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稠油热采水泥浆技术研究现状及发展趋势_图文

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稠油热采 水泥浆 技术研究 现状 发展趋势 图文
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2014年第22期 内蒙古石油化工 1油热采水泥浆技术研究现状及发展趋势 张 浩,李厚铭,符军放,项先忠 (中海油田服务股份有限公司油田化学事业部油田化学研究院,河北燕郊065201) 摘要:稠油具有高粘度、密度大、流动性差等特点。通常采用热采的方式从井下采出。这就对井下 水泥环在高温(300—400U)下的长期完整性提出了很高的要求。本文调研了目前稠油热采时所采用 的水泥浆技术,并根据现有水泥浆技术的问题提出了今后稠油热采水泥浆技术的发展趋势。 关键词:稠油热采;水泥浆体系;高温;水泥环完整性 中图分类号:献标识码:A 文章编号:1006—7981(2014)22一3 随着全球油气资源的枯竭,稠油逐渐成为一种 未来非常重要的油气资源,据统计,全球已探明的稠 油资源储量超过3×1稠油粘度虽高,但对温 度及其敏感,每增加1O℃,稠度下降一半左右。稠油 热采即利用这一原理,通过升高油层温度,来降低稠 油粘度,使稠油易于流动,从而将稠油采出。稠油热 采技术自问世以来,形成了以蒸汽吞吐、蒸汽驱、蒸 汽辅助重力卸油、热水驱、火烧油层、电磁加热等技 术为代表的技术框架[z]。目前 稠油热采已成为世界 上规模最大的提高原油采收率项目[引。但无论采用 何种热采方式,都对高温下(300—400℃)井下水 泥环的长期耐久性提出了很高的要求。水泥环封隔 失效、套损等难题已成为影响稠油热采井效益的主 要原因之一[4]。国内外学者对此问题进行了大量的 研究,但大都集中在管材、固井方式、隔热以及注汽 工艺上,对水泥浆体系的研究并不多,本文对稠油热 采现用水泥浆体系进行了调研,并提出了今后稠油 热采水泥浆技术的发展趋势,以期为稠油热采水泥 浆技术开发有所借鉴。 1硅酸盐水泥加硅砂体系 度,渗透率应低于10—4酸盐水泥在110℃ 左右时即发生强度衰退,在水化过程中产生的硅酸 钙凝胶(C—S—H)物相发生变化,造成水泥石强度 降低,渗透率增高,产生所谓的强度衰退现象,难以 达到止这种情况发生的一种办法是在 普通水泥中加入至少35 (硅粉。这种普 通油井水泥加硅粉的水泥浆最早是由[s 在1981年提出的,其推荐组成如表1所示。 采用普通水泥加硅粉是最常见的热采井水泥浆 技术,硅粉还赋予水泥浆抵抗井下腐蚀性化学环境 的能力,尤其是在矿化度很高的情况下,加入硅粉就 显得尤为重要。固井通常使用硅材料有三种,按照粒 径大小分为硅砂,粒径在175—200~粉, 粒径在15 硅,粒径约为O.1肛m。硅砂混灰 较为容易,因为其粒径较大,比表面积较低,但应用 在热采井中,硅砂会造成水泥浆体失稳,因此选用硅 粉更为合适,硅材料的不同粒径对水泥浆的性能有 很大的影响,国外大量学者针对这一课题做了大量 研究: 表1 热采环境下推荐的水泥组成 等人研究了在23O℃下普通油井水 泥中加人不同量微硅时水泥石强度及渗透率的变 化,与传统的加入硅粉的水泥浆体系相比,其抗压强 度及渗透率均变低。 ]等人研究了水泥浆密度为15.81b/1.90,加入不同粒径硅材料分别在300、 450 及617下水泥石抗压强度及渗透率的变化, 结果表明,随着粒径大于15 泥石抗压强度下降,渗透率升高。