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2018年06月12日 10:46:59
快硬早强油井水泥生产与应用的试验研究

  

邹兴芳
(葛洲坝集团水泥有限公司,湖北荆门448032)

0 引言
    随着油田生产开发的不断进展和外部项目勘探工作的深入推进,对固井作业提出了更高的要求。固井就是把水泥加水和外加剂,利用水泥车泵入套管与井壁之间的环形空间的作业,而作为固井的重要原材料油井水泥,对固井后套管与环空封固质量的优劣起着至关重要的作用。 本文介绍的快硬早强油井水泥是一种在低温井下条件时使用的油井水泥,低温条件下固井一般指的是井深 1500m 以内,井下循环温度 45℃以下的固井作业,在这种条件下,常用级别的油井水泥水泥浆的凝结时间长,水泥石早期抗压强度低,胶结质量差。例如G级油井水泥适应的井深为 2440m, 根本不能满足要求,为提高低温井的固井质量,长期以来国内各油田及研究机构都做了大量的工作,也取得了一定的效果,但采用的方法大都是在普通油井水泥中加入大量促凝剂、早强剂等外加剂,虽然达到了要求的效果,但在外加剂等方面的投入较大,应用操作繁琐、配伍复杂、且不同区域油井要做大量试验去筛选、摸索。在国外,推崇的同样是应用基础油井水泥加外加剂进行调配,真正意义上满足固井需要的快硬早强水泥未见实质性的报道。根据固井实际,固井后实现水泥浆的快硬早强是发展的必然趋势。 通过改进水泥性能,节省外加剂等方面的投入,减少现场作业的复杂局面,从技术上来说也是可行的,能够做到的。

1 生产快硬早强油井水泥熟料的前期准备
1.1 主机设备情况
    生料磨:立式生料磨1台LM35.4
    回转窑:Φ4.0m×60m
    预热器:五级悬浮预热器Ф3070-5100mm
    分解炉:TC-DD
    水泥磨:Φ3.8m×13m,带RP10-140-110辊压机。

1.2 石灰石质量控制
    做好石灰石搭配开采和预均化堆场料堆调整、原材料分区堆放、生料调配库清库和配料皮带称校验等工作,将2×Φ15m×45m 生料均化库中的 2#库腾空,密封1#库溜槽杜绝漏料混库,做好熟料库顶拉链机的设备定检,选择2个熟料库(共计4个熟料库)作为油井熟料库,做好腾库清理工作。

1.3 做好烧成系统现场工艺管理工作
1.3.1 稳定生料成分
    通过保持硅质原料和铁质原料合理仓位、仓底加装振动器、中控恢复监控视频,改造配料仓底结构确保调配库下料稳定,以改善和稳定生料质量,为稳定操作和稳定熟料质量创造条件。

1.3.2 稳定煤粉质量和煤粉输送
    油井水泥熟料液相量大、粘度小、烧成范围窄,缩小炉温波动范围对于稳定窑况至关重要,在生产中我们采取了如下措施:

    (1)采取技术措施降低煤粉细度。为进一步降低煤粉细度,我们在密封环顶部固定端四周加装一圈橡胶皮,预留2~3mm,定期更换橡胶皮,能有效降低煤粉细度至8%左右,为煅烧油井水泥熟料创造有利条件,此项技术获得实用新型技术专利(专利号:ZL 2013 2 0443265.X);

    (2)采取技术措施保证煤称下煤和输送稳定。PFISTER 秤上下密封板的间距不合理将导致头、尾煤不稳,有蹿煤现象将导致炉温波动严重。在煤秤下料管与煤粉仓之间增加 1个小仓, 用锁风阀控制卸料,减少煤秤腔体串风,对保证下煤稳定起到很好的效果;

    (3)正常运转时加强预热器巡检。油井水泥熟料的特殊化学成分决定了预热器4级、5级和烟室结皮几率远高于生产硅酸盐水泥熟料,加强对预热器3级、4级、5级预热器锥部及烟室的检查和结皮清理,保证下料管翻板阀动作灵活,闪动均匀,确保下料管空气炮工作正常。

