高溫高壓井固井水泥漿體系研究

金勇，鄧成輝

（中海石油有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

隨著深層以及超深層油氣開發(fā)的進(jìn)行，鉆遇高溫高壓地層的油氣井越來越多。與常規(guī)油氣井相比，高溫高壓油氣井在固井作業(yè)方面對(duì)水泥漿要求更高[1-2]。目前固井現(xiàn)場(chǎng)使用最普遍的波特蘭油井水泥在溫度大于110 ℃時(shí)易出現(xiàn)強(qiáng)度衰退現(xiàn)象，在高溫作業(yè)環(huán)境下一般需要添加高溫穩(wěn)定材料才能應(yīng)用于固井[3-6]。常用的水泥漿添加劑材料，如緩凝劑、降失水劑，極易受到溫度的影響出現(xiàn)稠化反轉(zhuǎn)或者作用失效的情況。此外，高溫高壓固井作業(yè)通常需要較高密度的水泥漿體系才能更好地壓穩(wěn)地層，以滿足固井作業(yè)的要求。因此，針對(duì)高溫高壓油氣井固井作業(yè)，需要研究一系列固井材料，才能構(gòu)建性能優(yōu)異的水泥漿體系用于固井施工。

針對(duì)高溫高壓油氣井固井水泥漿開發(fā)的難點(diǎn)，室內(nèi)研究了構(gòu)建高溫高壓固井水泥漿的關(guān)鍵材料，并對(duì)構(gòu)建的水泥漿體系進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究成果為高溫高壓井固井水泥漿體系設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供指導(dǎo)與支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

G 級(jí)油井水泥（葛洲壩特種水泥廠），緩凝劑H60L、降失水劑CG68L、分散劑CF42L（自制），加重劑、高溫穩(wěn)定劑、微硅、消泡劑CX60L（荊州嘉華科技有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

水泥漿的制備與性能評(píng)價(jià)依據(jù)GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》中的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水泥漿體系關(guān)鍵添加劑研究

2.1.1 高溫分散劑研究

分散劑是固井水泥漿中降低水泥漿水灰比，并改善水泥漿流變特性的外加劑[7]。固井水泥凈漿流變性通常較差，調(diào)節(jié)水泥漿的流動(dòng)性需要添加合適的外加劑材料對(duì)水泥漿的漿體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效破壞。目前采用的最有效的方法是通過向水泥漿中摻入分散劑，通過化學(xué)添加劑的吸附作用，降低漿體結(jié)構(gòu)和顆粒的結(jié)合力，達(dá)到稀釋分散的作用。室內(nèi)針對(duì)高溫水泥漿的需求，研選了一種分散劑CF42L，并對(duì)分散劑的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同分散劑加量水泥漿性能

從表1 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著分散劑CF42L 加量的增加，水泥漿流變性測(cè)試讀數(shù)降低，說明分散劑CF42L能對(duì)水泥漿的流變性能進(jìn)行較好的調(diào)節(jié)，提高水泥漿的流動(dòng)性能。此外，當(dāng)分散劑CF42L 加量在4%時(shí)，水泥漿出現(xiàn)少量自由液，水泥漿漿體穩(wěn)定性受到影響，因此，分散劑CF42L 在使用時(shí)需要合理地控制其加量。

2.1.2 高溫降失水劑研究

降失水劑是固井水泥漿中用于控制水泥漿中液相向滲透性地層濾失的外加劑。通常認(rèn)為降失水劑降低失水量的機(jī)理主要是降低濾餅滲透率、使濾餅形成極化水層、提高漿體濾失阻力等[8-9]。國(guó)內(nèi)外固井所用的耐高溫降失水劑主要有耐高溫聚合物降失水劑和超細(xì)顆粒降失水劑，其中超細(xì)顆粒材料只是利用級(jí)配關(guān)系堵塞水泥顆粒間的孔隙來降低失水的，其降低能力是有限。室內(nèi)研選了一種耐高溫聚合物降失水劑CG68L，并對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同加量降失水劑水泥漿性能

從圖1 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著降失水劑加量的增多，水泥漿的失水量下降明顯，水泥石抗壓強(qiáng)度下降較小。當(dāng)降失水劑加量達(dá)到4%時(shí)失水量在50 mL 以內(nèi)，比空白水泥漿失水量下降37 mL，水泥漿的失水量降低幅度較大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，降失水劑CG68L 能有效降低水泥漿的失水量，且對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度影響較小。

2.1.3 高溫緩凝劑研究

緩凝劑在固井水泥漿中的主要作用是延長(zhǎng)水泥漿稠化時(shí)間，防止水泥漿過早無法流動(dòng)，以確保施工安全。緩凝劑通過表面吸附、生成表面沉淀等方式在固井水泥漿中起作用[10]。由于稠化時(shí)間受溫度影響較大，因此性能優(yōu)良的耐高溫緩凝劑對(duì)抗高溫固井水泥漿體系來說至關(guān)重要。室內(nèi)對(duì)研選的高溫緩凝劑H60L 的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

