高溫地熱井水泥漿外加劑的技術研究

尹金偉

摘 要：隨著石油勘探開發(fā)的發(fā)展，高溫地熱井的開發(fā)越來越多，地熱鉆井不同于以往的油氣鉆井。這給鉆井以后的固井提出了更高的技術要求，用純水泥固井已成為過去，一代又一代的水泥外加劑被研發(fā)出來，用以改善水泥漿的性能，使之能適應高溫地熱井，以達到封隔地層，支撐套管和地層，保護儲層的目的。 高溫地熱井在固井過程中需要減少水泥漿的失水，加入降失水劑是解決水泥漿失水的重要方法。本文根據(jù)高溫地熱井的實際情況研制了低溫降失水劑A-500S、分散劑B-1S、早強劑C-1、高溫降失水劑D-100L。以期為高溫地熱井固井提供理論指導。

關鍵詞：高溫地熱井;固井;水泥漿;外加劑

1 前言

高溫地熱井固井過程中需要減少水泥漿的失水，降低水泥漿的失水可通過加入降失水劑來實現(xiàn)，降失水劑大多是一些天然或合成的有機高分子化合物，其降濾性能主要在于它們具有多官能團的線性大分子結構。在摻有降濾失劑的水泥漿中，降濾劑的有些官能團能吸附于水泥顆粒表面，而有些官能團能與水結合，使水泥顆粒形成帶有吸附水層的外殼（即溶劑化層），這種溶劑化水層在低的速度梯度下，要比自由水粘度高數(shù)萬倍乃至幾十萬倍，阻止水泥顆粒聚結，保持顆粒的大小適當分布[1-3]。此外，一般的降濾失劑對水泥的細微顆粒有高分子保護作用，它的線性分子的不同環(huán)節(jié)處可以粘著水泥顆粒，又通過這些顆粒的橋接，形成布滿整個體系的混合結構網(wǎng)，進一步阻止了顆粒的聚結，使固井水泥漿在注替過程中能保持適當?shù)亩喾稚⑿裕阋孕纬杀《旅艿臑V餅或聚合物薄膜，降低水泥漿的失水。

2 低溫降失水劑A-500S

一般水泥按0.44的水灰比配漿，凈漿的失水可達2000多ml，如果不對失水加以控制，會產(chǎn)生一系列的嚴重后果：1）注水泥階段使水泥漿密度顯著升高，流變性變差，水泥漿發(fā)生閃凝或橋堵，導致注水泥失敗;2）水泥漿濾液浸入地層形成水障或發(fā)生沉淀，引起地層損害;3）在靜止條件下，水泥漿失水發(fā)生失重引起層間竄通，使封固質(zhì)量下降，尤其長封固段固井、天然氣固井中嚴格控制水泥漿的失水，以防止水泥漿由于失重引起油、氣、水竄。控制失水能明顯提高固井質(zhì)量，已為人們所共識。

超低密度固井水泥漿體系中引入了大量的活性增強材料，通過顆粒級配本身具有內(nèi)在控制失水的能力，但不能完全滿足要求。由于超低密度水泥漿主要應用于低壓易漏地層，氣井較多，為防止氣竄發(fā)生，我們選擇了降失水劑A-500S。

A-500S降失水劑是一種高分子聚合物，在水泥漿中控制水泥漿失水，A-500S是一種高分子化合物，經(jīng)膠聯(lián)、聚合處理，可在水泥漿中控制其膠聯(lián)形態(tài)和聚合分子量，這些高分子化合物不參與水泥的水化反應，對水泥漿和水泥石沒有不良影響。A-500S在水泥水化各個狀態(tài)的物理性能如下：

1）加有A-500S的水泥漿具有良好的降失水性能，A-500S經(jīng)膠聯(lián)聚合后，在滲透層表面會形成致密的薄膜，有效的防止漏失。

2）加入了A-500S而形成高分子自身的另一種“網(wǎng)狀結構”，從而增加了自由水的流動阻力。隨著水泥水化的進行，自由水量降低，A-500S高分子濃度不斷的增大，并繼續(xù)地膠聯(lián)聚合，分子量繼續(xù)加大，高分子結構網(wǎng)進一步變密實，從而使流體流動阻力，即水泥漿自身阻力與其附加阻力之和急劇增大。

3）形成水泥石后，水泥石孔隙中留有大量的A-500S，降低了水泥石的滲透率。

下圖1說明了降失水劑摻量對水泥漿失水性能的影響。

3 分散劑B-1S

同降失水劑相配套的分散劑B-1S，是一種有機分散劑。加有B-1S的水泥漿體系中，分散劑吸附在固井材料周圍，改變材料的界面張力，減小水化膜厚度，釋放自由水，提高水泥漿的流動性，降低水泥漿黏度。水泥漿的流動度都大于22cm。

4 早強劑C-1S

低溫早強劑C-1S，是一種由有機物和無機物復合的促凝外加劑，適用于國標G級、A級等油井水泥，對水質(zhì)無特殊要求，可與水泥干混，也可配水施工。低溫早強劑C-1S，在水泥水化過程中參與水泥漿的水化過程，促進水泥凝膠的形成，提高早期強度。主要應用于表層套管固井和低溫淺井固井，可縮短水泥漿的侯凝時間，提高早起強度。摻量1%-3%（占灰量）。

5 高溫降失水劑D-100L

降失水劑D-100L，是一種高分子聚合物降失水劑，具有降低水泥漿濾失量、抗鹽等功能，可使用淡水、鹽水、高礦化度水配漿。使用降失水劑D-100L配置的水泥漿體系流動度好，與其他水泥漿外加劑聯(lián)合使用，可使水泥漿達到施工的各項要求。特別適用于鹽層固井。建議使用溫度范圍30-180 ℃;推薦摻量2%-4%（占水泥量）。

6 超低密度水泥漿綜合性能研究

超低密度水泥漿的配方由水泥、減輕材料（微珠），活性增強材料，外加劑組成，通過調(diào)整材料的加量和體系優(yōu)化，可設計出不同條件的超低密度水泥漿體系。

7 小結

綜合上述分析，選擇超低密度水泥漿的減輕材料應遵循以下三點：

（1）能降低水泥漿水固比，提高水泥漿固相量，有利于實現(xiàn)緊密堆積，保持水泥漿漿體穩(wěn)定。

（2）減輕劑應盡量選擇顆粒尺寸較小的球形材料，在摻量的允許下，密度與漿體密度相接近。

（3）減輕材料的物理化學性能對水泥漿性能有貢獻。

參考文獻：

[1]抗鹽降失水劑G33S在酒東深井固井中的應用[J]. 艾貴成，田群山，吳天師. 西部探礦工程. 2013（02）.

[2]緊密堆積理論在設計活性粉末混凝土中的應用[J]. 王謙. 混凝土. 2012（12）.

[3]大溫差水泥漿體系的研究與應用[J]. 張華，馮宇思，靳建洲，于永金，李小紅，劉碩瓊. 鉆井液與完井液. 2012（05）.