1.3.3 材料选择
    根据原燃材料成分确定,制成快硬早强油井熟料的材料及要求详见 2.1 节;生料质量指标和熟料目标控制值详见 2.2 节。

2 快硬早强水泥生产质量控制
2.1 原料和燃料的质量控制
    为了制成合乎要求的成品,采用 3 种原料:石灰石、硅砂、铁粉,有关化学成分详见表 1:

    由表 1 可知:在试生产快硬早强油井水泥时,石灰石采用大矿山 155~170 平台段质量好、品位高的石灰石,CaO≥52.0% Al2O3≤1.00%,硅质原料采用湖南石门硅砂 SiO2≥95.0%, 铁粉采用荆门洋丰铁粉Fe2O3≥70.0%,煤采用山西霍州煤Aad ≤27.0%;Vad≥23.0%;Q≥23000kJ/kg,石膏采用二水石膏与脱硫石膏搭配使用:二水石膏SO3≥35.0%;R2O≤1.00%;脱硫石膏SO3≥40.0%,R2O≤0.50%。

2.2 配料方案
    根据原材料成分和熟料性能要求,设计快硬早强油井水泥熟料生料配料控制指标为:KH=1.12±0.02;SM=2.64±0.10;IM=0.71±0.10;熟料质量控制 指 标 KH=0.920±0.02 ;SM=2.60±0.10;IM=0.80±0.10;C3A≤3.0%。
    (1)配料计算时,原、燃材料化学成分详见表2:
    (2)根据原燃材料的成份,进行配料计算,结果详见表3。
    (3)根据表1和表2原材料成分和熟料控制目标的要求,计算出两种生料化学成分,详见表4。

2.3 熟料生产控制项目及指标
    为确保快硬早强油井水泥熟料煅烧试生产取得成功,制定了一套适合预分解窑煅烧油井熟料的熟料生产控制项目及指标,详见表 5。

2.4 水泥生产质量的内控指标
    为了制造满足质量要求的快硬早强油井水泥,制定了企业内控指标如表 6 所示:

2.5 快硬早强油井水泥熟料工业性生产
2.5.1 熟料的化学成份
    为确保快硬早强油井水泥熟料煅烧试生产取得成功,水泥公司高度重视,成立生产和工艺专班,组织生产设备准备会和工艺操作学习研讨会,完善生产快硬早强油井水泥熟料的各个环节。生产过程中还根据化验室的检测数据,对核心工艺参数进行及时调整,精心操作,保证快硬早强油井水泥熟料顺利生产。经过不懈努力,成功利用新型干法水泥生产线批量生产出油井水泥熟料,其主要成份见表 7。

2.5.2 熟料的煅烧
    快硬早强油井水泥,要求C3A≤3.0%,不但要求原料中的Al2O3含量低,同时要求燃料中煤的灰份要低,发热量要高,这样才能达到熟料中Al2O3含量低。因快硬早强油井水泥制备的难点在于稠化时间的控制,而C3A对快硬早强油井水泥稠化时间影响很大。C3S要控制在55%~60%,这要求石灰石品位高,石灰石采用大矿山155~170平台段质量好、品位高的石灰石,CaO≥52.0%,Al2O3≤1.00%,在料浆配制时,为了使熟料中的C3A 较低,常用提高料浆中 Fe2O3含量的办法。快硬早强油井水泥中的 C3A 比中热水泥要求的还要低(低50%左右),高钙高硅,容易在煅烧过程中产生“飞砂料”,因此对煅烧的要求更高。在保证入窑料浆成分和窑内热工制度稳定的情况下,着重加强看火操作,采用:“ 薄料快转、长焰顺烧”,避免:“厚料慢转、顶火急烧”的工艺方法,同时,注意风煤配合,保持一定形状的火焰,加强熟料的预烧。升重控制在 1350~1550g/L 时,熟料中的fCaO 能够控制在小于 1.0%范围内,如果升重大于 1550 g/L 时,将会导致熟料中已形成的矿物有进一步熔蚀(也称过烧),造成稠化时间偏短,强度不高,反之,升重低于1350g/L 时,则熟料中矿物晶体小,结晶不完全,使稠化时间偏长,强度降低。

