1、国外低密度油井水泥的研制
美国研制油井水泥减轻剂过程是一个渐进的过程。
早在20世纪40年代,美国开始用粉煤灰作油井水泥的减轻剂,至1965年在固井工程中已有年用粉煤灰13万t的记录。其时,水泥浆体采用绝对体积比,粉煤灰与水泥之比为1:1;如改为质量比,则为37:47。在该配比中掺入少量膨润土或粘土,以提高浆体的流动度和保水性,但在浆体中,膨润土之类的混合料必须搅拌均匀,方可保证质量。
当时,美国配制的纯硅酸盐水泥浆体的密度一般为1.87g/cm3,而用粉煤灰作减轻剂的水泥浆体的密度则为1.69g/cm3,已能适应一般固井工程的需要。
美国石油学会也曾经颁布油井水泥用粉煤灰标准。
1973年,美国又开始研制利用粉煤灰中空心微珠作减轻剂,来减轻油井水泥浆体的密度,至1980年获得成功。Halliburton公司曾提出以粉煤灰中“高强微珠”(Hishstrength
microspheres)作水泥减轻剂,其配制的水泥浆体的密度低达0.9~1.10g/cm3,几乎只有纯水泥浆体密度值的一半,堪称超低密度,次年获得“空心微珠低密度油井水泥”专利。
2. 国内低密度油井水泥的研制
我国低密度油井水泥研究起步较晚,但20世纪80年代以后发展速度较快,现按所用减轻剂材料,分述如下:
(1)硅粉。1966年中国建筑材料科学研究院研制出在油井水泥中添加67%的硅粉或硅藻土的低密度油井水泥。当水灰比为0.8~1.10时,密度降至1.40~1.52g/cm3,在大港油田试验成功。1974年,锦西水泥厂为辽河油田试验生产水泥浆的密度为1.55~1.60g/cm3的矿渣油井水泥,并将其用于固井。
(2)粉煤灰。20世纪80年代末,大港油田将粉煤灰添加进G级水泥中,使浆体密度降至1.50~1.60g/cm3。
(3)漂珠。为解决克拉玛依油田克拉玛依——乌鲁木齐大断裂以南的井眼漏失问题,1983年新疆石油管理局钻井工艺研究所用漂珠作减轻剂,配制低密度油井水泥,使水泥浆密度降至1.15~1.50
g/cm3,推广后较好地解决了该地区的水泥浆的漏失问题。
1984年,辽河油田将漂珠添加在锦西水泥厂75℃油井水泥中,使水泥浆密度降至1.25~1.55g/cm3,较好地防止了古潜山油矿的井眼漏失。1984~1991年共应用623井次,使用漂珠达4000余吨。
至1988年末,全国又有大庆、华北、四川、胜利、青海等油田或多或少地采用了漂珠低密度油井水泥。
1988~1990年,石油部工程技术研究所针对中原油田抗盐防漏问题,辽河油田稠油热采井防漏问题,与中原油田协作,以漂珠作减轻料,辐以T50等外加剂,研制出密度为1.20~1.40g/cm3的抗硫酸盐和耐高温的低密度水泥浆,并获得成功。(见表)
低密度水泥现场应用
序号 | 井深(m) | 套管直径(cm/in) | 封固段长度(m) | 水泥浆密度(g/cm3) | T-50外加剂掺量(%) | 稠化时间(℃/MPa)(min) | 6.9MPa 30 min 失水量(cm3) | 抗压强度(MPa)24h | 固井质量 |
1 2 3 4 5 | 2750 2205 3479 2700 2400 | 5.1/2″ 5.1/2″ 5.1/2″ 5.1/2″ 17.9/7″尾管 | 508 419 1292 395 956 | 1.35 1.35 1.35 1.37 1.21 | 5.2 6.1 3.7 3.9 6.6 | 74/33 171 50/25 149 93/42 183 72/31 136 65/28 118 | 74 54 163 94 44 |
14.9 13.3
12.1 | 合格 优 合格 优 合格 |
1990~1991年,针对稠油热采井注水泥易漏失问题,为降低耐高温低密度油进水泥的成本,辽河油田与朝阳粉煤灰水泥厂合作研制出掺有漂珠和其他外掺料、外加剂的耐高温低密度油井水泥,使密度降至1.35~1.45g/cm3。至1992年末,已应用158井次,固井质量良好。
(4)沉珠。20世经80年代末期,吉林、中原油田采用密度为1.97~2.10g/cm3的空心沉珠,辅以SNC外加剂,配制出1.55~1.60g/cm3的低密度水泥浆,并用于现场。
(5)膨润土。20世经80年代,大庆、河南、四川、青海等油田用膨润土作减轻剂配制出1.50~1.60g/cm3的低密度水泥浆。其中,尤以大庆油田最为突出,1983~1988年共应用239井次,水泥环抵抗了当地河水的腐蚀,保护了套管。
(6)硅藻土。20世经80年代末,辽河油田与朝阳粉煤灰水泥厂共同研制出硅藻土低密度油井水泥,水泥浆密度为1.40~1.55g/cm3。至1992年末,共应用231井次,获得成功。
(7)硅酸钠。1988年,华北油田用硅酸钠(代号SNC)水解,配制成1.55~1.60g/cm3低密度水泥浆,用于固井。
(8)空气。1987年开始,新疆石油管理局将空气混入水泥中,制成0.9~1.30g/cm3低泡沫低密度水泥,用于火烧山油田的低压易漏井的固井。