高溫高壓井固井水泥漿體系研究

金勇，鄧成輝

（中海石油有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

隨著深層以及超深層油氣開發的進行，鉆遇高溫高壓地層的油氣井越來越多。與常規油氣井相比，高溫高壓油氣井在固井作業方面對水泥漿要求更高[1-2]。目前固井現場使用最普遍的波特蘭油井水泥在溫度大于110 ℃時易出現強度衰退現象，在高溫作業環境下一般需要添加高溫穩定材料才能應用于固井[3-6]。常用的水泥漿添加劑材料，如緩凝劑、降失水劑，極易受到溫度的影響出現稠化反轉或者作用失效的情況。此外，高溫高壓固井作業通常需要較高密度的水泥漿體系才能更好地壓穩地層，以滿足固井作業的要求。因此，針對高溫高壓油氣井固井作業，需要研究一系列固井材料，才能構建性能優異的水泥漿體系用于固井施工。

針對高溫高壓油氣井固井水泥漿開發的難點，室內研究了構建高溫高壓固井水泥漿的關鍵材料，并對構建的水泥漿體系進行評價。研究成果為高溫高壓井固井水泥漿體系設計與應用提供指導與支持。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

G 級油井水泥（葛洲壩特種水泥廠），緩凝劑H60L、降失水劑CG68L、分散劑CF42L（自制），加重劑、高溫穩定劑、微硅、消泡劑CX60L（荊州嘉華科技有限公司）。

1.2 實驗方法

水泥漿的制備與性能評價依據GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》中的相應規定進行。

2 實驗結果與討論

2.1 水泥漿體系關鍵添加劑研究

2.1.1 高溫分散劑研究

分散劑是固井水泥漿中降低水泥漿水灰比，并改善水泥漿流變特性的外加劑[7]。固井水泥凈漿流變性通常較差，調節水泥漿的流動性需要添加合適的外加劑材料對水泥漿的漿體結構進行有效破壞。目前采用的最有效的方法是通過向水泥漿中摻入分散劑，通過化學添加劑的吸附作用，降低漿體結構和顆粒的結合力，達到稀釋分散的作用。室內針對高溫水泥漿的需求，研選了一種分散劑CF42L，并對分散劑的性能進行評價，實驗結果見表1。

表1 不同分散劑加量水泥漿性能

從表1 的實驗結果可以看出，隨著分散劑CF42L 加量的增加，水泥漿流變性測試讀數降低，說明分散劑CF42L能對水泥漿的流變性能進行較好的調節，提高水泥漿的流動性能。此外，當分散劑CF42L 加量在4%時，水泥漿出現少量自由液，水泥漿漿體穩定性受到影響，因此，分散劑CF42L 在使用時需要合理地控制其加量。

2.1.2 高溫降失水劑研究

降失水劑是固井水泥漿中用于控制水泥漿中液相向滲透性地層濾失的外加劑。通常認為降失水劑降低失水量的機理主要是降低濾餅滲透率、使濾餅形成極化水層、提高漿體濾失阻力等[8-9]。國內外固井所用的耐高溫降失水劑主要有耐高溫聚合物降失水劑和超細顆粒降失水劑，其中超細顆粒材料只是利用級配關系堵塞水泥顆粒間的孔隙來降低失水的，其降低能力是有限。室內研選了一種耐高溫聚合物降失水劑CG68L，并對其性能進行評價，實驗結果見圖1。

圖1 不同加量降失水劑水泥漿性能

從圖1 的實驗結果可以看出，隨著降失水劑加量的增多，水泥漿的失水量下降明顯，水泥石抗壓強度下降較小。當降失水劑加量達到4%時失水量在50 mL 以內，比空白水泥漿失水量下降37 mL，水泥漿的失水量降低幅度較大。實驗結果表明，降失水劑CG68L 能有效降低水泥漿的失水量，且對水泥石抗壓強度影響較小。

2.1.3 高溫緩凝劑研究

緩凝劑在固井水泥漿中的主要作用是延長水泥漿稠化時間，防止水泥漿過早無法流動，以確保施工安全。緩凝劑通過表面吸附、生成表面沉淀等方式在固井水泥漿中起作用[10]。由于稠化時間受溫度影響較大，因此性能優良的耐高溫緩凝劑對抗高溫固井水泥漿體系來說至關重要。室內對研選的高溫緩凝劑H60L 的性能進行評價，實驗結果見圖2。

