超高溫水泥漿體系設計與性能評價

劉保波

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司 黑龍江大慶 163000）

隨著油氣鉆探的發(fā)展，固井工程將面臨更多的超高溫高壓固定作業(yè)，同時水泥作為固定工程的重要材料，為了滿足超高溫的固定要求，需要開發(fā)出具有相應性能的超高溫固井用水泥漿體系[1]。

1 固井超高溫水泥漿體系中合成產(chǎn)品的介紹

1.1 外加劑

高溫固井水泥漿以油井水泥為基礎，硅膠等外加劑和水泥外加劑（主要外加制為脫水劑，加入凝集劑和分散劑）。固井水泥的性能可以根據(jù)外加容量進行調(diào)節(jié)和控制。在海外廣泛使用的高溫固井劑有石灰、瀝青等無機材料和纖維素衍生物，負離子聚合物等水溶性高分子，在高溫下天然高分子的性能隨著成分的不同而不穩(wěn)定，但是合成高分子固井劑中含有乙烯衍生物和不飽和酯等共聚物，使其理論耐熱性大于已有的無機外加劑。

1.2 水泥漿體系

根據(jù)實際情況和需求情況添加不同的外加劑，為了調(diào)節(jié)硅膠，添加硅膠等多種功能，目前常用的水泥漿系統(tǒng)有軟性水泥漿系統(tǒng)和特殊水泥漿系統(tǒng)，這種泥漿系統(tǒng)在功能上有不同的效果，高溫密度泥漿系統(tǒng)必須在深井中處理高壓層，穩(wěn)定井內(nèi)液體的壓力，其卓越的防氣性能能夠有效地控制漏水和泄漏，顯著優(yōu)化水泥石的強度，有效地提高油井的使用壽命，為了避免井筒的壓力和高溫破壞，防止這種情況發(fā)生，可以在泥漿系統(tǒng)中加入軟性外加劑[2]。

1.3 聚合物外加劑合成條件確定

（1）單體配比

單體配合費主要由脫水劑和凝集劑的特定官能團決定，但由于所需量和分子量不同，所以決定了單體的配比，不同的單一配比研究了高分子產(chǎn)品的性能，確定降失水劑HT-1的單體配比為AMPS：AM：NX=6：3：1；緩凝劑HTF2的單體配比為AMPS：IA：DX=10：4：1。

（2）引發(fā)劑用量

如果引發(fā)劑的用量過低，那么聚合物分子鏈的長度將增加，并包裹對分子鏈具有緩沖作用的羧基，從而不能充分發(fā)揮凝聚分散作用，使用適合用量的引發(fā)劑會增加高分子體在磷中處于伸展狀態(tài)，活性氣團暴露在分子外，具有充分的速度率的污泥中的鈣，據(jù)悉，鋁等離子體在C3S和Ca的生長環(huán)境中具有很強的吸附力。如果引發(fā)劑使用量過多，不僅會浪費材料，還會引起爆發(fā)性的聚合。因此，用于合成下降過濾器引發(fā)劑使用量為0.2%。

2 超高溫水泥漿的設計和性能優(yōu)化

2.1 超高溫水泥漿體系設計

耐高溫水泥外加劑主要由緩沖劑、抑制劑等構(gòu)成，為了滿足高溫固井水泥漿的性能要求，必須加入一定量的硅粉，以穩(wěn)定高溫強度。為了解決高溫泥漿穩(wěn)定性下降的問題，一般在泥漿中添加高分子懸濁劑，使液體粘度增加，抑制泥漿體系的沉降，為了提高水泥漿和水泥砂漿的綜合性能，可以在水泥漿中加入定量的填料，使地下流體活性化。添加彈性劑可以降低水泥漿的柔軟性，添加防腐劑可以提高水泥砂漿的防腐能力。

2.1.1 油井水泥外摻料

（1）高溫強度穩(wěn)定劑

當臨界溫度在110℃以上時，硅酸鹽油井水泥的強度在140℃以上時，水泥漿的強度會更嚴重。一般硅酸鹽油井水泥的主要礦物是硅酸三鈣和硅酸鈣，占整個礦物的80%。當溫度低時，兩種礦物的氫化產(chǎn)物主要是水和硅酸。一定量的氫氧化鈣和少量的碳酸鈣具有良好的機械性能。如果溫度超過110℃，水泥漿水化反應會加快，強度將暫時升高，但硅酸將鈣和硅酸三鈣反應而形成的氫化硅酸鈣在高溫下不穩(wěn)定，氫化產(chǎn)物強度低，固體晶體破壞水泥砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使水泥漿在高溫下的強度急劇下降。特別是深井，深井的恒溫一般超過110℃，在這個溫度條件下，純水泥漿的強度會下降，在水泥中加入一定量的硅，可以有效地抑制水泥的高溫強度下降，水泥漿的強度會下降。掉落的問題可以降低水泥中的石灰和硅石的灰漿的對比，改善水泥漿的強度，因此在水泥中加入一定量的硅粉，將水泥石的C/S摩爾比降低到1.0左右，水泥砂漿在110℃下氫化轉(zhuǎn)換成硅酸鈣，形成堅硬的硅石（C5HS6H5），可以維持水泥砂漿的高強度和低滲透性。

