火燒吞吐井用抗高溫耐腐蝕水泥漿體系

李連江（中國石油集團長城鉆探工程有限公司固井公司，遼寧盤錦124010）

李連江等.火燒吞吐井用抗高溫耐腐蝕水泥漿體系[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：73-78.

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火燒吞吐井用抗高溫耐腐蝕水泥漿體系

李連江
（中國石油集團長城鉆探工程有限公司固井公司，遼寧盤錦124010）

李連江等.火燒吞吐井用抗高溫耐腐蝕水泥漿體系[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：73-78.

摘要火燒吞吐采油技術(shù)是近年來發(fā)展很快的一種具有明顯優(yōu)勢和潛力的熱力采油方法，其特殊的采油工藝需要開發(fā)一種同時具有抗550 ℃以上高溫和耐CO2腐蝕性能的水泥漿體系。從水泥石耐高溫和抗腐蝕機理出發(fā)，研發(fā)了一種磷鋁酸鹽水泥GWC-500S，該水泥通過對鋁酸鹽水泥加入磷酸鹽、氧化鋁粉、耐腐蝕材料、激活材料等進行改性而得，同時研發(fā)了配套的多元單體聚合的液體降失水劑GWF-500L及無機酸緩凝劑GWR-500S，并配制出了適用于火燒油層固井的水泥漿體系。對50、300和600 ℃不同溫度下水泥石進行XRD實驗，分析了不同溫度下水泥水化產(chǎn)物和水化產(chǎn)物隨著溫度變化的情況；對600 ℃煅燒后水泥石剖面進行了掃描電鏡分析；對磷鋁酸鹽水泥經(jīng)過550 ℃高溫煅燒7 d后的強度變化進行了評價；在120 ℃、CO2分壓約為6.9 MPa條件下，對水泥石耐CO2腐蝕性能進行了評價。研究結(jié)果表明，該體系具有在40～100 ℃范圍內(nèi)稠化時間可調(diào)，API失水量小于50 mL，水泥漿流變性能良好等特點，且該水泥石可耐550 ℃高溫強度不衰退、抗CO2腐蝕性能良好、密度可調(diào)、稠度適中、穩(wěn)定性良好，與鉆井液、隔離液相容性良好。該水泥漿在××油田火燒油層吞吐試驗區(qū)塊英試×井進行了試驗應用，經(jīng)室內(nèi)實驗和現(xiàn)場應用證明，其滿足火燒油層固井工藝要求。

關(guān)鍵詞火燒吞吐；抗高溫；耐腐蝕；水泥漿

High Temperature Corrosion Resistant Cement Slurry Used in Fire Soaked Well Cementing

LI Lianjiang
(Cementing Branch of CNPC Greatwall Drilling Company, Panjin Liaoning 124010, China)

Abstract Fire soaking production is an advantageous thermal production technology fast developed in recent years. This technology requires cement slurry to have the thermal stability above 550 ℃ and resistance to CO2corrosion, such as GWC-500S, a phosphoaluminate cement which was developed by adding phosphate, alumina powder, corrosion resistant agent and activator into an aluminate cement. A liquid filter loss reducer GWF-500L and an inorganic acid retarder GWR-500S have also been developed for use in the cement. A cement slurry was developed with these materials and the set cement was tested using XRD at 50 ℃, 300 ℃ and 600 ℃. Hydrates of the cement and their changes with temperature were analyzed. Set cement calcinated at 600 ℃ was analyzed using SEM for its profile. Changes in the strength of the phospho-aluminate cement after calcination at 550 ℃ for 7 d were evaluated. Resistance to CO2corrosion of set cement at 120 ℃ and a CO2partial pressure of 6.9 MPa was evaluated. It is understood through these studies and evaluations that the phospho-aluminate cement slurry has thickening time adjustable between 40 ℃ and 100 ℃, API filter loss of less than 50 mL, and good rheology. The set cement has the advantages such as: resistance to high temperature to 550 ℃, resistance to CO2corrosion, adjustable density, moderate thickness, good stability, and good compatibility with drilling fluids and spacers. The cement slurry has been successfully tried on well Yingshi X in a fire soak test block in XX oilfield. Laboratory experiments and field application prove that the phospho-aluminate cement slurry satisfies the needs for fire soak well cementing.

