春光油田稠油熱采井抗高溫長(zhǎng)效固井水泥漿體系研究及應(yīng)用

韓婧

中國(guó)石化華北石油工程有限公司技術(shù)服務(wù)分公司（河南 鄭州 450006）

中國(guó)陸上稠油資源占原油總量的21%，海域稠 油資源占探明總量的65%，國(guó)內(nèi)稠油熱采井油層埋藏深度為幾百米至上千米不等，油層溫度為20~70℃，多數(shù)地層巖石膠結(jié)松散、地層溫度不高、壓力較低，這就要求固井水泥漿在低溫下凝結(jié)時(shí)間短，早期強(qiáng)度發(fā)展快（24 h抗壓強(qiáng)度≥14 MPa），有效防止水竄、氣竄等問題[1-2]；同時(shí)，稠油開采主要以熱力采油為主，熱力采油時(shí)蒸汽溫度通常高達(dá)300~350℃，要求固井水泥漿具備抵抗溫度交變的能力，在高溫條件下抗壓強(qiáng)度衰退≤20%，保證固井水泥環(huán)長(zhǎng)效完整性[3-4]。春光油田屬于超稠油油藏，熱力采油時(shí)蒸汽溫度高達(dá)350℃，水泥環(huán)需承受注蒸汽過程的高溫（300~350℃）和回采階段的低溫（40~50℃）溫度交變。目前，該區(qū)塊稠油熱采井采用石英砂水泥漿體系，經(jīng)2~3個(gè)輪次熱采周期后，有部分井存在管外竄流、套漏等情況發(fā)生，大大縮短了稠油熱采井的生產(chǎn)壽命，降低開采效率。

通過分析硅酸鹽水泥漿體系高溫衰退機(jī)理及水泥石高溫增強(qiáng)作用機(jī)理，優(yōu)選超高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑HSRK，設(shè)計(jì)出一種低溫綜合性能良好、高溫強(qiáng)度不衰退的G級(jí)油井水泥漿體系，解決了常規(guī)石英砂水泥漿體系高溫強(qiáng)度衰退的難題，支撐了稠油熱采井長(zhǎng)期、安全開發(fā)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用油井G級(jí)水泥，石英砂，高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑HSRK，分散劑USZ，降失水劑G33S，早強(qiáng)劑HBQ-2。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品準(zhǔn)備及基礎(chǔ)性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)配制水泥漿，并測(cè)試其流動(dòng)度、失水、稠化時(shí)間、低溫抗壓強(qiáng)度性能，水泥石低溫養(yǎng)護(hù)條件為60℃養(yǎng)護(hù)24~48 h。

1.2.2 高溫力學(xué)性能及滲透率測(cè)試

根據(jù)SY/T 6466—2016《油井水泥石性能試驗(yàn)方法》評(píng)價(jià)水泥石高溫養(yǎng)護(hù)后的力學(xué)性能；采用60℃養(yǎng)護(hù)48 h后的水泥石置于高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜中進(jìn)行高溫養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度分別為180、250、300℃，養(yǎng)護(hù)壓力21 MPa，保溫7 d；達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，進(jìn)行三軸力學(xué)性能及滲透率、孔隙度測(cè)試。

1.2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

利用掃描電鏡觀察不同配方水泥漿經(jīng)過相同養(yǎng)護(hù)齡期下的水泥石水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 石英砂水泥漿高溫強(qiáng)度衰退機(jī)理分析

2.1.1 石英砂水泥漿高溫強(qiáng)度性能變化

通過測(cè)試石英砂不同加量條件下水泥漿體系在低溫、高溫養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度及滲透率變化，探索石英砂水泥漿高溫強(qiáng)度性能變化規(guī)律，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 G級(jí)油井水泥加石英砂水泥漿體系高溫性能變化

