布的水泥材料和超細(xì)球型的 Micromax 加重劑，用粒徑分布優(yōu)化技術(shù)選取至少 3種不同直徑的顆粒