酸溶性水泥浆体系研究(编辑修改稿)

酸溶性水泥浆体系研究(编辑修改稿)内容摘要：

........................ 58 结论 .................................................................................................................................................................... 58 建议 ................................................................................................................................................................... 58 致谢 ............................................................................................................................................................................... 59 参考文献 ...................................................................................................................................................................... 60 附录 A 实验方法 ....................................................................................................................................................... 62 西南石油大学 硕士 研究生学位论文 1 第 1 章 绪论 研究背景 随着国民经济建设的高速发展和国家在不断提高环保要求的情况下而作出的能源结构调整战略，国内对石油和天然气的需求量迅速上升。 但由于国内主要油气田已进入开发中、后期的高含水生产阶段，采出油气的综合含水率平均值接近 90%，造成开发成本大幅度增长，使石油工业的总体效益难于适应国际油价变化带来的影响。 另一方面，由于受国内勘探开发技术水平限制，我国仍有大量低渗透油气藏处于待开发状态。 造成这种现 象的一个重要原因是工程界对于低渗透油气田的完井方式存在极大争议。 赞成射孔完井方式的主要理由是认为该完井方式能够有效进行分层开采和有利于采取酸化和压裂等分层强化增产手段，但 射孔后使用酸化处理不能有效的去除孔眼中的碎水泥石屑并溶解孔眼周围的水泥环，使得产层的裸露面积减小，导致油气井的产能降低 ； 赞成裸眼完井方式的主要理由是低渗透油气藏的含油岩石孔隙度、渗透率以及油气原始出流能力低，由于水泥浆污染油层和致密水泥石进一步封闭油岩表面，即使采用高孔密射孔方法，单位长度油层井段的射孔炮眼面积也仅占该段岩石表面积的 ～ 1%，无疑会严重影响油气出流能力和单井产能；此外，无论是砂岩油气藏还是灰岩油气藏，通常都必须经过酸化后才能投产。 由此可见，探寻提高低渗透油气藏单井产能的有效技术手段，是当前国内油气田开发中急需解决的现实生产难题之一。 国内大多 老油田 在 二次开发过程中 的部份 井需要封堵或者暂闭， 如果 采用常规油井水泥浆进行封隔，将对储层造成伤害，而且常规水泥环的酸溶蚀效果较差，在后期酸化改造过程中储层流通能力恢复较慢 [1]。 为恢复储层流体的流动通道，要求封堵的水泥石应具有较强的酸溶性，在后期酸化过程中能尽快恢复地层流体流动的通道。 由于硅酸盐水泥、铝酸盐水泥及氯氧镁水泥的水化物在酸液中具有一定的溶蚀性，但在应用中必须辅以其它填充材料及各种处理剂，通过水泥基材及填充材料的优选、粒径的优选及处理剂对综合施工性能的评价，开发出具有强酸溶性的水泥浆体系，最大程度的提高其酸溶率，达到保护储层及恢复储层流体流动的通道的目的，因此，有必要开发一套具有较强酸溶性的水泥浆体系，为 国内老油 田二次开发 的 封堵和暂闭提供技术保障。 