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，石英砂水泥漿體系在180℃養(yǎng)護(hù)7 d后，抗壓強(qiáng)度明顯衰退，滲透率顯著增大；經(jīng)過250℃養(yǎng)護(hù)7 d后，抗壓強(qiáng)度衰退更加顯著，且滲透率進(jìn)一步增大。石英砂水泥漿體系的抗溫能力難以滿足稠油熱采井的開采需求。

2.1.2 石英砂水泥漿高溫強(qiáng)度衰退機(jī)理

加砂水泥漿體系主要是通過改善硅鈣比。水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣、水化硅酸鈣等與石英砂反應(yīng)后含量極大降低，提高水泥石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；細(xì)纖維狀雪硅鈣石相互穿插形成致密的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高水泥石致密性及抗壓強(qiáng)度；部分雪硅鈣石轉(zhuǎn)變?yōu)橛补桠}石，晶體變粗，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致加砂水泥石在一定程度上也會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度衰退[5-6]。加入石英砂可以獲得高溫下改善水泥石強(qiáng)度的水化產(chǎn)物C5S6H5，但C5S6H5的最高穩(wěn)定溫度約為150℃，超過此溫度將轉(zhuǎn)變?yōu)镃6S6H，所形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)粗大，力學(xué)強(qiáng)度下降，比形成針狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的C5S6H5水泥石強(qiáng)度低，養(yǎng)護(hù)溫度超過200℃水泥石抗壓強(qiáng)度衰退明顯。

2.1.3 油井水泥石高溫增強(qiáng)機(jī)理

凈漿水泥石高溫強(qiáng)度衰退是由于單硫型水化硫鋁酸鈣（板狀或片狀）高溫轉(zhuǎn)變?yōu)殁}礬石時(shí)，因結(jié)構(gòu)水增加、體積膨脹，導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)破壞而強(qiáng)度下降；其次水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2是層狀結(jié)構(gòu)，其層間較弱的聯(lián)結(jié)，可能引起水泥石受力的應(yīng)力集中，導(dǎo)致高溫水泥石開裂[7]。加入石英砂后，在溫度高于200℃后，強(qiáng)度仍然衰退顯著。

基于凈漿水泥石及加砂水泥石高溫強(qiáng)度衰退機(jī)理，通過優(yōu)選超高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑HSRK，調(diào)節(jié)硅鈣比，降低Ca(OH)2、水化硅酸鈣的含量，提高高溫下水泥石骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 抗高溫長(zhǎng)效水泥漿體系

2.2.1 高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑HSRK對(duì)水泥石高溫強(qiáng)度的影響

以高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑HSRK作為抗高溫長(zhǎng)效水泥漿的外摻料，與G級(jí)油井水泥按一定比例制備常規(guī)密度水泥漿體系配方，基礎(chǔ)配方如下：天山G級(jí)水泥+（40~80）%HSRK+46%水。密度為1.80~1.85 g/cm3。以春光油田稠油熱采井井底靜止溫度60℃為低溫養(yǎng)護(hù)條件，以蒸汽吞吐溫度300℃為超高溫養(yǎng)護(hù)條件。

1）水泥石低溫力學(xué)性能。采用上述水泥漿配方，分別測(cè)試高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑HSRK不同加量條件下對(duì)水泥石低溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能的影響，結(jié)果見表2。

表2 HSRK不同加量對(duì)水泥石力學(xué)性能的影響

綜合表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑HSRK的加量增大，水泥石低溫抗壓強(qiáng)度和高溫抗壓強(qiáng)度略有增大，同時(shí)高溫養(yǎng)護(hù)后水泥石的彈性模量相應(yīng)變大，但3種加量下水泥石彈性模量均相對(duì)較?。浑S著HSRK加量增加，水泥石的滲透率和孔隙度呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)。綜合考慮，優(yōu)選HSRK加量為G級(jí)油井水泥的80%。

