防砂用高渗透水泥浆体系的研究

石油与天然气化工　４３５　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲｌＮＧ　ＯＦ　ＯｌＬ＆ＧＡＳ　防砂用高渗透水泥浆体系的研究　袁志平　黄志宇。　张太亮　全红平　（１．川庆钻探工程有限公司钻采工艺技术研究院　２．西南石油大学化学化工学院）　摘　要　对防砂用水泥浆进行了研究，得出最佳实验配方：ＺＳＪ一１Ｏ加量为７．５　，水灰比为　０．６，石英砂为水泥质量１５　，促凝剂０．５　，降失水剂３．１　，试验温度为５Ｏ℃，候凝时间７２　ｈ。在　此配方下形成的水泥石其抗压强度达到６　ＭＰａ￣８　ＭＰａ，经一定处理后渗透率达到０．６　ｆｆｍ　～０．８　“ｍ　。在模拟地层环境下耐碱、油、盐水的侵蚀能力较强。由扫描电镜照片可以看出，该水泥浆体　系所形成的水泥石具有良好的渗透率和防砂能力。　关键词　高渗透水泥　抗压强度　渗透率　电镜扫描　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１Ｏ０７—３４２６．２０１０．０５．０１　７　高渗透水泥防砂技术解决了稠油井生产出砂问　理可知，只要在水泥中加入有机溶剂，则这些有机颗　题。其基本原理是在水泥中加入适量的可油溶或高　温可溶的增渗剂和促渗剂，配制成能满足注水泥或　挤水泥施工条件的水泥浆，并泵人施工地层，待水泥　浆凝固后，对水泥石进行热油处理或是高温蒸汽处　理，使水泥石潜在孔隙相互连通，渗透率大大提　高　。本文对高渗透水泥浆配方进行了室内研　粒材料将从水泥石中析出，其最初占据的位置出现　孔隙，成为油气流的通道，使得水泥石具有较高的渗　透率　。实验考察了增渗剂ＺＳＪ一１０用量对水泥石　性能的影响。结果见表ｌ。　究，并对所形成的水泥石进行了性能评价。通过电　镜扫描照片，对其渗透率和防砂能力进行了说明。　１实验部分　１．１实验材料　油井用水泥；ＺＳＪ一１０；石英砂：ＳｉＯ　（含量＞　９５　，通过０．０７４　ｍｍ～Ｏ．２５　ｍｍ筛）；ＣａＣＩ２等。　由表１可以看出，随着ＺＳＪ一１０加量的增加，所　形成的水泥石强度降低，而渗透率有所增加。这是　因为随着ＺＳＪ—ｌ０加量的增加，它所占据的水泥石　１．２实验步骤　１．２．１增渗剂的研究　要增加水泥石的渗透率，就必须在水泥浆配方　中加入一定的增渗剂，它在水泥凝固后能够在水泥　石中占有大量的空间体积，从而形成分布较均匀的　孔隙，在经过处理后，这些孔隙相互连通，达到很好　的渗透率。本试验选取的是一种天然改性油溶性增　渗剂ＺＳＪ一１０，该材料不与水泥自身的矿物材料发　生反应。在水泥浆配制好后，均匀地分散于水泥浆　孔隙增加，相对而言它能承受的压力必然降低。综　合考虑，ＺＳＪ一１０加量控制在７．５　比较合适。　１．２．２水泥浆水灰比（Ｗ／Ｃ）的确定　在增渗剂ＺＳＪ一１０加量为７．５　的情况下，研　究了水泥浆的水灰比影响。结果见表２和表３。　中，占据了水泥石中的大部分孑Ｌ隙。由相似相溶原　备注：在５Ｏ℃的条件下养护９６ｈ。　防砂用高渗透水泥浆体系的研究　由表２可以看出，随着水灰比的增加，水泥浆体　为水泥质量的１５　。　２Ｏ１Ｏ　系的析水率明显增大，这是由于随着水灰比的增加，　１．