抗高溫高密度固井水泥漿體系研究

侯海歐

（中海油田服務股份有限公司油化塘沽作業公司，天津 300459）

在鉆井的過程中,井下條件愈復雜,井底溫度和地層壓力的變化幅度也就越大。常規類型的油井水泥漿和添加劑已經不能滿足高溫固井的性能需求。常規類型的固井水泥漿會在高溫條件下更快的衰減強度，更容易破碎并且產生裂縫，溫度較高的情況下甚至會使井下水泥環開裂，徹底失去其力學機械性能并產生坍塌[1-3]。同時，高溫環境下油井水泥漿的水化速度變的非常快速，水泥漿的稠度也會相應變得增長過快，此時需要再添加高溫緩凝劑以便使增稠時間合理，保證施工方面的安全性。高溫環境也會對水泥漿的流變性、失水量等性能產生較大的影響，需要研究出適用于高溫環境下的添加劑材料。此外，高溫高壓固井通常要求水泥漿具有較高的密度，而目前的高密度水泥漿體系普遍存在表觀黏度高、現場混配困難、沉降穩定性差、性能調節困難、抗壓強度低等缺點[4-6]。這對如何設計符合現場施工要求固井水泥漿提出了更大的挑戰。

針對高溫高密度水泥漿影響性能的各種因素和配方組成的設計難點，室內對不同添加劑材料進行研究，并構建不同密度的高溫高密度水泥漿體系，為高溫高壓油氣井固井作業提供技術支持。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

油井水泥，高溫穩定劑、分散劑、加重劑、降失水劑、緩凝劑、增強劑，消泡劑。

1.2 實驗方法

本文中水泥漿的配制和性能評價，均依據GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》中的相應規定進行。

2 水泥漿體系關鍵添加劑研究

2.1 高溫穩定劑研究

一般用于深井或高溫井的各類型水泥，一般在井下溫度大于110 ℃就會出現強度降低。所以，只要井底靜止溫度大于等于110 ℃時，都會造成水泥石的強度衰退，所以這種情況下需要使用抗高溫水泥漿體系。選擇硅粉作為外摻料加入水泥漿中，可以有效的防止高溫環境下水泥石強度的衰退。室內將35%作為高溫穩定劑，研究不同目數硅粉對水泥漿性能的影響，實驗數據（見表1）。

從表1 可以看出，不同目數的硅粉都能有效防止高溫條件下水泥石強度衰退。硅粉目數越高，水泥石的抗壓強度更高，且強度下降更小。混合硅粉對水泥石抗壓強度的穩定性作用效果更好。其原因可能是不同目數硅粉顆粒級配的效果。因此，在構建抗高溫水泥漿時，使用混合硅粉作為高溫穩定劑。

2.2 加重劑研究

用作高溫高密度固井水泥漿的加重劑一般需要滿足需水量少、與添加劑有良好的相容性、與水泥漿的其他固相顆粒間具有合理的顆粒粒徑分布。目前，國內外常用的固井水泥漿加重劑主要有重晶石、鐵礦粉和錳礦粉，室內研究了不同加重劑對水泥漿性能的影響，結果（見表2）。

從表2 實驗結果可以看出，三種加重劑均能提高水泥石的密度，但是錳礦粉加重劑水泥漿密度最高，且抗壓強度發展更快，比重晶石水泥石和鐵礦粉水泥石分別增大了8.5 MPa 和5.1 MPa。因此在配制水泥漿時采用錳礦粉作為加重劑。

2.3 高溫降失水劑研究

針對高溫高密度水泥漿體系的特殊性，室內開發了抗高溫降失水劑RW92L 作為水泥漿的降失水劑，該降失水劑可以通過提高漿體黏度和降低濾餅滲透率，加大了液體濾失的阻力，降低水泥漿的失水。通過降失水劑性能評價實驗，得到以下數據（見表3）。