2）水泥石微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比。分別對(duì)40%石英砂摻量的石英砂水泥石與80%HSRK摻量的抗高溫水泥石進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比，養(yǎng)護(hù)條件為60℃養(yǎng)護(hù)3 d，再300℃×21 MPa養(yǎng)護(hù)7 d，SEM分析如圖1所示。

圖1 水泥石的SEM圖

由兩者的SEM圖可見，經(jīng)過300℃高溫養(yǎng)護(hù)后，石英砂水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)粉化現(xiàn)象。由此可見，石英砂水泥石在超高溫條件下，水泥石中C-S-H水化產(chǎn)物變得粗大且結(jié)構(gòu)疏松，其形態(tài)由鏈狀最終轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，破壞了水泥石的結(jié)構(gòu)完整性，從而降低其抗壓強(qiáng)度。由高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑HSRK制備的抗高溫水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，說明該高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑在高溫條件下發(fā)生相關(guān)反應(yīng)，降低水泥石中Ca(OH)2、水化硅酸鈣的含量，生成結(jié)構(gòu)與性能穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體，保證水泥石高溫條件下的抗壓強(qiáng)度。

2.2.2 抗高溫長(zhǎng)效水泥漿體系綜合性能

結(jié)合稠油熱采井固井施工需求，對(duì)抗高溫長(zhǎng)效水泥漿基礎(chǔ)配方“天山G級(jí)水泥+80%HSRK+46%水”開展綜合性能優(yōu)化。

1）常規(guī)綜合性能。通過優(yōu)選油井水泥外加劑，優(yōu)化調(diào)整水泥漿體系的失水性能、流變性能、早期強(qiáng)度發(fā)展、稠化時(shí)間等性能指標(biāo)，形成水泥漿配方：100%天山G級(jí)水泥+80%HSRK+1.5%G33S+1%USZ+1.5%HBQ-2+46%水，實(shí)驗(yàn)條件為60℃×20 MPa，其常規(guī)綜合性能見表3。

表3 抗高溫長(zhǎng)效水泥漿常規(guī)綜合性能

2）水泥石高溫長(zhǎng)期強(qiáng)度變化。采用抗高溫長(zhǎng)效水泥漿體系配方進(jìn)行不同溫度不同時(shí)間的高溫增壓養(yǎng)護(hù)，評(píng)價(jià)其高溫條件下長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度變化，強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表4。

由表4可知，通過在水泥漿體系中摻入適量的高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑HSRK，水泥石在低溫條件下具有較好的早期強(qiáng)度，在溫度180℃時(shí)的強(qiáng)度較低溫條件下的強(qiáng)度有所降低，當(dāng)溫度高于180℃后，水泥石強(qiáng)度逐漸變大；同時(shí)，在同一個(gè)溫度條件下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，水泥石的抗壓強(qiáng)度未出現(xiàn)明顯衰退現(xiàn)象；該水泥漿體系可較好地適應(yīng)稠油熱采井高溫蒸汽吞吐開采過程，且長(zhǎng)期高溫條件下強(qiáng)度未衰退，有效保障水泥環(huán)的長(zhǎng)期密封性。

表4 不同溫度條件下長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)

3）不同溫度條件下水泥石力學(xué)性能變化。采用抗高溫長(zhǎng)效水泥漿體系配方分別以井底靜止溫度60℃及蒸汽吞吐溫度300℃進(jìn)行水泥石力學(xué)性能評(píng)價(jià)，分析其經(jīng)高溫條件養(yǎng)護(hù)后，水泥石力學(xué)性能變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。該水泥石經(jīng)過300℃高溫養(yǎng)護(hù)7 d后，抗壓強(qiáng)度未見衰退，滲透率及孔隙度略有增大，但相比常規(guī)石英砂水泥漿體系，滲透率和孔隙度增加幅度較小。

表5 不同溫度條件下水泥石性能變化

由圖2水泥石應(yīng)力-應(yīng)變曲線可見，水泥石有明顯的彈性變形，水泥石彈性模量3.77 GPa，能有效抑制交變內(nèi)應(yīng)力、交變溫度造成的界面環(huán)隙。

