Research Advances in Oil Well Cement Subjected to High Temperature and High Pressure Curing Environment

Xueyu Pang, Jiankun Qin, Yuhuan Bu, Zhongtao Yuan, Yindong Wang, Zhongli Wang

1Key Laboratory of Unconventional Oil & Gas Development (China University of Petroleum (East China)), Ministry of Education, Qingdao Shandong

2School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao Shandong

3Oil and Gas Engineering Research Institute, PetroChina Tarim Oilfield Company, Korla Xinjiang

Abstract

Keywords

1. 引言

隨著常規(guī)淺層資源逐漸枯竭，油氣勘探開發(fā)逐漸向深地、深水等復(fù)雜環(huán)境拓展。據(jù)統(tǒng)計，全球剩余油氣資源40%以上分布在5000 m 以下的深部地層[1]。深井的井底靜止溫度可達200℃以上，井底壓力可達100 MPa 以上[2]。而稠油、地?zé)帷⑸顚用旱荣Y源的開發(fā)利用進一步提高了油井水泥的抗高溫要求(可能達到350℃以上)。惡劣的井下環(huán)境會導(dǎo)致水泥石強度衰退，尤其是深井中水泥石長期暴露于高溫高壓環(huán)境，難以保證一次固井成功之后井眼環(huán)空的長期有效封隔。油氣井實際生產(chǎn)過程中，井筒完整性失效的問題非常普遍：部分國家如中國、美國和挪威，井筒封隔失效的比例超過20% [3]；而深海井由于普遍受高溫高壓影響且服役時間比較長，完整性失效的比例更是可以超過70% [4]。完整性失效問題輕者則影響油氣井生產(chǎn)，重者則導(dǎo)致井筒報廢。馬丁等[5]結(jié)合熱采井的抗高溫長效水泥固井技術(shù)研究與現(xiàn)場實際應(yīng)用，推算出若30 口井壽命延長一年，則可以增加經(jīng)濟效益5000 萬元。因此，研究高溫高壓環(huán)境下水泥石強度衰退機理及物理力學(xué)性能的長期演化機制，設(shè)計高溫高壓環(huán)境長期性能穩(wěn)定的油井水泥漿配方，對提高深層油氣開發(fā)的經(jīng)濟效益意義重大。

本文結(jié)合實際生產(chǎn)，首先比較了三種不同的耐高溫油井水泥體系作為高溫高壓固井解決方案的優(yōu)缺點；其次以目前普遍使用的加砂硅酸鹽水泥為論述重點，分析了其水化產(chǎn)物隨溫度和時間的變化規(guī)律，總結(jié)了在不同溫度環(huán)境下硅砂加量、粒徑級配以及SiO2形態(tài)(晶體或非晶體)等因素對其各種性能的影響；最后簡要分析了養(yǎng)護壓力對油井水泥性能的影響。

2. 國內(nèi)外典型深井

深井、超深井鉆井技術(shù)始于20 世紀30 年代末期的美國，國際上對于深井、超深井和特深井較為公認的劃分方法為：鉆完井深4500~6000 m 的直井為深井；6000~9000 m 的直井為超深井；9000 m 以上的直井為特超深井[6]。目前，世界上超過9000 m 的特超深井共有9 口[7]。最深井為俄羅斯庫頁島的OP-11油井，其完井深度為12,345 m。國內(nèi)深井鉆井技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速。1966 年7 月28 日大慶油田完成一口井深4719 m 的深井，揭開了國內(nèi)深井鉆井技術(shù)發(fā)展的序幕。自1986 年深井超深井進入規(guī)模應(yīng)用階段以來，深井、超深井鉆井數(shù)量逐年增加。2012 年，中國石油完成4000 m 以上的深井643 口[8]。近日，中國石化西北油田順北5-5H 井順利完鉆，完鉆井深8520 m，井底溫度164℃，創(chuàng)高溫超深小井眼水平井施工亞洲最深紀錄。如表1 近年我國部分深井、超深井參數(shù)所示，我國已經(jīng)可以在200℃以上的環(huán)境溫度中完成鉆井且進行開采。雖然我國在鉆井工具以及鉆井深度上均取得了重大的成果，但在高溫環(huán)境油氣井井筒完整性領(lǐng)域的研究與國外仍有一定的差距。此外，目前國內(nèi)外針對耐高溫水泥體系的實驗研究多數(shù)采用低溫成型，高溫養(yǎng)護的方法，模擬環(huán)境類似于稠油熱采井，不能準確代表深井的實際固井環(huán)境。因此，進一步加深高溫高壓環(huán)境下耐高溫水泥體系的研究十分必要。

