抗高溫高密度固井水泥漿體系研究

侯海歐

（中海油田服務(wù)股份有限公司油化塘沽作業(yè)公司，天津 300459）

在鉆井的過(guò)程中,井下條件愈復(fù)雜,井底溫度和地層壓力的變化幅度也就越大。常規(guī)類型的油井水泥漿和添加劑已經(jīng)不能滿足高溫固井的性能需求。常規(guī)類型的固井水泥漿會(huì)在高溫條件下更快的衰減強(qiáng)度，更容易破碎并且產(chǎn)生裂縫，溫度較高的情況下甚至?xí)咕滤喹h(huán)開(kāi)裂，徹底失去其力學(xué)機(jī)械性能并產(chǎn)生坍塌[1-3]。同時(shí)，高溫環(huán)境下油井水泥漿的水化速度變的非常快速，水泥漿的稠度也會(huì)相應(yīng)變得增長(zhǎng)過(guò)快，此時(shí)需要再添加高溫緩凝劑以便使增稠時(shí)間合理，保證施工方面的安全性。高溫環(huán)境也會(huì)對(duì)水泥漿的流變性、失水量等性能產(chǎn)生較大的影響，需要研究出適用于高溫環(huán)境下的添加劑材料。此外，高溫高壓固井通常要求水泥漿具有較高的密度，而目前的高密度水泥漿體系普遍存在表觀黏度高、現(xiàn)場(chǎng)混配困難、沉降穩(wěn)定性差、性能調(diào)節(jié)困難、抗壓強(qiáng)度低等缺點(diǎn)[4-6]。這對(duì)如何設(shè)計(jì)符合現(xiàn)場(chǎng)施工要求固井水泥漿提出了更大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)高溫高密度水泥漿影響性能的各種因素和配方組成的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，室內(nèi)對(duì)不同添加劑材料進(jìn)行研究，并構(gòu)建不同密度的高溫高密度水泥漿體系，為高溫高壓油氣井固井作業(yè)提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

油井水泥，高溫穩(wěn)定劑、分散劑、加重劑、降失水劑、緩凝劑、增強(qiáng)劑，消泡劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文中水泥漿的配制和性能評(píng)價(jià)，均依據(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 水泥漿體系關(guān)鍵添加劑研究

2.1 高溫穩(wěn)定劑研究

一般用于深井或高溫井的各類型水泥，一般在井下溫度大于110 ℃就會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度降低。所以，只要井底靜止溫度大于等于110 ℃時(shí)，都會(huì)造成水泥石的強(qiáng)度衰退，所以這種情況下需要使用抗高溫水泥漿體系。選擇硅粉作為外摻料加入水泥漿中，可以有效的防止高溫環(huán)境下水泥石強(qiáng)度的衰退。室內(nèi)將35%作為高溫穩(wěn)定劑，研究不同目數(shù)硅粉對(duì)水泥漿性能的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。

從表1 可以看出，不同目數(shù)的硅粉都能有效防止高溫條件下水泥石強(qiáng)度衰退。硅粉目數(shù)越高，水泥石的抗壓強(qiáng)度更高，且強(qiáng)度下降更小。混合硅粉對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定性作用效果更好。其原因可能是不同目數(shù)硅粉顆粒級(jí)配的效果。因此，在構(gòu)建抗高溫水泥漿時(shí)，使用混合硅粉作為高溫穩(wěn)定劑。

2.2 加重劑研究

用作高溫高密度固井水泥漿的加重劑一般需要滿足需水量少、與添加劑有良好的相容性、與水泥漿的其他固相顆粒間具有合理的顆粒粒徑分布。目前，國(guó)內(nèi)外常用的固井水泥漿加重劑主要有重晶石、鐵礦粉和錳礦粉，室內(nèi)研究了不同加重劑對(duì)水泥漿性能的影響，結(jié)果（見(jiàn)表2）。

從表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，三種加重劑均能提高水泥石的密度，但是錳礦粉加重劑水泥漿密度最高，且抗壓強(qiáng)度發(fā)展更快，比重晶石水泥石和鐵礦粉水泥石分別增大了8.5 MPa 和5.1 MPa。因此在配制水泥漿時(shí)采用錳礦粉作為加重劑。

2.3 高溫降失水劑研究

針對(duì)高溫高密度水泥漿體系的特殊性，室內(nèi)開(kāi)發(fā)了抗高溫降失水劑RW92L 作為水泥漿的降失水劑，該降失水劑可以通過(guò)提高漿體黏度和降低濾餅滲透率，加大了液體濾失的阻力，降低水泥漿的失水。通過(guò)降失水劑性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，得到以下數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3）。