從圖2 的實驗結果可以看出，緩凝劑H60L 能有效調節水泥漿的稠化時間，0.6%加量下緩凝劑的稠化時間在3 h 以上。隨著緩凝劑加量的增加，水泥漿的抗壓強度下降，且加量在0.6%以上時抗壓強度下降幅度增大。考慮高溫緩凝劑H60L 對水泥漿性能的綜合影響，使用過程中應控制合適的加量。

圖2 不同加量緩凝劑水泥漿性能

2.1.4 加重劑研究

鐵礦粉加重劑是目前在固井水泥漿中應用最普遍的加重劑之一，但是其在加量較高時容易引起水泥漿增稠明顯、抗壓強度下降等問題[11]。為了克服鐵礦粉加重劑的缺陷，室內制備了一種復合加重材料，并在相同加量下對加重劑性能進行對比評價，實驗結果見表2。

表2 加重劑性能

從表2 可以看出，相同的加量下，復合加重劑構建的水泥漿體系密度比鐵礦粉加重劑水泥漿略高。復合加重劑水泥漿的流變性讀數更低，對流變性影響更小，且抗壓強度高于鐵礦粉水泥漿體系。實驗結果表明了制備的復合加重劑材料在高密度水泥漿中的應用效果優異，可作為高密度水泥漿的加重材料。

2.2 水泥漿體系性能評價

通過不同添加劑材料的研究，室內構建了耐高溫的高密度水泥漿體系，水泥漿組成為：100%水泥+55%淡水+3%分散劑CF42L+6%降失水劑CG68L+35%硅粉＋0.6%緩凝劑H60L+0.6%消泡劑CX60L+3%微硅+115%復合加重劑（密度2.3 g·cm-3）。

2.2.1 水泥漿體系常規工程性能評價

水泥漿的常規工程性能主要包括流變性、失水量和稠化時間。水泥漿具有良好的流變性可以保證水泥漿在固井施工過程中具有很好的泵送性能，提高水泥漿頂替效率[12-13]。水泥漿的稠化時間是控制固井作業安全時間的關鍵參數[14]。水泥漿的失水量與固井質量和儲層保護密切相關。為研究開發的耐高溫水泥漿體系的工程性能，室內評價的水泥漿流變性、失水量實驗結果見表3。

表3 水泥漿體系常規工程性能

從表3的數據可以看出，水泥漿體系流變性好，失水量小于50 mL。水泥漿稠化時間達到203 min，大于3 h，滿足安全固井施工要求。實驗結果表明，構建的抗高溫固井水泥漿體系的常規工程性能滿足固井作業要求，且具有較好的抗溫能力。

2.2.2 水泥石高溫穩定性評價

抗壓強度是水泥石被破壞時能承受的最大外力。水泥石需要具有良好的抗壓強度才能支撐和保護套管[15]。由于高溫環境下水泥石抗壓強度易衰退，因此，評價水泥石在高溫環境下的穩定性，對研究高溫水泥漿長期封固穩定性具有重要意義。室內在80 ℃環境下養護24 h 制備了抗高溫水泥石，作為高溫養護空白試樣。水泥石在180 ℃環境下分別養護不同天數，測試水泥石抗壓強度的穩定性，實驗結果見圖3。

圖3 水泥石高溫穩定性

從圖3 可以看出，在高溫養護前期，水泥石抗壓強度隨著養護時間的延長增加，且在高溫養護3 d內增長較快。當養護時間大于7 d 時，水泥石的抗壓強度有少量的下降。養護28 d 時水泥石的抗壓強度與養護14 d 時無明顯變化。水泥石養護后期抗壓強度較穩定，且抗壓強度較高，能滿足高溫固井作業長期封固的要求。

3 結 論

1）研究的高溫分散劑能有效調節水泥漿的流變性，高溫降失水劑可較大幅度地降低水泥漿的失水量。

2）高溫緩凝劑可調節水泥漿的稠化時間，保障水泥漿安全施工；復合加重劑比鐵礦粉在高密度水泥漿中的應用效果更優異。

3）構建的高密度水泥漿體系常規工程性能滿足固井要求，180 ℃條件下水泥漿的高溫強度穩定，有助于高溫井長期封固。