高溫大溫差低密度水泥漿體系的室內(nèi)研究

劉鑫

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

隨著油氣田勘探開發(fā)的不斷深入和鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，鉆遇的地質(zhì)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，對(duì)深井超深井固井質(zhì)量的要求也日益提高，使得大溫差、長(zhǎng)封固段井固井質(zhì)量越來(lái)越受到重視。目前，針對(duì)長(zhǎng)封固段大溫差井的固井施工作業(yè)主要采用水泥漿體系設(shè)計(jì)與固井工藝相結(jié)合的方法來(lái)解決。然而，對(duì)于封固段底部循環(huán)溫度大于110℃、頂部靜止溫度小于90℃的油氣井，大部分水泥漿體系易在長(zhǎng)封固段頂部出現(xiàn)緩凝甚至超緩凝現(xiàn)象，不僅增加了鉆井周期，還可能影響固井質(zhì)量。在該類油氣井固井時(shí)，大多通過(guò)分級(jí)固井、尾管懸掛固井等特殊固井工藝技術(shù)來(lái)降低封固段上下溫度差值，減小封固段頂部水泥漿出現(xiàn)過(guò)緩凝的風(fēng)險(xiǎn)(如：遼河油田興古7-16)[1]，但固井工具使用時(shí)工序復(fù)雜、成本較高。因此，本文從水泥漿體系的設(shè)計(jì)入手，通過(guò)對(duì)其不同溫度區(qū)域內(nèi)各項(xiàng)性能的改進(jìn)與完善，可望縮短鉆井周期、降低運(yùn)行成本并為固井質(zhì)量的提高提供有益的技術(shù)支持。

高溫大溫差固井用水泥漿體系既要解決高溫下的安全泵送時(shí)間短及靜止后沉降穩(wěn)定性差的難題，又要保證其在頂部低溫區(qū)域內(nèi)具有凝結(jié)時(shí)間短、早期強(qiáng)度高的特性，這給水泥漿體系的設(shè)計(jì)帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。本文以強(qiáng)化粘度效應(yīng)、懸浮結(jié)構(gòu)、提高活性物質(zhì)含量等理論為指導(dǎo)，通過(guò)對(duì)外加劑的研選和復(fù)配，設(shè)計(jì)出一套高溫大溫差低密度水泥漿體系，并對(duì)其綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該體系具有密度低、強(qiáng)度高、失水量小、流變性及高溫穩(wěn)定性好、耐高溫等特性，對(duì)于提高高溫大溫差長(zhǎng)封固段井的固井質(zhì)量具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 高溫大溫差低密度水泥漿的設(shè)計(jì)

高溫大溫差低密度水泥漿體系的高溫沉降穩(wěn)定性和低溫區(qū)域早期強(qiáng)度是衡量其性能優(yōu)劣的兩個(gè)重要指標(biāo)[2]。以強(qiáng)化粘度效應(yīng)、懸浮結(jié)構(gòu)、增加活性物質(zhì)理論為指導(dǎo)，提高Si/Ca比、增加懸浮顆粒，提高水泥漿體系的密實(shí)程度，可以使高溫大溫差低密度水泥漿體系的強(qiáng)度和懸浮穩(wěn)定性大幅度地提高。在設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下問(wèn)題:

（1）較好的高溫穩(wěn)定性：水泥漿在一定的條件下，漿體不發(fā)生分層離析，形成的水泥石縱向密度分布要基本一致，析水小、體積收縮小。

（2）較高的早期強(qiáng)度：不能盲目追求水泥漿的流變性能和濾失量控制，而損害水泥漿的抗壓強(qiáng)度和穩(wěn)定性。選擇合適的增強(qiáng)劑以提高早期強(qiáng)度[2]。

（3）合適的流變性和密度：選擇減輕劑的類型和級(jí)別粒徑，不能盲目增大用水量，用水量應(yīng)嚴(yán)格控制在所選擇減輕劑的最大允許范圍內(nèi)。

因此，選用哈爾濱水泥有限公司的太行低密度油井水泥及石英砂、微硅配制高溫大溫差低密度水泥漿，在較低液固比時(shí)，即可獲得較低密度的水泥漿，并且加入適當(dāng)?shù)耐饧觿┛梢允蛊渚哂休^高的早期強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

30-60型瓦林?jǐn)嚢杵鳌?207型壓力試驗(yàn)機(jī)、7025型高溫高壓稠化儀，美國(guó)CHANDLER公司；35SA型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，美國(guó)Fann公司；巖芯滲透儀、高壓失水儀、高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜等。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料及藥品

太行低密度油井水泥；石英砂，200目；微硅、DCS增強(qiáng)劑、DHTR400緩凝劑、DHTF3降失水劑、DHTS190懸浮劑以及DMP無(wú)機(jī)凝膠，大慶鉆井研究院自制。水泥漿配置過(guò)程中，太行低密度油井水泥與8%石英砂、3%微硅及無(wú)機(jī)凝膠干混，其它藥液與自來(lái)水?dāng)嚢杈鶆蚝蟠?，液?W/S)比為0.68時(shí)體系密度1.60g/cm3。

2.3 高溫大溫差低密度水泥漿配方

根據(jù)以上低密度水泥漿設(shè)計(jì)原則，經(jīng)過(guò)外加劑的優(yōu)選，配制出了一套高溫大溫差低密度水泥漿體系，配方為：100%太行低密度油井水泥+8%石英砂+3%膨脹劑+2%~6%DHTR400+4%~8%DHTF3+0.3%DMPH無(wú) 機(jī) 凝 膠+2%~4%DHTS190+1.5%DCS增 強(qiáng) 劑（W/S為0.68）。其中DCS增強(qiáng)劑為NCS液硅；懸浮穩(wěn)定劑為無(wú)機(jī)類DMP-H無(wú)機(jī)凝膠與有機(jī)類DHTS190雜化而成。

