3M高強度中空玻璃微球在低密度固井和鉆井中的應用 3M中國有限公司 目錄 3M公司簡介中空玻璃微球產品介紹HGS低密度固井水泥漿HGS低密度鉆井液致謝 3M公司簡介 創(chuàng)始于1902年 全球五百強企業(yè) 2006年產值229億美元 中國產值10億美元全球雇員69000人 遍布61個國家67000種產品 涵蓋生產生活的方方面面創(chuàng)新為本 每年500種新產品問世 銷售額有40 是最近4年的新產品 1 2 m 粒徑 10 90微米 真實密度 0 32g ccto0 60g cc 承壓能力 2000到18 000psi 14MPa到124MPa HGS中空玻璃微球介紹 1 2 m 平均 40 m 外形 中空球形單體 成分 耐熱堿石灰硼硅酸鹽 小小微球 蘊含科技 HGS電鏡照片 HGS概況 HGS中空玻璃微球規(guī)格型號 低密度固井水泥漿 低密度水泥漿的發(fā)展歷程低密度固井水泥漿簡介3MHGS高強度低密度水泥漿性能測試應用 低密度水泥漿發(fā)展歷程 六十年代使用以膨潤土 硅藻土 膨脹珍珠鹽 水玻璃 硅質充填物等材料配制低密度水泥漿 最低密度1 318g cm3 八十年代高強度空心微珠水泥漿 密度最低0 96g cm3泡沫水泥漿 密度低達0 72g cm3 九十年代斯侖貝謝RevilP等利用緊密堆積理論 設計配制的低密度水泥漿性能可與常規(guī)密度水泥漿的性能相媲美 國外發(fā)展歷程 低密度水泥漿發(fā)展歷程 目前斯侖貝謝公司采用3M公司生產的密度為0 38的具有高強度抗壓縮的空心玻璃微珠 可將水泥漿密度降低至0 98g cm3 其抗壓強度可與正常密度的水泥漿相當 滲透率比正常密度的水泥石低十倍 并進行了成功應用 國外發(fā)展歷程 低密度水泥漿發(fā)展歷程 80年代以來 克拉瑪依油田的低壓淺層易漏油氣井 遼河油田的低壓稠油熱采井及中原油田的中深易漏油氣井中使用了漂珠水泥漿固井 但水泥漿強度較低 最近幾年 中國石油集團工程技術研究院用泡沫水泥在長慶油田的低壓淺層易漏油氣井中成功進行了現場實驗 泡沫水泥漿密度1 3 1 35g cm3 此后 又用開發(fā)的低密高強水泥漿在大港 長慶等油田欠平衡鉆井固井中進行了應用實驗 水泥漿最低密度1 3g cm3 其綜合性能均可滿足目的層封固要求 國內發(fā)展歷程 常用低密度水泥漿的適用范圍 膨潤土低密度水泥漿的最低密度限制值是1 60g cm3粉煤灰低密度水泥漿的最低密度限制值是1 55g cm3硅藻土低密度水泥漿體系的最低密度限制值是1 50g cm漂珠低密度水泥漿體系的最低密度限制值是1 38g cm3泡沫水泥可以使水泥漿密度低于1 0g cm3 最低0 72g cm3 常用低密度水泥漿的適用范圍 常用低密度水泥漿的問題 低密度水泥由于外摻料的大量摻入 致使水泥漿密度的降低和水泥漿性能發(fā)生矛盾 突出表現在以下幾方面 水泥漿體系穩(wěn)定性差 體系分層離析 水泥漿失水量難以控制 泥漿流變性差 泵送困難 水泥石強度發(fā)展慢 強度低 水泥漿石滲透性高 易引起腐蝕性介質的腐蝕 尤其是水泥漿密度低于1 10g cm3時 泡沫水泥漿和漂珠水泥漿等隨著壓力增大 泡沫和漂珠易破碎 密度增加很快 所以在井底條件下 水泥漿的實際密度有所上升 低密度水泥漿的要求 沉降穩(wěn)定性好 不易分層 上下密度差不超過0 05g cm3有較好的流變性能 n值大于0 70 k值小于0 20失水量小 API失水控制在100ml以內抗壓強度符合施工要求 常壓24小時抗壓強度大于6Mpa稠化時間適合施工要求 調整緩凝劑加量能使水泥漿體系稠化時間大于120min過度時間短 防氣竄性能好 SPN值小于4 新型低密度水泥漿 漂珠低密度水泥漿3M中空玻璃微球低密度水泥漿 新型高性能低密度水泥漿 緊密堆積理論水泥漿中的水可分為兩部分 一部分水用于潤濕水泥顆粒表面 形成水膜 并參與水泥的水化 稱之為 水化水 另一部分水充填在水泥顆粒之間的空隙 稱之為 充填水 水泥漿中水的用量直接影響抗壓強度的發(fā)展 