M中空玻璃微球在固井钻井中的应用.ppt

3M高强度中空玻璃微球在低密度固井和钻井中的应用 3M中国有限公司 目录 3M公司简介中空玻璃微球产品介绍HGS低密度固井水泥浆HGS低密度钻井液致谢 3M公司简介 创始于1902年 全球五百强企业 2006年产值229亿美元 中国产值10亿美元全球雇员69000人 遍布61个国家67000种产品 涵盖生产生活的方方面面创新为本 每年500种新产品问世 销售额有40 是最近4年的新产品 1 2 m 粒径 10 90微米 真实密度 0 32g ccto0 60g cc 承压能力 2000到18 000psi 14MPa到124MPa HGS中空玻璃微球介绍 1 2 m 平均 40 m 外形 中空球形单体 成分 耐热碱石灰硼硅酸盐 小小微球 蕴含科技 HGS电镜照片 HGS概况 HGS中空玻璃微球规格型号 低密度固井水泥浆 低密度水泥浆的发展历程低密度固井水泥浆简介3MHGS高强度低密度水泥浆性能测试应用 低密度水泥浆发展历程 六十年代使用以膨润土 硅藻土 膨胀珍珠盐 水玻璃 硅质充填物等材料配制低密度水泥浆 最低密度1 318g cm3 八十年代高强度空心微珠水泥浆 密度最低0 96g cm3泡沫水泥浆 密度低达0 72g cm3 九十年代斯仑贝谢RevilP等利用紧密堆积理论 设计配制的低密度水泥浆性能可与常规密度水泥浆的性能相媲美 国外发展历程 低密度水泥浆发展历程 目前斯仑贝谢公司采用3M公司生产的密度为0 38的具有高强度抗压缩的空心玻璃微珠 可将水泥浆密度降低至0 98g cm3 其抗压强度可与正常密度的水泥浆相当 渗透率比正常密度的水泥石低十倍 并进行了成功应用 国外发展历程 低密度水泥浆发展历程 80年代以来 克拉玛依油田的低压浅层易漏油气井 辽河油田的低压稠油热采井及中原油田的中深易漏油气井中使用了漂珠水泥浆固井 但水泥浆强度较低 最近几年 中国石油集团工程技术研究院用泡沫水泥在长庆油田的低压浅层易漏油气井中成功进行了现场实验 泡沫水泥浆密度1 3 1 35g cm3 此后 又用开发的低密高强水泥浆在大港 长庆等油田欠平衡钻井固井中进行了应用实验 水泥浆最低密度1 3g cm3 其综合性能均可满足目的层封固要求 国内发展历程 常用低密度水泥浆的适用范围 膨润土低密度水泥浆的最低密度限制值是1 60g cm3粉煤灰低密度水泥浆的最低密度限制值是1 55g cm3硅藻土低密度水泥浆体系的最低密度限制值是1 50g cm漂珠低密度水泥浆体系的最低密度限制值是1 38g cm3泡沫水泥可以使水泥浆密度低于1 0g cm3 最低0 72g cm3 常用低密度水泥浆的适用范围 常用低密度水泥浆的问题 低密度水泥由于外掺料的大量掺入 致使水泥浆密度的降低和水泥浆性能发生矛盾 突出表现在以下几方面 水泥浆体系稳定性差 体系分层离析 水泥浆失水量难以控制 泥浆流变性差 泵送困难 水泥石强度发展慢 强度低 水泥浆石渗透性高 易引起腐蚀性介质的腐蚀 尤其是水泥浆密度低于1 10g cm3时 泡沫水泥浆和漂珠水泥浆等随着压力增大 泡沫和漂珠易破碎 密度增加很快 所以在井底条件下 水泥浆的实际密度有所上升 低密度水泥浆的要求 沉降稳定性好 不易分层 上下密度差不超过0 05g cm3有较好的流变性能 n值大于0 70 k值小于0 20失水量小 API失水控制在100ml以内抗压强度符合施工要求 常压24小时抗压强度大于6Mpa稠化时间适合施工要求 调整缓凝剂加量能使水泥浆体系稠化时间大于120min过度时间短 防气窜性能好 SPN值小于4 新型低密度水泥浆 漂珠低密度水泥浆3M中空玻璃微球低密度水泥浆 新型高性能低密度水泥浆 紧密堆积理论水泥浆中的水可分为两部分 一部分水用于润湿水泥颗粒表面 形成水膜 并参与水泥的水化 称之为 水化水 另一部分水充填在水泥颗粒之间的空隙 称之为 充填水 水泥浆中水的用量直接影响抗压强度的发展 