防气窜与腐蚀水泥浆体系研究及应用.pdf

第42 卷第10 期2023年10 月石油化工应用PETROCHEMICALINDUSTRY APPLICATIONVol.42 No.10Oct.2023防气窜与腐蚀水泥浆体系研究及应用侯云翌,王涛（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西西安7 10 0 7 5）摘要 为满足二氧化碳驱油与封存井的固井技术需求，开发了一种防气窜与防腐蚀水泥浆体系，并进行了现场应用。通过对常规水泥浆体系的防气窜效果评价，验证了应用防气窜剂的必要性，分别基于膨胀实验、静胶凝强度实验、防二氧化碳腐蚀实验，对发气膨胀型和聚合物类两种防气窜剂进行了优选，并通过其他外加剂优选，构建了水泥浆体系。结果表明，两种防气窜剂的防气窜效果均较好，但在二氧化碳腐蚀后，发气膨胀型防气窜剂配制的水泥石强度衰减率达到了5 7.1%，是聚合物类防气窜剂体系的7 倍。构建的防气窜与腐蚀水泥浆体系强度高、稳定性强、抗气窜和腐蚀能力强，大幅提升了应用并的固并质量和后期运行安全。该项技术的研发及成功应用为同类区块井的高效固井提供了借鉴。关键词防气窜；二氧化碳腐蚀；水泥浆；固井中图分类号 TE256.7D0I:10.3969/j.issn.1673-5285.2023.10.006【文献标识码 A文章编号 16 7 3-5 2 8 5(2 0 2 3)10-0 0 2 6-0 5Research and application of anti-gas channelingand corrosion cement slurry systemHOU Yunyi,WANG Tao(Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum(Group)Co.,Ltd.,Xian Shaanxi 710075,China)AbstractA cement slurry system for preventing gas channeling and corrosion has been de-veloped and applied on-site to meet the cementing technology requirements of carbon diox-ide oil displacement and storage wells.The necessity of applying anti-gas channeling a-gents was verified by evaluating the anti-gas channeling effect of commonly used conven-tional cement slurry systems.Based on expansion experiments,static cementation experi-ments and anti carbon dioxide corrosion experiments,two types of anti-gas channelingagents,gas expansion type and polymer type,were optimized.And other additives were se-lected and a cement slurry system was constructed.The results show that both types of anti-gas channeling agents have good anti-gas channeling effects,but after carbon dioxide corro-sion,the strength attenuation rate of cement stone configured with gas expansion anti-gaschanneling agents reaches 57.1%,which is 7 times that of polymer based anti-gas channel-*收稿日期：2 0 2 3-0 8-0 3基金项目：陕西省自然科学基础研究计划“改性碳纳米管开发功能性油井水泥浆研究”（2 0 2 2 KJXX-31);延长石油科研项目“化子坪油区CO,注采井水泥环封隔失效机理、评价及预测技术”（ycsy2022jcts-B-19）作者简介：侯云翌（19 9 0），男，工程师，硕士，主要从事钻井及井筒完整性方面的研究工作。