Table 1. List of bottomhole temperatures of deep and ultradeep wells drilled in China in recent years 表1. 近年我國部分深井、超深井及井底溫度

3. 耐高溫固井水泥體系

普通硅酸鹽水泥(包括常規(guī)油井水泥)，又稱波特蘭水泥，發(fā)明于1824 年，是目前世界上最重要、用量最大的建筑材料。普通硅酸鹽水泥中主要礦物是硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鋁酸三鈣(C3A)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)。其中，C3S 和C2S 兩者約占礦物總量的80%，溫度較低時，兩種礦物的水化產(chǎn)物主要是C-S-H 凝膠和Ca(OH)2，這些水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)較為緊密，力學(xué)性能較好[15] [16] [17]。1954 年美國石油協(xié)會通過研究發(fā)現(xiàn)當溫度超過110℃時，凈漿水泥石強度會出現(xiàn)衰退[18]。主要原因是水泥的水化產(chǎn)物由無定型的C-S-H 凝膠轉(zhuǎn)化為α 型水化硅酸二鈣晶體(α-C2SH)；該晶體密度較高，比表面積遠低于C-S-H 凝膠，容易在水泥基體中形成較多大的孔隙，從而導(dǎo)致水泥石強度降低。通過整合不同文獻數(shù)據(jù)可以得到油井水泥原漿的強度隨溫度的變化如圖1 [5] [19] [20] [21]所示，通常將110℃和150℃作為產(chǎn)生強度衰退的兩個臨界溫度，110℃左右強度開始衰退，150℃左右衰退程度明顯增強。目前國內(nèi)外針對耐高溫油井水泥體系的研究主要包括加砂硅酸鹽水泥和高鋁水泥、磷鋁酸鹽水泥等特種水泥。

Figure 1. Influence of curing temperature on compressive strength of neat cement (black curves-24 h strength; blue curves-48 h strength; the red curve-72 h strength) 圖1. 溫度對硅酸鹽水泥原漿強度的影響[5] [19] [20] [21] (黑色-24 小時強度，藍色-48 小時強度，紅色-72 小時強度)

3.1. 加砂硅酸鹽水泥

1960 年Rust 等人[22]發(fā)現(xiàn)在硅酸鹽水泥中添加羧甲基羥乙基纖維素和硅砂可以制備抗高溫油井水泥體系。多年來公認的最優(yōu)硅砂加量約為水泥質(zhì)量的30%~40%。但近年來的研究表明，在較高溫度環(huán)境(>150℃)，添加硅砂的硅酸鹽水泥體系仍會出現(xiàn)明顯的微觀結(jié)構(gòu)粗化(主要表現(xiàn)為晶粒粗化、孔隙變大、水化產(chǎn)物比表面積減小)和強度衰退現(xiàn)象，尤其是固相體積分數(shù)較低的低密度水泥漿[23]-[28]。此外，越來越多的研究證明最優(yōu)硅砂加量可能與硅砂的顆粒大小、粒徑級配[24] [29]、水泥漿密度[26] [30]、以及水泥石養(yǎng)護溫度等因素密切相關(guān)。在較高溫度環(huán)境(288℃)，占水泥質(zhì)量60%的硅砂可能在3 個月內(nèi)與水泥反應(yīng)而完全消耗掉[31]。鑒于加砂硅酸鹽水泥是目前研究最多且應(yīng)用最為廣泛的抗高溫油井水泥體系，本文將在第三章中詳細闡述其各種性能的影響因素。

