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多分支水平井韧性水泥浆体系及其性能评价论文

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  关键词:固井,胶结性能,抗压强度,体系

  0引言

多分支水平井韧性水泥浆体系及其性能评价论文

  多分支水平井主井眼套管与多分支井套管(筛管)脱接,在交汇处存在一段裸眼井段,正常的钻进作业期间,井下作业产生的旋转、冲击和振动,对已受到完整性破坏的处于分支口的水泥环胶结将产生更大的破坏[1-3],因此需要水泥浆具有良好的抗冲击性能和长期的水泥石完整性[4]。再加上低密水泥浆强度不能满足现场作业要求[5-7],因此,需研发一套具有良好的韧性和低密高强的水泥浆体系。室内开展相关实验研究,在体系中加入研发出增强剂RT-A,配合胶乳与纤维按混合的增韧剂协同使用,一方面增强了韧性低密度水泥浆的强度,另一方面利用增韧剂韧性形变能力和膨胀性,增加水泥石抗冲击破碎性能。该增韧剂分散于水中与水泥级配很好,在压力作用下,在水泥颗粒之间形成致密的柔韧性薄膜,增加水泥浆流体阻隔能力,引起了水泥石结构形态的改变,增加水泥石的致密性,改善稠化曲线,缩短转化时间,提高水泥石的力学性能、胶结性能、为后续固井作业奠定了技术基础。

  1实验材料与实验方法

  1.1材料和仪器

  水泥,嘉华水泥厂;CF40L分散剂、CG80L降失水剂、缓凝剂H21L、消泡剂X60L、3M漂珠、稳定剂、胶乳、RAG-1膨胀剂,荆州嘉华科技有限公司;RT-A增强剂、增韧剂,实验室自制。

  YJ-2001匀加荷压力试验机,沈阳金欧科石油仪器技术开发有限公司;水泥浆胶结强度测试仪,荆州嘉华科技有限公司。

  1.2实验方法

  (1)水泥浆常规性能测试,按照国家标准对水泥浆性能进行测试[8-9]。

  (2)水泥石胶结性能测试。在常温状态下,以一定的加载速率剪切压缩水泥石-模拟套管界面,记录水泥石与模拟套管界面破坏的最大力值。由此可得水泥石的胶结强度,用于制备胶结测试试样,模具尺寸为内径为50 mm、高100 mm的模拟套管钢材圆筒。

  2韧性水泥浆主要材料组分优选

  2.1增强剂的筛选

  在固井过程中,使韧性水泥浆低密度具有高强度性能的同时达到固井基本作业要求,还具有一定的难度[10-12]。因此室内开展了不同增强剂对水泥石性能的影响评价,主要包括超细矿渣、粉煤灰、微硅以及混合增强剂RT-A性能对比,如表1所示。

  从表1实验结果不难看出,和微硅、粉煤灰及超细矿渣增强剂对比,低密度水泥浆RT-A增强剂对抗压强度有明显的提高,达到了显著的增强目的。因此室内优选RT-A增强剂。

  2.2膨胀剂的筛选

  膨胀剂对分支井在固井环节产生的微缝可以起到明显抑制作用[13]。因此笔者对不同加量的RAG-1膨胀剂性能开展了探究。表2为在70℃下养护24 h后随时间变化的膨胀情况。

  从表2可以看出,水泥石固化后的数小时,水泥石都是处于收缩状态,但是在加入膨胀剂RAG-1的水泥石收缩程度明显变小,说明RAG-1可以有效地减少水泥石的收缩程度。当膨胀剂加量为0.5%和1.0%时,水泥石的收缩程度较小,推荐1.0%RAG-1膨胀剂的加量为0.5%~1.0%。

  2.3增韧剂的筛选

  为了提高水泥石抗冲击损坏的能力,避免水泥石受集中应力作用时出现破碎,一般需要增强水泥石的弹韧性形变[14],因此室内开展了不同增韧剂对水泥石力学性能评价,实验结果如下如表3所示。

  从表3可以看出,单独加入某种增韧材料的加入对水泥石的力学性能都有一定促进作用,对水泥石的弹性模量起到了降低的作用,但是效果不明显。但是当水泥浆中加入纤维与聚合物乳液的混合材料时,水泥石抗压强度、抗冲击强度及拉伸强度得到明显增大,抗压强度达22.5 MPa,抗冲击强度为2.45 kJ/m2,说明水泥石抗冲击破坏能力强,弹性模量小于3 GPa,韧性形变能力得到明显提高,说明混合增韧剂的加入对水泥石弹韧性有显著改善作用,所以优选聚合物乳液GT及纤维复合的增韧剂。

  3韧性水泥浆性能研究

  室内通过对力学性能改善材料增强剂、膨胀剂及增韧剂的筛选,提高多分支水平井水泥浆体的强度和韧性,并协同其他水泥浆外加剂优化出一套适合多分支水平井,且性能更加优越的韧性水泥浆体系,体系配方如下所示:

