抗高溫水泥漿體系研究及應用

劉玲榕

(中石化華北石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

塔河外圍區(qū)塊深部地層油氣資源豐富，是勘探開發(fā)的重點區(qū)塊，深井、超深井的數(shù)量逐年增加，為了縮短鉆井周期，常使用長裸眼鉆井工藝技術，且深部地層地質情況十分復雜，面臨溫度高、壓力大、井漏等諸多難題，因此，長封固段固井施工難度大，對水泥漿的性能要求較高，防止高溫高壓下，水泥漿出現(xiàn)失水量過大、稠化時間難控制、漿體不穩(wěn)定、強度衰減等問題。

水泥漿性能要求如下。

(1)稠化時間：井深超過7000 m，井底溫度超過120 ℃，壓力高于90 MPa，需要防止稠化時間過短或是發(fā)生促凝，造成固井事故，需要選用高溫緩凝劑，且要求稠化過渡時間(30～100 Bc)<30 min。

(2)水泥石強度：固井之后，水泥石的早期強度(24 h)需要滿足一定要求，防止氣竄，對套管起支撐作用，保證良好的封隔效果，一般要求強度>14 MPa/48 h，地溫條件下養(yǎng)護7 d強度不衰退。

(3)沉降穩(wěn)定性：高溫下，水泥漿的熱穩(wěn)定性差，自由液過多，易造成水泥石多孔，甚至氣竄，強度性能差，降低固井質量[1]，要求游離液≤0.4%，沉降穩(wěn)定性≤0.02 g/cm3。

(4)失水和流變性：如果水泥漿中大量的濾液滲入地層，不僅會損害地層，還會導致水泥漿流變性變差，產生環(huán)空氣竄，影響泵送及稠化時間，因此要求失水量≤50 mL/30 min。

1 抗高溫水泥漿體系

1.1 水泥漿主要組分優(yōu)選

水泥漿需要滿足上述技術要求，則必須添加相應作用的外加劑，本文基于中石化工程總院的藥品添加劑，從機理分析優(yōu)選出適用于高溫(≥120 ℃)高壓(≥90 MPa)的深井水泥漿體系。

1.1.1 緩凝劑

高溫水泥漿體系中，最重要的是緩凝劑的選擇，在高溫下，水泥的水化反應速度加快，而低溫緩凝劑在高溫條件下容易失效，無法達到施工要求的可泵送時間。緩凝劑的作用機理主要是吸附、沉淀、成核、螯合理論，其發(fā)展經歷了無機物到有機物、單一體系到合成聚合物[2]，不斷完善改良，擴大適應范圍，降低溫度或加量敏感性問題，配伍性良好，不影響水泥石強度。

選用合成類高分子高溫緩凝劑DZH，最高適用溫度可達150 ℃，其主要成分是有機羧酸、有機磷酸鹽類等，可以吸附于水泥顆粒表面，對水泥中的陽離子也有很強的吸附性和螯合性，作用生成穩(wěn)定的五元環(huán)或六元環(huán)結構，共同作用阻礙水泥漿水化反應。

1.1.2 降失水劑

高壓下，水泥漿流經滲透性地層時容易發(fā)生滲濾，降失水劑作為一種控制失水的外加劑，在固井施工中起著重要作用。降失水劑的種類很多，其中人工合成類降失水劑應用最廣，它改良了天然高分子降失水劑使水泥漿增稠、以及低溫下失水不可控的弱點，具有良好的抗鹽抗高溫性能，配伍性良好。

選用抗鹽高溫降失水劑SCF200，溫度范圍達100～200 ℃，由AMPS(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)/DMAA(N-N)(N，N-二甲基丙烯酰胺)/AHPS(3-烯丙氧基-2-羥基-1-丙磺酸)/AA(丙烯酸)四元共聚物[3]合成，克服了單體聚合物降失水劑在高溫下引起的水泥漿過度緩凝缺點，該降失水劑中的丙烯酸可以增強聚合物分子與水泥顆粒表面的吸附作用，增大了水泥漿的粘度，進而降低失水，而其中的AMPS、AHPSN，DMAA(N-N)則增強了聚合物的耐溫和抗鹽作用，使得高溫下的水泥漿失水可控，耐高溫性強。

1.1.3 熱穩(wěn)定性

在高溫深井中，水泥顆粒的布朗運動加快，隨著外加劑的增加，水泥漿的流變性和水泥石的強度也會受到一定的影響，水泥漿的熱穩(wěn)定性差，還會誘導氣竄，這主要是因為水泥漿的C-S-H的粘結力被外加劑中化學物質的吸附絡合作用破壞[1]，聚結性變差，為了能夠使水泥漿體系的綜合性能滿足固井施工要求，需要加入穩(wěn)定劑來完善水泥漿體系的綜合性能。

