抗循環溫度210 ℃超高溫固井水泥漿

于永金 ，丁志偉 ，張弛 ，張華 ，郭錦棠

（1.天津大學化工學院，天津 300350；2.中國石油集團工程技術研究院有限公司，北京 102206）

隨著鉆井技術進步及油田勘探開發的不斷深入，井底溫度超過200 ℃的高溫深井、超深井逐漸增多，高溫、超高溫下對水泥漿性能提出了更高的要求[1-6]。針對高溫深井固井方面的難點主要體現在：①高溫、超高溫下水泥漿失水量變大，甚至不可控，存在施工安全風險；②高溫、超高溫下水泥漿沉降穩定性差，停泵過程中固相易沉降導致安全隱患；③水泥漿稠化時間難以調節；④高溫、超高溫深井一般為尾管小間隙固井，對水泥漿流變性能要求高。針對高溫、超高溫固井技術難題，在前期抗高溫固井水泥漿研究的基礎上，通過進一步優化緩凝劑聚合單體及分子量、分子量分布等新開發了滿足210 ℃下使用的緩凝劑，以保證固井施工安全，同時配套開發出了超高溫水泥漿穩定劑；針對水泥石高溫強度衰退問題開發了防強度衰退材料，通過外加劑材料與外摻料體系集成，形成了滿足井底循環溫度210 ℃、井底靜止溫度230 ℃以上的超高溫固井常規密度水泥漿體系，可滿足現有高溫固井要求，同時為未來更高溫度固井提供了技術儲備。

1 超高溫水泥漿體系設計思路及配套外加劑開發

1.1 設計思路

超高溫水泥漿體系主要技術難點是解決高溫及超高溫下水泥漿稠化時間能夠滿足施工安全的要求、水泥漿失水量可控制在較低范圍內、沉降穩定性滿足設計要求等3個方面的問題，因此，超高溫水泥漿體系的設計關鍵在于開發適用于高溫及超高溫下的降失水劑、緩凝劑及穩定劑，使水泥漿稠化時間易調、失水量可控、沉降穩定性好、水泥石早期強度發展快，且外加劑對水泥石強度發展無不良影響，并且在超高溫下水泥石長期抗壓強度不衰退。基于以上思路，通過大量實驗研究，開發出了滿足循環溫度210 ℃的降失水劑DRF-1S、緩凝劑DRH-2L、穩定劑DRK-3L、防衰退劑DRB-3S等。

1.2 配套外加劑開發

1.2.1 降失水劑DRF-1S

降失水劑DRF-1S是通過水溶液自由基聚合反應制備的一種多元共聚物。其分子主鏈上引入了磺酸基團、酰胺基、鏈剛性基團等，磺酸基具有良好的熱穩定性和耐鹽性能，同時具有很強的水化能力，這使得制備的共聚物降失水劑具有良好的抗高溫、抗鹽能力；酰胺基團具有較強的吸附能力及較強的水化作用；鏈剛性基團單體使得降失水劑分子鏈在高溫下的熱運動變慢，同時也提高了分子鏈的抗溫能力；通過優化聚合工藝，得到具有最佳的分子量和分子量分布的降失水劑分子，從而使降失水劑的性能達到最佳。通過調整降失水劑DRF-1S的加量均能夠使淡水水泥漿及含鹽水泥漿的API失水量控制在100 mL以內。降失水劑DRF-1S適用溫度范圍為40～210 ℃。

1.2.2 抗高溫緩凝劑DRH-2L

緩凝劑DRH-2L是通過水溶液自由基聚合反應制備的一種五元共聚物。其分子主鏈上引入了磺酸基團、雙羧基、鏈剛性基團、陽離子基團等，這些基團賦予緩凝劑分子鏈優異的抗高溫及緩凝性能，通過優化聚合工藝，優化分子量和分子量分布，從而使緩凝劑的性能達到最佳。緩凝劑DRH-2L適用最高溫度可以達到210 ℃。

1.2.3 高溫穩定劑DRK-3L

高溫穩定劑DRK-3L是通過水溶液自由基聚合反應制備的一種多元共聚物。其分子主鏈上引入了磺酸基團、雙羧基、酰胺基、環狀剛性基團等，這些基團賦予高溫穩定劑分子鏈優異的高溫穩定性能，通過優化聚合工藝，得到具有最佳分子量和分子量分布的高溫穩定劑分子，從而使高溫穩定劑的性能達到最佳。合成聚合物高溫穩定劑DRK-3L配合黏土礦物類高溫懸浮劑DRY-S2，可使常規密度水泥漿在210 ℃下的上下密度差低于0.05 g/cm3。

1.2.4 防超高溫水泥石強度衰退材料DRB-3S

通過大量室內實驗，優選出了含鋁、鎂等元素的硅酸鹽與磷酸鹽類材料，通過配比優化定型而制成防強度衰退材料 DRB-3S，其與水泥水化析出的氫氧化鈣反應生成具有凝膠性質的水化產物，且后期強度不斷增強，防止超高溫下水泥石抗壓強度衰退。