  普通聚合物水泥浆:100%G级油井水泥+40%普通漂珠+30%STR增强剂+57%淡水+3.5%CG80L降滤失剂+1%CF40L分散剂+0.8%H21L缓凝剂+1.2%CF40L分散剂+1.0%CX60L消泡剂+22%胶乳;

  韧性水泥浆:100%JH/G+55%淡水+1.2%CF40L分散剂+0.8%消泡剂X60L+0.8%H21L缓凝剂4.5%CG80L降失水剂+20%3M漂珠+1.2%稳定剂+18%胶乳+10%RT-A增强剂+1%RAG-1膨胀剂+10%增韧剂。

  3.1韧性水泥浆基本性能评价

  根据多分支井主要固井特点,为达到现场作业要求,进行了水泥浆常规性能测试评价。从表4实验结果可以看出,韧性水泥浆流变性良好,水泥浆稳定性好,Δρ低于0.03 g/cm3;稠化转化时间小于20 min;稠化性能符合多分支固井需求;线性膨胀率达到0.29%,水泥石基本不发生收缩。

  3.2水泥浆力学性能评价

  前面通过优选的增韧剂和增强剂RT-A解决低密度强度和韧性问题,基于此研究的基础上协同膨胀剂来提高水泥石力学性能。韧性水泥浆和普通聚合物水泥浆体系力学性能实验结果如表5所示。

  从表5实验结果可以看出,韧性水泥浆的抗压强度、抗冲击强度、抗折强度要明显优于聚合物水泥浆,抗压强度和抗冲击强度分别增加了31%和55%,说明加入了增韧剂和增强剂RT-A使得韧性水泥石力学性能得到明显改善,并且具有较低的弹性模量,弹性模量最低为2.27 GPa,降低了61%,相比于聚合物水泥浆各方面性能优异,且满足固井要求,尤其是韧性较高。

  3.3水泥浆胶结性能评价

  室内采用水泥浆胶结强度测试仪测定韧性水泥浆胶结强度,结果如表6所示,韧性水泥浆较普通水泥浆Ⅰ界面的胶结强度提升29.8%,Ⅱ界面强度提升25.9%。

  4结论

  (1)通过膨胀剂RAG-1对水泥浆影响评价,膨胀剂的加入水泥浆具有较好的微膨胀特性。当膨胀剂加量为0.5%和1.0%时,水泥石的收缩程度较小,这对于抑制微环隙、微间隙的产生是至关重要的。

  (2)优选增强剂与增韧剂及其他添加剂配成的水泥浆各项性能良好,稠化时间可满足施工要求;线性膨胀率达到0.29%,且RT-A增强剂和增韧剂的加入,显著提高了水泥石的力学性能,弹性模量最低为2.27 GPa,降低了61%,使得水泥浆具有良好的胶结性和弹韧性,满足多分支固井要求。

  参考文献:

  [1]宗孝生.低渗油气田水平井压裂完井固井水泥浆技术研究[D].荆州:长江大学,2012.

  [2]宗孝生,何保生,张凡.一种柔性水泥浆体系的室内评价[J].石油天然气学报,2010,32(6):425-427.

  [3]马双政,许明标,何保生.分枝导流井分支口密封胶体系室内研究[J].江汉石油学院学报,2010,32(6):435-437.

  [4]金勇.小井眼固井水泥浆体系研究[D].荆州:长江大学,2014.

  [5]幸雪松,孙翀,许明标,等.提高水泥层间封隔能力的低密度弹性密封水泥浆性能评价[J].油田化学,2022,39(2):222-227.

  [6]宋建建,许明标,周俊,等.针状硅灰石微粉改善固井水泥浆性能研究[J].硅酸盐通报,2018,37(8):2657-2661.

  [7]罗洪文,李早元,程小伟,等.矿物纤维低密度水泥石力学性能研究[J].钻井液与完井液,2015,32(2):76-78.

  [8]雷霆.一种防治深水浅层地质灾害特种水泥浆体系研究[J].中国石油和化工标准与质量,2023,43(6):125-127.

  [9]步玉环,王瑞和,穆海朋,等.碳纤维改善水泥石韧性试验研究[J].石油大学学报(自然科学版),2005,29(3):53-60.

  [10]赵元伟,李鹏翔,李嘉浩,等.泸203区块页岩气水平井固井液体系与施工技术[J].河南化工,2021,38(10):26-29.

  [11]彭雷.非渗透性聚合物胶乳水泥浆技术研究[D].青岛:中国石油大学(华东),2009.

  [12]孙翀,幸雪松,武治强,等.一种低黏韧性双防低密度水泥浆的室内性能研究[J].当代化工,2023,52(3):588-592.

  [13]王晓亮,许明标,杨晓榕,等.纳米溶胶在水泥浆中的应用[J].油田化学,2021,38(3):412-416.

  [14]黄峰,许明标,宋建建,等.一种碳纤维分散液的制备及其在固井水泥浆中的应用[J].科学技术与工程,2019,19(8):74-80.

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