3.2. 高鋁水泥

高鋁水泥(HAC)又稱礬土水泥或鋁酸鹽水泥，該產(chǎn)品最早是1865 年在法國出現(xiàn)，1913 年法國的拉法基公司首次使用熔融法對這種水泥進行商業(yè)性生產(chǎn)[32]。HAC 本身具有快硬、高強、抗硫酸鹽、耐高溫等優(yōu)點，但因HAC 在長期服役過程中存在相變轉(zhuǎn)化的問題，導(dǎo)致其體積收縮、孔隙率增加，最終后期強度大幅度下降，限制了其應(yīng)用[33] [34]。為抑制HAC 的強度倒縮，國內(nèi)外的學(xué)者開展了大量調(diào)研。馬聰?shù)萚35]通過向10.0% (如無特殊說明，本文中提到的外加劑加量均為干水泥的質(zhì)量百分比)六偏磷酸鈉與7.5%微硅復(fù)配摻合料中添加0.3%碳纖維，使改性高鋁水泥在高溫高CO2養(yǎng)護條件下力學(xué)性能未發(fā)生衰退，具有較好的耐CO2腐蝕的能力。彭家慧等[36]采用二水石膏及沸石對HAC 改性，在避免介穩(wěn)水化產(chǎn)物產(chǎn)生的同時，制得耐久性好，具有微膨脹性的低堿度改性高鋁水泥。姜奉華等[37]在向CaO 充足條件下的HAC 系統(tǒng)中外加MgO，將C2AS 轉(zhuǎn)變?yōu)樗钚粤己玫腝 相(C6A4MS)，其各齡期的抗壓強度均高于原系統(tǒng)，且其后期抗壓強度仍持續(xù)增長。但目前HAC 因高溫稠化時間短、溫度敏感、強度發(fā)展不穩(wěn)定等缺陷，無法滿足高溫固井施工的要求。因此，結(jié)合施工環(huán)境，開發(fā)適合的HAC 外加劑、適用高溫環(huán)境的緩凝劑是今后高鋁水泥研究的重點。

3.3. 磷鋁酸鹽水泥

磷鋁酸鹽水泥(PALC)是在高鋁水泥的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展的。磷鋁酸鹽水泥的熟料中不含在CO2環(huán)境中穩(wěn)定性差的高鈣物相[38]，因此，其水化產(chǎn)物呈現(xiàn)良好的耐CO2腐蝕的能力，可用于稠油熱采的固井技術(shù)[39]。1998 年，李仕群[40]等率先通過溶膠-凝膠的方法制備出具有較高水化活性的磷鋁酸鹽水泥，其主要成分是一種新的四元化合物(S 相、改性CA(CaO·Al2O3)、α-C3P(3CaO·P2O5)和一定量的非晶態(tài)相)。PALC 水化產(chǎn)物主要為水化磷酸鹽(C-P-H)凝膠、水化磷鋁酸鹽(C-A-P-H)、鋁膠(AH3)以及相應(yīng)的水化結(jié)晶相，具有早強、高強且后期強度持續(xù)增長的特點[41]。PALC 與HAC 相比，PALC 在不需要任何輔助外加劑的情況下耐高溫性能更好，在1500℃的情況下仍然可以保持較高的抗壓強度，且收縮率較低，這對實際生產(chǎn)十分有利[42]。步玉環(huán)等[43]通過使用主要成份為木質(zhì)素磺酸鈉、硼酸和檸檬酸的復(fù)合緩凝劑，在提升磷鋁酸鹽流動性的同時，降低了高溫對水泥石強度的影響，為高含CO2井固井提供了新的技術(shù)支持。李連江[44]設(shè)計了一種550℃高溫環(huán)境下強度不衰退、抗CO2腐蝕性能良好的磷鋁酸鹽水泥，并通過室內(nèi)實驗和現(xiàn)場試驗，證明其滿足火燒油層固井工藝要求。但目前為止針對PALC 主要集中在理論研究上，其長期環(huán)空封隔性能尚不明確，且磷灰石等并不像石灰石一樣是大宗產(chǎn)品，因此限制了磷鋁酸鹽水泥的應(yīng)用。