中石化石油工程研究院將球形納米二氧化硅顆粒經處理變成水性乳液，不僅可以增強其高溫穩(wěn)定性，還是一種新型防氣竄劑，其二氧化硅顆粒呈無定形態(tài)，在水泥漿中促進凝膠反應，使其凝膠強度增強，加之納米級氧化硅顆粒粒徑極低，充填在水泥顆粒之間，降低滲透率，綜合作用，起到防氣竄功能。

硅粉主要礦物成分是SiO2，可以防止水泥石強度衰減，而液硅和硅粉復配，則使水泥石的高溫穩(wěn)定性增強。大粒徑、微粒徑SiO2顆粒分別與水化產物CH和高鈣水化硅酸鹽發(fā)生反應，生成高溫強度較高的低鈣硅酸鹽、雪鈣硅石和硬硅鈣石，達到高溫水泥石強度及熱穩(wěn)定性要求[4]。

1.1.4 膨脹劑

水泥凝固時，會發(fā)生“化學收縮”，加之水泥漿失水，水泥石整體體積減小，水泥環(huán)界面膠結質量變差，形成微間隙，導致油氣水層間竄動[5]，影響固井質量及油氣井產量。膨脹劑的加入，可以使水泥石發(fā)生微膨脹，從而降低其體積收縮程度。

DZP膨脹劑[6]是一種復合膨脹劑，其成分中含有硫鋁酸鈣、氧化鈣、氧化鎂等堿性氧化物，在水化過程中，相互彌補單一作用的缺點，在不同時期的共同膨脹作用下，硫鋁酸鈣作用形成鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)，其晶體很小，體積則擴大為原來的2倍多[7]，使得水泥石的結構致密，體積輕微膨脹；氧化鈣、氧化鎂則作用生成氫氧化鈣、氫氧化鎂等，使固相體積增大，膨脹穩(wěn)定，提高其抗?jié)B透性和強度。

1.1.5 早強劑

早強劑的發(fā)展經歷了氯鹽類、硫酸鹽類以及有機類早強劑，其中，氯鹽類早強劑早強效果最好，但是電離出的氯離子會腐蝕套管，也會與固井水泥石發(fā)生反應，降低其穩(wěn)定性；硫酸鹽類早強劑作用受限，在硅酸鹽類水泥中的作用不明顯，且會與水泥石中某些成分產生鹽結晶作用，水泥石膨脹嚴重，出現(xiàn)剝落現(xiàn)象[8]，水泥石強度降低；有機類早強劑會出現(xiàn)水泥緩凝的問題，有些也會使水泥石強度降低，早強作用不穩(wěn)定。因此，現(xiàn)在常用的是復合型早強劑。

本文選用H-T早強劑，通過一定配比，復合了硅酸鹽及其它強堿弱酸鹽，無機鹽在水中電離出的陽離子一方面可以改變其溶解度，加快水化反應，另一方面可以增加離子濃度，壓縮水泥顆粒的擴散雙電層，降低水泥顆粒的電動電位，顆粒間斥力下降，同樣是加速了水化反應；而電離生成的硅酸鹽可與水泥漿中的鈣離子發(fā)生反應，形成水化物的結晶中心[9]，進而促進水化反應，加快水泥早期強度的形成。

1.2 水泥漿基本配方及室內評價

1.2.1 基本配方

室內優(yōu)選出不同密度的抗高溫水泥漿體系，配方如下：

(1)1.88 g/cm3。庫G水泥+40%硅粉+8%微硅MSi+7%降失水劑SCF200+8%液硅SCLS+3%緩凝劑DZH-3+49%水。

(2)1.91 g/cm3。庫G水泥+45%硅粉+3%微硅MSi+3%膨脹劑DZP-2+5.5%降失水劑SCF200+0.25%早強劑H-T+0.15%緩凝劑DZH-2+0.6%分散劑DZS+0.15%消泡劑DZX+6%液硅SCLS+54%水。

(3)2.10 g/cm3。庫G水泥+35%硅粉+90%復合加重材料MHM+8%微硅MSi+4%膨脹劑DZP-2+11%降失水劑SCF200+0.35%緩凝劑DZH-2+1.5%早強劑H-T +0.2%消泡劑DZX+76%水。

1.2.2 水泥漿基本性能

不同密度抗高溫水泥漿的基本性能如表1所示，流變性能、沉降穩(wěn)定性良好，失水量均小于50 mL。

表1 抗高溫水泥漿體系基本性能

1.2.3 稠化時間、抗壓強度等常規(guī)性能

抗高溫水泥漿體系的基本性能滿足了一定要求之后，還需要根據施工要求的可泵送時間，通過改變緩凝劑的量，控制稠化時間，各配方的實驗條件及結果見表2，采集實驗圖像見圖1～3。利用高壓高溫養(yǎng)護釜模擬地下溫度壓力，根據不同時間需要，對水泥漿進行養(yǎng)護，測試水泥石抗壓強度結果見表2。