2 實驗部分

2.1 實驗材料和主要設備

主要材料：山東勝濰G級油井水泥、石英砂、微硅、 降失水劑 DRF-1S、 緩凝劑 DRH-2L、 穩定劑DRK-3L、 高溫懸浮劑 DRY-S2、 分散劑 DRS-1S、高溫增強材料DRB-2S、增韌劑DRN-1S。

主要設備：高溫高壓失水儀，沈陽泰格石油儀器設備制造有限公司；Chandler Model 8040D10 雙缸高溫高壓稠化儀，美國Chandler公司；Chandler Model 7375高溫高壓養護釜，美國Chandler公司；Chandler Model 4207水泥石抗壓強度試驗機，美國Chandler公司。

2.2 性能測試方法

水泥漿制備及性能測試按照API標準進行。

3 高溫水泥漿體系性能評價

3.1 水泥漿抗高溫性能評價

3.1.1 高溫沉降穩定性

高溫、超高溫下水泥漿沉降穩定性是保證固井施工安全的重要指標之一，若高溫下水泥漿沉降穩定性差，易導致水泥漿中固相沉降快，固井施工過程中停泵易出現憋泵問題，造成安全隱患。對循環溫度160～210 ℃溫度范圍內的水泥漿沉降穩定性進行了評價[7-11]，見表1。水泥漿配方如下。

配方A 山東勝濰G級水泥+25%石英砂+15%高溫增強材料DRB-2S+5%微硅+2%降失水劑DRF-1S+6%緩凝劑DRH-2L+0.5%分散劑DRS-1S+1.5%高溫懸浮劑DRY-S2+水，密度為1.88 g/cm3

配方B 山東勝濰G級水泥+25%石英砂+15%DRB-2S+5%微硅+2%DRF-1S+6%DRH-2L+0.5% DRS-1S+1.5%DRY-S2+4%穩定劑DRK-3L+水，密度為1.88 g/cm3

表1 不同水泥漿配方在160～210 ℃下的沉降穩定性

從表1可以看出，在循環溫度160～210 ℃溫度范圍內水泥漿具有良好的高溫穩定性，當溫度在160～180 ℃時通過高溫懸浮穩定劑DRY-S2可控制水泥漿上下密度差不高于0.03 g/cm3, 當溫度在190～210 ℃時通過高溫懸浮穩定劑DRY-S2配合高溫穩定劑DRK-3L可控制水泥漿上下密度差不高于0.04 g/cm3。

3.1.2 高溫失水性能

表2為在降失水劑DRF-1S不同加量下，水泥漿失水量隨實驗溫度變化的情況。水泥漿配方如下。

山東勝濰G級水泥+25%石英砂+15%DRB-2S+5%微硅+X%DRF-1S+ 6%DRH-2L+0.5%DRS-1S+1.5%DRY-S2+Y%DRK-3L+水，密度為1.88 g/cm3

表2 160～210 ℃下不同外加劑加量對水泥漿失水量的影響

從表2可以看出，水泥漿的失水量隨實驗溫度的升高逐漸增大，通過增大DRF-1S的加量可以降低高溫下水泥漿的失水量；當DRF-1S加量為2%時，在210 ℃下，水泥漿的API失水量可以控制在100 mL以內，證明了降失水劑DRF-1S具有良好的抗高溫性能。

3.1.3 高溫稠化性能

表3考察了在緩凝劑DRH-2L不同加量下水泥漿稠化時間隨實驗溫度變化的情況。水泥漿配方為：山東勝濰G級水泥+25%石英砂+5%微硅+15%DRB-2S+2%DRF-1S+X%DRH-2L+0.5%DRS-1S+1.5%DRY-S2+4%DRK-3L+水， 密度為1.88 g/cm3

表3 160～210 ℃下不同緩凝劑加量對水泥漿稠化時間的影響

從表3可以看出，水泥漿稠化時間在160～210 ℃范圍內可調，在210 ℃下，水泥漿的稠化時間可達到300 min以上，證明了緩凝劑DRH-2L具有良好的抗高溫性能，水泥漿高溫稠化曲線見圖1。

圖1 水泥漿在200 ℃及210 ℃超高溫下的稠化曲線

3.2 水泥石力學性能評價及微觀結構測試

3.2.1 水泥石高溫力學性能評價

高溫及超高溫下水泥石長期強度易衰退，為了提高水泥石的高溫強度穩定性，水泥漿體系中除摻入常規石英砂以外，還摻入高溫增強材料DRB-2S及防衰退材料DRB-3S，其高溫下與水泥水化產物發生反應，生成高溫下有膠結能力的晶相，減少甚至消除無膠結相，提高了水泥石的高溫穩定性；同時，在高溫下水泥石脆性大，采用增韌劑DRN-1S實現對高溫水泥石降脆增韌改造，增韌劑DRN-1S中的無機晶須類材料可增強水泥石韌性[12-15]。實驗水泥漿配方如下。