綜合以上分析，一般通過開發(fā)化學(xué)添加劑(摻量通常不超過5%)和外摻料(摻量通常在5%以上)來賦予水泥材料耐高溫的特性。耐高溫油井水泥體系需要同時滿足固化前漿體性能要求和固化后物理力學(xué)性能要求?；瘜W(xué)添加劑主要影響水泥漿的流變性、濾失量和稠化時間等漿體性能，而水泥和外摻料的礦物成分和粒徑級配主要決定水泥石物理力學(xué)性能。高鋁水泥和磷鋁酸鹽水泥等特種耐高溫水泥體系主要優(yōu)勢在于其耐CO2酸性環(huán)境腐蝕性能較好，但因為成本較高以及相關(guān)配套添加劑開發(fā)滯后等問題，目前仍然沒有得到大規(guī)模的實際應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，在未來的很長時期內(nèi)，加砂硅酸鹽水泥還會作為主要的抗高溫固井水泥體系。這里總結(jié)各種耐高溫油井水泥體系如圖2 所示。

Figure 2. Classification of high-temperature-resistant cement systems 圖2. 耐高溫固井水泥體系分類

4. 高溫環(huán)境下硅酸鹽水泥性能的影響因素

4.1. 環(huán)境溫度對加砂硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物的影響

當加砂硅酸鹽水泥的鈣硅比為合理區(qū)間0.8~1.0 時，在110℃~350℃區(qū)間內(nèi)以150℃和210℃為分界點，其主要水化產(chǎn)物如表2 [29] [45]-[50]所示。當溫度為110℃~150℃時，SiO2可以較好地抑制α-C2SH的形成(α-C2SH 在水化早期仍可能存在[50])，加砂硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物為具有良好網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的雪硅鈣石，從而使水泥石保持較好的熱穩(wěn)定性。在150℃~210℃范圍內(nèi)，加砂硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物為雪硅鈣石(C5S6H5.5)和硬硅鈣石(C6S6H)；兩種產(chǎn)物結(jié)構(gòu)都較為致密，但硬硅鈣石性能低于雪硅鈣石；隨著養(yǎng)護時間的增加，雪硅鈣石會逐漸轉(zhuǎn)化為硬硅鈣石，從而使水泥石的力學(xué)性能降低，出現(xiàn)強度衰退。在210℃~350℃區(qū)間內(nèi)，水化產(chǎn)物依然以硬硅鈣石為主，但同時可能生成大量的低強度高滲透率且穩(wěn)定性差的水化產(chǎn)物，如C2S2H2、C3S2H3、C3S2以及C5S2H 等。隨著養(yǎng)護時間增加，低強度水化產(chǎn)物含量升高，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)消失，水泥石強度迅速下降。

Table 2. Main hydration products of Portland cement with silica addition at 110?C ~350?C 表2. 110℃~350℃內(nèi)加砂硅酸鹽水泥主要水化產(chǎn)物[29] [45]-[50]

4.2. 硅砂加量及顆粒大小對水泥石力學(xué)性能的影響

在環(huán)境溫度小于150℃的情況下，向油井水泥中加入35%~40% (BWOC)的硅粉可以較好的抑制水泥石強度的衰退，且經(jīng)常出現(xiàn)強度臺階式發(fā)展現(xiàn)象(主要由于小粒徑硅砂率先與水泥反應(yīng)從而延緩了大粒徑硅砂的反應(yīng))，但在更高的溫度環(huán)境下水泥石強度衰退明顯[19]-[24] [27]。Iverson 等人[31] [51]研究了硅砂加量為40%至80%的不同油井水泥配方在養(yǎng)護溫度為177℃至343℃、養(yǎng)護時間為14 天至180 天條件下的物理力學(xué)性能；可能由于油井水泥抗壓強度測試結(jié)果本身的離散度較高以及實驗誤差等原因，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的強度隨微硅加量或養(yǎng)護時間的變化規(guī)律；雖然所有配方的抗壓強度均高于17 MPa，但低硅砂加量的部分樣品在高溫養(yǎng)護后出現(xiàn)了過高的滲透率。Reddy [27]等人對硅砂加量為0%~65%的油井水泥海水與淡水配方在120℃~200℃養(yǎng)護環(huán)境下進行了超聲強度測試；發(fā)現(xiàn)在204℃環(huán)境下幾乎所有配方10天內(nèi)均出現(xiàn)了不同程度的強度衰退現(xiàn)象(如圖3 所示)，而且發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護時的升溫速率對水泥石強度發(fā)展影響非常大。程小偉等[52]分析了30%硅砂加量油井水泥在300℃至500℃火燒油工況下的物理力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)高溫和CO2環(huán)境致使水泥石孔隙粗化、結(jié)構(gòu)疏松、強度衰退明顯，7 天衰退率最高可達41.14%。