表3 不同加量的RW92L 水泥漿失水量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著降失水劑RW92L 摻入，水泥漿失水量具有明顯減少的特點(diǎn)。在加量為2%～4%時(shí)，失水量的減少量變化程度最大，且4%加量下水泥漿失水量小于50 mL，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及現(xiàn)實(shí)成本問(wèn)題，優(yōu)先考慮降失水劑添加劑量為4%。

2.4 高溫緩凝劑研究

緩凝劑是調(diào)節(jié)水泥漿稠化時(shí)間的添加劑材料，而稠化時(shí)間與水泥漿施工安全性密切相關(guān)。為了研究緩凝劑在高溫下的作用效果，室內(nèi)研發(fā)了緩凝劑RT60作為高溫水泥漿的緩凝劑，并對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果（見(jiàn)表4）。

表4 不同加量緩凝劑RT60 水泥漿稠化時(shí)間

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著緩凝劑加量的增多，水泥漿的稠化時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，且緩凝劑延長(zhǎng)幅度較大。但是，緩凝劑摻入水泥漿抗壓強(qiáng)度下降，緩凝劑加量需控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)加量為1%時(shí)，水泥漿稠化時(shí)間滿足固井作業(yè)時(shí)間大于3 h 的要求，且抗壓強(qiáng)度下降幅度小。因此，針對(duì)研發(fā)的緩凝劑，其加量控制在1%左右較合適。

3 深水高溫高密度固井水泥漿性能評(píng)價(jià)

通過(guò)以上添加劑研究，室內(nèi)構(gòu)建了密度為2.0 g/cm3和2.2 g/cm3的高密度水泥漿體系，并對(duì)水泥漿體系的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。構(gòu)建的水泥漿體系組成如下：

密度2.0 g/cm3：600 g 油井水泥+180g 錳礦粉+210 g 300 目硅粉+18 g 微硅+45 g 降失水劑RW92L+24 g 分散劑F55L+4 g 緩凝劑RT60+310 g 水。

密度2.2 g/cm3：600 g 油井水泥+320 g 錳礦粉+210 g 300 目硅粉+18 g 微硅+45 g 降失水劑RW92L+35 g 分散劑F55L+6 g 緩凝劑RT60+300 g 水。

3.1 水泥漿施工性能評(píng)價(jià)

水泥漿的常規(guī)性能主要包括水泥漿的流變性、失水量、稠化時(shí)間和沉降穩(wěn)定性，水泥漿的施工性能與其在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的適用性密切相關(guān)。室內(nèi)評(píng)價(jià)了構(gòu)建的抗高溫高密度水泥漿體系，其施工性能（見(jiàn)表5，表6）。

表5 不同密度水泥漿流變性

表6 不同密度水泥漿體系性能

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，高溫水泥漿體系在不同密度下均具有良好的流變性，同時(shí)失水量小于50 mL，具備低失水特性，稠化時(shí)間在3～5 h，易于調(diào)節(jié)控制，滿足施工要求，且水泥漿漿體穩(wěn)定。不同密度的水泥漿在高溫下的性能都滿足固井作業(yè)的要求。

3.2 水泥漿力學(xué)性能高溫穩(wěn)定性

對(duì)于固井水泥漿體系來(lái)說(shuō)，高溫環(huán)境下水泥石的力學(xué)性能極易衰退，造成水泥石力學(xué)性能不佳，嚴(yán)重時(shí)影響固井質(zhì)量和環(huán)空封固安全。室內(nèi)對(duì)構(gòu)建的高密度水泥漿體系的力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，養(yǎng)護(hù)溫度為180 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖1）。

圖1 水泥漿力學(xué)性能高溫穩(wěn)定性

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，該體系力學(xué)性能穩(wěn)定，不同密度水泥漿在高溫下的力學(xué)性能優(yōu)異，且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥石抗壓強(qiáng)度變化小，水泥石養(yǎng)護(hù)14 d 的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)28 d 的抗壓強(qiáng)度差異極小，水泥石強(qiáng)度穩(wěn)定，可滿足高溫高壓固井作業(yè)的需求。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)抗高溫高密度水泥漿體系，研究的高溫穩(wěn)定劑為混合硅粉，選擇錳礦粉作為加重劑材料，使用RW92L 和RT60 作為高溫降失水劑和高溫緩凝劑。

（2）構(gòu)建的抗高溫高密度水泥漿體系流變性優(yōu)異，失水量低，稠化時(shí)間滿足施工要求，漿體穩(wěn)定。

（3）構(gòu)建的抗高溫高密度水泥漿體系力學(xué)性能穩(wěn)定，在高溫下養(yǎng)護(hù)后抗壓強(qiáng)度變化小。