海上稠油熱采井水泥漿體系研究

張帥，劉衛(wèi)紅*，胡千紅，周俊

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海上稠油熱采井水泥漿體系研究

張帥，劉衛(wèi)紅*，胡千紅，周俊

（長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院, 湖北 武漢 430100）

海上稠油熱采井與陸地?zé)岵删畬?duì)水泥漿性能要求基本相同，都要求水泥環(huán)在生產(chǎn)中要長(zhǎng)期滿(mǎn)足經(jīng)受反復(fù)高溫考驗(yàn)后仍具有穩(wěn)定性的特點(diǎn)。針對(duì)海上平臺(tái)作業(yè)條件，參照硅酸鹽水泥漿體系耐高溫特點(diǎn)和纖維材料的增韌效果，優(yōu)化添加劑組合，配制出一套密度在1.50～1.90 g/cm3、溫度區(qū)間為40～90 ℃的新型水泥漿體系。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明：該水泥漿體系失水量小于50 mL，稠化時(shí)間在120～400 min范圍內(nèi)可控，水泥石高溫養(yǎng)護(hù)24 h的抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)24.8 MPa，在經(jīng)350 ℃高溫條件下養(yǎng)護(hù)28 d，水泥石仍有32.9 MPa的抗壓強(qiáng)度。表明該體系可以滿(mǎn)足海上熱采井固井的施工要求。

海上; 熱采井; 耐高溫性能; 纖維材料; 固井

固井作業(yè)水泥灰的混料方式分為干混和濕混兩種模式，通常陸上油田固井作業(yè)混料,取干混模式；而海上油田由于平臺(tái)空間和混料設(shè)備的限制，固井作業(yè)混料采取濕混模式，為提高混料效果，各種外加劑多采用水基外加劑。優(yōu)選合適水基添加劑設(shè)計(jì)一套適合海上熱采井水泥漿體系。

國(guó)內(nèi)有學(xué)者對(duì)陸上熱采井固井的研究中設(shè)計(jì)出一套新型鋁酸鹽水泥漿體系并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用獲得了成功[1,2]，但是該體系的水泥石在2輪高溫條件下抗壓強(qiáng)度只有十幾MPa。考慮到水泥石要經(jīng)受長(zhǎng)期的高溫環(huán)境，所以要讓水泥石具有更高的強(qiáng)度才能保證完整性。在國(guó)內(nèi)步玉環(huán)[3]教授的碳纖維改善水泥石韌性研究中得出碳纖維可以改善水泥石的脆性，能有效地阻止裂紋的發(fā)展，增強(qiáng)其抗裂能力和韌性。

通過(guò)對(duì)耐高溫水泥漿體系和纖維對(duì)水泥石的作用研究，充分的結(jié)合了這兩種特點(diǎn)，選取合理的添加劑，設(shè)計(jì)了一套適合海上稠油熱采固井水泥漿體系。該體系與常規(guī)體系相比，抗高溫性能更好，在350 ℃的超高溫條件下養(yǎng)護(hù)28 d水泥石仍具有很高的抗壓強(qiáng)度等特點(diǎn)。

1 海上熱采井耐高溫水泥漿體系設(shè)計(jì)

稠油熱采井的開(kāi)采技術(shù)主要是熱力采油為主，在開(kāi)采過(guò)程中，多使用蒸汽吞吐增產(chǎn)方法，如：間歇注氣技術(shù)、蒸汽驅(qū)技術(shù)、蒸汽輔助重力泄油技術(shù)和火燒油層技術(shù)等［4］，因此井筒內(nèi)的溫度會(huì)高達(dá)350℃，并且在高溫?zé)岵蓷l件下，周期性的注蒸汽使得井筒要反復(fù)受到高低溫差。長(zhǎng)期以往，油井水泥環(huán)強(qiáng)度將出現(xiàn)衰退，一旦水泥石完整性受到破壞，則井壁滲透率增加，固井質(zhì)量受到破壞，嚴(yán)重影響開(kāi)采效率和經(jīng)濟(jì)成本。針對(duì)熱采井水泥石高溫強(qiáng)度衰退、滲透率增大的問(wèn)題，提出設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)出一套耐高溫適用于海上熱采井固井水泥漿體系。

1.1高溫水泥漿設(shè)計(jì)原理

（1）降濾失劑不僅可以有效的改善水泥漿的濾失性能，而且對(duì)水泥漿的粘度、稠化時(shí)間，滲透性、與壁面的膠結(jié)狀態(tài)以及水泥石的性能產(chǎn)生較大的影響。在優(yōu)選幾種降失水劑之后，發(fā)現(xiàn)聚合物類(lèi)降失水劑CG88L所配的水泥漿配料能混合均勻，漿體隨溫度升高不存在稠化反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，保證固井質(zhì)量。并且室內(nèi)試驗(yàn)API失水效果好，在90 ℃條件下依然具有降濾失作用，說(shuō)明具有抗高溫的能力，此外市場(chǎng)上售價(jià)便宜，非常適合在海上平臺(tái)的儲(chǔ)層和海上稠油熱采井高溫條件地層下的使用。