近年來，越來越多的研究表明硅砂粒徑大小對高溫環(huán)境加砂油井水泥早期強度(7 d 以內(nèi))影響顯著，在同等加量的情況下，通常小粒徑硅砂的配方強度更高，穩(wěn)定性更好[24] [29] [53] [54] [55]。例如張穎[53]等通過模擬熱采井工況(150℃~320℃)發(fā)現(xiàn)35%硅砂加量的所有配方在所有測試溫度下均出現(xiàn)強度衰退現(xiàn)象，而添加小粒徑硅砂的配方明顯強度更高且衰退更緩慢。但同時小粒徑硅砂加量過大的情況下容易導(dǎo)致水泥漿流動性變差，通過綜合考慮流變和強度穩(wěn)定性等因素，通常認為粒徑在200 目左右(即最大粒徑小于74 μm)的硅砂為最優(yōu)[29] [53] [55]。張忠旭等[55]確定了該粒徑硅砂在110℃~130℃范圍內(nèi)的合理加量為30%~40%，在150℃~190℃范圍內(nèi)的合理加量為40%~50%。Pernites 和Santra [29]則提出在288℃時最優(yōu)加量為50%~60%。此外，很多學(xué)者通過復(fù)配不同粒徑的硅質(zhì)材料的方式實現(xiàn)了油井水泥的配方優(yōu)化，取得了良好的抗高溫性能[24] [54] [56]。

Figure 3. The ultrasonic strength development of oilwell cement with total silica addition of 0%~65% at 204?C, prepared with fresh water and sea water, respectively 圖3. 硅砂加量為0%~65%的油井水泥淡水與海水配方在204℃養(yǎng)護環(huán)境下的超聲強度[27]

4.3. 顆粒級配對水泥石性能的影響

水泥為不同尺寸的固體顆粒形成的多孔材料，顆粒的堆積性質(zhì)對硬化漿體的性能有重要影響[57]。Kyritsis 等[58]探究了水泥石微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系，并基于微觀圖像計算出滲透率，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較為吻合。Krakowiak 等[26]通過XRD (X 射線衍射)、SEM (掃描電鏡)、MIP (壓汞)及SANS (小角度中子散射)等實驗手段研究了水泥漿配方中固相體積分數(shù)以及硅砂粒徑大小等因素對其微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的影響；研究表明添加小粒徑硅質(zhì)材料會抑制大粒徑硅質(zhì)材料的反應(yīng)，有助于形成更多細小的凝膠孔而不是更大的毛細孔，從而讓基體材料更加均勻；同樣地，水泥漿高固相體積分數(shù)有利于抑制晶體型水化物的產(chǎn)生，從而減緩晶粒粗化和力學(xué)性能衰退。因此通過緊密堆積理論來優(yōu)化多級顆粒堆積效果，提升水泥漿的固相體積分數(shù)，可為有效減緩強度衰退。傳統(tǒng)的水泥-硅砂二元顆粒體系中，硅砂的粒徑與水泥相差不大，很難產(chǎn)生緊密堆積的效果。當混合體系顆粒的平均粒徑相差較大時，小顆?？梢院芎玫奶畛湓诖箢w粒的縫隙中，緊密堆積的效果才開始顯現(xiàn)。