Key words Fire soak; High temperature resistant; Corrosion resistant; Cement slurry

隨著常規(guī)油氣資源開采的枯竭，中國各大油田已經(jīng)進入了二次、三次采油時期。稠油作為一種非常規(guī)石油資源具有極大的開采價值[1]?；馃蛯硬捎图夹g(shù)是近年來發(fā)展很快的一種具有明顯技術(shù)優(yōu)勢和潛力的熱力采油方法，是提高稠油采收率的技術(shù)之一，其原理就是利用地層原油中的重質(zhì)組分作為燃料，利用空氣或富氧氣體作為助燃劑，采取自燃和人工點火等方法使油層溫度達到原油燃點，并連續(xù)注入助燃劑，使油層原油持續(xù)燃燒，燃燒反應產(chǎn)生大量的熱，加熱油層，使得油層溫度上升500～700 ℃，重質(zhì)組分在高溫下裂解，注入的氣體、重油裂解生成的輕質(zhì)油、燃燒生成的氣體以及水蒸汽用于驅(qū)動原油向生產(chǎn)井流動，并從生產(chǎn)井采出[2]。在火燒稠油熱采時，井下及地層產(chǎn)生高達500 ℃以上的高溫，并伴隨有燃燒產(chǎn)生的CO2氣體，對水泥石的抗高溫和耐CO2腐蝕有較高的要求。硅酸鹽水泥石在高溫下強度會嚴重衰減，實驗表明在500 ℃時，硅酸鹽水泥石會出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象[3]。鋁酸鹽水泥被認為是常用的高溫水泥，但在此溫度范圍內(nèi)，也存在強度衰減現(xiàn)象，同時水化鋁酸鈣的抗CO2腐蝕性能不佳[4]。磷酸鹽水泥具有優(yōu)異的抗CO2腐蝕性能，但是由于該水泥漿體系不具有耐高溫性能，在高溫下會出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象。因此，為了滿足火燒稠油熱采工藝的要求，需要開發(fā)一種需同時具備耐高溫性能和抗CO2腐蝕性能的水泥漿體系。研發(fā)了一種磷鋁酸鹽水泥，并開發(fā)了配套的降失水劑及緩凝劑，形成了一套抗500 ℃以上高溫且耐CO2腐蝕的水泥石，同時該水泥漿體系具有在40～100 ℃范圍內(nèi)稠化時間可調(diào)，API失水量小于50 mL， 水泥漿流變性能良好等特點， 滿足火燒吞吐井固井施工及水泥漿抗高溫耐腐蝕性能的要求。

1　實驗原理

磷鋁酸鹽水泥由磷鋁酸鹽水泥熟料和活性外摻料組成，其主要化學成分為Al2O3、 P2O5、 CaO， 常溫條件下的水化產(chǎn)物主要組成為Ca2P2O7¨2H2O、Al（OH）3，在高溫高壓條件下水化產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石Ca10（PO4）6（OH）2、勃姆石AlO（OH）、長石Ca2Al2Si2O8，這些水化產(chǎn)物都具有良好的抗高溫、抗熱震性能[5]。磷鋁酸鹽水泥石在高溫條件下沒有硅酸鹽水泥水化物中的氫氧化鈣、水化硅酸鈣，也沒有鋁酸鹽水泥中的水化鋁酸鈣礦物和氫氧化鋁，所以該水泥體系具有良好的抗CO2腐蝕性能。