配方C G級水泥+30%石英砂+20%DRB-2S+2%DRF-1S+6%DRH-2L+0.5%DRS-1S+1.5%DRY-S2+4%DRK-3L+3%增韌劑DRN-1S+水，密度為1.88 g/cm3

配方D 配方C+10%防衰退材料DRB-3S，密度為1.88 g/cm3

在230 ℃和250 ℃下對配方C和配方D水泥石高溫力學性能進行了評價，結果見表4和圖2。從表4可以看出，水泥漿配方C通過采用石英砂配合高溫增強材料DRB-2S，水泥石7 d抗壓強度可以達到30 MPa以上，但28 d抗壓強度大幅衰減，230 ℃下28 d抗壓強度衰退率為48.7%，250 ℃下28 d抗壓強度衰退率為58.0%；水泥漿配方D在配方C的基礎上添加10%防衰退材料DRB-3S后，在230 ℃和250 ℃超高溫條件下，水泥石7 d抗壓強度均能達到45 MPa以上，且28 d抗壓強度均未出現衰退問題。

表4 超高溫水泥漿在不同養護溫度下的水泥石抗壓強度

圖2 不同配方水泥石在230 ℃下養護28 d照片

從圖2可以看出，水泥漿配方D在230 ℃下養護28 d后，壓碎后的水泥石內部結構較配方C壓碎后的水泥石內部結構更加致密。

3.2.2 高溫水泥石微觀結構測試

對配方C及配方D水泥石在230 ℃下養護28 d后內部微觀結構進行了掃描電鏡測試，見圖3。通過掃描電鏡圖片可以看出，配方C高溫養護后水泥石的內部結構較為疏松，配方D水泥石的內部結構致密，結合水泥石抗壓強度數據及掃描電鏡結果，可以證實防衰退材料DRB-3S可以保持高溫下水泥石內部結構致密性，防止水泥石發生高溫強度衰退。

圖3 230 ℃下配方C與配方D水泥石養護28 d電鏡照片

3.3 水泥漿綜合性能評價

表5為160～210 ℃范圍內水泥漿綜合性能，水泥漿配方如下。

0#山東勝濰G級油井水泥+30%石英砂+20%DRB-2S+2%DRF-1S+1.5%DRY-S2+0.5%DRS-1S+3%DRN-1S+0.2%消泡劑DRX-1L+水

1#0#+3.0%緩凝劑DRH-2L

2#0#+3.5%DRH-2L

3#0#+4.0%DRH-2L

4#0#+5.0%DRH-2L+4.0%穩定劑DRK-3L

5#0#+6.0%DRH-2L+4.0%DRK-3L+10% 防 衰退材料DRB-3S

6#0#+7.0%DRH-2L+4.0%DRK-3L+10%DRB-3S

表5 超高溫水泥漿體系在160～210 ℃下綜合性能評價

從表5可以看出，超高溫水泥漿綜合性能良好，API失水量可以控制在100 mL以內；水泥漿稠化時間可以滿足施工要求；過渡時間短，呈“直角”稠化，高溫及超高溫條件下2 d抗壓強度均高于40 MPa，滿足固井施工要求。

4 水泥漿體系現場應用

該超高溫水泥漿體系在華北油田高溫深探井安探4X井進行了應用。安探4X井四開采用φ152.4 mm鉆頭鉆至井深6455 m，在4620～5950 m井段下入φ127 mm尾管，鉆井液密度為1.15 g/cm3。該井具有以下固井難點：①井深、溫度高，井深5950 m靜止溫度為190 ℃，稠化實驗溫度取165 ℃，高溫對水泥漿穩定性及水泥石長期強度影響大；②環空間隙小，水泥環薄，對固井頂替效率及水泥石力學性能要求高；③潛山層位較窄的環空間隙易造成環空憋堵，有可能造成漏失；④水泥漿與鉆井液抗污染性能要求高；⑤套管下深5950 m，距井底有505 m口袋，水泥漿沉降易造成封固段下部固井質量差。采用該超高溫水泥漿體系，該井固井施工過程順利，未發生漏失，固井質量優質。

5 結論

1.以降失水劑DRF-1S及緩凝劑DRH-2L為主劑的常規密度水泥漿體系滿足井底循環溫度210 ℃、井底靜止溫度230 ℃的固井需求，實現了水泥漿抗高溫能力的新突破。

2.常規密度超高溫水泥漿體系具有失水量低、過渡時間短，呈“直角”稠化、水泥石抗壓強度高等特點，綜合性能良好。

3.防衰退材料DRB-3S能夠保證250 ℃下水泥石28 d抗壓強度高于50 MPa，可以解決超高溫下水泥石抗壓強度衰退問題。

4.超高溫水泥漿體系在華北油田楊稅務地區高溫深井安探4X井φ127 mm尾管成功應用，固井質量優質，證明了該水泥漿體系能夠滿足高溫深井固井要求，應用前景廣闊。