目前對于堆積密度模型的研究思路主要有兩種，一種是通過實際體系的粒徑分布來計算堆積率。另一種是通過研究最大堆積率來獲取最佳粒度分布曲線。關(guān)于緊密堆積理論及其在水泥漿體系設(shè)計中的應(yīng)用，劉慧婷等[57]已經(jīng)做了較為詳盡的回顧與總結(jié)。該理論過去主要是用于設(shè)計超高密度和超低密度水泥漿體系。在實際應(yīng)用中，基于經(jīng)驗主義的顆粒級配優(yōu)化研究較多，而真正利用數(shù)學(xué)模型來實現(xiàn)顆粒級配優(yōu)化的研究還非常少見[59]。Schlumberger 公司依據(jù)緊密堆積模型開發(fā)出了一系列固井水泥產(chǎn)品。其產(chǎn)品配方設(shè)計中通常推薦搭配粗、中、細三種顆粒來實現(xiàn)堆積率的優(yōu)化，兩種緊鄰的顆粒(粗和中，中和細)粒徑大小差別應(yīng)當在10 倍左右[60]。

4.4. 微硅及納米SiO2對水泥石性能影的響

現(xiàn)實中常見的粗砂和細砂的中值粒徑差別大約僅為5 倍左右，而水泥的粒徑分布也在類似的區(qū)間，因此僅通過粗細硅砂和水泥的搭配很難達到最優(yōu)的緊密堆積效果。微硅的粒徑則比常見硅砂小1 個數(shù)量級以上，納米SiO2的粒徑則又比微硅小1~2 個數(shù)量級，因此，通過復(fù)配硅砂、微硅及納米SiO2通?？梢詫崿F(xiàn)較好的緊密堆積效果。但微硅和納米SiO2在高溫環(huán)境下對水泥石性能的影響目前還不是很明確。Pernites 和Santra [29]在超高溫(288℃)油井水泥配方中用微硅替代部分硅砂，發(fā)現(xiàn)雖然生成了高溫穩(wěn)定的硬硅鈣石，但所有的含微硅的樣品在取出養(yǎng)護釜之前都發(fā)生了斷裂。很多其它學(xué)者則發(fā)現(xiàn)少量微硅(5%~8%)或納米SiO2溶膠(6%~15%)與硅砂的二元或三元復(fù)配可以得到穩(wěn)定性良好的抗高溫油井水泥配方[24] [48] [54] [55] [56] [61]。而且SiO2溶膠和膠乳聯(lián)合作用起到了非常好的高溫防氣竄功能，解決了順南井區(qū)高溫、氣層活躍的問題[48] [56] [61]。王成文等[62]通過室內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)在不添加硅砂的情況下，僅添加2% SiO2溶膠便可保證水泥石強度在150℃高溫環(huán)境28 天內(nèi)的穩(wěn)定性。熊敏發(fā)現(xiàn)在127℃時微硅(5%加量)可能優(yōu)先與水泥反應(yīng)并延緩硅砂參與反應(yīng)的時間，從而使超聲波強度呈現(xiàn)臺階式(S 型)發(fā)展趨勢；用小粒徑硅砂取代大粒徑硅砂可消除臺階現(xiàn)象[63]。

5. 高壓對油井水泥性能的影響

通常認為，養(yǎng)護壓力除了可以通過壓實作用略微減少水泥石的孔隙之外，不會改變油井水泥的化學(xué)成分及圍觀結(jié)構(gòu)，因而對其物理力學(xué)性能影響不大。早年API 的研究[64]表明，在93℃~160℃養(yǎng)護溫度區(qū)間，水泥石在7 MPa 和62 MPa 兩種養(yǎng)護壓力下72 h 抗壓強度相差很小；在0~13.8 MPa 區(qū)間提高養(yǎng)護壓力可以提高油井水泥的24 小時抗壓強度，而在13.8 MPa 以上區(qū)間提高養(yǎng)護壓力對24 小時抗壓強度幾乎沒有影響。近年來通過研究養(yǎng)護壓力對油井水泥性能的影響機理發(fā)現(xiàn)，在加快油井水泥水化反應(yīng)速率以及改變漿體稠度發(fā)展方面，養(yǎng)護壓力和養(yǎng)護溫度的影響類似；而且通過實驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)壓力對油井水泥水化的影響程度比溫度小的多[65] [66] [67] [68] [69]。此外，Pang 等[70]發(fā)現(xiàn)高壓養(yǎng)護的油井水泥樣品在降壓的過程當中可能因為內(nèi)部孔隙水壓力釋放過快而發(fā)生嚴重破壞。因此，在利用增壓養(yǎng)護釜制備油井水泥樣品時，在實驗結(jié)束的時候需要嚴格控制降壓速率。