E-mail:第10 期ing agent systems.The constructed anti-gas channeling and corrosion cement slurry systemhas high strength,strong stability,strong resistance to gas channeling and corrosion,greatlyimproving the cementing quality and later operation safety of application wells.The develop-ment and successful application of this technology provide a reference for efficient cementingof similar wells.Key words lanti-gas channeling;carbon dioxide corrosion;cement slurry;cementing侯云翌等防气窜与腐蚀水泥浆体系研究及应用27固井气窜是指在水泥浆候凝过程中地层中的气进人水泥与套管或水泥与井壁的间隙之间形成层间窜流通道，严重者甚至会形成沿井筒形成气窜通道窜至井口，在井口冒气，严重影响气井生产安全。而对于已经在运行的CCUS工程中的二氧化碳驱油与封存区块，由于地层中含有较高压力的二氧化碳，无论是老井修复还是新井加密，气窜都是影响井筒完整性及生产安全的风险挑战。除此之外,还要考虑二氧化碳对水泥环的腐蚀影响。前人对防气窜水泥浆体系及防气窜评价方法进行了很多研究，罗俊丰等基于南海流花深水区块气窜的机理和原因,开发了一种新型抗高温聚合物/胶乳防气窜水泥浆体系，具有抗高温、低滤失量、防气窜等特点；张兴国等 2 以丙烯腈等聚合物为壁材，异丁烷为芯材,采用悬浮聚合法制备了一种温敏性膨胀微胶囊防气窜剂，加量大于等于2%时能弥补水泥水化过程中的体积收缩,其反应温度为6 5,最佳温度为8 3。针对近年来大型压裂对固井有新的技术要求，周芝琴等 3以热塑性高分子聚合物材料为外加剂,开发了一种新型增韧防窜水泥浆体系，该体系水泥石的弹性模量较低,具有较强的防窜和抗冲击能力；巢贵业等4、杨国胜等 5 、钟福海等 分别针对研究区块的气窜特性,分别开发了同时具备塑性、防漏或高密度属性的防窜水泥浆,并取得了较好的应用效果。对于防二氧化碳腐蚀水泥浆，主要是通过加人新的材料，通过提高水泥石的致序号配方1800g灰+35 2 g水+0.8 g缓凝剂+消泡剂2800g灰+35 2 g水+1.2 g缓凝剂+消泡剂3800g灰+35 2 g水+1.2 g缓凝剂+16 g早强剂+消泡剂4800g灰+35 2 g水+1.2 g缓凝剂+2 4g早强剂+消泡剂5800g灰+35 2 g水+1.2 g缓凝剂+16 g早强剂+消泡剂6800g灰+35 2 g水+1.2 g缓凝剂+16 g早强剂+消泡剂7800g灰+35 2 g水+1.2 g缓凝剂+16 g早强剂+消泡剂8800g灰+35 2 g水+消泡剂密性来抵抗腐蚀，如聚合物型 7-8 、细小颗粒填充型 9 、耐腐蚀材料 10。综上所述,当前的防气窜和防腐蚀水泥浆主要集中于在常规水泥浆基础之上的单个定向属性改造，对于CCUS工程中既要考虑气窜，又要兼顾二氧化碳腐蚀水泥浆体系的研究较少。以下针对二氧化碳注采区域井的固井需求，开发了一种防气窜与腐蚀水泥浆体系，并进行了现场应用。