一種大溫差彈韌性水泥漿

高元，楊廣國(guó)，陸沛青，桑來玉，劉學(xué)鵬，劉仍光

（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

井口帶壓?jiǎn)栴}嚴(yán)重威脅著油氣井生產(chǎn)安全，因此為提高井筒完整性，盡量減少井筒薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)超長(zhǎng)封固段采用彈韌性水泥漿體系進(jìn)行一次性封固作業(yè)成為熱門方案，以期實(shí)現(xiàn)井筒長(zhǎng)效密封。長(zhǎng)封固段固井面臨的主要難題是封固段長(zhǎng)、上下溫差大、頂部水泥漿易超緩凝，從而嚴(yán)重影響固井質(zhì)量[1-3]。因此，研發(fā)出高溫下水泥漿性能穩(wěn)定，滿足施工安全，低溫下水泥石強(qiáng)度發(fā)展快，水泥石性能優(yōu)良的彈韌性水泥漿體系，滿足高溫深井超長(zhǎng)封固段大溫差固井要求，對(duì)防止井口帶壓具有重要意義。

1 大溫差彈韌性水泥漿體系設(shè)計(jì)

大溫差彈韌性水泥漿體系主要包含抗高溫大溫差緩凝劑、抗高溫大溫差降失水劑、抗高溫彈韌性材料及其他配套外加劑與外摻料等[4-5]，大溫差外加劑需滿足高溫下性能優(yōu)良，低溫下水泥漿強(qiáng)度發(fā)展快。室內(nèi)在優(yōu)選外加劑時(shí)，采用單因素考察法，若無特殊說明，基本配方如下。

0#嘉華G級(jí)水泥+35%硅粉（＞110 ℃時(shí)）+4%降失水劑+3.5%緩凝劑，水灰比為0.44

1.1 抗高溫大溫差緩凝劑

通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以Ca2+的絡(luò)合理論為依據(jù)，采用含磺酸基團(tuán)的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）為主要單體，雙羧基單體衣康酸（IA）和含剛性基團(tuán)單體N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）為輔劑，研制出性能優(yōu)良的抗高溫大溫差緩凝劑SCR-3。其中的AMPS磺酸基團(tuán)可提高SCR-3的耐溫和抗鹽性能，IA中的雙羧基能夠牢固吸附在水泥顆粒表面與鈣離子作用，形成致密水化層，降低水泥環(huán)水化反應(yīng)速率，NVP中的剛性基團(tuán)具有一定的空間位阻作用，部分弱化IA上雙羧基的強(qiáng)吸附能力。SCR-3中的緩凝基團(tuán)通過感應(yīng)溫度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)漿體中Ca2+的“包覆”和“釋放”，高溫下有效包覆并抑制水泥漿體相中Ca2+實(shí)現(xiàn)緩凝，低溫下“釋放”Ca2+或適時(shí)失效，不影響水泥石強(qiáng)度發(fā)展，滿足大溫差使用[6]。室內(nèi)評(píng)價(jià)了抗高溫大溫差緩凝劑性能，結(jié)果見表1。由表1可以看出，在70～170 ℃范圍內(nèi)，水泥漿稠化時(shí)間可調(diào)且緩凝劑加量規(guī)律性好，100 ℃溫差下水泥石72 h頂部強(qiáng)度大于21 MPa。說明緩凝劑SCR-3具有良好耐溫性能和較寬溫度適用范圍，可滿足深井、超深井或長(zhǎng)封固段大溫差固井作業(yè)需求。

表1 不同SCR-3加量下水泥漿的稠化時(shí)間

1.2 抗高溫大溫差降失水劑

大溫差降失水劑同樣要求高溫下降失水性能優(yōu)異，低溫下不影響水泥石強(qiáng)度發(fā)展。室內(nèi)自研抗高溫大溫差降失水劑 SCF200，其為 AMPS、N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）、3-烯丙氧基-2-羥基-1-丙磺酸（AHPS）、丙烯酸（AA）多元共聚物，其中的AA可增強(qiáng)分子與水泥顆粒的吸附，而DMAA可改善分子的耐溫和抗鹽性能，且DMAA中的2個(gè)甲基形成的空間位阻作用可降低水泥漿中OH-對(duì)酰胺基團(tuán)的水解作用，增強(qiáng)產(chǎn)品耐溫性，并避免造成水泥漿過度緩凝[7]。室內(nèi)評(píng)價(jià)了不同溫度下其降失水性能，結(jié)果如表2所示。 由表2可以看出，在50～170 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度增加，適當(dāng)增加SCF200加量可滿足API失水量小于50 mL，且水泥漿流變較好。