国内外研究现状 目前，国内关于酸溶性水泥浆体系的研究鲜见文献报道，国外在酸溶性水泥浆体系的研究主要集中在氯氧镁水泥浆体系。 论文结合国内外研究现状，资料调研了可在酸液中溶蚀的水泥体系：硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和氯氧镁水泥体系。 酸溶性水泥浆体系研究 2 氯氧镁水泥 氯氧镁水泥又称镁氧水泥或索瑞尔水泥， 1867 年法国人索瑞尔发明了这种胶凝材料。 氯氧镁水泥在建材方面的使用和研究已经有很多年历史， 在国外，早在 20 世纪 30年代国外就有氯氧镁水泥产品的报道。 我国氯氧镁水泥制品起步于 20 世纪 50 年代。 上世纪 80 年代 ， 我国将“镁水泥开发研究”列为“七五”国家重点科技攻关项目 ， 对氯氧镁水泥的水化动力学、微观结构、 MgO 的性能测定、外加剂的作用等一系列课题进行了攻 关 ， 取得了大量的科研成果 [2]。 但氯氧镁水泥作为油井水泥使用在国内鲜见有报道，目前尚处于探索开发阶段。 在国外，酸溶性镁氧水泥体系最早于 1975 年开始用于伊朗西南部油田处理钻井液漏失层段，后广泛用于中东、欧洲、非洲各主要油田的完井、修井作业。 在伊朗西南地区钻穿生产层时常遇到钻井液的漏失问题，在氯氧镁水泥未问世之前，常用常规堵漏材料进行堵漏，但由于这类堵漏材料对地层有潜在的损害，因此影响了油井产量。 而改用氯氧镁水泥进行堵漏之后，不仅解决了钻穿生产层过程中的漏失问题，而且这种堵漏材料经盐酸消除之后，每口井的产量 比用常规材料处理的井眼产量都要高。 为此，在伊朗西南地区凡有生产层井漏的井眼几乎都用氯氧镁水泥来堵漏，并把它作为该地区堵漏的一种标准做法。 在欧洲荷兰和德国，许多井眼也采用氯氧镁水泥来处理钻穿产气层中的钻进漏失问题，以及用以暂时封隔产层等作业，都取得了良好的效果。 1985 年，氯氧镁水泥作为油井水泥使用有了新的发展，这种水泥是一种由镁、氧化钙、碳酸盐和硫酸盐配制而成的混合物，它与水混合后经聚合反应形成一种具有高抗压强度的镁 － 羟基 － 硫酸盐／氯化物无机多水化物。 这种水泥的堵漏机理是，使水泥颗粒桥堵在地层或裂缝的表面 来阻止漏失，以及水泥颗粒能胶结在一起，可进一步密封水泥面的孔隙，而且不会像其它堵漏材料那样易于被破坏。 氯氧镁水泥在堵漏作业完毕后能被盐酸完全溶解，可消除对产层的损害，在温度 20℃ 以上时， 95100%的水泥块粒在不到 1 小时时内即可溶解掉。 另外，国外在 1990 年就试验用氯氧镁水泥来代替聚合物固相完井液中的盐粒、碳酸钙和油溶性树脂之类的桥堵剂 [3]。 在聚合物固相完井液中，通常用这类桥堵剂来堵住孔隙的孔道，以阻止其它固相和液体进一步侵入产层内，然后待作业完毕后，通过水溶、酸溶或油溶的方法予以清除。 而氯氧镁水泥则 让其固相颗粒暂堵在地层岩石的表面，而不是暂堵在孔隙喉道内，这样更易于清除，对产层的损害会更小。 从实验情况来看，氯氧镁水泥颗粒几乎都很好地暂堵在地层岩石的表面。 所以，尽管此技术尚在试验之中，但其设计构思有所创新，很具吸引力。 哈里伯顿公司于 1992 年研制的高强水泥浆体系在盐酸里面的酸溶率超过 98%，有效解决了生产层泥浆漏失问 题 [4]。 这种酸溶水泥具有合适的触变性，却具有足够小的颗粒尺寸以及较低的流动度，因而很难渗透到附近的裂缝和孔隙中，而且这种合成水泥易于用常规的注水泥设备来混合。 通过使用混合干燥剂可 以很好的控制它的滤失性能，稠化时间也很好控制。 这种水泥浆体系在当前废弃的高（低）压地层以及井喷或井漏的控西南石油大学 硕士 研究生学位论文 3 制上均获使用。 BJ 作业服务公司 2020 年研制的交联水泥可有效解决循环液漏失问题 [5]。 交联水泥（ CC）能暂时性或永久性的封闭那些在钻井或固井过程中由于循环液的漏失而难以成功作业的关键性层段。 该公司开发的水泥浆体系有两种设计方案：第一种是镁氧交联水泥（ MCC），酸溶率高达 98%，尤其适用于生产层段；第二种是低成本方案，是酸溶率只有 73%的常规交联水泥（ RCC），适用于封堵非生产层段。 两种体系在现场使用都取得了良好的效果。 这两种 胶联水泥是把水泥和压裂液混合在一起作为水泥浆。 在井下条件下，胶联水泥具有压裂液的特性，替入井下后可以迅速凝固。 MCC 和 RCC 都能产生足够的强度以抵御后续钻井或固井作业所施加的压力。 因此，酸溶性水泥体系凝固后形成的水泥石在酸液环境的溶蚀速度越快、需酸量越少越有利于油田的二次封堵后的解堵；对于油、水同层的生产层或出水、漏失的老井，用酸溶性水泥进行堵水、堵漏具有其他堵漏材料不可替代的优点。 