6. 結(jié)論與展望

隨著我國對石油能源需求的日益增長以及國家深海、深地戰(zhàn)略的推進，深層、超深層油氣資源的開發(fā)越來越迫切，伴隨而來的是對鉆完井技術(shù)，尤其是高溫固井技術(shù)的要求的提高。本文回顧了抗高溫固井水泥的設(shè)計方法、作用機理和影響因素，主要結(jié)論可以總結(jié)為以下幾點：

1) 高鋁水泥和磷鋁酸鹽水泥等特種水泥雖然室內(nèi)試驗抗高溫效果良好，但由于成本較高以及配套添加劑開發(fā)相對滯后等原因，一直未實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。加砂硅酸鹽水泥仍然是最常用的抗高溫固井水泥體系。

2) 在較低溫度環(huán)境(<150℃)，摻加30%~40%硅砂基本可以防止硅酸鹽水泥出現(xiàn)強度衰退現(xiàn)象。但在更高溫度環(huán)境加砂硅酸鹽水泥均會出現(xiàn)不同程度強度衰退現(xiàn)象。目前強度衰退研究主要集中于較短齡期，所以長期強度變化規(guī)律目前尚不明確。

3) 加砂硅酸鹽水泥在高溫下的強度衰退現(xiàn)象可以歸因于水化產(chǎn)物的物相轉(zhuǎn)變和晶粒粗化，減小硅砂粒徑、優(yōu)化顆粒級配以及提高水泥漿中的固相體積分數(shù)可以減緩強度衰退。

4) 微硅和納米SiO2可以與硅砂復(fù)配來實現(xiàn)油井水泥的抗高溫性能的優(yōu)化，但其作用機理有待進一步的研究。

5) 養(yǎng)護壓力對油井水泥水化速率及漿體稠度發(fā)展影響顯著，目前已經(jīng)可以通過理論計算實現(xiàn)數(shù)值模擬。但養(yǎng)護壓力對水泥石性能影響方面的研究仍有待加強。

展望未來發(fā)展方向，筆者認為高溫高壓固井水泥研究今后仍將以加砂硅酸鹽水泥體系為主，亟待解決的問題包括：

1) 不同高溫高壓井實際井況的區(qū)別對強度衰退的影響；例如，深井和地?zé)峋兴酁楦邷啬獭⒏邷仞B(yǎng)護；熱采井則為低溫凝固、高溫養(yǎng)護。

2) 深井和地?zé)峋?00℃以上超高溫固井環(huán)境耐高溫水泥體系配方設(shè)計。

3) 各種配方水泥石高溫養(yǎng)護30 天以上中長期物理力學(xué)性能演變規(guī)律和機理。

4) 新型耐高溫化學(xué)添加劑及外摻料的開發(fā)；可以考慮將特種水泥與加砂硅酸鹽水泥復(fù)配，以降低成本和配套添加劑開發(fā)難度。

5) 養(yǎng)護壓力對水泥石物理力學(xué)性能影響規(guī)律以及降壓過程中樣品破壞評價方法。

基金項目

國家自然科學(xué)基金項目“油井水泥水化動力學(xué)實驗研究及數(shù)值模擬”(51974352)、中國石油大學(xué)(華東)人才引進項目“高溫高壓水泥水化硬化機理及性能研究”(20180017)、中石油塔里木油田項目“200℃超高溫水泥石長期強度穩(wěn)定研究與應(yīng)用”。