在水泥漿中使用合適的減阻劑可以減少水化水的用量 但不能減少充填水的用量 充填水的量取決于系統(tǒng)的堆積密度 要減少充填水 就必須提高系統(tǒng)的堆積密度 在水泥漿中 空隙空間通常被水充填 如果在水泥漿中對固相顆粒大小分布優(yōu)化 采用三種或更多的不同尺寸的顆粒進行級配 通過調節(jié)混合固相的大小分布 就能改變固相的堆積體積分數 從而增加抗壓強度和降低孔隙度和滲透率 新型高性能低密度水泥漿 G級水泥 漂珠 微硅和超細水泥 新型高性能低密度水泥漿 根據緊密堆積理論 在組成水泥漿固相中應該有3種或三種以上尺寸的顆粒 在選擇干混材料時 不僅要考慮材料的密度 與水泥的相溶性 還要考慮材料的顆粒形狀 吸附性能 水膜厚度等因素我們將G級水泥作為粒度為中等尺寸的顆粒 根據對G級油井水泥的粒度分析 普通G級油井水泥的粒徑約在20 m左右 對于粒度較粗的顆粒 由于漂珠呈球形 而且本身密度極小 僅0 7g cm3左右 因此 漂珠就成了粗顆粒材料的首選 漂珠是中空的圓形球體 其流動性極好 漂珠的粒度不能太粗 太粗則容易浮在水泥漿面上 而不易均勻地分散在水泥漿中 容易造成水泥漿分層 影響水泥漿的穩(wěn)定性 因此 我們選擇粒徑較小的細漂珠作為低密度水泥漿中的粗顆粒干混材料 對于粒度較細的顆粒 在減輕材料中 只有微硅和超細水泥的細度能滿足要求 因此 我們選擇了分別以微硅和超細水泥為主要成分的充填劑作為充填空隙的材料 漂珠水泥漿的不足 密度不能達到1 10g cm3以下 高壓破碎使密度增大 新型高性能低密度水泥漿 3M公司生產的HGS中空玻璃微球 性能優(yōu)于常用的普通漂珠 其配制的水泥漿體系各項指標均優(yōu)于普通漂珠配制的水泥漿體系 可以有效的解決漂珠存在的缺陷 低密度水泥漂浮在水面 HGS玻璃微球低密度水泥漿 可使水泥漿密度降到0 90g cm3玻璃微球的破碎壓力較高 用離心泵泵送也不會對實際密度產生較大影響與大多數體系兼容良好 能有效降低粘度和改善流動度耐高溫 化學穩(wěn)定 水泥石的拉伸強度 抗壓強度 楊氏模量均優(yōu)于漂珠HGS中空玻璃微球水泥漿體系在凝固時 收縮率非常低 能保證較好的膠結強度 HGS低密度水泥漿體系 添加中空玻璃微球生產低密度水泥漿非常方便 由于HGS中空玻璃微球化學惰性 不與水泥漿中的化學成分發(fā)生反應 因此 水泥漿的密度計算非常容易 計算方法為 式中 V 為HGS在泥漿中的體積百分比 基漿為基漿初始密度 目標為所需目標水泥漿密度 HGS為所選HGS型號中空玻璃微球密度 新型高性能低密度水泥漿性能 穩(wěn)定性流變性失水性防氣竄性能稠化性能水泥石強度 穩(wěn)定性測試 上下密度差小于0 050g cm3 滿足施工要求 流變性測試 加入適量分散劑HTP 1L 使流動度控制在19 23cm范圍內n值均大于0 70 k值均小于0 20 水泥漿穩(wěn)定 不沉降 具有良好的流變性能 可有效實現紊流頂替 提高頂替效率 水泥石抗壓強度測試 失水性測試 防氣竄性能測試 105 60MPa下測試 防氣竄性能測試 SPN為1 3時 水泥漿防氣竄性能優(yōu)良SPN為4 6時 水泥漿防氣竄性能中等SPN大于6時 水泥漿防氣竄性能差 稠化時間 稠化時間是固井作業(yè)中的關鍵指標 過短的稠化時間容易造成水泥漿在套管內凝固而引起憋泵 過長的稠化時間則可能引起層間流體的竄流 導致水泥環(huán)封固質量差密度大于1 06g cm3時 不加入緩凝劑 稠化時間也能大于160min對密度小于1 06g cm3的水泥漿體系 加入一定量的緩凝劑 也能使其稠化時間大于120min 滿足施工要求 固井高性能添加劑總結 HGS中空玻璃微球耐壓強度高 粒徑小 密度低低候凝時間 因為HGS的保溫效果好 加速水泥漿的凝固12小時和24小時強度高 候凝時間短確保HGS水泥漿在短時間內具有較高的強度降低漏失 很寬的產品密度范圍幫組降低水泥漿漏失的可能性有效防止氣竄 有效防止氣竄 環(huán)空氣竄的三個途徑由于頂替效率不高造成水泥漿竄槽 HGS中空玻璃微球由于外形規(guī)則 