大港潛山固井用水泥漿體系評價研究

趙殊勛，王亞楠，饒辰威，劉子帥

（1.渤海鉆探工程公司第二固井公司，天津300000；2.俄羅斯秋明國立石油天然氣大學，俄羅斯秋明州625061；3.川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安710000；4.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京100000）

近2年油價低位徘徊，大港油田為拓展勘探、增儲建產，由前期以千米橋、王官屯、埕海等為主的潛山油氣開發，轉為主攻高位潛山。但受埋深及裂縫發育等因素影響，固井需采用抗高溫、低密度、防竄性能好的水泥漿體系，以滿足固井技術需求，為大港油田增儲建產提供技術支撐。大港潛山固井主要存在以下問題：①埋藏較深，約2500～3500m。地層溫度梯度約2.7℃/100m，井底溫度80℃～125℃，對水泥漿的抗高溫性能、穩定性、失水等性能要求高；②地層壓力復雜，裂縫發育，井漏嚴重，潛山中生界、奧陶系地層惡性漏失頻發，低密度水泥漿優選困難；③封固段氣層活躍，油氣上竄速度大，其中港古1605井設計井深2573m，鉆進至2377m，發生惡性漏失，提前完鉆；港古1601井鉆進中全烴最高峰值5.5548%，后效油氣上竄高度185.09m，中途測試出水1.06m3,無油氣顯示，對固井水泥漿的防竄性能提出了挑戰。

1 水泥漿體系評價方法

針對大港潛山固井對水泥漿體系技術要求，主要針對 1.20g/cm3、1.40g/cm3、1.60g/cm3低密度水泥漿體系，1.90g/cm3常規密度水泥漿體系進行高溫穩定性試驗、API失水、稠化時間、抗壓強度、彈性模量進行試驗評價，并對SPN系數進行計算。具體試驗方法見表1。

2 主要外加劑

2.1 降失水劑

（1）降失水劑HX-12L。HX-12L是一種抗高溫降失水劑，具有控制水泥漿失水量效果好，高溫游離液低，對水泥漿稠化時間無影響，同時與其它外加劑配伍性良好等特點[1]。

（2）降失水劑DRF-3S。降失水劑DRF-3S是一種以高分子化合物為主的材料，在水泥漿中會吸附于水泥顆粒表面，相互交聯后在水泥漿體系中形成交聯網絡，在水泥漿與地層間的壓差作用下，在界面處形成致密的低滲透濾失膜，保證水泥漿體系的低失水[2]。

（3）降失水劑G33S。G33S是一種性能良好的固態高溫抗鹽降失水劑，它具有很強的熱穩定性、抗鹽性能以及配伍性。適用于含鹽量5%～37%的水泥漿，在施工中能起到高效降失水性能；同時可在二界面形成水泥顆粒填充的薄濾餅，更能有效改善膠結質量[3]。

2.2 緩凝劑

（1）緩凝劑HX-36L。緩凝劑HX-36L具有良好的緩凝作用，且加量與稠化時間具有良好的線性關系，對水泥石的早期強度發展影響較小[1]。

（2）緩凝劑GH-9。高溫緩凝劑GH-9是一種綜合性能比較好的中深井緩凝劑,能夠滿足固井施工的要求:緩凝效果明顯，稠化時間隨其加量按比例延長，并且現場已于控制，應用范圍廣[4]。

（3）緩凝劑DRH-1L。緩凝劑DRH-1L的主要成分為有機磷酸鹽，具有加量低、線性關系好、不破壞水泥石強度等優點，可用于淡水及鹽水水泥漿中，最高使用溫度為130℃[5]。

表1 水泥漿評價方法

（4）緩凝劑HN-1。緩凝劑HN-1可抗溫150℃，其具有良好的緩凝性能，水泥漿稠化時間隨HN-1加量增加而延長，接近直角稠化。同時緩凝劑HN-1對水泥漿的分散效果明顯，改善了水泥漿流變性，并與其它外加劑具有良好的配伍性，抗鹽效果較好，對水泥石抗壓強度影響較小[6]。

2.3 其它外加劑

（1）防竄劑FLOK-2。防竄劑FLOK-2可在水泥漿內能夠充分溶解，并構建空間網架結構，提高水泥漿基體對地層流體的抗竄能力[1]。

（2）增強材料DRB-1S。增強材料DRB-1S由多種具有活性的超細材料構成，這些微粒可以堵塞水泥顆粒間的空隙，減少水泥基質的滲透率；另一個特性，其具有很大的比表面積，具有較高的凝硬活性，并能與水泥水化形成的Ca(OH)2反應，從而進一步減少水泥基質的滲透率并提高滲透率[2]。

