高溫大溫差低密度水泥漿體系的室內研究

劉鑫

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

隨著油氣田勘探開發的不斷深入和鉆井技術的不斷發展，鉆遇的地質結構日趨復雜，對深井超深井固井質量的要求也日益提高，使得大溫差、長封固段井固井質量越來越受到重視。目前，針對長封固段大溫差井的固井施工作業主要采用水泥漿體系設計與固井工藝相結合的方法來解決。然而，對于封固段底部循環溫度大于110℃、頂部靜止溫度小于90℃的油氣井，大部分水泥漿體系易在長封固段頂部出現緩凝甚至超緩凝現象，不僅增加了鉆井周期，還可能影響固井質量。在該類油氣井固井時，大多通過分級固井、尾管懸掛固井等特殊固井工藝技術來降低封固段上下溫度差值，減小封固段頂部水泥漿出現過緩凝的風險(如：遼河油田興古7-16)[1]，但固井工具使用時工序復雜、成本較高。因此，本文從水泥漿體系的設計入手，通過對其不同溫度區域內各項性能的改進與完善，可望縮短鉆井周期、降低運行成本并為固井質量的提高提供有益的技術支持。

高溫大溫差固井用水泥漿體系既要解決高溫下的安全泵送時間短及靜止后沉降穩定性差的難題，又要保證其在頂部低溫區域內具有凝結時間短、早期強度高的特性，這給水泥漿體系的設計帶來了嚴峻挑戰[1]。本文以強化粘度效應、懸浮結構、提高活性物質含量等理論為指導，通過對外加劑的研選和復配，設計出一套高溫大溫差低密度水泥漿體系，并對其綜合性能進行了評價。結果表明，該體系具有密度低、強度高、失水量小、流變性及高溫穩定性好、耐高溫等特性，對于提高高溫大溫差長封固段井的固井質量具有一定的指導和借鑒意義。

1 高溫大溫差低密度水泥漿的設計

高溫大溫差低密度水泥漿體系的高溫沉降穩定性和低溫區域早期強度是衡量其性能優劣的兩個重要指標[2]。以強化粘度效應、懸浮結構、增加活性物質理論為指導，提高Si/Ca比、增加懸浮顆粒，提高水泥漿體系的密實程度，可以使高溫大溫差低密度水泥漿體系的強度和懸浮穩定性大幅度地提高。在設計時要注意以下問題:

（1）較好的高溫穩定性：水泥漿在一定的條件下，漿體不發生分層離析，形成的水泥石縱向密度分布要基本一致，析水小、體積收縮小。

（2）較高的早期強度：不能盲目追求水泥漿的流變性能和濾失量控制，而損害水泥漿的抗壓強度和穩定性。選擇合適的增強劑以提高早期強度[2]。

（3）合適的流變性和密度：選擇減輕劑的類型和級別粒徑，不能盲目增大用水量，用水量應嚴格控制在所選擇減輕劑的最大允許范圍內。

因此，選用哈爾濱水泥有限公司的太行低密度油井水泥及石英砂、微硅配制高溫大溫差低密度水泥漿，在較低液固比時，即可獲得較低密度的水泥漿，并且加入適當的外加劑可以使其具有較高的早期強度。

2 實驗儀器和藥品

2.1 實驗儀器

30-60型瓦林攪拌器、4207型壓力試驗機、7025型高溫高壓稠化儀，美國CHANDLER公司；35SA型旋轉粘度計，美國Fann公司；巖芯滲透儀、高壓失水儀、高溫高壓養護釜等。

2.2 實驗材料及藥品

太行低密度油井水泥；石英砂，200目；微硅、DCS增強劑、DHTR400緩凝劑、DHTF3降失水劑、DHTS190懸浮劑以及DMP無機凝膠，大慶鉆井研究院自制。水泥漿配置過程中，太行低密度油井水泥與8%石英砂、3%微硅及無機凝膠干混，其它藥液與自來水攪拌均勻后待用，液固(W/S)比為0.68時體系密度1.60g/cm3。

2.3 高溫大溫差低密度水泥漿配方

根據以上低密度水泥漿設計原則，經過外加劑的優選，配制出了一套高溫大溫差低密度水泥漿體系，配方為：100%太行低密度油井水泥+8%石英砂+3%膨脹劑+2%~6%DHTR400+4%~8%DHTF3+0.3%DMPH無 機 凝 膠+2%~4%DHTS190+1.5%DCS增 強 劑（W/S為0.68）。其中DCS增強劑為NCS液硅；懸浮穩定劑為無機類DMP-H無機凝膠與有機類DHTS190雜化而成。