根據(jù)以上原理，研發(fā)了一種磷鋁酸鹽水泥GWC-500S，該水泥通過對鋁酸鹽水泥進行改性，加入磷酸鹽、氧化鋁粉、耐腐蝕材料、激活材料等，通過酸堿中和及晶格轉(zhuǎn)換，形成磷鋁酸鹽水泥GWC-500S，其水泥石具有優(yōu)異的抗500 ℃以上高溫和耐CO2腐蝕性能。

同時研發(fā)了一種配套的多元單體聚合的液體降失水劑GWF-500L及無機酸緩凝劑GWR-500S，2種配套的磷鋁酸鹽水泥外加劑可以有效調(diào)節(jié)磷鋁酸鹽水泥漿在40～100 ℃下的稠化時間及對應溫度下的失水性能。

2　性能評價及應用

2.1 磷鋁酸鹽水泥GWC-500S性能

2.1.1 結(jié)構(gòu)分析

1）XRD分析。對不同溫度下水泥石進行XRD實驗，分析了不同溫度下水泥水化產(chǎn)物和水化產(chǎn)物隨著溫度變化的情況，見圖1。實驗溫度分別為50 ℃、300 ℃、600 ℃。由圖1可以看出，磷鋁酸鹽水泥在600 ℃高溫煅燒后，除少部分礦物AlO（OH）脫水失去結(jié)晶水，衍射峰消失，轉(zhuǎn)為Al2O3，大部分水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)沒有變化。

圖1　不同溫度下水泥石的XRD圖

2）SEM分析。通過對水泥石剖面進行掃描電鏡分析， 獲得放大800、 3 000、 6 000、 12 000倍的掃描電鏡圖，見圖2。從圖2可以看出，水泥在經(jīng)高溫煅燒后，試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍呈致密狀態(tài)，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。內(nèi)部孔洞中存在一些成片狀、針狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，能譜檢測結(jié)果表明，這些產(chǎn)物主要為長石礦物。

圖2　 水泥石600 ℃煅燒后顯微結(jié)構(gòu)

2.1.2 水泥石抗高溫性能

常規(guī)水泥漿實驗儀器中，增壓養(yǎng)護釜養(yǎng)護溫度最高為315 ℃，無法達到目前研究要求的600 ℃高溫評價，該研究采取以下方法進行初步抗高溫效果評價[6-7]。①將水泥漿按照施工時的井底實際溫度養(yǎng)護1～7 d，每間隔24 h評價1次水泥石強度；②待水泥石強度不再發(fā)展后，放置到增壓養(yǎng)護釜中高溫高壓養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度為300 ℃，養(yǎng)護壓力為21.7 MPa，養(yǎng)護時間為1～30 d，每間隔24 h評價1次水泥石強度，強度不應有衰減；③經(jīng)過30 d養(yǎng)護的水泥石不發(fā)生衰減后，脫模，在80 ℃和150℃下脫水12 h，300 ℃下烘干24 h后，利用茂福爐600 ℃下烘燒1～30 d，每間隔24 h評價1次水泥石強度發(fā)展。結(jié)果見圖3和表1。

表1　不同種類水泥石常規(guī)性能及抗高溫性能評價

圖3　水泥石養(yǎng)護煅燒的情況

由圖3可以看出，水泥石在經(jīng)過550 ℃高溫煅燒后，水泥石保持完整?？箟簭姸葘嶒灲Y(jié)果表明，煅燒之前水泥石強度為13 MPa，煅燒后水泥石強度為16.5 MPa，水泥石強度在一定程度上增高，水泥石可耐550 ℃高溫。

從表1可得出結(jié)論，4種水泥的水泥石經(jīng)過300 ℃高溫養(yǎng)護后，抗壓強度均能滿足固井封固要求，當經(jīng)過一輪550 ℃高溫7 d煅燒后，G級加砂水泥抗壓強度損失90%以上，鋁酸鹽水泥強度損失50%以上，磷酸鹽水泥抗壓強度沒有損失，有略微增長，但水泥石出現(xiàn)較大的裂縫，這樣的情況容易導致井底水氣竄的發(fā)生，磷鋁酸鹽水泥經(jīng)過幾個周期的550 ℃高溫7 d煅燒后，強度明顯增加，并且沒有裂縫產(chǎn)生，表明磷鋁酸鹽水泥石具有優(yōu)良的抗高溫性能。