（3）乳膠粉DRT-1S。乳膠粉DRT-1S是一種密度為1.70g/cm3的可再分散聚合物粉末，在與水混合后，可以恢復到其原始乳液狀態，具有極突出的粘結強度，水溶性與再分散性強。在水泥漿中，隨著水化反應的進行，水化產物增多，乳膠粉DRT-100S逐漸聚集在毛細孔中，并在凝膠體表面和未水化的水泥顆粒上形成緊密堆積層，減少了微裂縫的產生[7]。

（4）膨脹劑G401。膨脹劑G401主要依靠水泥水化產物晶體膨脹，能補償因水泥漿（石）收縮，并產生體積微膨脹，有利于防竄，壓縮水泥石孔隙并改善孔分布，達到提高強度和降低滲透率的目的，在受限狀態下產品預應力，提高水泥環的膠結強度，有利于防止水泥石及套管的腐蝕，控制環流[8]。

（5）增韌材料DRE-3S。DRE-3S是一種具有火山灰活性、低彈性模量的膨脹增韌材料。DRE-3S與水泥水化產物反應可以生成具有阻裂增韌作用的纖維狀晶格膨脹效應的物質，提高水泥石韌性。另一方面由于DRE-3S自身的低彈性模量特征，可以有效降低水泥石彈性模量，實現阻裂增韌和低彈性模量雙重韌性改造[9]。

3 1.20g/cm3超低密度水泥漿體系評價

優選并評價1.20g/cm3超低密度水泥漿體系2套，分別為超低密度防竄水泥漿體系、超低密度高強韌性水泥漿體系。

超低密度防竄水泥漿體系主要采用防竄劑FLOK-2、降濾失劑HX-12L以及緩凝劑HX-36L為主劑，配套減輕劑LWA-3和微硅調節密度和穩定性。配方為華銀G級水泥+8%微硅+30%減輕劑LWA-3+12%防竄劑FLOK-2+6%降濾失劑HX-12L+4.4%油井水泥用減阻劑FS-13L+100%水+%緩凝劑HX-36L。

超低密度高強韌性水泥漿體系主要采用增強材料DRB-1S和早強劑DRA-1S對水泥石空隙進行填充和提高水泥石抗壓強度，通過乳膠粉DRT-1S提高水泥漿防竄性能，同時有利于降低水泥石彈性模量。配方為華銀G級水泥+82%增強材料DRB-1S+129%漂珠+4%乳膠粉DRT-1S+6%降失水劑DRF-3S+1.5%分散劑DRS-1S+早強劑DRA-1S+192%水。 實驗結果見表2。

表2 超低密度水泥漿實驗結果

通過表2實驗結果可以看出，超低密度防竄水泥漿體系具有良好稠化時間可調，早期強度高過渡時間短等特點，同時在靜止溫度條件下的水泥漿穩定性好和較低的失水性能。超低密度高強韌性水泥漿體系高溫穩定性好，失水量低、稠化時間可調，過渡時間短（見圖1），同時具有較高的抗壓強度和較低的彈性模量，滿足大港潛山固井水泥漿需要。

圖1 超低密度高強韌性水泥漿體系稠化曲線

4 1.40g/cm3低密度水泥漿體系評價

優選并評價1.40g/cm3低密度水泥漿體系2套，分別為低密度膨脹水泥漿體系、低密度高強防竄水泥漿體系。

低密度膨脹水泥漿體系主要采用膨脹劑YXPZ-1、配套減輕劑BYJ-1、降失水劑JS-2以及緩凝劑HN-1，可調節水泥漿密度，控制水泥漿失水和稠化時間。配方為華銀G+2%降失水劑JS-2+3%膨脹劑YX?PZ-1+29%減輕劑BYJ-1+0.5%分散劑GF-1+10%微硅+緩凝劑HN-1+102%水。

低密度高強防竄水泥漿體系優選馬鞍山空心玻璃微珠，以提高水泥漿高溫穩定性和早期強度，同時優選乳膠粉DRT-1L，增強水泥漿防竄能力。配方為華銀G級+10%增強材料DRB-1S+22%玻璃微珠+4%增韌材料DRE-3S+2%乳膠粉DRT-1S+2.5%降失水劑DRF-3S+緩凝劑DRH-1L+0.5%分散劑DRS-1S+80%水。