3 綜合性能分析

3.1 水泥漿綜合性能評價

高溫大溫差低密度水泥漿體系的綜合性能見表1。由表1可以看出，該水泥漿體系流動度大于24cm；API濾失量：28mL(6.9MPa×90℃×30 min)；稠化時間：380min/100Bc(140℃×76.5MPa)；水泥漿上下密度差為0g/cm3；水泥漿凝結過程中無游離液析出，漿柱的穩定性好；滲透率為0.015×10-3μm2；流性指數n為1.03，稠度系數k為0.035Pa·sn，具有良好的流變性能，有利于減少水泥漿摩阻從而降低注水泥泵注壓力，滿足現場固井對水泥漿流性指數n≥0.6、k≤0.35的要求。該水泥漿體系優異的綜合性能，完全滿足現場固井作業要求。

表1 高溫大溫差低密度水泥漿體系綜合性能

3.2 水泥漿體系稠化性能

140℃×76.5MPa的稠化曲線圖（圖1）可以看出：該水泥漿體系稠化曲線平穩，溫度和壓力曲線無明顯波動，說明在高溫條件下水泥漿性能良好，沒有出現“鼓包”等現象。條件下的稠化曲線基本呈直角稠化，漿體性能較好，過渡時間短。

圖1 140℃×76.5MPa時水泥漿體系的稠化曲線圖

3.3 水泥漿體系水泥石抗壓強度

通過緩凝劑DHTR400與DCS增強劑的協同作用，能夠在保證稠化時間的情況下，有效提高水泥石的早期強度。室內考察了不同溫度下水泥漿體系的抗壓強度，由表2可知，低溫區域95℃區域72h抗壓強度在14MPa以上；160℃條件下隨著養護時間的增加水泥石抗壓強度逐漸增加。該水泥漿體系可以有效解決低溫區域早期強度低的問題，滿足現場固井施工要求。

表2 高溫大溫差低密度水泥漿體系的抗壓強度實驗

3.4 水泥漿體系沉降穩定性

低密度水泥漿的穩定性在宏觀上主要表現為水泥漿上、下密度差異[3]。本文基于這一原理對該體系的沉降穩定性進行了室內評價。在稠化儀中，將高溫大溫差低密度水泥漿加熱到試驗溫度(BHCT)后，攪拌30min后，測量上層和下層的密度[4]，進而得出水泥漿體系上下層密度差，用于評價水泥漿體系的沉降穩定 性。實驗結果見表3。

表3 不同循環溫度高溫大溫差低密度水泥漿體系上下層密度差

從表3可以看出，95℃條件下水泥漿上下密度差為零；160℃條件下水泥漿上下密度差為0.005g/crn3，均小于0.02g/crn3，高溫大溫差低密度水泥漿體系在高溫條件下也具有較好的穩定性。能夠有效防止固井施工中上部水泥環膠結疏松，水泥石抗壓強度下降以及因水泥沉降帶來的固井安全隱患，有助于保證施工安全，提高固井質量。

3.5 聲阻抗

目前，大慶油田評價固井質量的測井方法為聲幅測井與聲波變密度測井，根據聲波測井原理，入射波的能量一部分被界面反射，另一部分透過界面在第二介質中傳播。反射波的幅度取決于兩種介質的聲阻抗[4]。因此，聲波測井結果與水泥石的聲阻抗變化存在直接的關系。室內對高溫大溫差低密度水泥漿體系的聲阻抗值進行了測定，實驗結果見表4。

表4 高溫大溫差低密度水泥漿體系聲阻抗測定

通過測試發現：該高溫大溫差低密度水泥漿體系聲阻抗值隨著養護時間的增加而增加，說明水泥漿硬化體的微觀結構和形貌發生了顯著變化，密實程度有所提升，不會對測井造成影響。

4 結論

（1）以強化粘度效應、懸浮結構、增加活性物質為指導，通過合理設計水泥漿外摻料組成，優選抗高溫性能良好的外加劑，最終得到一套密度為1.60 g/cm3的高溫大溫差低密度水泥漿體系。

（2）該水泥漿體系具有高溫區域沉降穩定性好、濾失量低、稠化時間可調、水泥漿強度發展良好等優良性能，水泥石72h（95℃）抗壓強度達到14MPa以上。

（3）該水泥漿體系在保證良好施工性能的基礎上，拓寬了溫度應用范圍，對縮短施工周期、改善固井質量具有一定的積極作用。