２．４水泥促凝剂用蛙的确定　由于水泥中加入了油溶性的单体，所以会对水　水泥颗粒表面与水接触更充分，因而水化速ＮＮ＇１￣，　即单位时间内水泥的水化程度越高。但水灰比过　高，水化产物之问胶凝更为困难，析出的水变大，导　致水泥石强度发展较慢。从表２可以看出水灰比在　泥的凝固产生一定的影响，要想水泥在前期就具有　良好的性能，就要考虑加入一定量的促凝剂，它对水　泥的凝固有明显的增强作用，不但可使其早期强度　有大幅度的提高，也可使后期强度有一定程度的增　长，并且促凝剂还能加快水泥的水化速度，使它的凝　结时间明显缩短ｌ＿６　。结果见图２。　０．４４～Ｏ．６范围内析水率都比较小。所以选择水灰　比为０．５和０．６进行下一步的研究。　备注：在５０。Ｃ的条件下养护９６ｈ。　由表３可以看出，水灰比为０．６的浆体的综合　性能优于水灰比为０．５的浆体。因此选用水灰比为　０．６的浆体，不但能更好地满足注水泥施工对水泥　浆强度的要求，而且能达到很好的渗透率　］。　１．２．３水泥浆中　英砂的确定　通过上述实验得到的水泥浆配方，虽然有一定　由图２可以看出，随着促凝剂用量的增加。水泥　石的强度也在增加。但是随着加量增加的同时，水　的渗透率，但是要达到一个渗透率与抗压强度的最　佳值，还要通过加入石英砂来进行调节。改变石英　砂的用量，通过考察水泥石的抗压强度和渗透率来　确定石英砂的最佳用量【　］。实验结果见图１。　泥的初凝时间在缩短，所以应当综合考虑。确定促　凝剂最佳加量为体系总质量的０．５　。　１．２．５水泥浆中降失水剂的研究　由于现场施工通常要进行几小时，候凝时间则　更长。在这段时间里，水泥浆中的自由水有一部分　参与水化反应，其余的则可能表现为析水、失水或存　在于水泥颗粒之间，而自由水的析出会引起水环或　水带，影响防砂的效果，所以需要加入一定量的降失　水剂来进行调节，结果见图３。　由图３可以看出，随着ｓｓＪ加量的增加，水泥浆　一　吕　由图ｌ可以看出，随着石英砂加量的改变，抗压　强度变化较小，只在一定的范围内波动，而渗透率的　变化趋势却很明显，这可能是由于石英砂对水泥的　水化过程没有什么影响，但是它却能增加水泥石的　孔隙度，综合考虑抗压强度和渗透率，并根据防砂要　求“高抗压强度值和高渗透率”，确定石英砂的用量　降失水剂的加量，％　图３降失水剂ｓｓＪ加量对失水量的影响　（注：ＺＳＪ一１０加量为７．５％；水灰比为０．６；石英砂为水泥　质量的１５％；促凝剂Ｏ．５％；试验温度为５　０℃；时间９６ｈ）　石油与天然第３９卷　第５期　气化工　４３７　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＯＦ　ＯＩＬ＆ＧＡＳ　的３０　ｒａｉｎ失水量降低，在ＳＳＪ加量为２．５　～３．　泥胶结物先发生酸性腐蚀，然后发生溶出性腐蚀。　具体表现为体系中Ｎａ　和Ｃａ　浓度不断增加。在　前３０天，水泥中Ｎａ　和Ｃａ。　的溶出速度最快。　０　时，随着ＳＳＪ加量的增加，水泥浆的失水量降低　较快；当加量大于３．０　的时候，失水量呈现一个相　对平缓的下降趋势。综合考虑现场的要求，最后确　定降失水剂ＳＳＪ的加量为３．１　１．６水泥候凝时间的确定　以５Ｏ℃的低温井温度为例来确定合适的候凝　时间。