表层套管固井低剪切速率对水泥浆性能的影响——以厄瓜多尔安第斯区块为例.pdf
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1、收稿日期:;修订日期:。作者简介:唐凯(),男,工程师,现从事固井工艺、固井工具、水泥浆体系等方面的研究开发工作。:。文章编号:()表层套管固井低剪切速率对水泥浆性能的影响 以厄瓜多尔安第斯区块为例唐凯,陈小荣,李志宏,(中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院,陕西西安 ;低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西西安 )摘要:厄瓜多尔安第斯区块表层的固井主要应用 级油井水泥,固井过程中出现多次顶替压力异常升高。为此,针对该区块表层低返速固井水泥浆在注替过程中流动速度低、剪切速率小可能影响其水化反应速度的问题,研究了低返速固井条件所致低剪切速率对 级水泥浆性能的影响。研究结果表明,在低剪
2、切速率条件下,水泥浆的水化反应速度及进程加快,稠化时间大幅缩短,容易导至水泥浆提前稠化;水泥石悬浮稳定性和抗压强度基本不受影响;依据低剪切速率对水泥浆性能的影响,对水泥浆设计进行优化,解决了表层固井水泥浆提前稠化顶替压力异常问题。关键词:厄瓜多尔;级油井水泥;固井;剪切速率;稠化时间中图分类号:文献标识码:,(,;,):,:;厄瓜多尔安第斯区块表层固井采用 井眼下 套管,井深为 。固井主要应用 级油井水泥,固井顶替过程中有时出现压力异常升高现象,通过对现场水泥样品进行复核实验及水泥浆相容性实验,稠化时间均满足施工需求。为提高水泥浆顶替效率,表层固井采用变排量顶替工艺塞流顶替,固井注替过程中水泥
3、浆环空返速较小,实验室水泥浆稠化实验浆叶搅拌转速为 ,水泥浆剪切速率与现场施工时的剪切速率存在较大差异,通过模拟现场施工条件下剪切速率进行稠化实验,水泥浆稠化时间大幅缩短,为后期水泥配方调整提供依据,解决了固井顶替压力异 年 月石 油 地 质 与 工 程 第 卷第 期常升高问题 。顶替压力异常原因分析厄瓜多尔安第斯区块表层固井出现 次顶替过程中压力异常升高现象,以 井为例进行分析。表层井深 ,采用一次上返方式固井,水泥浆返至井口,设计领浆 ,密度 ,稠化时间 ;尾浆 ,密度 ,稠化时间 ,设计替量 ,固井顶替至 时压力升高至 ,较模拟压 力 增 加 ,井 口 返 出 正 常,顶 替 至 时压力
4、上升到 ,较模拟压力增加 ,顶替终了压力为 ,较模拟压力增加 。从 开 始 注 领 浆 到 施 工 结 束 用 时 ,开始注尾浆到施工结束用时 。取现场水样及灰样进行复合稠化实验,领浆稠化时间 ,可泵时间 ,尾浆稠化时间 ,可泵时间 ,稠化时间满足现场施工需求。对现场用钻井液和隔离液进行水泥浆污染稠化实验,水泥浆 钻井液为 和 时稠化时间分别为 和 ,均大于现场施工时间。黄柏宗等人研究表明,当温度低于 时,包括氯化钙、氯化钠、偏硅酸钠及火山灰低密度水泥浆在内的体系,降低剪切速率后稠化时间缩短,这 类水泥浆体系的稠化时间对剪切速率的变化很敏感。当用 方法测定这 类水泥浆体系的稠化时间时,在施工中
5、很可能出现提前稠化的固井事故 。厄瓜多尔表层固井采用 级油井水泥,水泥浆体系中添加了早强剂。分析认为,由于现场顶替排量小,水泥浆上返时剪切速率低,水泥浆实际稠化时间小于室内实验稠化时间,需开展低剪切速率下水泥浆稠化实验,模拟实际工况条件下水泥浆稠化规律。现场施工及稠化实验水泥浆剪切速率?在大尺寸井眼条件下水泥浆很难达到紊流顶替,为提高顶替效率采用变排量顶替工艺使水泥浆保持在塞流顶替状态。固井注替中排量降低会导致水泥浆环空返速和剪切速率降低,水泥浆的剪切速率与水泥浆在套管或环空中的流速和流变性能等因素有关。水泥浆的流速与套管、环空的尺寸以及注替排量有关,井眼尺寸受地质条件、钻井技术等因素的影响。
