新型抗高溫水泥漿體系的研究及應(yīng)用

瞿志浩 孫曉杰 朱海金 史為紀(jì) 雒 闖 殷天龍

（中國石油海洋工程有限公司鉆井工程研究院，天津 塘沽 300450）

0 引言

深井的高溫高壓會引起水泥漿稠化時間突變、水泥漿沉降穩(wěn)定性變差、水泥石強(qiáng)度衰退等系列問題[1-2]。在設(shè)計高溫水泥漿時，某些高溫緩凝劑可能對降失水劑有破壞作用，造成漿體失水偏大，或者某些高溫緩凝劑稀釋性很強(qiáng)，會造成漿體沉降和游離水，或者某些高溫緩凝劑存在“過緩凝”、“倒掛”等現(xiàn)象，給施工安全帶來風(fēng)險[3]。因此，需要研發(fā)抗溫能力強(qiáng)、適用范圍廣的水泥懸浮劑，以提高水泥漿的穩(wěn)定性，確保高溫深井固井施工安全及固井質(zhì)量[4]。

1 新型抗高溫緩凝劑的研發(fā)及性能評價

1.1 新型抗高溫緩凝劑A的研制

目前國內(nèi)AMPS類合成緩凝劑效果較明顯、應(yīng)用較廣泛[5-6]。 研究選用衣康酸／2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（IA／AMPS）類共聚物作為緩凝劑的緩凝效果。另外，由于衣康酸屬于發(fā)酵產(chǎn)品，其共聚物可生物降解，是一種環(huán)境友好型產(chǎn)品[7-8]。

將AMPS、衣康酸（AI）、去離子水加入反應(yīng)釜，調(diào)節(jié)溶液pH值至7，升溫至60℃，然后攪拌，通氮氣除氧，并滴加引發(fā)劑于溶液中，在60℃下連續(xù)反應(yīng)5小時，得到AMPS／IA共聚物溶液。產(chǎn)物經(jīng)過丙酮反復(fù)萃取后，于40℃烘箱中烘干，粉碎得到AMPS／IA共聚物。再將AMPS／IA共聚物與一種羥基羧酸鹽按照一定的比例混合，即得到新型抗高溫緩凝劑A[9-10]。

圖1為該共聚物的的IR譜圖，從圖譜峰值分析可看出共聚物物含有羧酸基、酰胺基等特征基團(tuán)，并且沒有出現(xiàn)C＝C的特征吸收峰（1680cm-1與1620cm-1之間），說明AMPS與IA進(jìn)行了充分的共聚反應(yīng)。

圖1 IA／AMPS共聚物紅外譜圖

1.2 新型抗高溫緩凝劑A的溫敏性研究

按照克XX井實驗條件，研究不同溫度下高溫緩凝劑A的稠化時間，以考察高溫緩凝劑的溫度敏感性。基礎(chǔ)配方為：阿克蘇G級水泥100 g＋細(xì)目硅粉50-60 g＋微錳15 g＋鐵礦粉10 g＋懸浮劑B2 g＋降失水劑4.5 g＋水61 g＋高溫緩凝劑A＋減阻劑4 g＋消泡劑0.5 g。實驗溫度為160℃，壓力為135 MPa，升溫時間為100 min，實驗結(jié)果見表1。

表1 高溫緩凝劑A的溫度敏感性能測試表

由表1按SY／T 5504.1—2013標(biāo)準(zhǔn)計算得到，高溫緩凝劑A每升高5℃的稠化時間變化率未超過15%，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)小于20%要求。同時從表1還可以看出，隨著溫度的升高，水泥漿稠化時間有所縮短，無溫度倒掛現(xiàn)象，且線性關(guān)系較為明顯；從典型曲線（圖2、圖3）可以看出，曲線平滑，稠度無突變現(xiàn)象。

圖2 160℃稠化曲線圖（480 min）

圖3 175℃稠化曲線圖（400 min）

1.3 新型抗高溫緩凝劑A的摻量敏感性研究

依據(jù)塔里木油田高溫深井實驗條件，研究不同摻量下高溫緩凝劑A的稠化時間變化，以考察高溫緩凝劑的摻量敏感性。

基礎(chǔ)配方為：阿克蘇G級水泥100 g＋細(xì)目硅粉60 g＋懸浮劑B2 g＋降失水劑5 g＋水56 g＋高溫緩凝劑A+減阻劑3 g＋消泡劑0.5 g。實驗壓力為135 MPa，升溫時間為80 min，實驗結(jié)果見表2。