在水泥浆中使用合适的减阻剂可以减少水化水的用量 但不能减少充填水的用量 充填水的量取决于系统的堆积密度 要减少充填水 就必须提高系统的堆积密度 在水泥浆中 空隙空间通常被水充填 如果在水泥浆中对固相颗粒大小分布优化 采用三种或更多的不同尺寸的颗粒进行级配 通过调节混合固相的大小分布 就能改变固相的堆积体积分数 从而增加抗压强度和降低孔隙度和渗透率 新型高性能低密度水泥浆 G级水泥 漂珠 微硅和超细水泥 新型高性能低密度水泥浆 根据紧密堆积理论 在组成水泥浆固相中应该有3种或三种以上尺寸的颗粒 在选择干混材料时 不仅要考虑材料的密度 与水泥的相溶性 还要考虑材料的颗粒形状 吸附性能 水膜厚度等因素我们将G级水泥作为粒度为中等尺寸的颗粒 根据对G级油井水泥的粒度分析 普通G级油井水泥的粒径约在20 m左右 对于粒度较粗的颗粒 由于漂珠呈球形 而且本身密度极小 仅0 7g cm3左右 因此 漂珠就成了粗颗粒材料的首选 漂珠是中空的圆形球体 其流动性极好 漂珠的粒度不能太粗 太粗则容易浮在水泥浆面上 而不易均匀地分散在水泥浆中 容易造成水泥浆分层 影响水泥浆的稳定性 因此 我们选择粒径较小的细漂珠作为低密度水泥浆中的粗颗粒干混材料 对于粒度较细的颗粒 在减轻材料中 只有微硅和超细水泥的细度能满足要求 因此 我们选择了分别以微硅和超细水泥为主要成分的充填剂作为充填空隙的材料 漂珠水泥浆的不足 密度不能达到1 10g cm3以下 高压破碎使密度增大 新型高性能低密度水泥浆 3M公司生产的HGS中空玻璃微球 性能优于常用的普通漂珠 其配制的水泥浆体系各项指标均优于普通漂珠配制的水泥浆体系 可以有效的解决漂珠存在的缺陷 低密度水泥漂浮在水面 HGS玻璃微球低密度水泥浆 可使水泥浆密度降到0 90g cm3玻璃微球的破碎压力较高 用离心泵泵送也不会对实际密度产生较大影响与大多数体系兼容良好 能有效降低粘度和改善流动度耐高温 化学稳定 水泥石的拉伸强度 抗压强度 杨氏模量均优于漂珠HGS中空玻璃微球水泥浆体系在凝固时 收缩率非常低 能保证较好的胶结强度 HGS低密度水泥浆体系 添加中空玻璃微球生产低密度水泥浆非常方便 由于HGS中空玻璃微球化学惰性 不与水泥浆中的化学成分发生反应 因此 水泥浆的密度计算非常容易 计算方法为 式中 V 为HGS在泥浆中的体积百分比 基浆为基浆初始密度 目标为所需目标水泥浆密度 HGS为所选HGS型号中空玻璃微球密度 新型高性能低密度水泥浆性能 稳定性流变性失水性防气窜性能稠化性能水泥石强度 稳定性测试 上下密度差小于0 050g cm3 满足施工要求 流变性测试 加入适量分散剂HTP 1L 使流动度控制在19 23cm范围内n值均大于0 70 k值均小于0 20 水泥浆稳定 不沉降 具有良好的流变性能 可有效实现紊流顶替 提高顶替效率 水泥石抗压强度测试 失水性测试 防气窜性能测试 105 60MPa下测试 防气窜性能测试 SPN为1 3时 水泥浆防气窜性能优良SPN为4 6时 水泥浆防气窜性能中等SPN大于6时 水泥浆防气窜性能差 稠化时间 稠化时间是固井作业中的关键指标 过短的稠化时间容易造成水泥浆在套管内凝固而引起憋泵 过长的稠化时间则可能引起层间流体的窜流 导致水泥环封固质量差密度大于1 06g cm3时 不加入缓凝剂 稠化时间也能大于160min对密度小于1 06g cm3的水泥浆体系 加入一定量的缓凝剂 也能使其稠化时间大于120min 满足施工要求 固井高性能添加剂总结 HGS中空玻璃微球耐压强度高 粒径小 密度低低候凝时间 因为HGS的保温效果好 加速水泥浆的凝固12小时和24小时强度高 候凝时间短确保HGS水泥浆在短时间内具有较高的强度降低漏失 很宽的产品密度范围帮组降低水泥浆漏失的可能性有效防止气窜 有效防止气窜 环空气窜的三个途径由于顶替效率不高造成水泥浆窜槽 HGS中空玻璃微球由于外形规则 具有 滚珠效应 