铝酸盐水泥 铝酸盐水泥 (又称高铝水泥 )是以铝酸钙为主 ， 氧化铝含量约为 50%～ 60%的熟料磨制的水硬性胶凝材料 [6]。 铝酸盐水泥 最早是 1865 年后期在法国出现， 是 由氧化铝和石灰经熔融后破碎制成的铝酸钙水泥。 19 世纪末期英国首先发布了“石灰石 矾土”水泥的专利。 而首次进行这种水泥商业性生产则是在 1913 年法国的拉法基公司 ， 生产方法为熔融法。 铝酸盐水泥早期强度高，耐火性能优良，具有抗硫酸盐和弱酸侵蚀的能力，广泛应用于耐火材料行业。 Al2O3含量 40%的水泥， Fe2O3含量 8%~16%，我国称为“铁铝酸盐水泥”，不仅可用于耐火材料，而且还可以用于做化学建材及建筑工程。 Al2O3含量40%以上、 SO3含量 8%~14%的水泥，我国称为“硫铝酸盐水泥”，因为有 SO3存在，不能应用于耐火材料。 利用铝酸盐水泥硬化快、早期强度高、在 CaSO4的作用下水化形成钙矾石的特点 ，可以派生出许多不同品种、不同用途的水泥。 如加入适量的石膏，可以生产用作防渗漏的石膏膨胀水泥、铝酸钙膨胀剂、混凝土自应力压力管所用的铝酸盐自应力水泥、用来矿山充填和煤矿巷旁执护的高水速凝固结充填材料、在建筑工程上应用的硫铝酸盐水泥，以及利用该产品 Al2O3含量高的特点可用做化工触媒；近年来国家加大对环保的管理力度，利用铝酸盐水泥加入适量的硫酸可用做造 纸行业污水治理的铝酸钙净水剂；同时利用该产品熔点温度低、粘度小、流动度好的特点，在大型钢铁企业钢液精炼中，可用于吸附钢液中的夹杂，是一种极好的炼钢脱硫造渣剂。 此外，铝酸盐水泥在国外较大量用作房屋内装修的瓷砖粘结剂、瓷砖灰泥、快速施工地板材料、地板平整材料、密封材料、基础砂浆、修补砂浆等。 硅酸盐水泥 硅酸盐水泥在固井行业中发挥着主导作用，也是堵漏材料的重要组成部分。 酸溶性酸溶性水泥浆体系研究 4 硅酸盐水泥以 G 级油井水泥为主体， CaCO3为主要充填材料 ，并通过筛选添加一系列外加剂。 酸溶性硅酸盐水泥要求具有如下特点： ①水泥 浆形成的固化体具有较高的强度 ， 特别是胶结强度要高 ， 以提高水泥石与地层间胶结界面的牢固性 ； ②水泥石具有韧性 ， 在高压下不发生脆裂 ； ③水泥浆体系具有多种级配颗粒 ， 保证封堵层所有孔隙水泥浆的填入深度 ， 以增加其封堵牢固性 ； ④高压下挤入地层的水泥浆在候凝期间能正常水化 ， 因此水泥浆应具有好的降滤失性 ； ⑤水泥浆的稠化时间可调 ， 以满足不同施工工艺的要求。 综上所述，氯氧镁水泥在建筑业内使用已久，对氯氧镁酸溶性水泥浆在油气井固井中的已有研究，国外大型服务公司已经将酸溶性水泥浆作为特种水泥浆体系进行油气井固井服务，但资料 鲜见；铝酸盐水泥在建筑业内的应用甚为广泛，但在油气井固井中应用较少；而硅酸盐水泥是油气井固井中的常规的水泥，有必要针对其作为酸溶性水泥浆的水泥基材进行探讨研究。 研究意义 针对低渗透储层自然出流能力低，必须酸化投产、致密低渗透地层不出砂等显著特点，通过优选水泥外掺料及各种外加剂，研究设计出一种酸溶率可控的水泥体系。 当利用其进行产层固井时，由于凝固水泥石可被酸液溶蚀，射孔后可依靠酸液对水泥石的溶蚀作用，清洗炮眼中的碎水泥石屑，同时溶解孔眼周围的水泥环，从而扩大油层的出流裸露面积，提高油气井的产能。 此外， 即使该水泥进入地层造成产层伤害，也可通过酸溶蚀作用部分恢复地层的渗透率。 因此，该水泥体系不但可用于致密低渗透产层固井，适应低渗透油气层改造的需要。 同时，如果采用酸溶水泥体系进行产层治漏堵水，可通过酸液的溶蚀作用恢复地层的渗透率，作为一般产层堵漏和低压易漏产层的固井材料。 配合先进的油管传输射孔技术、负压测试技术、射孔酸化联作技术、高能气体压裂技术、安全电雷管技术、高孔密增效射孔技术，共同形成配套增产技术措施。 由此可见，根据该水泥体系的特点，既可在一定程度上克服射孔完井方式油气出流面积小的缺点，发挥其有利于分 层强化开采的增产技术要求；又可用于裸眼完井方式，利用可控部分酸溶的材料特性，减少污染与出砂影响。 不但具有开展探索研究的价值，而且具有潜在的应用前景。 鉴于国内未见同类研究，本课题的研究将填补国内在酸溶水泥研究方面的空白，并为酸溶水泥的进一步深入研究奠定基础。 由此开发的酸溶性水泥浆体系具有非常重大的实际意义，具有较好的应用前景。 西南石油大学 硕士 研究生学位论文 5 研究内容 （ 1）酸溶性水泥浆体系水泥优选 根据酸溶性水泥浆体系酸溶率要求，通过理论计算和实验对比分析水。