表3 不同加量的RW92L 水泥漿失水量

實驗結果可以看出，隨著降失水劑RW92L 摻入，水泥漿失水量具有明顯減少的特點。在加量為2%～4%時，失水量的減少量變化程度最大，且4%加量下水泥漿失水量小于50 mL，結合現場應用及現實成本問題，優先考慮降失水劑添加劑量為4%。

2.4 高溫緩凝劑研究

緩凝劑是調節水泥漿稠化時間的添加劑材料，而稠化時間與水泥漿施工安全性密切相關。為了研究緩凝劑在高溫下的作用效果，室內研發了緩凝劑RT60作為高溫水泥漿的緩凝劑，并對其性能進行評價，結果（見表4）。

表4 不同加量緩凝劑RT60 水泥漿稠化時間

從實驗數據可以看出，隨著緩凝劑加量的增多，水泥漿的稠化時間逐漸延長，且緩凝劑延長幅度較大。但是，緩凝劑摻入水泥漿抗壓強度下降，緩凝劑加量需控制。實驗結果可以看出，當加量為1%時，水泥漿稠化時間滿足固井作業時間大于3 h 的要求，且抗壓強度下降幅度小。因此，針對研發的緩凝劑，其加量控制在1%左右較合適。

3 深水高溫高密度固井水泥漿性能評價

通過以上添加劑研究，室內構建了密度為2.0 g/cm3和2.2 g/cm3的高密度水泥漿體系，并對水泥漿體系的性能進行評價。構建的水泥漿體系組成如下：

密度2.0 g/cm3：600 g 油井水泥+180g 錳礦粉+210 g 300 目硅粉+18 g 微硅+45 g 降失水劑RW92L+24 g 分散劑F55L+4 g 緩凝劑RT60+310 g 水。

密度2.2 g/cm3：600 g 油井水泥+320 g 錳礦粉+210 g 300 目硅粉+18 g 微硅+45 g 降失水劑RW92L+35 g 分散劑F55L+6 g 緩凝劑RT60+300 g 水。

3.1 水泥漿施工性能評價

水泥漿的常規性能主要包括水泥漿的流變性、失水量、稠化時間和沉降穩定性，水泥漿的施工性能與其在現場作業的適用性密切相關。室內評價了構建的抗高溫高密度水泥漿體系，其施工性能（見表5，表6）。

表5 不同密度水泥漿流變性

表6 不同密度水泥漿體系性能

實驗結果可以看出，高溫水泥漿體系在不同密度下均具有良好的流變性，同時失水量小于50 mL，具備低失水特性，稠化時間在3～5 h，易于調節控制，滿足施工要求，且水泥漿漿體穩定。不同密度的水泥漿在高溫下的性能都滿足固井作業的要求。

3.2 水泥漿力學性能高溫穩定性

對于固井水泥漿體系來說，高溫環境下水泥石的力學性能極易衰退，造成水泥石力學性能不佳，嚴重時影響固井質量和環空封固安全。室內對構建的高密度水泥漿體系的力學穩定性進行評價，養護溫度為180 ℃，實驗結果（見圖1）。

圖1 水泥漿力學性能高溫穩定性

由實驗數據可得，該體系力學性能穩定，不同密度水泥漿在高溫下的力學性能優異，且隨著養護時間的延長，水泥石抗壓強度變化小，水泥石養護14 d 的抗壓強度與養護28 d 的抗壓強度差異極小，水泥石強度穩定，可滿足高溫高壓固井作業的需求。

4 結論

（1）針對抗高溫高密度水泥漿體系，研究的高溫穩定劑為混合硅粉，選擇錳礦粉作為加重劑材料，使用RW92L 和RT60 作為高溫降失水劑和高溫緩凝劑。

（2）構建的抗高溫高密度水泥漿體系流變性優異，失水量低，稠化時間滿足施工要求，漿體穩定。

（3）構建的抗高溫高密度水泥漿體系力學性能穩定，在高溫下養護后抗壓強度變化小。