一種油井水泥石高溫穩(wěn)定劑

劉景麗 ，彭松，何武，張明，霍如軍，姬偉強，楊豫杭，付玥穎

（1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，河北任丘 062552；2.中國石油工程項目管理公司天津設計院，天津 300450；3.華北油田采油一廠，河北任丘 062552；4.渤海鉆探第三鉆井工程分公司，天津 300280；5.渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北任丘 062552）

一直以來，油井水泥石使用的抗高溫強度衰退材料是硅粉，但長期的實踐表明，硅粉在長期經(jīng)受高溫后力學性能衰退，抗壓強度衰減嚴重，不能保證水泥石的長期有效封固，特別是用于稠油熱采井及地熱井固井需求的水泥漿，普通加砂水泥漿配方已經(jīng)不再適用。目前國內(nèi)在抗高溫衰退領域使用的是鋁酸鹽[1-2]、磷酸鹽水泥，或在G 級水泥中加入超細硅材料[3]，這些材料使水泥的部分水化產(chǎn)物在高溫下強度衰退現(xiàn)象減弱，但沒有在根本上解決水泥石強度衰退的問題，磷酸鹽水泥在現(xiàn)場應用過程中出現(xiàn)了固井質(zhì)量差的問題。急需開展水泥石高溫穩(wěn)定劑的研究。研發(fā)了一種水泥石高溫穩(wěn)定劑，能保證地熱井高溫下水泥石的抗壓強度，避免火驅(qū)、蒸汽驅(qū)施工后水泥石抗壓強度衰退，保證了水泥環(huán)的完整性，防止因水泥石破碎造成環(huán)空帶壓及套管損壞等不良后果。

1 水泥石高溫穩(wěn)定劑原理

油井水泥石高溫穩(wěn)定劑是一種以多種氫氧化物為主，輔以適量抗高溫纖維組成的固體粉末[4-6]。這些物質(zhì)作為惰性外摻料組分，低溫不參與水化反應，不影響水泥漿的各項性能。在高溫下，穩(wěn)定劑里的氫氧化物組分耐高溫、不燃燒，具有很好的吸熱作用，在320～490 ℃高溫下發(fā)生相變、脫水吸熱分解反應，消耗大量的脫水熱，分解生成的活性氧化物附著于水泥石表面又進一步阻止了地熱、蒸汽、火焰對水泥石內(nèi)部的影響[7]。穩(wěn)定劑里的抗高溫纖維在高溫條件下具有良好增強作用，遇火發(fā)生裂解、軟化、收縮，大部分熱量被帶走，降低了水泥環(huán)表面和火焰區(qū)的溫度，進而防止水泥環(huán)抗壓強度衰退，保持水泥環(huán)的完整性[8]。

2 高溫穩(wěn)定劑對水泥漿性能的影響

2.1 流變性能

為使加入高溫穩(wěn)定劑的水泥漿在固井期間能夠安全泵送，研究了不同加量高溫穩(wěn)定劑對水泥漿流變性能的影響，結(jié)果見表1。水泥漿配方為600 g 濰坊G 水泥+高溫穩(wěn)定劑+2%降失水劑+1%分散劑，水灰比為0.44。

表1 高溫穩(wěn)定劑對水泥漿性能的影響

從表1 可以看出，高溫穩(wěn)定劑對水泥漿有增稠作用，隨著其加量增加，水泥漿流動性降低，主要是因為穩(wěn)定劑顆粒吸附在水泥顆粒的表面，形成吸附水化層，可以束縛更多的自由水，從而極大降低了水泥漿的游離液。初始稠度隨著穩(wěn)定劑加量增加而增加，稠化時間隨著穩(wěn)定劑加量增加而減少?？梢钥闯?，穩(wěn)定劑加量增加，水泥漿稠化實驗過程中易產(chǎn)生包軸現(xiàn)象，導致初始稠度過大，稠化時間縮短，漿體不穩(wěn)定，一方面可以通過增加分散劑用量調(diào)整初始稠度，另一方面穩(wěn)定劑加量不宜超過60%。

2.2 水泥石的力學性能

考察了加硅粉水泥漿、超細二氧化硅水泥漿與高溫穩(wěn)定劑水泥漿的力學性能，實驗配方為600 g濰坊G 水泥+50%外加劑+2%降失水劑+1%分散劑，水灰比為0.44，結(jié)果見表2。

表2 不同水泥漿性能

從表2 可以看出，加入硅粉、超細二氧化硅及高溫穩(wěn)定劑的水泥漿低溫水泥石抗壓強度值相差不大，但高溫養(yǎng)護后，抗壓強度值相差很大，320 ℃養(yǎng)護2 d 后加砂水泥石抗壓強度降為6.3 MPa，30 d 后降為3.0 MPa，超細二氧化硅水泥石抗壓強度2 d 衰退不明顯，30 d 衰退為12.5 MPa，加入高溫穩(wěn)定劑水泥石2 d 后抗壓強度增大到20.2 MPa，30 d 抗壓強度保持不降反而略微有增長到21.4 MPa；450 ℃養(yǎng)護2 d，加砂水泥石直接破碎，養(yǎng)護7 d 后加超細二氧化硅水泥石表面出現(xiàn)裂紋，加高溫穩(wěn)定劑水泥石的抗壓強度不但沒有衰退還略微增長至16.9 MPa，這充分體現(xiàn)出高溫穩(wěn)定劑在長期高溫下的優(yōu)勢。另外，加入高溫穩(wěn)定劑的水泥石還具有很好的膠結(jié)強度，約是加砂水泥漿的4 倍，超細二氧化硅的3.5 倍。