（2）通常所用的硅酸鹽固井水泥漿，水泥環(huán)凝固后都有一個(gè)臨界溫度值，當(dāng)井下溫度達(dá)到甚至超過(guò)這個(gè)溫度時(shí)，水泥環(huán)的抗壓強(qiáng)度要發(fā)生衰退，導(dǎo)致水泥石滲透率增大，甚至完全破壞固井水泥環(huán)，嚴(yán)重影響了油氣井測(cè)試、開(kāi)發(fā)等后期作業(yè)的順利進(jìn)行，難以滿(mǎn)足在稠油熱采井中的固井要求。在學(xué)者的研究中發(fā)現(xiàn)高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑硅粉可以很好地改善水泥石的耐高溫性能。加入硅粉后降低了C/S摩爾比，不僅有效地阻止了固井水泥環(huán)的衰退，而且還使水泥環(huán)的高溫穩(wěn)定性得到提高。

（3）熱采井在開(kāi)采過(guò)程中經(jīng)多次蒸汽吞吐，井下情況復(fù)雜不易控制，相比于套管，水泥環(huán)的抗壓能力和形變能力較差，所以其完整性最容易受到破壞，甚至導(dǎo)致固井失敗，影響后續(xù)開(kāi)采。本文借鑒油井水泥石的改性研究，采用纖維來(lái)增加水泥石韌性取得了良好的效果。

纖維在水泥基體復(fù)合中主要起著以下三方面的作用[5]：

①裂阻作用 纖維在水泥石基體中受載荷應(yīng)力阻止或減少裂縫的生成。

②增強(qiáng)作用 水泥石基體的抗拉強(qiáng)度低，且因存在內(nèi)部缺陷而往往難于保證抗拉強(qiáng)度，加入纖維可使其抗拉強(qiáng)度有充分保證。

③增韌作用 纖維能在水泥石中可以起到橋接，可以提高水泥材料的斷裂韌性，保證水泥石的完整性。

1.2 海上熱采井耐高溫水泥漿體系配方

（1）實(shí)驗(yàn)材料：降失水劑CG88L；高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑硅粉S11S；增韌材料XW-3、 緩凝劑H21L、減輕劑DW、分散劑F44L、增強(qiáng)劑PF、膨脹劑EXP-1、填充劑MX、消泡劑CX601L以及G級(jí)水泥等

（2）實(shí)驗(yàn)配方：

G級(jí)水泥+5%～10%PF+48%～70%淡水+5%～7%CG88L+1%CF44L+0.4% H21L+0.5%～2% EXP-1+8% MX+1% CX601L+35%～40%S11S +0%～21%DW+0.6% XW-3

這里選取密度為1.90 g/cm3的配方對(duì)水泥漿進(jìn)行了具體的評(píng)價(jià)，配方如下：

G級(jí)水泥+5%PF+48%淡水+5%CG88L +1%CF44L+0.4%H21L+0.5%EXP-1+8% MX +1% CX601L+40%S11S +0.6% XW-3

2耐高溫海上熱采井水泥漿性能評(píng)價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

恒速攪拌器、常壓稠化儀、高溫高壓失水儀；以及增壓稠化儀；增壓養(yǎng)護(hù)釜和超高溫增壓水泥石強(qiáng)度評(píng)價(jià)儀；密度計(jì)、微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，可精密測(cè)試水泥石的抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度等。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)API規(guī)范制備和養(yǎng)護(hù)密度為1.90 g/cm3的水泥漿，測(cè)試水泥漿的流變性、穩(wěn)定性、失水量和稠化時(shí)間等。耐高溫海上熱采井在40～90 ℃養(yǎng)護(hù)24 h測(cè)得抗壓強(qiáng)度，考察不同溫度對(duì)強(qiáng)度的影響；同時(shí)還室內(nèi)評(píng)價(jià)了在養(yǎng)護(hù)壓力為21 MPa（以下實(shí)驗(yàn)高溫養(yǎng)護(hù)壓力均為21 MPa），養(yǎng)護(hù)溫度為280、300、320及350 ℃條件下，水泥石養(yǎng)護(hù)7 d后的強(qiáng)度性能，實(shí)驗(yàn)方法參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6466-2000進(jìn)行。

