高密度欠飽和水泥漿流經(jīng)鹽層性能變化的研究

袁中濤，艾正青，鄧建民，楊 謀

1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院(新疆庫爾勒841000)

2.西南石油大學(xué)(四川成都610500)

高密度欠飽和水泥漿流經(jīng)鹽層性能變化的研究

袁中濤1，艾正青1，鄧建民2，楊 謀2

1.中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院(新疆庫爾勒841000)

2.西南石油大學(xué)(四川成都610500)

目前國內(nèi)外對高密度水泥漿的自身性能研究較多，針對水泥漿在流經(jīng)實(shí)際地層后的性能變化的研究尚屬空白，而水泥漿在地下的性能變化對固井施工的安全和質(zhì)量都有著極為重要的影響。采用密度為2.30g/cm3的、含鹽量分別為10%(NaCL)和18%(NaCl)的2種高密度鹽水水泥漿，模擬施工過程中水泥漿其流經(jīng)不同厚度的鹽層，測試模擬流經(jīng)鹽層前后的密度，對比分析了所流經(jīng)鹽層厚度、水泥漿含鹽量、環(huán)空返速對密度變化的影響情況。結(jié)果表明，水泥漿流經(jīng)鹽層后，密度將增加;在流經(jīng)相同厚度鹽層時，環(huán)空返速越高，水泥漿的密度增加越大。

高密度鹽水水泥漿;模擬流經(jīng)鹽層;水泥漿含鹽量;環(huán)空返速

目前，國內(nèi)外對高密度水泥漿的自身性能研究較多，關(guān)于鹽對水泥漿性能影響，也有眾多研究人員進(jìn)行了研究［1-10］，而針對水泥漿在流經(jīng)實(shí)際地層后的性能變化的研究尚屬空白，而水泥漿在地下的性能變化對固井施工的安全和質(zhì)量都有著極為重要的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

采用自制的水泥漿流經(jīng)鹽層的實(shí)驗(yàn)儀器［11］，進(jìn)行了鹽水水泥漿模擬流經(jīng)鹽層前后密度變化的室內(nèi)研究。

采用了密度為2.30g/cm3、含鹽量分別為10% (NaCL)和18%(NaCL)的2種水泥漿:

配方1:阿H水泥+90%鐵礦粉(BWOC)+30%硅粉(BWOC)+12%微硅(BWOC)］固+8%降失水劑(BWOC)+5%緩凝劑(BWOC)+10%鹽(NaCl)+0.1%消泡劑(BWOC)。

性能:密度:2.30g/cm3;流動度23.7cm;稠化時間:435min(144℃×83MPa×70min);失水量:30mL/30 min(144℃×6.9MPa);自由水含量0;抗壓強(qiáng)度21.92 MPa(160℃×21MPa×48h)。

配方2:阿H水泥+90%鐵礦粉(BWOC)+30%硅粉(BWOC)+12%微硅(BWOC)］固+8%降失水劑(BWOC)+3%緩凝劑(BWOC)+18%鹽(NaCl)+0.1%消泡劑(BWOC)。

性能:密度2.30g/cm3;流動度22.9cm;稠化時間:440min(144℃×83MPa×70min);失水量38mL/30 min(144℃×6.9MPa);自由水含量0;抗壓強(qiáng)度:21.26 MPa(160℃×21MPa×48h)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用實(shí)驗(yàn)儀器，對2種水泥漿體系在1m/s，0.5m/s返排速度情況下進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，水泥漿流經(jīng)模擬鹽層的厚度為120m、240m、360m、480m和600m。模擬其流經(jīng)不同厚度的鹽層，測試模擬流經(jīng)鹽層前后的密度，對比分析了所流經(jīng)鹽層厚度、水泥漿含鹽量、環(huán)空返速對密度變化的影響情況。

表1 模擬環(huán)空返速0.5m/s時水泥漿流經(jīng)不同厚度鹽層前后的密度變化情況

表2 模擬環(huán)空返速1m/s時水泥漿流經(jīng)不同厚度鹽層前后的密度變化情況

圖1 不同環(huán)空返速時水泥漿密度隨流經(jīng)鹽層厚度變化示意圖

圖2 不同含鹽量時水泥漿密度隨流經(jīng)鹽層厚度變化示意圖

表1、表2是分別模擬環(huán)空返速0.5m/s、1m/s時水泥漿流經(jīng)不同厚度鹽層前后的密度變化情況。

圖1是不同含鹽量時水泥漿密度隨流經(jīng)鹽層厚度的變化示意圖。圖2是不同環(huán)空返速時水泥漿密度隨流經(jīng)鹽層厚度的變化示意圖。

從表1、表2、圖1、圖2可以看出:

1)水泥漿流經(jīng)鹽層后，密度將增加。且隨著所流經(jīng)鹽層厚度的增加，而增加。

2)在流經(jīng)相同厚度鹽層時，低含鹽量水泥漿的密度比高含鹽量水泥漿的密度增加幅度相對要大。

3)在流經(jīng)相同厚度鹽層時，環(huán)空返速越高，水泥漿的密度增加越大。

巖鹽的溶解過程是一個物理化學(xué)過程，他是鹽體與溶劑界面上發(fā)生的一種非均質(zhì)反應(yīng)。這種反應(yīng)包括溶劑進(jìn)入溶質(zhì)表面，溶劑與溶質(zhì)間相互作用以及溶解后的溶質(zhì)擴(kuò)散等基本過程。

