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【技术推广】打破传统:WellLock开辟固井新思路

【技术推广】打破传统:WellLock开辟固井新思路

抛开传统认知,成就独特的井眼完整性解决方案。

来自 | Halliburton

Halliburton在套管井固井施工中所用的树脂名为WellLock®,WellLock®是一种树脂体系,既可以单独使用以提升井眼完整性;也可以混配入水泥浆体系LockCemTM,从而形成更强韧的水泥石。化学家琼斯博士通过Halliburton已有的树脂化学组合,成功设计了现有的WellLock®树脂体系。

合成树脂产品涉及到非常复杂的化学过程,与当时使用的水泥完全不同。所以研究刚开始时,传统派认为,“传说中的树脂材料,不可能取代传统水泥”。

或许要归功于琼斯的非石油专业背景, 他最终研发出了一种新的、符合标准要求的分子聚合物,并得出了一套独特的解决方案,可以满足很多非常严格的要求,比如必须能够在地表混配和泵送,入井即可变硬,需要有抗温抗压能力,不能与水泥、水、酸、盐和其他境内元素发生反应或分解等等。

在全球范围内,Halliburton已经完成了超过700次WellLock树脂施工,在中国已经完成超过45次施工。琼斯指出:“我们解决了有关天然气气窜和井眼完整性缺失重大挑战。”

WellLock树脂体系简介

1.稠化时间可调,可根据井况调整方案

随着WellLock树脂组分之间发生交联反向,体系的粘度逐渐升高并最终失去流动性、发展强度。可通过调节组分浓度以调节WellLock树脂在不同温度下的稠化时间和候凝时间。某配方的典型稠化时间曲线如下图:

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2.流变特性优异,穿透性强,可挤入微米级裂缝

水泥浆中含有固态颗粒,因此水泥浆无法被挤入微米级微间隙中,被挤入的多为水泥浆中的滤液,只能在漏点表面形成固态结痂,因此无法形成有效封堵。WellLock树脂属于牛顿流体,流动状态类似于水,不含有固态颗粒,穿透性极强,可穿透微米级的微间隙。

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3.抗压强度高、弹性好,可恢复套管完整性

与水泥石相比,凝固后的WellLock树脂抗压强度更高,杨氏模量低而泊松比高。因此在凝固后,可以承受井筒内后期发生的应力变化,不易失效。在72摄氏度下对WellLock树脂养护48小时候后进行抗压强度测试,如下图所示,抗压强度高达12500psi,发生形变约21%。因此,WellLock树脂的优异性能可恢复套管的完整性,使得套管修补后进行压裂作业成为了可能。

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4.密封性能好、胶结质量高,形成永久封堵不失效

在如下图左侧的实验装置中,1英尺的WellLock树脂被填充在红色的环形区域内形成密封,凝固后可承受1000psi的压差无泄露,拥有优异的密封性能。另外,实验证明,WellLock树脂与界面的胶结质量远优于水泥,如下图右侧实验曲线所示,同等长度的胶结面,WellLock树脂与界面的胶结质量(1000psi)约为水泥(170psi)的6倍左右。出色的密封性能和胶结质量为WellLock树脂的封堵作业提供了坚实的保障。

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5.WellLock树脂从根本上预防气窜

常规水泥浆在凝固过程中有静液注压力逐渐丧失的过程,且在此过程中水泥浆还未发展强度以阻挡气体上窜,因此在此过程中易发生气窜。而WellLock树脂可从根本上预防气窜的发生,WellLock树脂的稠化凝固过程涉及到交联反应共价键的形成,粘度逐渐升高并持续形成一种无孔的三维网站结构以抵挡气体的上窜,在此反应过程中,WellLock树脂仍可持续的传递静液注压力,从而在根本上解决了水泥浆凝固过程中失重易发生气窜的问题。另外,WellLock树脂凝固后本身没有渗透性,这也预防了气体通过凝固后屏障本体上窜的可能。

6.液体WellLock树脂与水分层,抗污染能力强,凝固后抗化学腐蚀

液体WellLock树脂密度比水大,为1.1-1.2 SG (可通过加重剂加重),且WellLock树脂与水不混溶,与水混合后会自然分层,不发生不良反应,如下图所示。另外,WellLock树脂具备较好的抗污染性能,实验数据显示,WellLock树脂与10%的油基泥浆发生污染混浆后,仍能在24小时发展1000psi的抗压强度,48小时发展4300psi的抗压强度。WellLock树脂凝固后表现为惰性,不受酸性气体的腐蚀,可用于含CO2和H2S的井况。

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7.WellLock树脂凝固后可钻

WellLock树脂凝固后因具有更高的抗压强度和韧性,因此钻塞与常规水泥石相比钻速稍慢。可通过使用连续油管或钻杆钻塞,使用较多的磨鞋为五刃磨铣钻头,钻头尺寸尽量接近套管通径以降低套管壁碎屑残余。建议钻压500-1650 lbs,转速150-300 RPM,扭矩500 ft-lbs。

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8.WellLock树脂可作为水泥浆的添加剂混配在水泥浆中,形成LockCem水泥浆体系,改善水泥浆的性能

通常情况下,WellLock树脂在整个LockCem体系中的体积占比为10-30%。显微镜显示,WellLock树脂可均一稳定的分布在LockCem水泥浆中。通过实验数据得出,随着WellLock树脂占比的提高,LockCem水泥浆体系的抗压强度提高、弹性提高、胶结质量提高、渗透性降低。因LockCem水泥浆体系与常规水泥浆体系相比有更加优异的综合性能,因此在套管固井与弃井作业中使用广泛。

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LockChem固井体系简介

基于WellLock树脂技术(体积比<30%),配合任意级别的Portland水泥,Halliburton形成了一套树脂水泥浆混合体系—LockChem的固井体系。

技术优势

-提高抗剪切强度;
-降低渗透率;
-降低杨氏模量,增大的延展性;
-增加抗压强度;
-降低密度;
-按体积百分比与Portland水泥配置,性价比最大化。

应用范围

1.常规固井;
2.补救固井;
3.弃井水泥塞。

机械性能

1.增加抗压强度;
2.降低杨氏模量。

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外观

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渗透率

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剪切力

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案例研究

应用地区:墨西哥湾

墨西哥湾某运营商遇到多重挑战:有23口冒泡弃井需要重入维修,带盖板26英寸迫入管的有限处理量(1~3bbls),封堵剂必须能防止任何气窜,并能够形成坚固的胶结,同时还需要进行无隔水管作业。

Halliburton推荐使用LockCem体系,通过增加与套管的胶结强度、降低水泥石的渗透率并增强防气窜能力,进而解决上述问题。

从下图中可看出,与基础水泥相比,LockCem?水泥剪切强度更高,抗压强度更高,密度更低。

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基于LockChem体系,作业者成功地进行了小批量的混配并通过灌浆管串注入设计位置,消除了所有井内的气泡,避免了昂贵的磨铣施工,有效利用了钻井时间。

综上所述,WellLock?树脂体系与LockCemTM水泥浆体系已经成为提高井筒完整性与延长天然气井的生命周期的理想解决方案。

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二丫
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(北京),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。如需获取更多技术资料,请联系二丫(QQ295900524;微信13132550596)

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