2.2 水泥漿的高溫條件下濾失量控制

熱采井固井水泥漿應(yīng)該具有低失水、滲透性的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)聚合物水泥漿中的CG88L加量調(diào)節(jié)可以使水泥漿具有較好流變性的條件下兼具良好的失水控制能力以及稠化性能。實(shí)驗(yàn)室對(duì)CG88L加量對(duì)水泥漿濾失量和稠化時(shí)間的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究（表1）。

表1 CG88L加量對(duì)水泥漿濾失量和稠化時(shí)間影響

注：失水測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件7 MPa、80 ℃，時(shí)間30 min。

從表1可以看出，隨著CG88L降濾失劑加量的增加，水泥漿的失水量逐漸下降，稠化時(shí)間總體有所延長(zhǎng)，但水泥漿稠化延長(zhǎng)的時(shí)間較有規(guī)律性，當(dāng)水泥漿降失水劑加量提高1%時(shí)水泥漿的稠化時(shí)間增長(zhǎng)的時(shí)間在20 min左右，方便現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)掌控。

在固井作業(yè)中，水泥漿會(huì)封固不同層位的地層，因而所接觸地層的溫度也不一樣，圖1實(shí)驗(yàn)了不同的溫度對(duì)降濾失劑性能的影響。

圖1 不同溫度對(duì)降濾失劑濾失性能的影響

由上圖所示，溫度對(duì)CG88L的降濾失性能有一定的影響，隨著溫度的升高，濾失量逐漸加大，但在考察的溫度范圍內(nèi)，濾失量可以滿(mǎn)足要求。

2.3 水泥漿的稠化時(shí)間控制

水泥漿在注入井底前都是要先經(jīng)過(guò)上部的低溫層，若水泥漿存在有稠化反轉(zhuǎn)現(xiàn)象且反轉(zhuǎn)現(xiàn)象很?chē)?yán)重。為保證現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的安全性，試驗(yàn)需對(duì)水泥漿稠化時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)。對(duì)于用于稠油熱采水泥漿的水泥漿體系，其使用溫度在27～90 ℃左右。針對(duì)不同加量的H21L和不同溫度對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響做了室內(nèi)測(cè)試(圖2、3)。

如圖2、3可知，水泥漿具有較好的稠化時(shí)間控制能力，隨H21L緩凝劑加量的增大，吸附作用劇烈，附著的聚集物影響了水泥水化反應(yīng)，水泥漿的稠化時(shí)間呈增大的趨勢(shì)。在加量一定的情況下，隨著溫度的升高，稠化時(shí)間呈線(xiàn)性下降的趨勢(shì)，表明緩凝劑H21L可以在不同的溫度下稠化時(shí)間可調(diào)，同時(shí)可以滿(mǎn)足高溫條件下的固井要求，保證施工的安全性。

2.4 水泥石抗高溫性能

稠油熱采井在生產(chǎn)作業(yè)中會(huì)受到高溫的作用，其注蒸汽溫度可高達(dá)350 ℃。為考察水泥石在不同溫度下的高溫穩(wěn)定性能，我們實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了水泥漿體系在養(yǎng)護(hù)壓力為21 MPa（以下實(shí)驗(yàn)高溫養(yǎng)護(hù)壓力均為21 MPa），養(yǎng)護(hù)溫度為280、300、320及350 ℃條件下，水泥石養(yǎng)護(hù)7 d后的強(qiáng)度性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。

圖2 不同H21L加量對(duì)稠化時(shí)間的影響

圖3 溫度對(duì)水泥漿的稠化性能的影響

圖4 水泥石在不同溫度下的強(qiáng)度衰減性能

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，水泥石在280℃至350 ℃的高溫條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)后，水泥石的強(qiáng)度有緩慢的衰減，養(yǎng)護(hù)7 d后仍能保持較高的抗壓強(qiáng)度。尤其是在350 ℃的高溫下養(yǎng)護(hù)7 d后，仍能保持34.5 MPa的抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明該體系具有非常好的抗高溫性能。

熱采井在生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)長(zhǎng)期持續(xù)的受到高溫的作用，為考察水泥石在高溫下長(zhǎng)期的強(qiáng)度衰減性能，室內(nèi)評(píng)價(jià)了300 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，水泥石經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)后的強(qiáng)度變化性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水泥石在高溫下長(zhǎng)期的強(qiáng)度衰減性能

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，水泥石在300 ℃養(yǎng)護(hù)下，近28 d后其抗壓仍然高達(dá)32.9 MPa，從強(qiáng)度衰減曲線(xiàn)來(lái)看，21 d后，其強(qiáng)度衰減非常緩慢。說(shuō)明該水泥漿配方在高溫下具有很好的長(zhǎng)期強(qiáng)度穩(wěn)定性能。