2.1.3 水泥石耐CO2腐蝕性能

通過室內(nèi)實驗模擬CO2腐蝕過程，測試未經(jīng)煅燒的水泥石腐蝕后的抗壓強度、滲透率的變化，評價水泥石的耐腐蝕性能[8]。使用高溫高壓耐酸堿腐蝕反應釜測定水泥石耐腐蝕性能，為了加速水泥石的腐蝕速率和縮短腐蝕實驗時間，實驗溫度設為120 ℃、CO2分壓為6.9 MPa左右。使用水泥石滲透率儀和抗壓強度實驗機評價煅燒和腐蝕后水泥石滲透率和抗壓強度的變化。水泥石腐蝕后的抗壓強度和滲透率測定結(jié)果見表2。由表2可以看出，G級加砂水泥石經(jīng)過CO2腐蝕后，隨著養(yǎng)護周期的增加，抗壓強度逐漸衰減，滲透率逐漸增大，說明其不具有抗CO2腐蝕的性能；鋁酸鹽水泥石經(jīng)過CO2腐蝕后，抗壓強度未出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，但是滲透率呈逐漸增加的趨勢；磷酸鹽水泥石及磷鋁酸鹽水泥石都具有良好的抗CO2腐蝕的性能。

表2　水泥石耐CO2腐蝕的抗壓強度和滲透率性能評價

2.2 降失水劑GWF-500L性能

GWC-500S磷鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥的礦物組成有較大差距，因此常用于硅酸鹽水泥的PVA類降失水劑和AMPS合成類降失水劑均不能有效控制磷鋁酸鹽水泥漿的失水性能。針對此情況，研發(fā)了適用于磷鋁酸鹽水泥的降失水劑GWF-500L，可控制磷鋁酸鹽水泥漿API失水量小于50 mL，同時對水泥漿的流變性及稠化時間等性能無較大影響，如表3所示。

表3　GWF-500L降失水劑的性能實驗

由表3可以得出，隨著GWF-500L加量的增多，水泥漿的API失水量逐漸降低，加量達到4%時，可使水泥漿API失水量小于50 mL，降失水劑的加入造成水泥漿在一定程度上的增稠，但是效果不明顯，對水泥漿稠化時間影響不大，是適用于磷鋁酸鹽水泥漿體系的降失水劑。

2.3 緩凝劑GWR-500S性能

適用于硅酸鹽水泥的有機磷酸鹽類和糖類緩凝劑對磷鋁酸鹽水泥均無緩凝效果，針對此情況，研發(fā)了適用于磷鋁酸鹽水泥的緩凝劑GWR-500S，該緩凝劑可有效延長水泥漿稠化時間，且加量不敏感，不易出現(xiàn)超緩凝現(xiàn)象[9]。表4為緩凝劑GWR-500S對磷鋁酸鹽水泥漿緩凝效果的實驗結(jié)果。

表4　GWR-500S緩凝效果評價

由表4可知，隨著緩凝劑GWR-500S加量的增加，水泥漿稠化時間延長，在增加緩凝劑加量后，稠化時間越來越長，但不會出現(xiàn)水泥漿稠化時間的激增，緩凝劑GWR-500S對水泥漿的稠化時間影響不敏感，不會出現(xiàn)超緩凝現(xiàn)象。GWR-500S可根據(jù)現(xiàn)場施工需要，靈活調(diào)整水泥漿稠化時間，是適用于磷鋁酸鹽水泥漿體系的緩凝劑。