（2）油井水泥填充劑

油井水泥填料的作用是提高水泥漿的穩(wěn)定性，油井水泥填料cea-1是固體上的非定型顆粒，主要成分是硅石，在超高溫水泥中加入cea-1，通過顆粒大小分布效果提高超高溫水泥漿的穩(wěn)定性，另一方面，不同粒子大小的石英粒子和高溫強度穩(wěn)定劑的組合提高了水泥顆粒連接效果的強度，在高溫條件下進一步加強了水泥漿強度。

（3）高分子懸浮劑

泥漿在超高溫下的穩(wěn)定性是泥漿的重要性能指標，在高溫環(huán)境下，水泥漿容易形成層狀，在正常密度和高密度水泥中，硅、水泥等高密度固體顆粒被釋放，上層泥水密度降低，水泥含量減少，難以加固，對水泥漿的強度發(fā)展和固定質(zhì)量非常不利，提高泥漿穩(wěn)定性的方法是在泥漿中添加填料等固體顆粒材料，通過顆粒的效果提高體顆粒的體積密度，提高泥漿穩(wěn)定性，添加高分子懸浮劑提高泥漿液體的粘度。

2.1.2 隔離液設計

為了提高本研究開發(fā)的超高溫水泥漿系統(tǒng)的現(xiàn)場適用性，開發(fā)了用于解決超高溫泥漿污染問題的分離液系統(tǒng)。該分離液系統(tǒng)使用高分子分離劑O-SP，將分離液的液體粘度有效提高，防止了污染，調(diào)節(jié)分離液密度，滿足壓力穩(wěn)定和地層壓力平衡需求，為了滿足需求，可根據(jù)污染試驗在隔離液中添加2～3%的油井水泥凝結(jié)劑HT2。

2.2 超高溫水泥漿體系性能評價

2.2.1 超高溫常規(guī)密度水泥漿

因此，對超高溫泥漿的配合和性能進行了測定。測試用的超高溫一般密度的水泥配比參照表1。

表1 超高溫常規(guī)密度水泥漿配方

測試結(jié)果表明，通過調(diào)整油井水泥填料cea-1和高分子懸浮劑的容量，可以改善泥漿的穩(wěn)定性，Ca-1排水容量為5%，高分子懸浮劑添加量為0.3%時，受到高溫保護后的沉降穩(wěn)定性測試是泥漿的上下密度差可控制在0.02以內(nèi)，濃縮時間可根據(jù)使用量進行調(diào)節(jié)，增加脫水劑的使用量可減少泥漿的脫水，電阻的容量由混合條件和材料的流動性決定。

2.2.2 超高溫高密度水泥漿性能

為了維持井底和地層的壓力均衡，在開采超高壓地層時，必須使用高密度的固井液，在這種油井的固井作業(yè)中，添加的鐵礦石粉末和泥土的由于密度差太大，高密度泥漿在高溫和超高溫條件下難以保持等離子體的穩(wěn)定性。測定了超高溫高密度水泥漿的性能，利用粒子級燃料技術提高了泥中固體顆粒之間的沉積密度，大大降低了水泥漿的空間率提高高水泥漿防沉淀性能，提升高密度水泥漿的穩(wěn)定性，超高溫水泥漿系統(tǒng)中使用的高分子懸浮劑He400，可以通過調(diào)整He400的容量來提高水泥漿的穩(wěn)定性。結(jié)果見表2。

表2 超高溫高密度水泥漿實驗

3 結(jié)論

開發(fā)的超高溫固井泥漿系統(tǒng)采用高溫防降水劑HT-1，產(chǎn)品的耐溫性和耐鹽性好；開發(fā)的超高溫水泥漿系統(tǒng)將HT-2作為高溫緩沖劑，調(diào)節(jié)水泥的濃稠化時間，研究HF-2的綜合性能，該凝集劑滿足超高溫要求，適用于鹽水水泥漿系統(tǒng)，調(diào)整緩沖劑HT-2的容量，因此在60℃-200℃的條件下，可以靈活調(diào)整水泥的候凝時間，滿足固井作業(yè)的要求。