在采用蒙脱土及 收稿日期:28一者简介:张浩,男,硕士,中海油田服务股份有限公司油田化学研究院工程师,研究方向:化学工艺。 108 内蒙古石油化工 2014年第22期 珍珠岩减轻的低密度水泥浆中(13.51b/不同 粒径的硅材料对水泥石强度及渗透率的影响区别很 大。 等人发现高浓度的氯化钠会影响 硅材料在水泥浆中的反应能力,通过减小所加硅材 料的粒径,可以降低氯化钠的影响,生成作业者希望 的高强度水化硅酸钙晶体。同时,现,对热采井中经常出现的碳酸盐,普通油井水泥 的耐受性极差,水化硅酸钙产物变得极不稳定,甚至 在常温下也是如此。 采取普通硅酸盐水泥加入硅砂的思路,解决了 井下水泥环在高温下的强度衰退问题,但对井下酸 性气体的腐蚀、热应力及压应力的耐受性仍然较差, 因此,作业者们仍在孜孜不倦的寻找更适合热采井 井况的水泥浆体系。 2铝酸盐/磷酸盐水泥体系 采用普通硅酸水泥加不同粒径的硅材料解决了 高温下强度衰退的问题,但其化学耐受性及热耐受 性差,对于热采井井下经常伴生的H。S、气体 腐蚀,硅酸盐水泥加硅粉的水泥浆体系往往在不到1 年的时间内即封隔失效;同时,反复的温度循环变化 造成水泥石开裂,封隔失效。 铝酸盐/磷酸盐水泥具有很好的抗酸性气体腐 蚀能力,在酸性气体存在条件下其使用寿命也能达 到2。这种水泥自1997年已在日本、印尼 等地开始使用。通常,磷酸盐水泥组分包括:粉煤灰、 高铝水泥、多聚磷酸钠等,随井况不同,各组分配比 不同~美国布鲁克海文国家实验室[11]成功得到了 两种此类水泥,特别适用于潮湿二氧化碳的酸性环 境。这两种水泥浆体系均具有成本低廉的优点,因为 其组成均为工业副产物。 幻等人发现使用柠檬酸作为缓凝剂,能 够显著提高磷酸盐水泥的使用温度,延长其稠化时 间。并对其缓凝机理进行深入探讨。该研究解决了 之前磷酸盐水泥固化时间短的缺点,使之可以应用 到高温的井下环境中。同时,为了解决通常稠油热采 水泥浆密度低的需求,人通过化学发泡 的方式降低磷酸盐水泥浆的密度,成功得到了密度 为1.22g/水泥浆,并在288℃下养护,与的酸盐泡沫水泥浆具有更高 的强度、更低的孔隙率。 .妇等人使用此类水泥进 行热采井钻进过程中的漏失控制。使用硼砂作为缓 凝剂,在90~持其可 泵性。现场应用取得了良好的效果。西南石油大学 的李早元[1。 等人针对目前稠油热采井层问封隔失 效问题,探索了高铝水泥替代普通加砂水泥用于热 采井固井的可行性。通过对外加剂的优选,能有效 抑制其初期水化过快引起的闪凝,水泥浆有具有良 好的耐高温强度衰退及优良的综合工程性能,能满 足稠油热采井固井的需要。 磷酸盐水泥具有普通硅酸盐水泥不具备的耐高 温衰退及抗腐蚀能力。但其水化初期过快的水化速 度限制了其应用,如何控制其水化速度,延长稠化时 间是磷酸盐水泥使用的关键技术,国内外的研究也 大都集中在缓凝剂的开发上。此外,这种水泥的抗污 染能力较差,若与普通硅酸盐水泥接触则立即发生 闪凝,也限制了此类水泥的应用。 3具有热应力补偿特性的水泥浆体系 在稠油热采井中,保证井下水泥环的强度在高 温(300℃一400℃)下不衰退是层间封隔的最基本 要求。但井下水泥环的完整性是一个复杂的问题,尤 其是在稠油热采井中,由于温度很高复,产生的热应 力足以使水泥环发生塑性变形而失效 由此引发现 场经常出现的套损或套管抬升现象。文良凡[1。 等运 用弹塑性力学以及热力学基本理论,建立了套管一 水泥环耦合模型,分析了套管与水泥环的应力分布, 为防套损及井下气窜提供了理论依据。李静等n ]根 据弹性力学和热力学理论,推导了套管一水泥环 一地层耦合系统的热应力和热位移理论计算方法。 并指出在进行稠油热采井套管抗挤毁强度计算时, 应考虑热膨胀在套管外壁产生的径向压应力的影 响。