巖鹽溶解、擴(kuò)散的化學(xué)勢主要是溶劑NaCL的濃度差和溫度。當(dāng)溶劑作用到巖鹽礦物的表面時，NaCL分子由于本身的運(yùn)動和溶劑分子對它的吸引，逐漸離開鹽體表面并通過擴(kuò)散作用分散到溶劑中去。與此同時，進(jìn)行著一個與溶解相反的過程，即結(jié)晶(析鹽)。溶解到溶劑中的溶質(zhì)的Na+和Cl-離子在運(yùn)動過程中遇到尚未溶解的NaCl晶體，又被吸引住重新回到巖鹽體表面。在開始溶解時，溶液中的溶質(zhì)粒子很少，溶解速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)晶速度。因此表現(xiàn)出來的似乎只是固體的溶解。隨著溶解過程的繼續(xù)進(jìn)行，單位體積內(nèi)溶質(zhì)的分(離)子數(shù)逐漸增多，溶液的濃度逐漸增大，結(jié)晶的速度也隨之增大。當(dāng)溶液中的溶質(zhì)質(zhì)量增加到一定程度，結(jié)晶速度與溶解速度相等時，巖鹽的溶解形成動態(tài)平衡。NaCL的溶解同時發(fā)生2種過程:①破壞晶格，溶質(zhì)粒子與晶體分離向溶液中擴(kuò)散，吸收熱量的物理過程;②NaCL分子與水分子結(jié)合生成水化合物并放出熱量的化學(xué)過程。

巖鹽的溶解速率除與巖鹽本身結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、含量有關(guān)，還受溶劑性質(zhì)、溶液濃度、溫度、傾角等因素約束。當(dāng)溶液濃度為零時，NaCL溶解速度將達(dá)到最大值，當(dāng)溶液濃度與飽和濃度相同時，NaCL溶解化學(xué)勢為零，其NaCL總體溶解速率為零。

由此可見，不同鹽含量的水泥漿體系經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)后的密度變化幅度不同:低含鹽水泥漿大于高含鹽水泥漿。正是由于基漿的鹽濃度不同，導(dǎo)致了其密度的變化幅度不同。

隨著流經(jīng)鹽層厚度的增加，水泥漿與鹽層接觸的時間增加，相應(yīng)的所溶解的鹽量增加，其密度增加。

對于同樣厚度的鹽層，返速不同時所流經(jīng)的時間不一樣。返速高時間相對短，返速低時間相對長。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在流經(jīng)相同厚度鹽層時，環(huán)空返速越高，水泥漿的密度增加越大。這說明，水泥漿在鹽層壁面的剪切速率對鹽溶解速度的影響大于相應(yīng)的時間的影響。

水泥漿密度增加，將導(dǎo)致環(huán)空的靜液柱壓力。假設(shè)鹽層上的水泥封固長度為800m、所流經(jīng)的鹽層厚度為600m，返速為1m/s。計(jì)算結(jié)果表明，鹽層頂以上由于水泥漿密度增加所增加的靜液柱壓力分別為:10%含鹽量的水泥漿增加0.40MPa，18%含鹽量的水泥漿增加0.32MPa。

所以現(xiàn)場固井施工過程中應(yīng)考慮水泥漿流經(jīng)鹽層后密度變化的影響因素，根據(jù)鹽層的厚度對水泥漿的密度做相應(yīng)的調(diào)整，尤其是窄壓力安全窗口固井。

3 結(jié)論

1)水泥漿流經(jīng)鹽層后，密度將增加。且隨著所流經(jīng)鹽層厚度的增加，密度增加值越大。

2)在流經(jīng)相同厚度鹽層時，低含鹽量水泥漿的密度比高含鹽量水泥漿的密度增加幅度相對要大。

3)在流經(jīng)相同厚度鹽層時，環(huán)空返速越高，水泥漿的密度增加越大。

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［11］李明亮.水泥漿流經(jīng)鹽層后性能變化的研究［D］.成都:西南石油大學(xué)，2009.

Currently，the studies on the high density slurry at home and abroad focus on its own properties，the study on the performance changing of the high-density slurry flowing through salt layer is little.But the underground performance changing of the highdensity slurry is important to the safety and the quality of cementing.The performance changing of high-density slurry flowing through the salt layer of different thickness in cementing is simulated using two kinds of slurry whose density is all 2.30g/cm3and NaCl content is 10%and 18%separately，the density of two kinds of slurry before and after flowing through salt layer is measured，and the effects of the thickness of salt layer，the NaCl content of slurry，the slurry flowing rate in annular space on the change of slurry density are studied.It is shown that:the density of slurry increases when the slurry flows through salt layer;when flowing through the salt layer of the same thickness，the higher the flow rate of the slurry in annular space，the more the density of slurry increases.

high-density salt water slurry;simulation of flowing through the salt layer;salt content of slurry;return flow rate in annular space

尉立崗

2015-03-31

袁中濤(1983-)，男，主要從事油氣井固井方面的科研和生產(chǎn)管理工作。