抗高溫防CO2和H2S腐蝕水泥漿體系研發(fā)與應(yīng)用

趙 軍 徐璧華 邱匯洋 謝應(yīng)權(quán) 方國偉

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 河北三河 065201； 2. 西南石油大學(xué) 四川成都 100084)

抗高溫防CO2和H2S腐蝕水泥漿體系研發(fā)與應(yīng)用

趙 軍1徐璧華2邱匯洋1謝應(yīng)權(quán)2方國偉1

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 河北三河 065201； 2. 西南石油大學(xué) 四川成都 100084)

印度尼西亞BD氣田開發(fā)層位為礁灰?guī)r地層，具有高溫高壓、富含CO2和H2S等酸性氣體的特點(diǎn)，給該氣田開發(fā)井固井防腐作業(yè)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。研發(fā)了多功能防腐劑PC-MTA，并通過優(yōu)化顆粒級配技術(shù)構(gòu)建了抗高溫防CO2和H2S腐蝕水泥漿體系。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價表明，所構(gòu)建的抗高溫防CO2和H2S腐蝕水泥漿體系具有良好的防腐力學(xué)性能、流變性能和防氣竄性能，目前已在BD氣田4口開發(fā)井固井作業(yè)中取得成功應(yīng)用，固井質(zhì)量優(yōu)良，可為類似氣田固井防腐作業(yè)提供借鑒。

抗高溫；防腐蝕；二氧化碳；硫化氫；多功能防腐劑PC-MTA；水泥漿體系；印尼BD氣田

BD氣田位于印度尼西亞Madura海峽，地質(zhì)條件復(fù)雜，開發(fā)層位為礁灰?guī)r地層，地層溫度151 ℃，地層壓力56 MPa，富含CO2和H2S酸性氣體(其中CO2含量6.59%， H2S含量0.59%)，給鉆井和固井施工作業(yè)都帶來極大的困難。20世紀(jì)80年代末期在BD氣田進(jìn)行的2口探井作業(yè)，在鉆進(jìn)或固井時遇到漏失、環(huán)空溢流、酸性氣體腐蝕等問題，導(dǎo)致了該氣田開發(fā)滯后。為了順利開展BD氣田的鉆井作業(yè)，須克服高溫條件下酸性氣體對水泥漿的腐蝕破壞。以往現(xiàn)場應(yīng)用的防腐水泥漿主要是利用膠乳或樹脂作為防腐劑，微硅作為填充材料，來提高水泥石的致密性，增強(qiáng)其防腐蝕性能[1-4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，盡管上述措施可以使水泥石防腐性能得到一定的提高，但對于防腐性能的評價多為單一的CO2或H2S腐蝕[5-6]，對于高溫高壓條件下CO2和H2S同時存在的腐蝕研究還較少。為滿足BD氣田高溫高壓富含CO2和H2S地層固井施工要求和保證油氣井的生產(chǎn)壽命，筆者開展了高溫高壓條件下防CO2和H2S酸性氣體腐蝕水泥漿體系的研發(fā)，構(gòu)建了以多功能防腐劑PC-MTA為主的抗高溫防CO2和H2S腐蝕水泥漿體系并在該氣田4口開發(fā)井取得成功應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

1 抗高溫防腐蝕水泥漿體系的構(gòu)建

1.1 構(gòu)建思路

參考以往膠乳或樹脂結(jié)合微硅來改善水泥石抗腐蝕性能的方法，為了提高硅酸鹽G級水泥石高溫高壓抗酸性氣體腐蝕能力，提出了化學(xué)反應(yīng)與物理填充相結(jié)合的方法構(gòu)建高溫防腐蝕水泥漿體系。

1) 通過化學(xué)反應(yīng)，研發(fā)了多功能防腐劑PC-MTA。該多功能防腐劑可以與水泥形成良好的顆粒級配，同時其中含有一定量的球形顆粒材料，可以改善水泥漿的流動性。多功能防腐劑PC-MTA部分成分富含SiO2，可與Ca(OH)2反應(yīng)產(chǎn)生水化硅酸鈣新物相C-S-H-(Ⅱ)，從而使水泥石結(jié)構(gòu)致密，進(jìn)而提高水泥石抗侵蝕能力，其反應(yīng)式為

2) 加入一定量的膠乳，通過其在水泥石空隙間充填聚合物薄膜或凝膠粒，使水泥石滲透率下降，提高水泥石抗侵蝕能力，同時可以增強(qiáng)水泥漿的防氣竄能力[7-9]。