目前,预防套损或套管井口抬升主要从固井工艺 上解决,如采用预应力固井等,但对水泥浆体系的研 究较少。近年来,国外石油公司针对这一现象,开发 了以阳为代表的 (备热应力补偿的水泥浆技 术,为解决热采井套管抬升或套损等问题提供了一 条新的思路。 学性能:在抗压强度满足要求的基础上,降低水泥 石弹性模量,使之具备一定的韧性。同时,具有和套 管基本相同的热膨胀系数,当井下温度升高或降低 时,水泥环与套管同步膨胀或收缩,以此达到减少水 泥环所受应力的目的。通硅酸盐水泥、硅粉及耐热膨胀材料组成,能够满 足在低温固井时的性能要求,同时具备较高的热膨 胀系数、较低的弹性模量,并能够使用常规设备进行 2014年第22期 张浩等稠油热采水泥浆技术研究现状及发展趋势 109 固井作业。 区应用了数口稠油热采井,其注气温度 在250℃一300℃之间,水泥浆比重i.6550℃ 下养护1个月后水泥石强度仍为13前这几 口井已成功进行注气作业,运营良好。在巴林也进行 了数十次热采井固井作业,水泥浆密度在1.50左 右,第一口井已进行了3 出现任何问题。具有热应力补偿能力的水泥浆体系 是国外石油公司针对稠油热采井特点所开发的新型 水泥浆体系,与普通硅酸盐水泥浆相比,此类水泥浆 具有更高的热膨胀系数,通过与套管在温度变化过 程中的同步膨胀及收缩,来减少井下水泥环所受应 力,达到保持水泥环长期有效性的目的。这一技术目 前仍被国外石油公司所垄断。 4 结论 稠油热采井固井水泥浆体系的发展和创新是稠 油资源开采的最基本保障。防高温强度衰退是对稠 油热采水泥浆的最基本要求,此外,若具备较低的渗 透率、良好的防腐蚀性能及较好的弹韧性则更为理 想。 对于磷酸盐/铝酸盐水泥浆技术,应加大室内研 究的力度,开发高效的缓凝剂,解决此类水泥浆体系 对温度过于敏感的缺点。 针对稠油热采井特点开发功能性水泥浆体系的 需求已日益迫切,国外石油公司开发的具有热应力 补偿能力的水泥浆体系是此类水泥浆的代表。但国 内目前基础理论研究较为欠缺,应加大对水泥、陶瓷 等学科的学习,以期开发出更多更新的功能性水泥 浆体系。 [参考文献] 大为,周耐强,牟凯.稠油热采技术现状及 发展趋势西部探矿工程,2008(12):129 ~柏宗.油井固井研究专集[M].北京:石油 工业出版社出版,1998. 张义堂.热力采油提高采收率技术北 京:石油工业出版社,2006. 文章.稠油注蒸汽热采工程[M].北京:石 油工业出版社,[5] .B,.H.].875, 】979. [6] .B,.H.2nd 006. [7] ,.J.on of of in C].1911,1991. [83 .B,, .E, [J].1986(16):941~950. [9],et of a ]. of 9 98. r 1O] ,et ay M]. of 001. [11] / 000. E 1 2] / 005. ..E..R.J]. 005(27): 758~768. [14] .A,.K.in ]. 995,24(2):269~282. [15] 李早元,郭小阳,杨远光,等.新型耐高温 水泥用于热采井固井初探西南石油大 学学报,2001,23(4):29~32. [16] 文良凡,高志强,滕新兴,等.套管与水泥 环内压下热弹塑性分析[J].钻采工艺, 2011,34(6):68~70. [173李静,林承焰,杨少春.套管一水泥环一地 层耦合系统热应力理论解[J].中国石油大 学学报(自然科学版),2009,33(2):63~ 69. [1 83 ,,P].010.
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