高溫井固井過程中緩凝劑研究與應用

汪洋

摘 要：在深井長封固段固井過程中，為保障固井施工安全，需向水泥漿中加入大量緩凝劑，而含聚合物類緩凝劑的水泥漿在大溫差條件下，易出現水泥漿柱頂部水泥石強度發展緩慢或超緩凝等問題，不但影響固井質量和延長鉆井周期，而且給后期鉆完井等作業帶來風險。因此開發新型聚合物類高溫緩凝劑具有耐高溫、抗鹽能力強、耐高溫、適用溫度范圍廣等優點，且大溫差條件下水泥漿柱頂部水泥石強度發展快，適用溫差范圍為 50～120 ℃，對深井、超深井長封固段固井的發展具有重要的意義。

關鍵詞：深井長封固段固井；緩凝劑；水泥漿；適用范圍

1 實驗部分

針對深井、超深井長封固段大溫差水泥漿柱頂部強度發展緩慢的問題，通過自由基水溶液聚合方法，研制了新型聚合物類高溫緩凝劑 GWH-1，并對其性能進行了評價。結果表明：GWH-1 耐溫可達 200 ℃，抗鹽可達飽和；通過調整 GWH-1 加量，能調節水泥漿的稠化時間；經 130 ℃養護后低密度水泥漿（1.30 g/cm 3）的稠化時間為 386min，在 30℃下養護 72 h 后的抗壓強度大于 3.5 MPa ；高溫水泥漿無游離液且水泥石上下密度差小于 0.02 g/cm 3 ；水泥漿綜合性能良好，解決了長封固段大溫差固井水泥漿頂部超緩凝難題。GWH-1在油田A井等進行了應用，封固段固井質量優良。對深井長封固段提高固井質量、簡化井身結構及節約鉆井成本等具有重要意義。

2 結果與討論

2.1 GWH-1的耐溫性能。對 GWH-1 進行了 200 ℃熱處理，考察其不同加量下水泥漿在不同溫度下的稠化性能。經熱處理后的 GWH-1 在 70～200 ℃范圍內可調節水泥漿的稠化時間 ；在 130～200 ℃范圍內，緩凝劑加量并未因溫度升高而大幅度增大，且低溫下水泥漿稠化時間對 GWH-1 加量不敏感。其配方為 ：勝濰 G 級水泥 +30% 硅粉 +3%DRF-120L+5%微硅 +GWH-1+0.5%DRS-1S+DRK-3S+52%水

2.2 GWH-1的抗鹽性能

在 130 ℃下考察不同加量的 GWH-1 在不同鹽含量下，對水泥漿稠化性能的影響，結果見表 2。相同鹽含量下，鹽水水泥漿稠化時間隨GWH-1 加量的增加而延長 ；鹽含量對 GWH-1 水泥漿的稠化性能影響較小 ；含鹽量為 8% 時水泥漿稠化時間和淡水水泥漿基本一致 ；隨著鹽含量增加，水泥漿稠化時間將不同程度地延長，但無明顯縮短或超緩凝現象。這可能是鹽溶液是一種強電質，其氯離子包覆在水泥顆粒表面，部分屏蔽水和水泥顆粒的接觸，從而使水泥漿稠化時間變長。

2.3 GWH-1的調凝性能

在 120 ℃下不同密度水泥漿稠化時間與 GWH-1加量的關系見圖 2。在 GWH-1 加量為 2%時，不同密度水泥漿的稠化時間與實驗溫度關系見圖 3。

從圖 2 可知，同一溫度下，不同密度的水泥漿稠化時間隨 GWH-1 加量的增加而延長，呈良好的線性關系。從圖 3 可知，在緩凝劑加量相同條件下，水泥漿的稠化時間隨溫度升高而縮短，與溫度呈良好線性關系，說明了 GWH-1 具有良好的高溫調凝性。

2.4 GWH-1水泥漿的高溫穩定性能

通過優化聚合物分子結構，GWH-1 對水泥漿高溫穩定性影響較小。含 GWH-1 緩凝劑和緩凝劑R（一種聚合物類緩凝劑）的水泥漿，在 150 ℃下養護，BP 沉降穩定性對比結果見表 3。由表 3 可知，含 GWH-1 的水泥石上下密度差為 0.014 5 g/cm 3 ，而含緩凝劑 R 的水泥石上下密度差為 0.068 2 g/cm 3 。說明 GWH-1 的高溫分散性弱，對水泥漿高溫穩定性影響較小，滿足高溫固井對水泥漿穩定性的要求。

2.5 大溫差下GWH-1水泥石強度的發展情況水泥漿一次上返至預定位置后， GWH-1 可適用于不同密度的水泥漿體系，且在相應井底靜止溫度下養護 24 h 后，水泥石的抗壓強度均大于 14 MPa ；130 ℃低密度水泥漿在 30 ℃下養護 72 h 后，水泥石抗壓強度大于 3.5MPa ；160 ℃常規水泥漿在 30 ℃下養護 72 h 后，抗壓強度大于 7.5 MPa ；120 ℃高密度水泥漿在 30 ℃下養護 48 h 后，抗壓強度大于 3.5 MPa，且 96 h 后達到 16.8 MPa。

綜上所述，說明了 GWH-1 對水泥石強度影響較小，從宏觀上說明了聚合物緩凝劑分子結構的優越性和引入可聚合陽離子單體的必要性。GWH-1適用于密度為 1.3～2.3 g/cm 3 的水泥漿，能滿足溫差為 50～120 ℃的長封固段固井作業。

3 現場應用

GWH-1 在油田已成功應用 2 井次，分別為 HA1501 井和 A 井。下面以 A 井為例介紹其應用情況。該井為開發評價井，井底靜止溫度為 138 ℃，循環溫度為 115 ℃。設計采用密度為 1.30g/cm 3 的低密度水泥漿配合密度為 1.88 g/cm 3 的常規密度水泥漿，單級全封固井工藝，但由于下套管過程中發生井漏，被迫采用正注反擠工藝。該井固井難點是封固段長為 6 856 m、溫差大、地層易漏等。采用了以 GWH-1 為主的水泥漿，A 井固井順利，由于存在漏層，水泥漿并未返至井口，但測井結果表明水泥漿封固段固井質量優良。1.30 g/cm 3 低密度水泥漿配方（1 # ）和 1.88 g/cm 3常規密度水泥漿（2 # ）。

4 結論

通過合理分子結構設計，研制了新型高溫緩凝劑 GWH-1，其耐溫可達 200 ℃，抗鹽達飽和 ；高溫分散性弱 ；加量、溫度與水泥漿稠化時間呈良好的線性關系 ；大溫差條件下水泥石強度發展迅速 ；不同密度 GWH-1 水泥漿具有良好的綜合性能，可滿足大溫差的長封固段固井需求。HA1501 井和 A 井的現場應用結果表明，含 GWH-1 的水泥漿具有良好的高溫調凝性能，頂部強度發展快，可滿足深井超深井固井對高溫緩凝劑的需求。

參考文獻：

[1]郭錦棠，夏修建，劉碩瓊，等 . 適用于長封固段固井的新型高溫緩凝劑 HTR-300L[J]. 石油勘探與開發，2013，40（5）：611-615.