候凝时间对水泥石抗压强度的影响实验结果　见图４。　］。　溶液　蒸馏水　ＮａＣｌ　Ｎａ２ＣＯ３　ＮａＨＣＯ３　未浸泡　ＭＰａ　／，ｍ。　浸泡３０天　ＭＰａｕｍ　浸泡６Ｏ天　ＭＰａ　／，ｍ　原抗压强度原渗透率抗压强度渗透率抗压强度渗透率　，６．９３　６．９１　６．８９　６．９６　Ｎａ２ＳＯｄ　ＭｇＳＯ４　ＨＣｌ　６．８９　６．９４　６．９３　混合液　混合油　６．９８　６．９７　２．２水泥石的防砂性能　按照本次实验所推荐配方，制得水泥石，将其放　入岩心夹持器中，然后在进口端分别放入０．２５　ｍｍ　０　７　Ｏ　７　０　７　Ｏ　７　Ｏ　７　Ｏ　７　８　７　８　６　７　７　以上、Ｏ．２５　ｍｍ～０．１７７　ｍｍ、０．１７７　ｍｍ～０．１２５　ｍｍ、０．１０５　ｒｎｍ～０．０７４　１Ｔｉｍ、０．０７４　ＩＴｌｍ以下的石　由图４可以看出，随着候凝时间的增加，水泥石　６　６　６　３　６　６　ｎｖ　９　５　８７　６４　ｌ４　３３　４英砂压实，在压差为０．７　ＭＰａ和２．０　ＭＰａ条件下，　连续注入煤油。观察乳化柴油水泥石的出砂情况．　结果表５。　的抗压强度在前期变化较快，７２　ｈ后，其抗压强度　０　７　７　０　７　Ｄ　０　７８　　０　７６　　０　７７　　０　７６　　的变化趋势较小，基本上趋于平缓。所以，本试验中　的水泥浆体系的候凝时间确定为７２　ｈ比较合适。　６　６　６　６９　９；　６　一　　２高渗透水泥石的性能评价　■■　Ｏ　Ｏ　０　一　０　Ｏ　■　粒径，ｍｌ＂ｎ　７　６　７　７　７　出砂情况　无　无　无　无　２．１水泥石的耐腐蚀性　＞０．２５　０．２５～０．１７７　Ｏ．１７７～Ｏ．１２５　Ｏ．１Ｏ５～Ｏ．０７４　对水泥石的耐腐蚀性进行了一系列的评价研　究。将配制好的水泥石样分别浸泡在１Ｏ　Ｎａ２ＣＯ　ｓ、２０　ＮａＣＩ、１０　ＭｇＳＯ４、１０　９／６　Ｎａ２ＳＯ４及　＜０．０７４　有　２　盐酸溶液（表４中“混合液”是指１０　Ｎａ　ＣＯ。、　２Ｏ　ＮａＣ１、１０％ＭｇＳＯ　、１０Ｖｏｏ　Ｎａ２ＳＯ　各占２５　由表５可以看出，在压差为０．７　ＭＰａ和２．０　ＭＰａ时，连续注入煤油。当粒径大于０．０７４　１Ｔｉｍ　时，乳化柴油水泥石无出砂情况出现；当装入小于　０．０７４　ｍｍ石英砂时，水泥石中有砂流出。由此可　以说明该水泥浆体系形成的乳化柴油水泥石对大于　０．０７４　ｍｍ粒径的砂有较好的防挡能力。　２．３电镜实验分析　的混合溶液；“混合油”是指润滑油和煤油的混合物）　中，在３Ｏ℃下浸泡一定时间后，测其渗透率和抗压　强度的变化。其实验结果见表４。从表４可看出，　水泥石在蒸馏水和１０　Ａｏ　Ｎａ　ＣＯ。、２０　ＮａＣ１、１０　ＭｇＳＯ　、１０　Ｎａ　ＳＯ　溶液及混合溶液、油类物质　中浸泡后，其渗透率和抗压强度方面无太大的变化，　所以该水泥体系能够耐油、碱、盐水的侵蚀。在２　９／６　ＨＣＩ和ｌＯ　ＮａＨＣＯ。溶液中水泥石被严重地侵蚀　了，其表面呈酥软状态。这是因为在酸性介质中．水　由上述实验所得到的最优配方制备水泥石．通　过扫描电镜实验来分析水泥石的内部结构，结果见　图５。　４３８　防砂用高渗透水泥浆体系的研究　温度为５Ｏ℃，候凝时间７２　ｈ。　