表2 高溫緩凝劑A的摻量敏感性能測試表

由表2按SY／T 5504.1—2013標(biāo)準(zhǔn)計算得到，新型高溫緩凝劑A在這幾個溫度點上的敏感系數(shù)未超過20%，均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（＜25%）要求。另外，通過表2可以看出，高溫緩凝劑A加量與水泥漿稠化時間具有良好的線性關(guān)系，并且高溫緩凝劑A適用溫度高，可應(yīng)用于190℃的高溫環(huán)境且稠化時間可調(diào)。

2 新型抗高溫懸浮劑B的研發(fā)及性能評價

2.1 新型抗高溫懸浮劑B的研制

抗高溫水泥懸浮劑在提高水泥漿懸浮性能的同時，要確保其低溫下不過分增稠、高溫下不過分稀釋，并且對水泥漿的稠化、抗壓強(qiáng)度、失水量、下灰時間等性能不會產(chǎn)生不良影響。因此，需要研發(fā)具有良好的熱穩(wěn)定性和懸浮能力的抗高溫懸浮劑，以提高水泥漿的穩(wěn)定性，確保高溫深井固井施工安全及固井質(zhì)量[11-12]。

選用AMPS、丙烯酰胺（AM）和N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）為聚合單體。AMPS具有穩(wěn)定性強(qiáng)的碳鏈結(jié)構(gòu)和空間位阻效應(yīng)大的側(cè)基，能提高抗溫抗鹽性能；AM中具有酰胺基團(tuán)，可以通過氫鍵吸附大量水分子，形成水化膜，增大分子間的內(nèi)摩擦力，使顆粒均勻分散，提升水泥漿的懸浮能力[13-14]。NVP中含有吡咯環(huán)，能增強(qiáng)共聚物側(cè)鏈剛性，可提高抗溫性能。選用合適的共聚物摩爾比，在一定的PH條件下反應(yīng)，然后將反應(yīng)物進(jìn)行烘干、粉碎，制得白色粉末，將所得白色粉末與特種無機(jī)礦物材料進(jìn)行復(fù)配得到目標(biāo)產(chǎn)品即新型抗高溫懸浮劑B。該特種礦物材料在溫度達(dá)到100℃以上時，由于水泥漿造就的堿性環(huán)境在高溫高礦化度條件時的激發(fā)作用，特種礦物成分水化加速，并迅速形成立體網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)懸浮穩(wěn)定作用。

2.2 新型抗高溫懸浮劑B的性能研究

水泥漿基礎(chǔ)配方為阿克蘇G級水泥100 g＋細(xì)目硅粉60 g＋懸浮劑B＋降失水劑5 g＋水56 g＋高溫緩凝劑A＋減阻劑3 g＋消泡劑0.5 g。性能評價按照《油井水泥試驗方法》（GB／T 19139-2012）進(jìn)行。

2.2.1 穩(wěn)定性研究

將制備好的水泥漿倒入高溫高壓稠化儀中，按照升溫方案將溫度升至200℃后繼續(xù)攪拌30 min，然后溫度降至90℃后取出；將水泥漿倒入攪拌漿杯，以4 000 r／min攪拌15 s，再倒入500 mL量筒。在90℃養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)靜置2 h后，用鉆井液密度計測上部、中部、下部密度。水泥漿上下密度差等于水泥漿下部密度值與上部密度值之差[15]。在水泥漿中加入不同量的懸浮劑，測得其加量與沉降穩(wěn)定性的關(guān)系，結(jié)果見圖4。由圖4可知，懸浮劑在水泥漿中的加量大于1.5%時，可控制水泥石上下密度差小于0.05 g／cm3?？梢姡搼腋┠鼙ＷC水泥漿在高溫下的沉降穩(wěn)定性能。

圖4 水泥漿沉降穩(wěn)定性與懸浮劑加量的關(guān)系曲線圖

2.2.2 水泥漿稠化性能研究

在基礎(chǔ)配方水泥漿中加入2%懸浮劑，測試懸浮劑前后水泥漿的稠化曲線如圖5、圖6所示。由圖5可知，基礎(chǔ)配方水泥漿在稠化初始階段稠度基本為20 Bc，隨著溫度升高稠度逐漸變小，溫度達(dá)到預(yù)定溫度后水泥漿高溫稀釋，稠度基本降低到4 Bc；加入2%懸浮劑的水泥漿在開始稠化前稠度基本穩(wěn)定為26 Bc，升溫結(jié)束后稠度基本穩(wěn)定在20 Bc，水泥漿高溫稀釋不明顯。因此，該懸浮劑能夠保證水泥漿體系在低溫下不過分增稠，高溫下不會過度稀釋，可保持稠度的相對穩(wěn)定性。