實驗結果見表3。

通過表3實驗結果可以看出，低密度膨脹水泥漿體系穩定，失水量低、強度發展快，稠化時間可調，過渡時間短（見圖2），具有較強的防竄能力。低密度高強防竄水泥漿體系具有稠化時間可調，過渡時間短，同時抗壓強度高、彈性模量低等特點。

5 1.60g/cm3低密度水泥漿體系評價

優選并評價1套1.60g/cm3低密度高強增韌水泥漿體系。

高強增韌水泥漿體系主要在1.20g/cm3的超低密度高強韌性水泥漿體系進行了優化，對漂珠的加量進行了調整，增加了增韌材料DRE-3S，在提高強度的同時降低水泥石彈性模量。配方為華銀G級+15%增強材料DRB-1S+15%漂珠+4%增韌材料DRE-3S+2%乳膠粉DRT-1S+3.5%降失水劑DRF-3S+0.5%分散劑DRS-1S+1%早強劑DRA-1S+緩凝劑DRH-1L+66%水。

實驗結果見表4。

通過表4實驗結果可以看出，高強增韌水泥漿體系24h抗壓強度高，彈性模量低，同時稠化時間可調，過渡時間短（見圖3），失水量低，具有一定的防竄能力。

圖2 低密度膨脹水泥漿體系稠化曲線

6 1.90g/cm3常規密度水泥漿體系評價

優選并評價1.90g/cm3常規密度水泥漿體系3套，分別為膨脹水泥漿體系、高強水泥漿體系以及高強韌性防竄水泥漿體系。

膨脹水泥漿體系主要采用膨脹劑G401S為主劑，配套降失水劑G33S及緩凝劑GH-9，以提高水泥漿的膨脹率，同時控制水泥漿失水，調節稠化時間。配方為華銀G級水泥+2.5%降失水劑G33S+2.5%膨脹劑G401+緩凝劑GH-9+45%水。

高強水泥漿體系主要采用降失水劑HX-12L、緩凝劑HX-36L為主劑，可有效控制水泥漿失水量，同時調節水泥漿稠化時間。配方為華銀G級水泥+3%微硅+9.5%懸浮穩定劑FLOK-2+2.5%降失水劑HX-12L+緩凝劑HX-36L+43%水。

高強韌性防竄水泥漿體系優選超細增強材料DRB-1S和早強劑DRA-1S，可有效提高水泥石早期強度和長期強度，并可調節稠化時間；采用增韌材料DRE-3S和乳膠粉DRT-1S，可對降低水泥石彈性模量和提高水泥漿防竄性能；并配套降失水劑DRF-3S可有效控制水泥漿失水量。配方為華銀G級水泥+4%增強材料DRB-1S+6%增韌材料DRE-3S+2%乳膠粉DRT-1S+2.5%降失水劑DRF-3S+0.5%分散劑DRS-1S+早強劑DRA-1S+46%水。

表4 低密度水泥漿實驗結果

圖3 高強增韌水泥漿體系稠化曲線

實驗結果見表5。

表5 常規密度水泥漿實驗結果

通過表5實驗結果可以看出，膨脹水泥漿體系膨脹率較高，達到了0.11%，同時強度發展快，24h抗壓強度達到了28.1MPa。水泥漿稠化時間可調，過渡時間13min，具有良好的防竄性能。高強水泥漿體系具有良好的高溫穩定性，抗壓強度較高，24h抗壓強度達到31.6MPa，同時稠化時間過渡時間短，防竄性較強。高強韌性防竄水泥漿體系抗壓強度高，24h抗壓強度達到32.2MPa，彈性模量6.8GPa，失水量32mL，過渡時間8min（見圖4），具有良好的力學性能和防竄性能。

圖4 高強韌性防竄水泥漿體系稠化曲線

7 結論

（1）針對大港潛山固井對水泥漿技術要求，優選出降失水劑3種、緩凝劑4種，可以滿足對水泥漿降失水、調節稠化時間等要求；篩選其它配套外加劑5種，可滿足水泥漿防竄性能以及提高水泥石韌性的要求。

（2）針對候凝過程中的水泥漿失水、穩定性要求，提出了以靜止溫度為實驗溫度，對水泥漿候凝過程中的性能要求更嚴格。

（3）形成的超低密度、低密度、常規密度水泥漿體系8套，均具有良好的穩定性，失水量低、稠化時間可調，抗壓強度高，具有良好的防竄性能，可用于大港油田潛山固井。

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