水泥浆流经盐层后的性能研究

2012-11-09西南石油大学石油工程学院四川成都610500

长江大学学报(自科版) 2012年4期

陈平，田径 (西南石油大学石油工程学院，四川成都 610500)

水泥浆流经盐层后的性能研究

陈平，田径 (西南石油大学石油工程学院，四川成都 610500)

为了解水泥浆流经盐层前后浆态性能的变化情况，通过不同含盐量水泥浆流经不同厚度盐层的模拟试验来分析有关浆态性能变化。试验结果表明，随着水泥浆流经盐层厚度的增加，不同含盐量的水泥浆密度出现不同程度的增大；总体上呈现流性指数变小和稠度系数增大的趋势；多数配方的水泥浆的稠化时间出现不同程度的增加；淡水水泥浆的失水量变化很大，最终都达到较高的失水量，使得失水性能遭到完全破坏，而中高含盐水泥浆的失水量变化不大，只是失水量有所增加，但其失水性能没有遭到完全破坏。

盐层；水泥浆；浆态性能

在进行盐层(尤其是厚盐层)固井时，一般都要使用盐水水泥浆[1]。但是，对于使用何种盐含量的盐水水泥浆，研究者的看法并不完全一致，其原因主要是对抗盐水泥的抗盐性能了解不够。盐层固井中有2个过程中值得研究，其一是注水泥过程，其二是注完水泥后的整个凝固过程(包括整个井的寿命期)[2]。在注水泥过程中，水泥浆要流经盐层，而且最终不同环空处的水泥浆接触流经盐层的时间一样[3]。这引出如下问题，即水泥浆接触流经盐层后(包括不同的接触时间)各项性能指标会发生何种变化？在注水泥过程中，流变性能的变化对顶替过程会产生何种影响？为此，笔者使用不同含盐量的水泥浆进行模拟试验，据此了解水泥浆流经盐层后的性能变化，从而为现场盐层固井提供参考。

1 试验部分

1.1试验方案

确定5个试验用基础水泥浆配方，利用模拟试验仪器，对5个水泥浆体系分别在1、0.5m/s返排速度的条件下进行模拟试验。试验用配方如下：①淡水水泥浆配方，包括配方1(G级油井水泥+1.5%降失水剂(HS-2A)+1%分散剂(Sxy)+H2O)和配方2(G级油井水泥+8%降失水剂(LT-1)+0.5%分散剂(Sxy)+H2O)。②中含盐水泥浆配方，包括配方3(G级油井水泥+2.5%降失水剂(HS-2A)+2%分散剂(Sxy)+15%盐+H2O)和配方4(G级油井水泥+6.25%降失水剂(LT-1)+ 15%盐+H2O)。③高含盐水泥浆配方(即配方5)，即G级油井水泥+7%降失水剂(HS-2A)+12%微硅(Sxy)+36%盐+促凝剂2%+H2O。

1.2试验步骤

研究水泥浆浆态的试验步骤如下：①根据已确定的水泥浆配方配置水泥浆，在控温多速组织捣碎机里均匀搅拌1min左右。②测量水泥浆的密度和流动度，然后进行预制(常压、60℃、时间20min)。③压制盐样。根据设计要求，利用抗折抗压试验机压制试验所用盐样。④做好模拟试验仪器的相关准备工作。首先把压制好的盐样固定在圆形转盘上，再利用红外转数测定仪调整无级调速仪至试验所需转速，最后设置水浴装置的温度为60℃。⑤将预制后的水泥浆倒入指定的容器中，调整转子高度至盐样没入水泥浆中设定深度，打开转动开关，再次调无级调速器至指定转速；⑥在规定时间内进行水泥浆流经盐层的模拟试验。⑦进行水泥浆的密度、流变性测试。⑧做好静态失水仪的准备工作以便进行失水试验。⑨取失水试验中的滤液进行盐成分含量分析试验[4]。

2 结果及分析

2.1密度

返排速度为1m/s和0.5m/s时的水泥浆密度变化图分别如图1和图2 所示。

图1 返排速度为1m/s时水泥浆密度变化图

图2 返排速度为0.5m/s时水泥浆密度变化图

由图1可知，配方2的水泥浆流经盐层后密度变化最大，配方4的密度变化较大，配方5的密度变化最小。由图2可知，配方2在经过120m盐层后和经过360～600m后密度变化最大，配方1密度变化较大，而配方5的密度变化最小，其变化趋势与返排速度为1m/s时的趋势基本相同，说明高含盐水泥浆的密度变化受返排速度影响不大。所有配方的水泥浆密度变化都呈上升趋势，主要原因是在水泥浆流经盐层时，盐层中的盐进入水泥浆中导致水泥浆密度增大。此外，水泥浆流经过程中会产生失水现象，失水量越大，水泥浆密度越大。

2.2流变性

流性指数和稠度系数是流变性的主要性能指标，因而需要对不同配方水泥浆的流性指数和稠度系数进行测试。在返排速度为1m/s时,不同配方水泥浆流经盐层后的流性指数和稠度系数分别如表1和表2所示。由表1和表2可知，流经盐层后各配方的流性指数整体上呈减小趋势，淡水水泥浆体系的稠度系数显著变大，中含盐水泥浆体系的稠度系数和高含盐水泥浆的稠度系数也有所增大，只是其变化相对较小。

表1 不同配方水泥浆的流性指数

表2 不同配方水泥浆的稠度系数

2.3稠化时间

在固井施工中，稠化时间是决定固井作业成败的关键。在确保施工顺利的前提下，要求稠化时间尽可能短，以便缩短候凝时间，减少水泥浆析水和失水以及可能遭受的水侵或气窜，并使水泥石及早达到可以开钻的机械强度，为继续钻进争取时间。不同配方水泥浆稠化时间变化图如图3所示。由图3可知，配方3的稠化时间变化最显著，该配方水泥浆在流经盐层后稠化时间增加最多，而配方2水泥浆稠化时间缓慢减少，其他各配方水泥浆的稠化时间都有不同程度的增加，且配方5的稠化时间增加幅度最小。

2.4失水性能

图3 水泥浆稠化时间变化图

水泥浆失水是指30min内在指定的温度和压差下，通过一定的面积孔隙所能滤失的自由水量。对不同配方水泥浆进行失水试验，返排速度为1m/s和0.5m/s时的水泥浆失水量变化图分别如图4和图5所示。

由图4和图5可知，配方1和配方2的水泥浆流经盐层后失水量变化最大，而配方3和配方4的失水量变化较小，配方5的失水量变化最小。以100ml/30min为标准，在分别经过360m和480m盐层段时，配方1和配方2的失水性能都遭到完全破坏，而且同一配方的失水性能在返排速度为1m/s时先被破坏；含盐水泥浆配方配方3～配方5的失水性能没有遭到完全破坏，只是失水量有所增加。