具有 滾珠效應 降低水泥漿泵送摩擦阻力 改善水泥漿的流動性能 同等條件下提高頂替效率 水泥石與套管及水泥石與地層之間存在微環(huán)隙 其形成原因是由于水泥漿凝固時化學收縮或由于水泥漿自由水析出以及由于溫度壓力變化形成的 室內試驗表明水泥石的體積收縮率可達到6 HGS高溫穩(wěn)定性好 不會產生收縮 降低水泥石的收縮率 水泥漿失重由于中空玻璃微球承壓能力高 空心含有一定空氣 保溫效果好 可以縮短水泥漿的候凝時間 因此 中空玻璃微球低密度水泥能有效降低水泥漿失重 使用情況 國外每年有幾百口油氣井使用3M高強度玻璃微球固井國內在普光氣田 中石油川東北氣田 勝利油田 塔里木油田 克拉馬依有幾十口井使用 中石化重點井塔中一井也使用了玻璃微球固井 HGS中空玻璃微球在低密度鉆井液中的應用 低壓低滲層開采難題 據研究 低滲油層吸水傷害可達25 50 特低滲油層可達50 90 低滲儲層細喉流道為主 導致了儲層對液相傷害 固相傷害敏感低滲透對應著低儲層壓力 一般低于0 9 用常規(guī)方法鉆井 固井 完井容易形成高壓差 從而導致了嚴重傷害 甚至不可恢復的傷害 欠平衡鉆井技術 欠平衡鉆井的優(yōu)勢提高硬地層的機械鉆速 減少循環(huán)漏失和壓差卡鉆等優(yōu)點 提高鉆頭壽命 減少和防止水平井鉆井中鉆井液對地層的損害 欠平衡鉆井的方法空氣 氮氣 泡沫 油水混合 低密度固相 各類欠平衡鉆井技術的不足 空氣鉆井缺點無法進行MWD信號傳輸井壁穩(wěn)定性差 容易出現坍塌地層出水無法應用擴徑現象嚴重鉆具腐蝕性強鉆遇油氣層著火和爆炸油水混合鉆井液的不足環(huán)境污染嚴重 HGS作為密度減輕劑加入鉆井液和完井液中 最大能加入到50 的體積濃度 低密度鉆井液制備 低密度鉆井液密度范圍 0 7 1 0g cm3 鉆井液流變性測試 鉆井液破壞實驗 DISPLACEMENT FLUID BACK PRESSURE REGULATOR 礦場 鹽水 試驗 泥漿 CONFINEMENT PUMP 泥漿 儲槽 P B P A MAIN PUMP REVERSING VALVE A B W J McDonaldet al DOE1999Oil GasConference Dallas Texas June28 30 1999 地層傷害試驗 德克薩斯大學 采用Berea砂巖巖心試驗結果證明 HGS能有效降低地層傷害 鉆井液地層傷害實驗 添加HGS的水基鉆井液不會對近井地帶造成永久性的傷害 沒有添加HGS的水基泥漿造成滲透率下降45 的永久性傷害 鉆井液地層傷害實驗 最簡單有效的方法是重復利用泥漿 HGS中空玻璃微球回收實驗 靜置后低密度的HGS中空玻璃微會浮上表面用水稀釋后 就更容易分離研究表明回收率在70 95 包裝和運輸 從倉庫到井場可以使用的HGS包裝 小箱 100lbs 大箱 800lbs HGS能順利通過 泥漿泵振動篩旋流器離心泵 與泥漿設備的兼容性 HGS的礦場操作方法 人工方法 機械方法 現有的文氏管 閘板閥 現有的漏斗 管頭 真空密封 連接到包裝箱的軟管 漏斗上夾住軟管的夾板 Topit 泥漿泵 法蘭 另外 可以不要漏斗 直接用4 24 管子焊接在法蘭盤上 然后安裝在文式管 在管子頂端裝上截止閥 然后套上軟管 接在包裝箱上 加料漏斗 泥漿很容易配置 在泥漿工廠或井場 加料準備 應用優(yōu)勢 高壓下鉆井液體積不會發(fā)生收縮 密度恒定 井下水力計算簡單 MWD信號傳輸良好高溫下性質穩(wěn)定 微球的軟化溫度為600 保證其在各種高溫高壓及復雜井況中得到應用學性質穩(wěn)定 與現有的鉆井液體系兼容 不會腐蝕鉆具使用簡單 不需要額外的配套設備無環(huán)境污染問題 應用情況 在國內中石油西南油氣田 大慶油田開始使用在中石化華北分公司開始使用與中石油鉆井院 中石化勘探開發(fā)研究院 中石油西南分公司鉆采院合作開展了大量的研究工作 現場應用圖片 離心機 泥漿池 循環(huán)回收 現場服務人員 ThankYou Questions Pleasevisit Thanks