1.2.4 防竄性能評價

圖1 密度1.88 g/cm3的水泥漿稠化曲線

圖2 密度1.91 g/cm3的水泥漿稠化曲線

圖3 密度2.10 g/cm3的水泥漿稠化曲線

配方編號ρ/(g·cm-3)測試溫度T/℃抗壓強度(試驗壓力21 MPa) /MPa高壓/MPa稠化時間/min11.8814331.76(48 h)9837621.9113525.6(72 h)/37.34(12 d)9615432.1012232(48 h)132167

水泥漿在頂替到位后，其稠化過渡時間以及孔隙壓力下降速率，決定了水泥漿防氣竄能力，其性能系數(shù)值(SPN)，計算公式如下所示：

(1)

式中：FL——水泥漿API濾失量，mL/30 min；t100 Bc——水泥稠度到100 Bc時間，min；t30Bc——水泥稠度到30 Bc時間，min。

SPN值的范圍為0≤SPN≤3時，防竄效果最好，利用公式(1)計算抗高溫水泥漿體系的SPN值，結果見表3，通過數(shù)據可以看出，水泥漿具有良好的防氣竄能力。

表3 抗高溫水泥漿體系防竄能力

2 現(xiàn)場應用

抗高溫水泥漿體系在深井、超深井固井作業(yè)中，可以滿足施工要求，性能穩(wěn)定，在西北油田塔河外圍區(qū)塊進行了廣泛應用，效果良好。

2.1 順北評1H井側鉆水泥塞

順北評1H井是順北區(qū)塊的一口評價井，為下步側鉆施工做準備，平衡法分2次注水泥塞，設計井深7842 m，側鉆點7420 m，封固段為7520～7550 m，井底循環(huán)溫度143 ℃。該井使用抗高溫水泥漿體系配方1，現(xiàn)場入井液依次為：注5 m3密度為1.75 g/cm3前置液；注水泥漿5.5 m3，平均密度1.88 g/cm3；注后置液1.5 m3，密度1.75 g/cm3；替漿61 m3，密度1.65 g/cm3，到量停泵。候凝48 h后下鉆探塞，水泥塞面7215 m，掃塞至7417 m，塞長202 m，做地層承壓試驗驗證水泥塞強度滿足下步側鉆施工要求。

2.2 順北7井?177.8 mm尾管

順北7井為順北區(qū)塊7號斷裂帶上一口預探井(直井)，設計井深7570 m，三開?177.8 mm油層尾管下深7568.64 m，懸掛器位置5308.6～5313.42 m，采用尾管懸掛固井工藝，封固井段5308.6～7568.65 m。井底實測溫度157 ℃，循環(huán)溫度138 ℃，使用抗高溫水泥漿體系配方2。現(xiàn)場入井液依次為：注3 m3平均密度為1.5 g/cm3前置液；注31 m3領漿，平均密度為1.55 g/cm3；注15 m3尾漿，平均密度為1.88 g/cm3；注后置液7 m3，平均密度1.55 g/cm3；替井漿82 m3，密度為1.45 g/cm3。固井施工順利，分析聲幅測井結果，上部井段固井質量合格，下部井段固井質量優(yōu)良，滿足施工要求。

2.3 中探1井尾管

中探1井是西北油田部署在塔里木盆地腹地的一口重點探井，設計井深為7535 m，三開?177.8 mm+?184.2 mm油層尾管下深7081.89 m，懸掛器5006.37～5001.37 m，采用尾管懸掛固井工藝，封固井段5006.37～7081.89 m，井底實測溫度140 ℃，循環(huán)溫度122 ℃，使用抗高溫水泥漿體系配方3?，F(xiàn)場入井液依次為：注14 m3密度為2.00 g/cm3隔離液;注水泥漿領漿25 m3，平均密度2.11 g/cm3;注水泥漿中間漿14 m3，平均密度2.13 g/cm3;注尾漿8 m3，平均密度2.14 g/cm3;注后置液2 m3，平均密度2.00 g/cm3;替井漿82 m3，密度為1.95 g/cm3。固井施工順利，分析聲幅測井結果，封固井段優(yōu)質井段占比89.4%、良好井段占比10.6%，優(yōu)良率100%。

3 結論

(1)試驗研究的抗高溫水泥漿體系性能穩(wěn)定，自由液為0 mL，失水量<50 mL/30 min，防氣竄性能好，抗壓強度不衰減。

(2)抗高溫水泥漿體系在塔河外圍區(qū)塊深井和超深井應用效果良好。

(3)面對深井尾管固井中水泥石彈韌性能差、抗沖擊力差等問題，國內抗高溫水泥漿體系仍需要研究改進，建議進一步加強彈韌性材料及其對水泥石彈性模量影響的研究。