表2 SCF200不同溫度下的降失水效果

為考察SCF200對(duì)水泥石強(qiáng)度的影響，室內(nèi)評(píng)價(jià)了凈漿中不同SCF200加量下，在室溫和93 ℃養(yǎng)護(hù)后水泥石強(qiáng)度發(fā)展情況，結(jié)果如表3所示。由表3 可以看出，在水泥漿中加入SCF200降失水劑對(duì)水泥石的抗壓強(qiáng)度影響不大，隨著SCF200加量的增加水泥石抗壓強(qiáng)度略有下降，但滿足使用需求。

表3 水泥石24 h抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

1.3 抗高溫彈韌性材料

常規(guī)水泥石脆性大，變形能力差，受到外力沖擊時(shí)易發(fā)生破壞。通常，在水泥漿中添加彈韌性材料以降低水泥石彈性模量，提高水泥石抗沖擊性，提高水泥環(huán)密封完整性[8-9]。室內(nèi)研制了抗高溫彈性材料SRBS，為“核殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)柔外剛”，即通過PCS顆粒包覆工藝，將有機(jī)彈性粒子做為內(nèi)核，無機(jī)活性材料為外殼，SRBS的核殼結(jié)構(gòu)改善了有機(jī)材料與水泥漿的相容性，提高了水泥漿沉降穩(wěn)定性，增強(qiáng)了有機(jī)彈性材料與水泥水化產(chǎn)物的鍵合能，實(shí)現(xiàn)降低水泥石彈性模量的效果。SRBS顆粒粒徑在10～100 μm之間，耐溫達(dá)150 ℃。考察了 SRBS 加量下對(duì)水泥石（93 ℃ ×0.1 MPa×48 h）力學(xué)性能的影響，如表4所示。

表4 SRBS加量對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響

由表4可知，隨著SRBS加量增加，水泥石彈性模量由12.7 GPa下降至5.3 GPa，但水泥石抗壓強(qiáng)度也隨之降低，優(yōu)選彈性材料加量為4%～6%。同時(shí)為增加水泥石抗沖擊韌性，水泥漿中摻加有機(jī)增韌纖維SFP-2，提高水泥石抗折強(qiáng)度，結(jié)果如表5所示。

表5 SFP-2加量對(duì)水泥石抗折強(qiáng)度的影響

由表5可知，隨著SFP-2加量增加，可顯著增加水泥石抗折強(qiáng)度，提高水泥石抗沖擊性。優(yōu)選SFP-2加量為0.1%～0.2%之間。

2 大溫差彈韌性水泥漿體系性能評(píng)價(jià)

2.1 常規(guī)性能評(píng)價(jià)

在優(yōu)選關(guān)鍵外加劑的基礎(chǔ)上，研制出大溫差彈韌性水泥體系配方如下，并對(duì)其常規(guī)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，如表6所示，稠化曲線見圖1。

1#G級(jí)水泥+140%DFS+6%膨脹劑DZP-2+22%降失水劑SCF200+4.2%大溫差緩凝劑SCR-3+1.2%早強(qiáng)劑H-T+3%鹽+0.6%分散劑DZS，水灰比為1.96

2#G級(jí)水泥 +35%硅粉 +4%DZP-2+5% 彈性材料SRBS+6%SCF200+3.0%SCR-3+1.5%H-T+0.5% DZS+0.2%有機(jī)纖維SFP-2，水灰比為0.44

3#G級(jí)水泥+50%硅粉+4%微硅+4%DZP-2+5%SRBS+72%鐵礦粉+8%SCF200+4.2%SCR-3+2%H-T+1.5%DZS+0.2%SFP-2，水灰比為0.62

表6 大溫差彈韌性水泥漿體系常規(guī)性能

由表6和圖1可知，密度為1.50～2.20 g/cm3大溫差彈韌性水泥漿體系綜合性能良好，API失水量小于50 mL，流變性好，直角稠化，可滿足不同密度段、不同溫度下水泥漿稠化時(shí)間需求。

圖1 不同配方水泥漿的稠化曲線

2.2 水泥石力學(xué)性能評(píng)價(jià)

大溫差水泥石強(qiáng)度發(fā)展情況直接關(guān)系到水泥漿體系能否滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。因此室內(nèi)評(píng)價(jià)了該大溫差彈韌性水泥體系強(qiáng)度發(fā)展情況，結(jié)果見表7。

表7 大溫差彈韌性水泥石強(qiáng)度發(fā)展情況

由表6和表7可知，50 ℃溫差下的1.50 g/cm3低密度水泥石和60 ℃溫差下的2.20 g/cm3高密度水泥石72 h抗壓強(qiáng)度均較高，抗折強(qiáng)度大于3.5 MPa，且水泥石彈性模量小于7 GPa，力學(xué)性能優(yōu)良，可滿足現(xiàn)場(chǎng)大溫差應(yīng)用。

2.3 水泥環(huán)密封性能評(píng)價(jià)