3 綜合性能分析

3.1 水泥漿綜合性能評(píng)價(jià)

高溫大溫差低密度水泥漿體系的綜合性能見(jiàn)表1。由表1可以看出，該水泥漿體系流動(dòng)度大于24cm；API濾失量：28mL(6.9MPa×90℃×30 min)；稠化時(shí)間：380min/100Bc(140℃×76.5MPa)；水泥漿上下密度差為0g/cm3；水泥漿凝結(jié)過(guò)程中無(wú)游離液析出，漿柱的穩(wěn)定性好；滲透率為0.015×10-3μm2；流性指數(shù)n為1.03，稠度系數(shù)k為0.035Pa·sn，具有良好的流變性能，有利于減少水泥漿摩阻從而降低注水泥泵注壓力，滿足現(xiàn)場(chǎng)固井對(duì)水泥漿流性指數(shù)n≥0.6、k≤0.35的要求。該水泥漿體系優(yōu)異的綜合性能，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)固井作業(yè)要求。

表1 高溫大溫差低密度水泥漿體系綜合性能

3.2 水泥漿體系稠化性能

140℃×76.5MPa的稠化曲線圖（圖1）可以看出：該水泥漿體系稠化曲線平穩(wěn)，溫度和壓力曲線無(wú)明顯波動(dòng)，說(shuō)明在高溫條件下水泥漿性能良好，沒(méi)有出現(xiàn)“鼓包”等現(xiàn)象。條件下的稠化曲線基本呈直角稠化，漿體性能較好，過(guò)渡時(shí)間短。

圖1 140℃×76.5MPa時(shí)水泥漿體系的稠化曲線圖

3.3 水泥漿體系水泥石抗壓強(qiáng)度

通過(guò)緩凝劑DHTR400與DCS增強(qiáng)劑的協(xié)同作用，能夠在保證稠化時(shí)間的情況下，有效提高水泥石的早期強(qiáng)度。室內(nèi)考察了不同溫度下水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度，由表2可知，低溫區(qū)域95℃區(qū)域72h抗壓強(qiáng)度在14MPa以上；160℃條件下隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加水泥石抗壓強(qiáng)度逐漸增加。該水泥漿體系可以有效解決低溫區(qū)域早期強(qiáng)度低的問(wèn)題，滿足現(xiàn)場(chǎng)固井施工要求。

表2 高溫大溫差低密度水泥漿體系的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

3.4 水泥漿體系沉降穩(wěn)定性

低密度水泥漿的穩(wěn)定性在宏觀上主要表現(xiàn)為水泥漿上、下密度差異[3]。本文基于這一原理對(duì)該體系的沉降穩(wěn)定性進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)。在稠化儀中，將高溫大溫差低密度水泥漿加熱到試驗(yàn)溫度(BHCT)后，攪拌30min后，測(cè)量上層和下層的密度[4]，進(jìn)而得出水泥漿體系上下層密度差，用于評(píng)價(jià)水泥漿體系的沉降穩(wěn)定 性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同循環(huán)溫度高溫大溫差低密度水泥漿體系上下層密度差

從表3可以看出，95℃條件下水泥漿上下密度差為零；160℃條件下水泥漿上下密度差為0.005g/crn3，均小于0.02g/crn3，高溫大溫差低密度水泥漿體系在高溫條件下也具有較好的穩(wěn)定性。能夠有效防止固井施工中上部水泥環(huán)膠結(jié)疏松，水泥石抗壓強(qiáng)度下降以及因水泥沉降帶來(lái)的固井安全隱患，有助于保證施工安全，提高固井質(zhì)量。

3.5 聲阻抗

目前，大慶油田評(píng)價(jià)固井質(zhì)量的測(cè)井方法為聲幅測(cè)井與聲波變密度測(cè)井，根據(jù)聲波測(cè)井原理，入射波的能量一部分被界面反射，另一部分透過(guò)界面在第二介質(zhì)中傳播。反射波的幅度取決于兩種介質(zhì)的聲阻抗[4]。因此，聲波測(cè)井結(jié)果與水泥石的聲阻抗變化存在直接的關(guān)系。室內(nèi)對(duì)高溫大溫差低密度水泥漿體系的聲阻抗值進(jìn)行了測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 高溫大溫差低密度水泥漿體系聲阻抗測(cè)定

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：該高溫大溫差低密度水泥漿體系聲阻抗值隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加，說(shuō)明水泥漿硬化體的微觀結(jié)構(gòu)和形貌發(fā)生了顯著變化，密實(shí)程度有所提升，不會(huì)對(duì)測(cè)井造成影響。

4 結(jié)論

（1）以強(qiáng)化粘度效應(yīng)、懸浮結(jié)構(gòu)、增加活性物質(zhì)為指導(dǎo)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)水泥漿外摻料組成，優(yōu)選抗高溫性能良好的外加劑，最終得到一套密度為1.60 g/cm3的高溫大溫差低密度水泥漿體系。

（2）該水泥漿體系具有高溫區(qū)域沉降穩(wěn)定性好、濾失量低、稠化時(shí)間可調(diào)、水泥漿強(qiáng)度發(fā)展良好等優(yōu)良性能，水泥石72h（95℃）抗壓強(qiáng)度達(dá)到14MPa以上。

（3）該水泥漿體系在保證良好施工性能的基礎(chǔ)上，拓寬了溫度應(yīng)用范圍，對(duì)縮短施工周期、改善固井質(zhì)量具有一定的積極作用。