1实验材料与方法1.1实实验材料实验用水泥为G级油井水泥，消泡剂、缓凝剂为国内某外加剂厂家，防气窜剂A为发气膨胀型防气窜剂,防气窜剂B为聚合物类防气窜剂,在未加防气窜剂条件下不同早强剂、缓凝剂水泥浆实验相关配方见表1。1.2实实验仪器及方法水泥浆稠化时间采用0 7 12 型双缸增压稠化仪测试，失水测试采用0 7 0 5 型高温高压失水仪进行测试，防窜实验采用OFITE静胶凝强度分析仪进行测试，水泥浆流变采用HTD-6ST型六速黏度计进行测试,水泥石抗压强度采用YJ-2000型压力试验机进行测试，二氧化碳腐蚀实验采用YC09型高温高压反应釜进行测试。上述实验方法参考GB/T191392012油井水泥试验方法。水泥石二氧化碳腐蚀实验的时间为2 8 d，表1不同实验配方及实验条件实验条件80、30 M Pa80.30 M Pa80,30 M Pa80.30 M Pa60、30 M Pa80、10 M Pa60 10 M Pa80、30 M Pa28温度、压力均为8 0、30 MPa。2结果与讨论2.1常常规水泥浆体系防气窜效果评价形成气窜的原因主要为常规水泥浆在候凝过程中由液态-胶凝态-固态的相态转变过程中，由于失重降低了对地层压力的平衡，因此，常规水泥浆凝结过程中的静胶凝强度发展是固井防气窜的重要指标之一。对无防气窜剂的常规水泥浆体系的静胶凝强度进行了测试。测试结果见表2。由以上测试结果可知，常规水泥浆过渡时间随着缓凝剂的加量增加而增加、随着早强剂加量的增加而减小、随着温度的升高而减小，对于影响效果而言，温度对常规水泥浆静胶凝强度从48 Pa到2 40 Pa的过渡时间的影响最为显著，其次为缓凝剂，早强剂对其影响最弱，说明早强剂主要对常规水泥浆的2 4h早期强度发挥作用,对其候凝过程中的静胶凝强度贡献较弱。且无论通过调节早强剂或者缓凝剂均无法显著改变其静胶凝过渡时间长的特点，因此,需引入新的外加剂以改变其特性。表2 实验配方及测试结果起强度时间48Pa时间240 Pa时间序号/min117422543一4一5259632173508188注：起强度时间为达到1MPa的时间，“_ 表示在实验结束时未起强度。2.2防气窜剂优选石油化工应用2 0 2 3年防气窜剂主要作用为注水泥及候凝过程中防止气体运移以提高固井质量的一种外加剂。目前常用的主要为发气膨胀型防气窜剂和聚合物类防气窜剂，如丁苯胶乳或聚乙烯醇(PVA）。以下分别通过膨胀实验、静胶凝强度实验、防二氧化碳腐蚀实验对这两种防气窜剂进行对比分析。2.2.1膨胀实验发气膨胀型防气窜剂的主要作用机理是依靠水泥水化产物晶体膨胀使其体积产生微膨胀，补偿因水泥浆（石)收缩而形成的通道以达到防气窜的目的。分别将无防气窜剂的1#水泥浆和加人2%发气膨胀型防气窜剂的2#水泥浆8 0 搅拌预置，之后倒入2 5 0 mL量筒进行8 0 水浴静置，静置1h后见图1(a）。从图1可以看出，1#无发气膨胀型防气窜剂的水泥浆体积没有变化，而2#加人发气膨胀型防气窜剂的水泥浆已经显著膨胀，体积超过了2 5 0 mL线，水泥浆的上方出现了一定量的气泡。经过2 h测试后，2#水泥浆体积见图1（b）,水泥浆的体积膨胀率已经超过了2 0%以上，说明该类防气窜剂的膨胀效果较好，可以较好的补偿水泥石收缩。2.2.2静胶凝强度实验聚合物类防气窜剂延缓水泥浆发生气窜的主要作用机理是缩短静胶凝发展的过渡过渡时间时间，使得水泥浆失重到产生挂壁强度之间的气窜危/min/min351204018415150471703187652458028112126第42 卷/min险时间尽量缩短，以减少气窜的发生，控制气窜距离。85分别测试无防气窜剂和加入2%聚合物类防气窜剂水144泥浆的静胶凝强度,测试结果见图2。由图2 可以看出，135与未加入防气窜剂的空白样相比，加人2%聚合物类防123气窜剂后水泥浆的过渡时间缩短至原来的四分之一，184且强度发展更快，说明该防气窜剂的防气窜效果极好。1802.2.3防二氧化碳腐蚀实验由以上测试结果可知，201两种防气窜剂在各自的领域均具有较好的作用效果。