2.6 水泥的磨制和水泥性能
    研究的油井水泥熟料在水泥粉磨制备时掺入外掺料 1%~2%硅灰, 加入3%的石膏(精石膏+纤维=1∶1),通过调整、改进油井水泥自身性能,生产新型油井水泥材料—快硬早强油井水泥。我厂生产的快硬早强油井水泥化学成分和物理性能见表8和表9。从表中数据看出,水泥质量完全符合GB10238—2005 标准的技术要求。这里着重讨论的是快硬早强油井水泥在粉磨过程中的控制。

    粉磨过程中,尽量避免熟料和磨机温度过高引起二水石膏脱水,石膏脱水后,所生成的CaSO4.0.5H2O和CaSO4,会使水泥的稠度急剧增大,稠化时间缩短,同时出磨水泥的温度必须控制小于115℃,才能避免水泥中的石膏继续脱水。

    另外,水泥的比表面积、水泥中SO3的含量也是影响快硬早强油井水泥的关键指标。比表面积过低,强度降低;反之,稠化时间偏短。

    总之,选择水泥磨的质量控制指标非常重要,要结合熟料的fCaO 与石膏的纯度,但如果熟料中fCaO偏高时,在同样的质量控制指标下,将导致水泥的初始稠度偏高,稠化时间偏短, 60℃抗压强度偏低。因此,此时应适当提高SO3指标以缓解fCaO 的影响,且此时不应采用纯度较低的石膏,因为采用纯度较低或杂质较多的石膏,势必延缓 C3A、C4AF 与 Ca2+、SO42-形成水化硫铝酸盐的反应速度,从而导致水泥的初始稠度偏高,稠化时间偏短的后果。

3 取规模生产的试样在试验室进行对比试验
3.1 葛洲坝快硬早强油井水泥化学性能指标
    对葛洲坝快硬早强油井水泥进行化学分析,各项指标详见表 10:

3.2 物理性能实验
    依据上述应用指标要求,采用蒸馏水,水灰比 0.44,对葛洲坝快硬早强水泥进行物理性能实验,其各项性能如下:

    (1)水泥浆密度:1.91g/cm3;
    (2)水泥浆初始稠度:15BC/30min;
    (3)水泥浆40BC时稠化时间:80min/40℃*21MPa*20min;
    (4)水泥浆100Bc稠化时间:97min/40℃*21MPa*20min;
    (5)析水率:1.0%;
    (6)水泥石抗压强度:8.5MPa/38℃* 常压 *8h;
    (7)水泥石抗压强度:24.5MPa/38℃* 常压 *24h;
    (8)水泥石体积无收缩,膨胀率:0.15%。

3.3 与常用 G 级油井水泥对比情况
    G 级油井水泥是基本的油井水泥 ,在API规范和GB10238 都有明确的规定。为对比早强快硬水泥与普通油井水泥,采用长庆常用的青铜峡G级油井水泥,在上述同样条件和油井水泥国家标准即GB10238规定的条件下进行实验,实验结果见表 11 。

    从以上实验可看出,普通油井水泥在较低温度下的各项指标与葛洲坝快硬早强油井水泥相比有较大的差距,葛洲坝快硬早强油井水泥具有低温下稠化凝结时间短、8h早期抗压强度高、 强度稳固增长等优点。这从另一方面证实了快硬早强水泥的优越性。

3.4 配伍性试验
    依固井现场要求,为有效对付各种井下复杂情况,采用葛洲坝快硬早强油井水泥与低温下固井中必需的各种油井水泥添加剂如氯化钙、分散剂USZ、低温膨胀剂 G502、低温降失水剂 TW200S及东北现场用水等进行配伍实验。 其中稠化实验条件为40℃*21MPa*20min,抗压强度试验条件为38℃*常压*8h和38℃*常压*24h,各项物理性能详见表 12。