圖5 無懸浮劑稠化曲線圖（376 min）

圖6 2%懸浮劑稠化曲線圖（392 min）

3 新型抗高溫水泥漿體系綜合性能評價

據(jù)克XX井的實驗條件，研究了摻有新型抗高溫緩凝劑A、抗高溫懸浮劑B的水泥漿體系的稠化、失水、抗壓強(qiáng)度、游離液、穩(wěn)定性等綜合性能，結(jié)果見表3。從表3可以看出該抗高溫水泥漿的失水控制在50 mL以下，28 d抗壓強(qiáng)度在14 MPa以上，滿足后續(xù)開采需要。水泥漿游離液在0.5 mL以下，上下密度差小于0.05 g／cm3，稠化時間滿足施工要求。

4 新型抗高溫水泥漿體系在克XX井應(yīng)用

克XX井是位于塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶克深區(qū)帶上的一口預(yù)探井，該井五開采用?149.2 mm鉆頭鉆至井深8 000 m完鉆，準(zhǔn)備下入?127 mm套管進(jìn)行懸掛固井，封固已鉆開裸眼地層，為下步鉆進(jìn)提供保障。該井井下靜止溫度為178℃，循環(huán)溫度為160℃，水泥漿密度為1.96 g／cm3。主要固井難點包括：① 井底溫度、壓力較高，對水泥漿抗高溫性能及穩(wěn)定性要求高；② 地層壓力窗口窄，鉆進(jìn)過程中發(fā)生過井漏，下套管和固井施工期間井漏風(fēng)險大；③ 環(huán)空間隙小，水泥環(huán)薄，超高溫高壓下，水泥石封固質(zhì)量難以保證。根據(jù)該井井況對固井方案進(jìn)行優(yōu)化，主要技術(shù)措施如下：① 采用新型抗高溫水泥漿體系，優(yōu)化水泥漿配方，使其性能符合固井規(guī)范要求和現(xiàn)場施工條件；② 改善水泥石的力學(xué)性能，既能滿足高溫考驗及薄水泥環(huán)壓裂要求，又能封堵竄流通道和漏失層，確保水泥石高溫強(qiáng)度衰減；③ 為降低環(huán)空摩阻，優(yōu)化水泥漿流變性能。

表3 抗高溫水泥漿體系性能評價表

固井施工流程：注前沖洗型隔離液15 m3，密度1.93 g／cm3；注水泥漿12.7 m3，密度1.96／cm3；注后沖洗型隔離液6 m3，密度1.93 g／cm3；泵替鉆井液67.8密度1.90 g／cm3，固井施工過程順利。后期固井質(zhì)量全部合格，并且負(fù)壓驗竄通過，達(dá)到了固井目的。

5 結(jié)論

1）新型抗高溫緩凝劑A溫敏性以及摻量敏感性研究說明該緩凝劑對溫度、摻量不敏感，具有良好的緩凝作用，適用溫度高。

2）室內(nèi)研究結(jié)果表明，加入新型抗高溫懸浮劑B的水泥漿無包心及稠度下降現(xiàn)象。經(jīng)200℃高溫養(yǎng)護(hù)形成的水泥漿上下密度差小，達(dá)到了提高水泥漿高溫穩(wěn)定性的目的。并且該高溫懸浮具有適應(yīng)溫度范圍寬、配伍性好等優(yōu)點。

3）采用緩凝劑A以及懸浮劑B研發(fā)的新型抗高溫水泥漿體系應(yīng)用溫度范圍為100～180℃，稠化時間可調(diào)，失水量控制在50 mL以內(nèi)，上下密度差在0.05 g／cm3以內(nèi)，穩(wěn)定性和流變性能良好，后期高溫強(qiáng)度穩(wěn)定。該體系在克XX井進(jìn)行了試驗，現(xiàn)場施工順利，負(fù)壓驗竄通過，可在塔里木油田及其他地區(qū)的高溫深井固井作業(yè)中推廣應(yīng)用。