水泥石力學(xué)性能優(yōu)劣直接影響水泥環(huán)長(zhǎng)效密封性，室內(nèi)利用自制水泥環(huán)密封完整性評(píng)價(jià)裝置，分別評(píng)價(jià)了常規(guī)水泥石和低彈性模量（彈性模量為7 GPa）水泥石的密封性，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，常規(guī)體系水泥石在70 MPa套管內(nèi)壓交變下，經(jīng)過2次壓力加卸載即在一界面發(fā)生氣竄現(xiàn)象，說明水泥環(huán)密封完整性易遭受破壞；而彈韌性水泥石得益于較好的彈性變形能力在90 MPa套管內(nèi)壓交變下，經(jīng)過30余輪次加卸載后未發(fā)生界面氣竄問題，水泥環(huán)密封完整性依然良好，可滿足后期作業(yè)過程中井筒壓力交變載荷下水泥環(huán)密封完整性，防止井口帶壓[10-11]。因此大溫差彈韌性水泥漿體系可應(yīng)用于氣井固井作業(yè)，實(shí)現(xiàn)水泥環(huán)長(zhǎng)效密封。

圖2 不同體系水泥石密封完整性評(píng)價(jià)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該大溫差彈韌性水泥漿體系在中石化西北油田分公司順北 4 井φ193.7 mm +φ206.4 mm 尾管回接固井中成功應(yīng)用，效果良好，該回接固井一次性封固段長(zhǎng)，創(chuàng)中石化西北分公司記錄。

順北4井為西北油田分公司在塔中北坡區(qū)塊部署的一口探井，主探奧陶系一間房組-鷹山組上段儲(chǔ)層發(fā)育特征，預(yù)測(cè)油氣藏類型為凝析氣藏，地層壓力系數(shù)為1.15～1.48。鄰井鉆完井過程中多次發(fā)生氣侵、溢流等風(fēng)險(xiǎn)，后期井口帶壓?jiǎn)栴}普遍。為提高井控能力和水泥環(huán)密封完整性，防止井口帶壓，四開φ193.7 mm+φ206.4 mm 尾管回接固井采用單級(jí)固井，一次性封固段長(zhǎng)5693 m，井底溫度為117 ℃，上下溫差約105 ℃，氣井大溫差長(zhǎng)封固段固井對(duì)水泥漿強(qiáng)度發(fā)展，水泥環(huán)密封完整性要求高。

主要技術(shù)措施：①為提高水泥環(huán)密封完整性，全井段采用大溫差彈韌性水泥漿體系，領(lǐng)漿尾漿雙凝設(shè)計(jì)；②為提高超長(zhǎng)封固段頂替效率，根據(jù)軟件模擬，設(shè)計(jì)套管居中度不小于60%，替漿排量不小于2 m3/min，前置液體積不小于30 m3；③為彌補(bǔ)水泥石收縮，改善井口段固井質(zhì)量，提高水泥環(huán)密封完整性，設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力固井工藝，環(huán)空憋壓15 MPa。

主要施工流程：現(xiàn)場(chǎng)注入20 m3密度為1.02 g/cm3的前置液；注110 m3水泥漿（包括50 m3密度為 1.90 g/cm3領(lǐng)漿，60 m3密度為 1.90 g/cm3尾漿，性能見表8所示）；替50 m3重漿，排量為2.1～1.8 m3/min，壓力為 8～14 MPa，替鉆井液 72 m3，排量為 2.0～0.5 m3/min，壓力為 18～24 MPa，替漿到量未碰壓，混漿返出地面；憋壓15 MPa候凝72 h后泄壓。候凝結(jié)束后下鉆探水泥塞面5405 m，塞長(zhǎng) 288 m ；套管試壓 20 MPa，穩(wěn)壓 30 min，壓降 0 MPa合格，固井聲幅曲線優(yōu)秀率為78.7%，優(yōu)良率為96.7%，固井質(zhì)量?jī)?yōu)秀。

表 8 順北 4 井φ193.7 mm+φ 206.4 mm尾管回接固井水泥漿性能

4 結(jié)論

1.通過優(yōu)選抗高溫大溫差降失水劑和抗高溫大溫差緩凝劑，可滿足100 ℃大溫差條件水泥漿稠化時(shí)間要求和水泥石強(qiáng)度發(fā)展需求；通過優(yōu)選抗高溫彈韌性材料，可改善水泥石力學(xué)性能。

2.大溫差彈韌性水泥漿體系綜合性能良好，API失水量小于50 mL，水泥石強(qiáng)度發(fā)展快，密度1.50～2.20 g/cm3水泥石72 h抗壓強(qiáng)度最高可至17.7 MPa，彈性模量最低可至 5.7 GPa，可滿足 90 MPa壓力加卸載下水泥環(huán)密封完整性。

3.針對(duì)超長(zhǎng)封固段大溫差固井，還需進(jìn)一步從微觀結(jié)構(gòu)分析，加強(qiáng)水泥環(huán)長(zhǎng)效密封性研究，實(shí)現(xiàn)水泥環(huán)長(zhǎng)效密封。