114为了进一步为CCUS运行井进行筛选，还需对两种防气窜剂的防二氧化碳腐蚀效果进行评价。分别测试上述两种防气窜剂加人水泥石后耐二氧化碳腐蚀特性，评价方式为对腐蚀前后不同样品的抗压强度分别进行（a）1#和2#水泥浆8 0 水浴静置1h后图1发气膨胀型防气窜剂膨胀效果对比(b）2#水泥浆静置2 h后第10 期350300250媒200150100500020406080100 120 140160180时间/min图2 聚合物类防气窜剂静胶凝强度实验结果测试，通过腐蚀后的强度衰减率来评价水泥石耐二氧化碳腐蚀特性。腐蚀前,水泥石的养护时间为48 h,测试结果见图3。由图3可以看出,无添加剂（空白样）、A剂、B剂三种水泥石样品在腐蚀后的抗压强度均出现了不同程度的衰减，三者的衰减率分别为44.7%、57.1%、8.1%。分析认为，加人发气膨胀型防气窜剂（A剂)的水泥石耐二氧化碳腐蚀效果最差，主要原因是膨胀后水泥石的内部结构更为疏松了，二氧化碳可以侵人水泥石基体更深处。而聚合物类防气窜剂(B剂)的耐二氧化碳腐蚀效果最好，应是得益于其聚合物在水泥石内部形成的较强的孔隙充填，减缓了二氧化碳的侵人。因此,对于CCUS运行井,应选用B剂为防气窜剂。2.3防气窜与腐蚀水泥浆体系在防气窜剂优选及现有水泥浆体系实验的基础之上，通过室内实验配方优化，形成了防气窜与腐蚀水泥浆体系，体系的配方为：G级水泥+5.5%降失水剂+2.5%B剂+0.7%分散剂。水泥浆的各项性能指标见表3。由表3可知，该水泥浆体系早期强度高，失水少，自由水含量为0,水泥浆上下密度差小于0.0 10 g/cm,具有强度高、稳定性强的特点。水泥浆的稠化过渡时间仅为1min，静胶凝强度从48 Pa到2 40 Pa的过渡时间为25min，较短的稠化过渡时间和极快的静胶凝强度过渡发展使其表现出了优越的防气窜性能，能够满足CCUS运行井的固井需求。密度流动度(g/cm)Icm1.9025塑性黏度/(Pas）0.090稠化时间/min150侯云翌等阝防气窜与腐蚀水泥浆体系研究及应用无防气窜剂2%聚合物类防气窜剂水灰比0.44动切力/Pa2.555稠化过渡时间/min12940r腐蚀前口腐蚀后35302520151050空白样图3不同水泥石腐蚀前后的抗压强度对比3现场应用上述防气窜与腐蚀水泥浆体系，在国内某二氧化碳驱油与封存区内的 XTC-3井进行了应用。该井井深2400m，水泥返高2 138 m，为防止二氧化碳沿该井套管外环空上窜泄漏，特对水泥返高以上井段进行二次固井修复。但该区前期已经注人了一定量的二氧化碳，套管外二次固井具有较大的气窜风险。为消除风险，在水泥返高以上10 0 m处进行射孔，建立循环,先后注人前置隔离冲洗液5 m、防气窜与腐蚀水泥浆2 5 m后隔离液2 m，清水顶替到位后关井候凝48 h后测井。CBL-VDL测井结果显示,该井二次固井井段固井质量合格率达到了9 1%，表明该水泥浆体系在防气窜方面具有突出的优势。该井后期转为二氧化碳注人井，目前已运行2 年，未检测到任何的二氧化碳泄漏。表明防气窜与腐蚀水泥浆体系具有较好的防二氧化碳腐蚀效果，能够阻止二氧化碳沿水泥环纵向、横向的侵人，保护套管和井口装置的安全。4结论（1)未添加防气窜剂时，常规水泥浆体系水泥浆静胶凝强度发展缓慢，防气窜效果较差，无法满足含气井的固井需求。表3水泥浆体系的综合性能上下密度差失水量(g/cm)/mL0.00646A剂自由水含量抗压强度/mL80 2 1 M Pa x 2 4 h022.9流性指数稠度系数/(Pas)0.9090.168静胶凝强度48 2 40 Pa过渡时间/min25B剂常温常压x24h9.5(下转第38 页)38年增产明显，G-X井年产气量为16 8.4135 10 m，相比前一年增产6 4%；B-X井年产气量为42 4.0 49 9 104m,年产气量比前一年提高约1倍。（3)针对靖边上古储层“多层系发育、隔层砂泥岩互叠，次产层动用程度低”等特点，开展的储层解堵效果明显，产量提高变化明显。