3.5 试验情况分析
    从取规模生产的试样在试验室进行对比试验可以看出,葛洲坝快硬早强油井水泥与普通油井水泥相比具有诸多的优点,除了凝结时间短、水泥石具有微膨胀作用,抗压强度高以外,还与固井必需的各种添加剂配伍性好、水泥浆综合性能高;而普通油井水泥加入同样的外加剂、 在同样的温度条件难以达到同样的效果,这从一定程度上节省了外加剂,提高了水泥浆综合性能,完全可以满足包括长庆地区低温浅井的固井要求。

4 现场水泥浆设计
    在取规模生产的试样在试验室进行对比试验的基础上,我们与某固井公司合作,根据长庆市场井的情况进行了固井试验, 实验方案如下:

4.1 长段道达尔井的固井参数选用
    (1)水泥:葛洲坝快硬早强油井水泥;
    (2)料浆比:葛洲坝快硬早强油井水泥(W/h=0.44)+USZ,0.2%+低温 TW200S,0.8%;
    (3)根据情况,对易窜的部分井另外加入G502,0.3%,水泥浆密度1.91g/cm3;
    (4)水泥浆稠化时间在40℃*21MPa*20min下一般控制在40BC时为70~85min,100BC时为95~120min;
    (5)滤失量小于等于100ml;
    (6)抗压强度大于等于7.0MPa/38℃*常压*8h;大于等于19.0MPa/38℃* 常压*24h;
    (7)游离液小于等于1.4%。

4.2 短段壳牌井的固井参数选用
    (1)水泥:葛洲坝快硬早强油井水泥+ CaCl2,1.0%~1.5%;
    (2)料浆比:葛洲坝快硬早强油井水泥( W/H=0.44)+USZ,0.2%+低温 TW200S,0.8%+CaCl2,1.5%;
    (3)水泥浆密度:1.91g/cm3;
    (4)根据情况,对易窜流的部分井另外加入膨胀剂 G502,0.3%;
    (5)水泥浆稠化时间在40℃*21MPa*20min下一般控制在40BC时为 45~50min, 100BC时为60~75min;
    (6)滤失量小于等于 100ml;
    (7)抗压强度大于等于9.0MPa/38℃*常压 *8h;大于等于23.0MPa/38℃* 常压 *24h。
    (8)游离液小于等于 1.4%。

5 现场应用情况
    在长庆的高沟口、延安、靖边、吴起、丹巴等油区有大量的固井应用,这些地区开发较早,地层压力系统受到了严重破坏,形成了多套压力系统。地层中出现漏、涌、喷的局面,另外这些地区井较浅(500~1000m),最深2000m,均不下入中间套管,而且水泥返高只能超过油顶100m。受这些综合因素的影响,采用常规的固井方案,往往造成固井后环空形成窜槽和微间隙,最终导致油、气、水窜槽,致使固井质量达不到要求。2013 年高沟口区块的合格率仅能达到65%,近几年涉足该地区固井的队伍由于不能很好地解决固井质量问题,均被甲方辞退。 而葛洲坝水泥厂开发的快硬早强水泥通过在上述区块的应用,解决了油井窜槽、返水封固质量差的问题,固井 105口,固井优良率达 84.2%,合格率达到 100%,完全满足了甲方的开发要求,为油田整体注采方案的实施提供了有力的保障作用。

6 结语
    综上所述,得出如下结论:
    (1)本厂的原材料、 燃料以及设备等均适合生产快硬早强油井水泥。试生产的水泥, 生产控制严格,水泥性能较好,质量稳定,完全符合要求。

    (2)葛洲坝快硬早强油井水泥达到了预期的各项质量指标,具有低温下凝结时间短、抗压强度高、微膨胀、综合性能优等特点。

    (3)葛洲坝快硬早强油井水泥试验表明,该水泥与油田常用的油井水泥添加剂配伍性好,现场操作方便;并且使用少量外加剂,就可以调节出符合要求的水泥浆性能,固井质量高。

    (4)该种油井水泥的成功应用,对服务油田,推动固井作业不断向深层次发展具有重大意义,所以快硬早强油井水泥值得大力推广使用。

作者:邹兴芳   出处:《建材发展导向》  
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