2.4 磷鋁酸鹽水泥漿施工性能

火燒油層井需要用耐高溫抗腐蝕水泥漿全井封固，以延長油井的壽命，由于封固段較長，若全部使用常規(guī)密度水泥漿，則很有可能壓漏地層并造成低返，影響固井質(zhì)量和水泥環(huán)的完整性。針對此情況研究了磷鋁酸鹽低密度水泥漿體系，通過向水泥漿體系中添加微珠和調(diào)整水灰比，實現(xiàn)降低水泥漿密度的目的，磷鋁酸鹽低密度水泥漿及常規(guī)密度水泥漿體系評價實驗結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，GWF-500L與GWR-500S均適用于磷鋁酸鹽低密度及常規(guī)密度水泥漿體系，可有效控制水泥漿失水量和調(diào)整水泥漿稠化時間，低密度水泥石強度較常規(guī)密度水泥石在一定程度上有所下降，但不明顯，經(jīng)500 ℃煅燒后，水泥石強度有一定的增長，未出現(xiàn)強度衰退的現(xiàn)象。

表5　磷鋁酸鹽低密度及常規(guī)密度水泥漿性能

2.5 磷鋁酸鹽水泥漿與隔離液相容性

磷鋁酸鹽水泥漿體系與配套隔離液及鉆井液的相容性是研究重點。取井隊鉆井液樣品，配制隔離液體系、磷鋁酸鹽水泥漿體系，評價3種液體之間的相容性，通過不同比例下φ100的讀數(shù)差值表示兼容性指數(shù)，3種液體相容性評價數(shù)據(jù)如表6所示。由表6可知，水泥漿與隔離液、隔離液與鉆井液、水泥漿/隔離液/鉆井液幾種流體之間的相容性良好，其各種比例混合液體的兼容性指數(shù)R均小于0，屬于完全兼容。

2.6 現(xiàn)場應用案例

耐高溫抗腐蝕水泥漿體系研發(fā)成功以來，在××油田火燒油層吞吐試驗區(qū)塊英試×井中應用。該井完鉆井深為2 226 m， 套管下深為2 215 m， 套管尺寸為φ177.8 mm， 鉆頭尺寸為φ241 mm， 采用聚合物磺酸鹽鉆井液，密度為1.23 g/cm3， 固井采用5 m3密度為1.02 g/cm3的沖洗液， 5 m3密度為1.25 g/cm3的隔離液， 注入58 m3密度為1.50 g/cm3磷鋁酸鹽低密度水泥漿， 注入14 m3密度為1.90 g/cm3磷鋁酸鹽常規(guī)密度水泥漿。

經(jīng)過7 d后測井，全井優(yōu)質(zhì)率達到90%以上，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

表6　隔離液/鉆井液/水泥漿相容性研究

3　結(jié)論

1. 研究出了一種抗高溫耐腐蝕的磷鋁酸鹽水泥GWC-500S，分析了該水泥的水泥石抗高溫性能及耐腐蝕性能，通過與磷酸鹽水泥石、鋁酸鹽水泥石及G級加砂水泥石的對比，該水泥石體現(xiàn)出優(yōu)越的抗高溫和耐腐蝕性能。

2.研究出了與磷鋁酸鹽水泥配套的降失水劑GWF-500L和緩凝劑GWR-500S，綜合評價了磷鋁酸鹽水泥漿體系的常規(guī)性能，API失水性能可控制在100 mL以下，在40～100 ℃之間稠化時間可在60～300 min內(nèi)調(diào)整。

3. 該磷鋁酸鹽水泥漿體系經(jīng)過現(xiàn)場應用后，取得良好效果，固井封固質(zhì)量優(yōu)質(zhì)。

參 考 文 獻

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《鉆井液與完井液》征稿簡則

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收稿日期（2015-6-19；HGF=1506M2；編輯 馬倩蕓）

作者簡介：第一李連江，高級工程師，碩士，1968年生，畢業(yè)于中國石油大學大學石油工程專業(yè)，現(xiàn)在從事鉆完井技術(shù)研究與管理工作。電話 （0427）7305757；E-mail：lljking@126.com。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.015

中圖分類號：TE256.6

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）01-0073-06