但老井井筒完井管串复杂、井筒内积液严重等井下特征和施工难度较大，周期长等问题依然突出。要综合研究重新评价储层，明确剩余储量分布及规模，完善关停井储层储量及复产潜力评价标准，落实挖潜潜力，进一步提高老井采收率。参考文献：1张金发，李亭，管英柱，等.致密砂岩气藏低产低效井治理对策及展望 J.能源与环保，2 0 2 2,44(10)：115-12 4.2李朝旭.靖边气田南部高桥地区奥陶系马五1+2 储层特征及主控因素研究 D.成都：西南石油大学，2 0 2 0.3李宝成.靖边气田马家沟组碳酸盐岩储层特征及主控因素J.东北石油大学学报,2 0 2 1,45(4):15-2 6.4晏宁平，王旭，吕华，等.鄂尔多斯盆地靖边气田下古生界石油化工应用用2 0 2 3年非均质性气藏的产量递减规律 J.天然气工业，2 0 13,33(2):43-47.5刘婵，都特，高同福，等.气井堵塞问题及解堵方法研究进展 J.石油工业技术监督，2 0 2 3,39(3)：5 7-6 1.6张吉磊.靖边气田气井解堵技术研究 D.西安：西安石油大学,2 0 15.7赵杨.低产低压气井井筒积液分析 J.内江科技,2 0 18,39(5):74-75.8SHIRMAN E I,WOJTANOWICZ A K.More oil using down-hole water-sink technology:A feasibility studyJJ.SPE Pro-duction&Facilities,2000,15(4):234-240.9李李珊，郑维师，苏伟东.苏里格气田中部低产低效井挖潜技术研究 J.石油化工应用，2 0 2 3，42(2）：46-48,5 7.10 代金友，张争航，王瑞，等.靖边气田生产异常低产井特征及其开采意义 J.石油地质与工程，2 0 19,33(6)：7 0-7 2，76.【11马维强.提高靖边气田低压低产气井产气量技术及效果评价 D.西安：西北大学,2 0 17.12 又邓建明.渤海油田低产低效井综合治理技术体系现状及展望 J.中国海上油气,2 0 2 0,32(3)：111-117.第42 卷（上接第2 9 页）(2)发气膨胀型防气窜剂和聚合物类防气窜剂均具有较好的防气窜功能，但当应用井存在防气窜和防二氧化碳腐蚀的双重需求时，应选用聚合物类防气窜剂，发气膨胀型防气窜剂水泥石的抗二氧化碳腐蚀能力较差。(3)防气窜与腐蚀水泥浆体系具有强度高、稳定性强、耐二氧化碳腐蚀能力强的特点，可以提高应用井的固井质量和耐二氧化碳腐蚀能力。参考文献：1罗俊丰，张伟国，廖易波，等.新型抗高温聚合物/胶乳防气窜水泥浆体系在南海流花深水区块的应用 J.石油钻采工艺,2 0 15,37(1):115-118.23张兴国，于学伟，郭小阳，等.温敏性膨胀微胶囊防气窜水泥浆体系 J.钻井液与完井液，2 0 18,35(1):7 1-7 6.3周芝琴，王忠华，蒋理波，等,三塘湖水平井增韧防窜水泥浆技术研究与应用 JI.钻采工艺,2 0 18,41(1):17-18.4巢贵业，陈宇，方彬.大牛地气田固井防窜水泥浆体系研究与应用 J.钻采工艺,2 0 0 6,2 9(2):9 4-9 6,12 7.5杨国胜,缪华，苏冀中，等.林4-36 X井防漏防窜水泥浆固井技术 J.石油钻采工艺,2 0 0 9,31(S1)：7 6-7 8.6钟福海，费中明，高飞，等.高密度防窜水泥浆在红北1井的应用 J.钻井液与完井液,2 0 16,33(6):9 1-9 4.7万伟，陈大钧.水泥石防CO2、H S腐蚀性能的室内研究 J.钻井液与完井液,2 0 0 9,2 6(5)：5 7-5 9,9 3.8田进.羟基磷灰石耐高温抗CO2腐蚀水泥浆 J.钻井液与完井液,2 0 2 2,39(2):2 0 8-2 13.9杜嘉培，步玉环，郭胜来.耐高温耐腐蚀水泥浆材料优选试验与性能评价 J.硅酸盐通报,2 0 15,34(11)：32 9 2-32 9 7.103张聪，张景富，乔宏宇，等.深井高温抗二氧化碳腐蚀水泥浆体系设计与优选 J.石油钻采工艺，2 0 10,32（5)：39-43.