6、冯望生等人 利用分段研究方法,引入等效直径 ,将水泥浆的流性指数 、套管直径 和井眼直径 以及注替流量 等内外部因素联系起来,水泥浆在环空内的剪切速率计算公式如下(为计算方便,引入()()(),(),作为中间计算量,定量计算水泥浆某一状态下的剪切速率)。()()()式中:为水泥浆流性指数;为井眼直径,;为套管外径,;为环空的等效直径(非牛顿流体),;为注替排量,;为平均流速,;为剪切速率,。厄瓜多尔安第斯区块表层固井采用 井眼下 套管,顶替排量为 ,领浆的流性指数 为 ,尾浆流性指数 为 ,根据式()计算出水泥浆不同顶替排量时的水泥浆的剪切速率,结果见表 。表 不同顶替排量对应稠化仪转速排量(
7、)领浆剪切速率 稠化转速()尾浆剪切速率 稠化转速()?水泥浆的稠化时间通过增温增压稠化仪测定,油井水泥 规定稠化仪有一个旋转圆筒式浆杯,浆杯内径为 ,深度为 ,其内配有可固定式拌合浆叶总成。浆叶由 个垂直的叶片组成,浆叶外边缘直径 ,浆叶与浆杯成 。浆叶中心轴直径 ,上面连接 个附加的水平叶片,与垂直叶片所在平面相互垂直,所有的水平叶片都倾斜 ,便有较好的搅拌效果 。这一构型与 规范 基本相同,由于稠化仪浆叶的物理特征,其剪切速率关系不可能在数学上以转速的函数确定。等人研究表明,螺旋浆叶可以充分搅动水泥浆以保持其均质性,并可兼容增温增压稠化仪,且在不同转速下测得的多种水泥浆的稠度石 油 地
8、质 与 工 程 年第 期和稠化时间与 浆叶十分接近。因此用螺旋浆叶代替 稠化仪浆叶。将稠化仪中剪切速率与浆杯内径、浆叶外边缘直径、浆叶中心轴直径、浆杯转速及水泥浆流行指数建立数学关系(为计算方便引入 ,作为中间计算量),计算公式如下:()()式中:为校正因子;为稠化仪转速,。根据式()计算厄瓜多尔表层固井用领浆及尾浆在现场施工顶替排量条件下水泥浆剪切速率所对应稠化实验浆叶转速(表),顶替排量 时的水泥浆剪切速率对应的增压稠化仪转速只有 ,远远小于 标准规定的转速 。低剪切速率对水泥浆性能的影响实验?低剪切速率条件下水泥浆稠化时间变化安第斯区块表层固井主要应用 级油井水泥,对 井领浆和尾浆开展不
9、同剪切速率条件下水泥浆稠化实验。领浆配方:级油井水泥 膨润土 增强剂 缓凝剂 ,水泥浆密度 ,流性指数 为 ;尾浆配方:级 油 井 水 泥 分 散 剂 增 强 剂 缓凝剂 ,水泥浆密度 ,流性指数 为 ;根据 标准配置水泥浆,在 及 条件下,以不同稠化仪转速条件下进行稠化实验,实验结果见表 。表 不同水泥浆体系稠化实验结果水泥浆类型稠化仪转速()剪切速率 稠化时间 稠化时间变化率 可泵时间 领浆 尾浆 由表 可知,在低转速条件下领浆和尾浆稠化时间均大幅缩短。对比低转速条件下水泥浆稠化时间与标准转速 时水泥浆稠化时间得到稠化时间变化率,其中领浆稠化时间变化率 ,高于尾浆稠化时间变化率 。领浆在剪
10、切速率为 时稠化时间较剪切速率为 时缩短了 ,可泵时间只有 ,少于现场施工时间 ,没有足够安全可泵时间,无法满足现场施工需求。尾浆在剪切速率为 时可泵时间为 ,大于现场注尾浆后施工时间 ,现场施工水泥浆注入和前期顶替施工排量较大,剪切速率大于 ,尾浆实际稠化时间大于剪切速率为 时稠化时间,在低环空返速下有足够的安全可泵时间。现场施工顶替时压力提前升高是因为低剪切速率下领浆稠化时间大幅缩短,施工时水泥浆提前稠化所致。低剪切速率条件下水泥类型对稠化时间的影响为验证在低剪切速率条件下不同类型水泥对水泥浆稠化时间的影响,对 级和 级油井水泥浆开展不同转速条件下稠化实验,配方分别为 级油井水泥 水(为
11、);级油井水泥 水(为 ),分别对两种水泥浆在 和 及 和 条件下进行不同转速稠化实验,实验结果见表 。表 不同转速水泥浆稠化实验结果水泥浆类型稠化仪转速()剪切速率 稠化时间 稠化时间变化率 过渡时间 级油井水泥 级油井水泥 由表 可知,不同类型水泥浆在稠化仪转速为 时水泥浆剪切速率相近,但是水泥浆稠化时间变化幅度不同。级油井水泥转速为 时稠化时间较 时减少 ,稠化时间变化率为 ,变化幅度较小。而 级油井水泥在稠化仪转速为 时稠化时间较 时减少 ,稠化时间变化率为 ,水泥浆随剪切速率降低,稠化时间大幅缩短。剪切速率对不同类型水泥的水泥浆稠化时间影响效果区别较大,级油井水泥稠化时间变化率远高于
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