２０１０　（２）对最佳实验条件下所形成的水泥石进行性　能测试，结果表明强度能达到７　ＭＰａ左右，渗透率　在０．７８　ｍ　左右，且具有良好的抗腐蚀能力。　（３）通过扫描电镜照片可以看出，当ＺＳＪ～ｌＯ　在水泥石中被析出后，在水泥石中出现了细小的孔　隙，且这些细小的孔隙的直径小于沙粒的直径，砂粒　不能从其中通过，从而成为一个滤砂的屏障，所以该　配方具有良好防砂能力和渗透率。　从图５可以看出，水泥石内部被细小的空洞所　参考文献　１何更生．油层物理［Ｍ］．北京：石油工业出版杜，２００５　２房志毅，吴仕荣，姚坤全，等．三凝水泥浆体系在深井、超深井固井　中的应用．天然气工业．２００８，２８（７）：５８—５９　充满，形成了一系列连通性网状结构。这说明了油　溶性的增渗剂已经充分地分散于水泥浆中，在经过　柴油浸泡后，增渗剂会析出来，从而形成圆形的小空　洞，在小空洞的数量达到一定的时候，它们之间相互　３蔡长宇，刘晓明．高渗透水泥防砂配方技术研究［Ｊ］．钻采工艺．　２００３，２６（５）：５３—５４　连通，而且这种通道的大小从电镜扫描得知远远小　于砂砾颗粒，砂粒不能从其中通过，从而成为一个滤　砂的屏障，阻挡了地层砂进入井筒，达到防砂的效　果。　４陈大钧．陈二丁，韩利娟．用于防砂的高渗透水泥浆体系［Ｊ］．钻井　液与完井液，２０００，（２）：１９—２１　５李宾元，王成武．青海台南一涩北气田出砂机理及防砂技术研究　［Ｊ］．西南石油学院学报，２０００．２２（】）：２４—４３　６李雨威，王　乐，王胜林，陈馥［Ｊ］．石油与天然气化工，２００９，３８　（１）：６９—７１　３结论　（１）由实验得出的高渗透水泥浆最佳配方为：　ＺＳＪ一１０加量为７．５　，水灰比为０．６，石英砂为水　７陈大钧，等［Ｍ］．油田应用化学．北京：石油工业出版社２００５　收稿日期：２０１ｏ　０３—１６；收修改稿：２０１　０—０４—０２；编辑：冯学军　泥质量１５　，促凝剂０．５　，降失水剂３．１％，试验　（上接第４０１页）　３董子丰．气体膜分离技术在石油工业中的应用口］．膜科学与技术，　２０００，２０（３）：３８—４３　作者简介　孟志强：男，１９７５年生。１９９７年毕业于北京化工大学化学工　程专业。工程师，现在中国石油庆阳石化公司工作。　４瞿翠萍，周玉强等．膜分离技术在聚丙烯装置上的应用［Ｊ］．石油化　工应用。２００９。２８（２）：９０—９２　５王建宏，陈家庆等．加油站膜分离烃类ＶＣ　Ｓ回收技术分析．膜科　学与技术，２００９，２９（３：）：９３—９８　６黄敬．油气膜分离回收技术在汽油装车系统中的应用．油气田环　收稿日期：２ｏｌｏ　０４—１３；收修改稿：２ｏ１０－－０５—２７；编辑：杨　兰　境保护，２００７（１２）：３４—３６　７那８谭３７　强．油气回收技术的比选．江西化工，２００９（２）：４５—４８　胜．油气回收技术的应用与比较．当代化工，２００８，３７（１）：３５—　９加油站大气污染物排放标准．中华人民共和国国家标准。ＧＢ２０９５２　—２００７　１Ｏ黄维秋，钟爨等．膜分离技术在油气回收中的应用［Ｊ］．石油化　工环境保护，２００５，２８（３）：５ｌ一５４　１１李秀生，王灵碧．油气操作成本动因分类方法研究．天然气工业，　２００８。２８（１）：１４６—１４８