從圖2 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，緩凝劑H60L 能有效調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時(shí)間，0.6%加量下緩凝劑的稠化時(shí)間在3 h 以上。隨著緩凝劑加量的增加，水泥漿的抗壓強(qiáng)度下降，且加量在0.6%以上時(shí)抗壓強(qiáng)度下降幅度增大。考慮高溫緩凝劑H60L 對(duì)水泥漿性能的綜合影響，使用過程中應(yīng)控制合適的加量。

圖2 不同加量緩凝劑水泥漿性能

2.1.4 加重劑研究

鐵礦粉加重劑是目前在固井水泥漿中應(yīng)用最普遍的加重劑之一，但是其在加量較高時(shí)容易引起水泥漿增稠明顯、抗壓強(qiáng)度下降等問題[11]。為了克服鐵礦粉加重劑的缺陷，室內(nèi)制備了一種復(fù)合加重材料，并在相同加量下對(duì)加重劑性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 加重劑性能

從表2 可以看出，相同的加量下，復(fù)合加重劑構(gòu)建的水泥漿體系密度比鐵礦粉加重劑水泥漿略高。復(fù)合加重劑水泥漿的流變性讀數(shù)更低，對(duì)流變性影響更小，且抗壓強(qiáng)度高于鐵礦粉水泥漿體系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了制備的復(fù)合加重劑材料在高密度水泥漿中的應(yīng)用效果優(yōu)異，可作為高密度水泥漿的加重材料。

2.2 水泥漿體系性能評(píng)價(jià)

通過不同添加劑材料的研究，室內(nèi)構(gòu)建了耐高溫的高密度水泥漿體系，水泥漿組成為：100%水泥+55%淡水+3%分散劑CF42L+6%降失水劑CG68L+35%硅粉＋0.6%緩凝劑H60L+0.6%消泡劑CX60L+3%微硅+115%復(fù)合加重劑（密度2.3 g·cm-3）。

2.2.1 水泥漿體系常規(guī)工程性能評(píng)價(jià)

水泥漿的常規(guī)工程性能主要包括流變性、失水量和稠化時(shí)間。水泥漿具有良好的流變性可以保證水泥漿在固井施工過程中具有很好的泵送性能，提高水泥漿頂替效率[12-13]。水泥漿的稠化時(shí)間是控制固井作業(yè)安全時(shí)間的關(guān)鍵參數(shù)[14]。水泥漿的失水量與固井質(zhì)量和儲(chǔ)層保護(hù)密切相關(guān)。為研究開發(fā)的耐高溫水泥漿體系的工程性能，室內(nèi)評(píng)價(jià)的水泥漿流變性、失水量實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 水泥漿體系常規(guī)工程性能

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，水泥漿體系流變性好，失水量小于50 mL。水泥漿稠化時(shí)間達(dá)到203 min，大于3 h，滿足安全固井施工要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)建的抗高溫固井水泥漿體系的常規(guī)工程性能滿足固井作業(yè)要求，且具有較好的抗溫能力。

2.2.2 水泥石高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

抗壓強(qiáng)度是水泥石被破壞時(shí)能承受的最大外力。水泥石需要具有良好的抗壓強(qiáng)度才能支撐和保護(hù)套管[15]。由于高溫環(huán)境下水泥石抗壓強(qiáng)度易衰退，因此，評(píng)價(jià)水泥石在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，對(duì)研究高溫水泥漿長(zhǎng)期封固穩(wěn)定性具有重要意義。室內(nèi)在80 ℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)24 h 制備了抗高溫水泥石，作為高溫養(yǎng)護(hù)空白試樣。水泥石在180 ℃環(huán)境下分別養(yǎng)護(hù)不同天數(shù)，測(cè)試水泥石抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 水泥石高溫穩(wěn)定性

從圖3 可以看出，在高溫養(yǎng)護(hù)前期，水泥石抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)增加，且在高溫養(yǎng)護(hù)3 d內(nèi)增長(zhǎng)較快。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間大于7 d 時(shí)，水泥石的抗壓強(qiáng)度有少量的下降。養(yǎng)護(hù)28 d 時(shí)水泥石的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)14 d 時(shí)無明顯變化。水泥石養(yǎng)護(hù)后期抗壓強(qiáng)度較穩(wěn)定，且抗壓強(qiáng)度較高，能滿足高溫固井作業(yè)長(zhǎng)期封固的要求。

3 結(jié) 論

1）研究的高溫分散劑能有效調(diào)節(jié)水泥漿的流變性，高溫降失水劑可較大幅度地降低水泥漿的失水量。

2）高溫緩凝劑可調(diào)節(jié)水泥漿的稠化時(shí)間，保障水泥漿安全施工；復(fù)合加重劑比鐵礦粉在高密度水泥漿中的應(yīng)用效果更優(yōu)異。

3）構(gòu)建的高密度水泥漿體系常規(guī)工程性能滿足固井要求，180 ℃條件下水泥漿的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定，有助于高溫井長(zhǎng)期封固。