1.2 配方優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

根據(jù)BD氣田的井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及地層壓力數(shù)據(jù)，固井方案設(shè)計(jì)封固目的層的水泥漿密度是1.98 g/cm3，由于井底溫度超過110 ℃，為防止水泥石高溫強(qiáng)度衰退，配方中加入35%硅粉，并加入一定量的加重材料來滿足其施工性能。為了評價所研發(fā)的多功能防腐劑PC-MTA的抗高溫防腐性能，構(gòu)建了以赤鐵礦粉PC-D20(最常用加重材料)為加重材料，輔以膠乳和樹脂的1#水泥漿配方，以及通過優(yōu)化顆粒級配技術(shù)，添加多功能防腐劑PC-MTA構(gòu)建了沒有加重劑的2#水泥漿配方；為了評價多功能防腐劑PC-MTA與加重材料的聯(lián)合防腐能力，分別選用赤鐵礦粉、錳礦粉和重晶石等3種加重劑構(gòu)建了3#、4#和5#水泥漿配方。具體水泥漿配方詳見表1。將養(yǎng)護(hù)好的不同配方制作的水泥石試塊放入高溫高壓腐蝕釜內(nèi)進(jìn)行防CO2和H2S腐蝕實(shí)驗(yàn)。

表1 抗高溫防腐水泥漿體系配方Table 1 Formula of heat resistance and anti-corrosion cement slurry system

1.2.1 腐蝕深度分析

按照表1配方，在150 ℃、40 MPa，富含6.59% CO2和0.59%H2S條件下腐蝕30、60 d后，5種不同防腐蝕水泥漿體系配方的水泥石端面腐蝕樣貌如圖1所示，腐蝕深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

從圖1、表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)過30、60 d的腐蝕后，添加了多功能防腐劑PC-MTA的2#水泥漿配方比以鐵礦粉為加重材料的1#水泥漿配方具有更小的腐蝕深度，60 d的腐蝕情況對比更加明顯。查閱文獻(xiàn)[10]可知，這主要是由于H2S易與鐵礦粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而加劇了水泥石中鐵礦粉的腐蝕。同時，對比2～5#水泥漿配方的腐蝕結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，多功能防腐劑PC-MTA單獨(dú)使用的防腐效果比與加重材料混合使用時的防腐效果好，表明通過優(yōu)化顆粒級配技術(shù)在滿足現(xiàn)場應(yīng)用水泥漿密度要求的條件下可以達(dá)到更好的防腐效果。

圖1 腐蝕30、60 d后不同防腐蝕水泥漿體系配方的水泥石端面Fig .1 The cross section of the cement stone after corrosion 30 and 60 days 表2 不同防腐蝕水泥漿體系配方的水泥石經(jīng)過30、 60 d后的腐蝕深度Table 2 The corrosion depth of cement stone from different anti-corrosion cement slurry systems after 30 and 60 days

配方編號30d腐蝕深度/mm60d腐蝕深度/mm120～3080～100202～0505～1031550～6041020～3050510～20

1.2.2 腐蝕力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

選取腐蝕30 d后腐蝕深度最淺的2#水泥漿配方(顆粒級配防腐新配方)和腐蝕較嚴(yán)重的3#水泥漿配方(常用赤鐵礦加重配方)，評價其力學(xué)性能在腐蝕前后的變化，考察水泥石被腐蝕性氣體侵入的程度。試驗(yàn)通過三軸應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)，采用不加圍壓的方式，測試腐蝕后水泥石的力學(xué)性能，并與腐蝕前的水泥石力學(xué)性能進(jìn)行對比，測試結(jié)果見表3。

從表3可以看出，2#和3#水泥漿配方的水泥石經(jīng)過CO2和H2S腐蝕30 d后,其抗壓強(qiáng)度不僅沒有降低，反而在高溫高壓養(yǎng)護(hù)作用下有較大增加。這是因?yàn)橐环矫嬖诟邷馗邏簵l件下水泥石的后期強(qiáng)度得到很大發(fā)展，使其因腐蝕帶來的對強(qiáng)度的影響并未表現(xiàn)出來；另一方面，CO2對水泥石短期腐蝕后，溶解于水中的碳酸與水泥石發(fā)生離子交換反應(yīng)，在水泥石表面形成硬度較高的CaCO3沉淀，有利于水泥石抗壓強(qiáng)度的提高。此外，2#水泥漿配方的水泥石抗壓強(qiáng)度要高于1#水泥漿配方，可見添加了本文研發(fā)的多功能防腐劑的水泥漿體系具有較好的抗高溫防腐蝕力學(xué)性能。

