石油与天然气化工  2010, Vol. 39 Issue (5): 435-438
防砂用高渗透水泥浆体系的研究
袁志平1 , 黄志宇1 , 张太亮2 , 全红平2     
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
收稿日期：2010-03-16；修回日期：2010-04-02
编辑：冯学军
摘要：对防砂用水泥浆进行了研究, 得出最佳实验配方: ZSJ-10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50℃, 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 μm2~0.8 μm2。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    
Research on High Permeable Cement Slurry System for Sand Control
Yuan Zhiping1 , Huang Zhiyu1 , Zhang Tailiang2 , et al     
1. CCDC Drilling & Production Technology Research Institute, Guanghan 618300, Sichuan;
2. Department of Chemical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan
Abstract: In this paper, we studied cement slurry system for sand control and the optimal experimental conditions: ZSJ-10 7.5%; water:cement ratio 0.6; quartz sand 15%; coagulant 0.5%; fluid loss agent 3.1%; test temperature 50℃; curing time 72h.Under this conditions, its compression strength reaches 6MPa~8MPa after treatment, and permeability can reach 0.6μm2~0.8μm2. This cement system has good alkali, oil and brine resistance under the simulated formation. Through the scanning electron micrograph, the cement system will also have good permeability and sand control ability.
Key words: high permeable cement    compressive strength    permeability    scanning electron microscope    

高渗透水泥防砂技术解决了稠油井生产出砂问题。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, 并泵入施工地层, 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[1, 2]。本文对高渗透水泥浆配方进行了室内研究, 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-10;石英砂:SiO2(含量>95%, 通过0.074 mm~0.25 mm筛); CaCl2等。

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-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中, 占据了水泥石中的大部分孔隙。由相似相溶原理可知, 只要在水泥中加入有机溶剂, 则这些有机颗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[3]。实验考察了增渗剂ZSJ-10用量对水泥石性能的影响。结果见表 1。

表 1    ZSJ-10的加量对抗压强度/渗透率的影响

由表 1可以看出, 随着ZSJ-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-10加量的增加, 它所占据的水泥石孔隙增加, 相对而言它能承受的压力必然降低。综合考虑, ZSJ-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-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。

表 2    不同水灰比下的水泥浆密度及析水率

表 3    水灰比对流动度、抗压强度和渗透率的影响

由表 2可以看出, 随着水灰比的增加, 水泥浆体系的析水率明显增大, 这是由于随着水灰比的增加, 水泥颗粒表面与水接触更充分, 因而水化速度越快, 即单位时间内水泥的水化程度越高。但水灰比过高, 水化产物之间胶凝更为困难, 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0.44~0.6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。

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[4]。

1.2.3 水泥浆中石英砂的确定

通过上述实验得到的水泥浆配方, 虽然有一定的渗透率, 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[5]。实验结果见图 1。

图 1     加砂量的确定

由图 1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”, 确定石英砂的用量为水泥质量的15%。

1.2.4 水泥促凝剂用量的确定

由于水泥中加入了油溶性的单体, 所以会对水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[6]。结果见图 2。

图 2     促凝剂用量的确定

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。

图 3     降失水剂SSJ加量对失水量的影响 （注：ZSJ-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0.5%；试验温度为50℃；时间为96h）

由图 3可以看出, 随着SSJ加量的增加, 水泥浆的30 min失水量降低, 在SSJ加量为2.5%~3.0%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%[7]。

1.6 水泥候凝时间的确定

以50℃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。

图 4     候凝时间对水泥石抗压强度的影响 （注：ZSJ-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0.5%；降失水剂3.1%；试验温度为50℃）

由图 4可以看出, 随着候凝时间的增加, 水泥石的抗压强度在前期变化较快, 72 h后, 其抗压强度的变化趋势较小, 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。

2 高渗透水泥石的性能评价
2.1 水泥石的耐腐蚀性

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10% Na2CO3、20% NaCl、10% MgSO4、10% Na2SO4及2%盐酸溶液(表 4中“混合液”是指10% Na2CO3、20% NaCl、10% MgSO4、10% Na2SO4各占25%的混合溶液; “混合油”是指润滑油和煤油的混合物)中, 在30℃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% Na2CO3、20% NaCl、10% MgSO4、10% Na2SO4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% HCl和10% NaHCO3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Ca2+浓度不断增加。在前30天, 水泥中Na+和Ca2+的溶出速度最快。

表 4    模拟环境对水泥石的抗压强度和渗透率的影响

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以上、0.25 mm~0.177 mm、0.177 mm~0.125 mm、0.105 mm~0.074 mm、0.074 mm以下的石英砂压实, 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。

表 5    不同粒径下水泥石出砂情况

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 mm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

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。

图 5     水泥石显微结构

从图 5可以看出, 水泥石内部被细小的空洞所充满, 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。

3 结论

(1) 由实验得出的高渗透水泥浆最佳配方为: ZSJ-10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50℃, 候凝时间72 h。

(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 μm2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-10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。

参考文献
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