對(duì)于水泥石具有較高的抗高溫性能和長(zhǎng)期抗衰減能力，筆者分可能是一下原因：1）配方中加入硅粉在水泥水化反應(yīng)時(shí)吸收了反應(yīng)產(chǎn)物Ca(OH)2，打破高硅酸鹽的水化平衡；另一部分硅與α—C2SH反應(yīng)生成纖維狀的低鈣硅酸鹽雪硅鈣石(C5S6H5)和硬硅鈣石（C6S6H），這兩種產(chǎn)物的抗壓強(qiáng)度都非常高，因此可以提高水泥石在高溫下的抗壓強(qiáng)度以及熱穩(wěn)定性。2）使用復(fù)合增強(qiáng)劑PF，在水泥水化反應(yīng)時(shí)，顆粒均勻分布在水泥石內(nèi)部保證了水泥石的致密性，同時(shí)降低了水泥滲透率，使水泥石的強(qiáng)度得到保證。3）增韌材料纖維的加入提高了水泥環(huán)的抗折能力，水泥石內(nèi)部空間均勻地分布著的纖維，這種網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)與水泥石基體之間的橋接能夠產(chǎn)生一種咬合力，當(dāng)水泥石受到外部作用力時(shí)，大量的纖維在水泥石內(nèi)部起到支撐作用，抵消了相當(dāng)大的載荷，讓水泥石具有良好的韌性。保證水泥石在高溫下的完整性。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)海上水泥漿濕混工藝要求，優(yōu)選水基添加劑，成功設(shè)計(jì)了一套適合海上耐高溫稠油熱采井固井水泥漿體系。

（2）設(shè)計(jì)出的耐高溫海上熱采井固井水泥稠化時(shí)間可調(diào)、失水量小、水泥石抗壓強(qiáng)度高，能夠滿(mǎn)足40～90 ℃范圍內(nèi)的熱采井固井要求。

（3）該體系具有良好的耐高溫性能，通過(guò)28 d的350 ℃的高溫養(yǎng)護(hù)，水泥石仍具有很高強(qiáng)度，保證水泥環(huán)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，降低氣竄的發(fā)生。提高固井質(zhì)量，對(duì)熱采井的后續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

［1］ 李早元，郭小陽(yáng)，楊遠(yuǎn)光，等．新型耐高溫水泥用于熱采井固井初探[J] ．石油學(xué)報(bào)，2001，23（4）：29- 32.

［2］ 李早元，伍鵬，吳東奎，等．稠油熱采井固井用鋁酸鹽水泥漿體系的研究及應(yīng)用[J].鉆機(jī)工業(yè)與完井液，2014,31（5）：71-74.

［3］ 步玉環(huán)，王瑞和，穆海朋，等．碳纖維改善水泥石韌性實(shí)驗(yàn)研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（03）：3-04.

［4］ 趙旸，馬貴陽(yáng)，趙亞?wèn)|，等．稠油蒸汽吞吐后期增產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀與前景[J] ．當(dāng)代化工，2014（12）：2666-2669.

［5］ 代若愚．預(yù)應(yīng)力玻璃纖維混泥土受彎構(gòu)件力學(xué)性能及正截面承載力研究［D］．昆明：昆明理工大學(xué)．2009．

Study on the Cement Slurry System of Offshore Heavy Oil Thermal Recovery Wells

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(College of Petroleum Engineering ,Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China)

The performance requirements for cement slurry systems for offshore heavy oil thermal recovery wells and land thermal recovery wells are basically the same, the cement sheath must keep long-term stability under high temperature. According to the working conditions of offshore platform, referring to the characteristics of high temperature resistance of portland cement slurry system and the toughening effect of fiber materials, additives formula were optimized, a new cement slurry system with the density of 1.50 ~ 1.90 g/cm3and the suitable temperature range of 40 ℃ to 90 ℃ was developed . The evaluation result in laboratory showed that fluid loss of the cement slurry was less than 50 mL, thickening time can be controlled in the range of 120 ~ 400 min,the compressive strength of cement stone after curing 24 h at high temperature can reach to 24.8 MPa, and then the compressive strength of cement stone can reach to 32.9 MPa after curing 28 days under the condition of 350 ℃. So the system can meet the construction requirements of offshore thermal recovery well.

Offshore oilfield; Heavy oil; High temperature performance; Fiber material; Cementing

TE 256.6

A

1671-0460（2017）12-2543-04

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“海上熱采井套損防治及耐高溫彈性水泥石研究”，項(xiàng)目號(hào)：2016ZX05025004-003。

2017-09-27

張帥（1991-），男，湖北省隨州市人，長(zhǎng)江大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：主要從事固井水泥漿技術(shù)研究。E-mail：976109636@qq.com。

劉衛(wèi)紅（1967-），男，長(zhǎng)江大學(xué)副教授，主要從事油田化學(xué)和固井水泥漿的教學(xué)與研究。E-mail：liuweihong06@126.com。