圖2 抗高溫長(zhǎng)效水泥石300℃×7 d后應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

抗高溫長(zhǎng)效固井水泥漿體系在春光油田春10Ⅱ2-*-7HJ稠油熱采井Φ177.8 mm生產(chǎn)套管固井中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。該井是一口蒸汽驅(qū)開發(fā)井，井深1 262 m，尾漿封固段為900~1 170 m，井底循環(huán)溫度55℃。

3.1 水泥漿性能情況

該井領(lǐng)漿采用石英砂水泥漿體系，尾漿采用抗高溫長(zhǎng)效固井水泥漿體系，水泥漿配方為100%天山G級(jí)水泥+80%HSRK+1.5%G33S+1%USZ+1.5%HBQ-2+46%水。實(shí)驗(yàn)溫度55℃，水泥漿密度1.80 g/cm3，流動(dòng)度212 mm，失水32 mL，沉降穩(wěn)定性0.01 g/cm3，游離液0 mL，稠化時(shí)間（40~70 Bc）120~138 min，抗壓強(qiáng)度（60℃×48 h）22.7 MPa。

3.2 施工過程及生產(chǎn)效果

1）注水泥漿和替漿碰壓過程。水泥車注沖洗液12.0 m3；注導(dǎo)漿5.0 m3，最高密度1.53 g/cm3，最低密度1.48 g/cm3，平均密度1.50 g/cm3；注領(lǐng)漿33.6 m3，最高密度1.58 g/cm3，最低密度1.52 g/cm3，平均密度1.55 g/cm3；注尾漿8.2 m3，最高密度1.82 g/cm3，最低密度1.79 g/cm3，平均密度1.80 g/cm3；水泥車用清水壓膠塞2.0 m3后,采用泥漿泵頂替泥漿19.0 m3，水泥車小排量頂替清水2.4 m3，碰壓至23.0 MPa，穩(wěn)壓10 min，觀察壓力穩(wěn)定情況；碰壓完后放回壓，放回壓至8.0 MPa。

2）固井質(zhì)量及生產(chǎn)效果。春10Ⅱ2-*-7HJ井施工過程中水泥漿流動(dòng)性良好，施工順利。固井測(cè)井質(zhì)量表明：一、二界面合格率100%，固井質(zhì)量滿足后續(xù)開發(fā)需求。該井經(jīng)7個(gè)周期的注汽生產(chǎn)，累計(jì)生產(chǎn)263 d，總產(chǎn)油量1 006 t，生產(chǎn)狀況良好，未出現(xiàn)管外竄等異常情況。

4 結(jié)論與建議

1）稠油熱采井常用石英砂水泥漿體系經(jīng)180℃以上的高溫條件養(yǎng)護(hù)后水泥石抗壓強(qiáng)度顯著衰退，滲透率明顯增大，表明，石英砂水泥漿體系適用的溫度上限，對(duì)揭示春光油田稠油熱采井管外竄現(xiàn)象提供指導(dǎo)。

2）通過優(yōu)選高溫強(qiáng)度穩(wěn)定劑HSRK，改善了硅酸鹽水泥石高溫強(qiáng)度衰退問題，保證了低溫條件下水泥石早期強(qiáng)度，提高了水泥石高溫養(yǎng)護(hù)后的抗壓強(qiáng)度。

3）設(shè)計(jì)出的抗高溫長(zhǎng)效水泥漿體系失水量小，稠化時(shí)間可調(diào)，水泥石早期強(qiáng)度發(fā)展快，經(jīng)300℃高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)7~28 d，抗壓強(qiáng)度未見明顯衰退，且水泥石滲透率、孔隙度增幅較小。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，滿足稠油熱采井多輪次蒸汽開采的應(yīng)用需求，為稠油熱采井固井水泥環(huán)長(zhǎng)效密封提供技術(shù)支撐。