降低水泥浆泵送摩擦阻力 改善水泥浆的流动性能 同等条件下提高顶替效率 水泥石与套管及水泥石与地层之间存在微环隙 其形成原因是由于水泥浆凝固时化学收缩或由于水泥浆自由水析出以及由于温度压力变化形成的 室内试验表明水泥石的体积收缩率可达到6 HGS高温稳定性好 不会产生收缩 降低水泥石的收缩率 水泥浆失重由于中空玻璃微球承压能力高 空心含有一定空气 保温效果好 可以缩短水泥浆的候凝时间 因此 中空玻璃微球低密度水泥能有效降低水泥浆失重 使用情况 国外每年有几百口油气井使用3M高强度玻璃微球固井国内在普光气田 中石油川东北气田 胜利油田 塔里木油田 克拉马依有几十口井使用 中石化重点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钻井液中的应用 低压低渗层开采难题 据研究 低渗油层吸水伤害可达25 50 特低渗油层可达50 90 低渗储层细喉流道为主 导致了储层对液相伤害 固相伤害敏感低渗透对应着低储层压力 一般低于0 9 用常规方法钻井 固井 完井容易形成高压差 从而导致了严重伤害 甚至不可恢复的伤害 欠平衡钻井技术 欠平衡钻井的优势提高硬地层的机械钻速 减少循环漏失和压差卡钻等优点 提高钻头寿命 减少和防止水平井钻井中钻井液对地层的损害 欠平衡钻井的方法空气 氮气 泡沫 油水混合 低密度固相 各类欠平衡钻井技术的不足 空气钻井缺点无法进行MWD信号传输井壁稳定性差 容易出现坍塌地层出水无法应用扩径现象严重钻具腐蚀性强钻遇油气层着火和爆炸油水混合钻井液的不足环境污染严重 HGS作为密度减轻剂加入钻井液和完井液中 最大能加入到50 的体积浓度 低密度钻井液制备 低密度钻井液密度范围 0 7 1 0g cm3 钻井液流变性测试 钻井液破坏实验 DISPLACEMENT FLUID BACK PRESSURE REGULATOR 矿场 盐水 试验 泥浆 CONFINEMENT PUMP 泥浆 储槽 P B P A MAIN PUMP REVERSING VALVE A B W J McDonaldet al DOE1999Oil GasConference Dallas Texas June28 30 1999 地层伤害试验 德克萨斯大学 采用Berea砂岩岩心试验结果证明 HGS能有效降低地层伤害 钻井液地层伤害实验 添加HGS的水基钻井液不会对近井地带造成永久性的伤害 没有添加HGS的水基泥浆造成渗透率下降45 的永久性伤害 钻井液地层伤害实验 最简单有效的方法是重复利用泥浆 HGS中空玻璃微球回收实验 静置后低密度的HGS中空玻璃微会浮上表面用水稀释后 就更容易分离研究表明回收率在70 95 包装和运输 从仓库到井场可以使用的HGS包装 小箱 100lbs 大箱 800lbs HGS能顺利通过 泥浆泵振动筛旋流器离心泵 与泥浆设备的兼容性 HGS的矿场操作方法 人工方法 机械方法 现有的文氏管 闸板阀 现有的漏斗 管头 真空密封 连接到包装箱的软管 漏斗上夹住软管的夹板 Topit 泥浆泵 法兰 另外 可以不要漏斗 直接用4 24 管子焊接在法兰盘上 然后安装在文式管 在管子顶端装上截止阀 然后套上软管 接在包装箱上 加料漏斗 泥浆很容易配置 在泥浆工厂或井场 加料准备 应用优势 高压下钻井液体积不会发生收缩 密度恒定 井下水力计算简单 MWD信号传输良好高温下性质稳定 微球的软化温度为600 保证其在各种高温高压及复杂井况中得到应用学性质稳定 与现有的钻井液体系兼容 不会腐蚀钻具使用简单 不需要额外的配套设备无环境污染问题 应用情况 在国内中石油西南油气田 大庆油田开始使用在中石化华北分公司开始使用与中石油钻井院 中石化勘探开发研究院 中石油西南分公司钻采院合作开展了大量的研究工作 现场应用图片 离心机 泥浆池 循环回收 现场服务人员 ThankYou Questions Pleasevisit Thanks