2.3 水泥漿的綜合性能

優(yōu)選低、中、高溫降失水劑、促凝劑、緩凝劑配制水泥漿，從水泥漿稠化時間、游離液、失水量等性能對水泥漿進行評價，水泥漿配方如下，性能見表3。由表3 可知，高溫穩(wěn)定劑的加入對水泥漿性能影響不大，隨著穩(wěn)定劑加量的增加，水泥石抗壓強度略微降低，其與水泥漿其他外加劑的配伍性良好。

1#（低溫水泥漿） 600 g G 級水泥+（40%～60%）高溫穩(wěn)定劑+2.0%低中溫降失水劑+2.5%促凝劑+1.0%分散劑，水灰比為0.44

2#（中溫水泥漿） 600 g G 級水泥+（40%～60%）高溫穩(wěn)定劑+2.5%低中溫降失水劑+（0.5%～0.8%）中溫緩凝劑+0.6%分散劑，水灰比為0.44

3#（高溫水泥漿） 600g G 級水泥+（40%～60%）高溫穩(wěn)定劑+4.0%高溫降失水劑+（1.0%～1.5%）高溫緩凝劑+0.6%分散劑，水灰比為0.44

表3 不同高溫穩(wěn)定劑加量下水泥漿綜合性能

2.4 高溫穩(wěn)定劑對水泥石微觀形貌的影響

圖1 是加砂水泥石、超細二氧化硅水泥石和高溫穩(wěn)定劑水泥石的掃描電鏡圖。從圖1 可以看出，加入高溫穩(wěn)定劑的水泥石，有很多尖峰狀類似荊棘物，錯綜交錯，微觀斷面不平整，而加砂水泥石表面比較平整，超細二氧化硅水泥石表面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯，都沒有尖峰狀物，這可能就是高溫穩(wěn)定劑加入體系后水泥石膠結(jié)強度顯著提高的原因。

圖1 水泥石掃描電鏡

3 現(xiàn)場應用

該高溫穩(wěn)定劑體系在蒙古林油田現(xiàn)場應用了2口井，分別是蒙火334X 井和蒙火394 井。2 口井均為三開井，井深分別為906 m 和886 m。三開均采用φ171.45 mm 的鉆頭，下入φ139.7 mm 套管，下套管前使用φ164 mm 擴眼器進行擴眼，水泥漿要求返至地面。

3.1 水泥漿配方試驗情況

現(xiàn)場使用水泥漿配方為華油G 級水泥+50%高溫穩(wěn)定劑+2.0%降失水劑+1.0%分散劑+0.1%緩凝劑+0.1%消泡劑+基地水。室內(nèi)小樣實驗結(jié)果滿足現(xiàn)場施工要求，見表4。按配方進行大樣的混拌，并從混好的大樣干灰中隨機取樣，與現(xiàn)場配漿水進行復核實驗。大樣灰配漿密度為1.88 g/cm3，稠化時間為118 min，流動度良好，各項性能與小樣基本吻合。

表4 現(xiàn)場施工水泥漿性能

3.2 相容性實驗

將抗高溫衰減水泥漿、鉆井液、前置液按不同比例進行混合，測混合液流動性，見表5。實驗結(jié)果表明，三者相容性良好，水泥漿與鉆井液直接接觸時流動性略有降低，整體滿足現(xiàn)場施工要求。

表5 水泥漿、鉆井液相容性實驗

3.3 蒙火394井施工過程

依次注入6 m3前置液，7 m3密度為1.84 g/cm3的水泥漿領漿，6 m3密度為1.88 g/cm3的水泥漿尾漿，最后注入2 m3壓塞液，泵替6.1 m3鉆井液，2 m3清水碰壓，碰壓壓力為15 MPa，穩(wěn)壓5 min 不降，水泥漿返出井口，施工一切順利。聲幅顯示整口井固井質(zhì)量較好。

4 認識和結(jié)論

1.高溫穩(wěn)定劑對水泥漿體系有一定的增稠作用，其加量越大則水泥漿流動性越差，因此建議加量不超過60%。

2.高溫穩(wěn)定劑與油井水泥其它外加劑配伍性好，水泥漿綜合性能良好，滿足超高溫、稠油熱采井及地熱井固井需求，水泥石長期經(jīng)受高溫后（320℃、450 ℃）的力學性能無衰退,能防止水泥環(huán)抗壓強度衰退，保持水泥環(huán)的完整性。

3.高溫穩(wěn)定劑具有很好的界面膠結(jié)強度，約是加砂水泥漿的4 倍，超細二氧化硅水泥漿的3.5 倍。

4.高溫穩(wěn)定劑體系在蒙古林油田現(xiàn)場應用2 口井，整個施工過程順利，固井質(zhì)量較好，一二界面膠結(jié)質(zhì)量良好，具有良好的應用前景。