表3 不同水泥漿配方的水泥石在腐蝕前后的力學(xué)性能對比Table 3 Comparison of mechanical properties of cement stone from different cement slurry systems before and after corrosion

綜合上述腐蝕深度及腐蝕力學(xué)性能測試，本文構(gòu)建的2#水泥漿配方具有腐蝕深度小、腐蝕力學(xué)性能高的特點(diǎn)，因此初步選定該水泥漿體系為BD氣田抗高溫防腐蝕水泥漿體系。

1.3 防腐蝕綜合性能評價

1) 常規(guī)施工性能。對2#水泥漿配方進(jìn)行了流變性能評價，評價結(jié)果見表4。由表4可以看出，該水泥漿體系具有良好的流變性能，可滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

表4 2#水泥漿配方常規(guī)流變性能Table 4 Conventional construction performance of 2# cement slurry

2) 防氣竄性能。對2#水泥漿配方進(jìn)行了防氣竄能力評價，結(jié)果見表5。由表5可以看出，該水泥漿體系強(qiáng)度發(fā)展快，具有良好的防氣竄性能。當(dāng)孔隙壓力由2.07 MPa降為1.72 MPa通氣時，沒有發(fā)生氣竄現(xiàn)象，表明水泥漿膠凝強(qiáng)度發(fā)展迅速，防竄能力強(qiáng)。

表5 2#配方水泥漿的防氣竄性能Table 5 Gas channeling prevention performance of 2# cement slurry

2 應(yīng)用效果

BD氣田有4口開發(fā)井，其中1口為直井，3口為水平井，φ244.475 mm(含)及以上套管層次采用批鉆方式。本文構(gòu)建的新型抗高溫防腐蝕水泥漿體系在該氣田4口開發(fā)井的φ244.475 mm套管和φ177.8 mm尾管進(jìn)行了成功應(yīng)用，設(shè)計(jì)水泥漿密度1.98 g/cm3，稠化時間150～350 min，API失水量<50 mL，自由水為零，24 h抗壓強(qiáng)度>21 MPa，塑性黏度241 mPa·s，動切力12 Pa，固井施工過程安全順利，固井質(zhì)量優(yōu)良。

3 結(jié)束語

針對BD氣田高溫富含CO2和H2S氣體腐蝕環(huán)境所研發(fā)的多功能防腐劑PC-MTA具有良好的防腐蝕性能，可以通過顆粒級配技術(shù)提高水泥漿的固相含量和致密性，從而滿足防腐及密度要求。以多功能防腐劑PC-MTA為主構(gòu)建的高溫防CO2和H2S腐蝕水泥漿體系在BD氣田4口開發(fā)井固井作業(yè)中取得成功應(yīng)用，可為類似氣田抗高溫防腐水泥漿體系的研發(fā)及應(yīng)用提供借鑒，具有較好的推廣價值。

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(編輯：孫豐成)

Research and application of a heat-resisting and anti CO2and H2S corrosion cement slurry

ZHAO Jun1XU Bihua2QIU Huiyang1XIE Yingquan2FANG Guowei1

(1.COSL,Sanhe,Hebei065201,China; 2.SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan100084，China)

The producing formation of BD oilfield in Indonesia is reef limestone. The characteristics of high temperature/high pressure and rich CO2/H2S of the field pose challenges to cementing operation. A multi-function corrosion inhibitor PC-MTA was developed and a cement slurry was further formulated with it and based on the theory of engineered particle size distribution, which exhibits fair resistance to high temperature and CO2/H2S corrosion. Lab evaluation of the slurry system shows remarkable corrosion resistance, rheology performance and gas migration control. The slurry has been successfully applied in 4 development wells in BD oilfield, resulting sound bonding quality through the pay zone. Therefore it can be a model for the cementing jobs of similar wells.

high temperature resistance; corrosion resistance; CO2; H2S; corrosion inhibitor PC-MTA; cement slurry; BD oilfield in Indonesia

趙軍，男，工程師，2006年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)，主要從事油氣井固井技術(shù)研究工作。地址：河北省三河市燕郊開發(fā)區(qū)行宮西大街中海油服油田化學(xué)研究院(郵編：065201)。E-mail：zhaojun13@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0091-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.015

TE256+.1

A

2016-10-18 改回日期：2017-03-12

趙軍,徐璧華,邱匯洋，等.抗高溫防CO2和H2S腐蝕水泥漿體系研發(fā)與應(yīng)用[J].中國海上油氣，2017,29(3)：91-94.

ZHAO Jun,XU Bihua,QIU Huiyang,et al.Research and application of a heat-resisting and anti CO2and H2S corrosion cement slurry[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):91-94.