慶深氣田古龍B井抗高溫高密度防竄水泥漿研究與應用

林榮壯，耿建衛，郭光奇，白忠明，苑春洋，馬佳文

（大慶油田鉆探工程公司，黑龍江大慶 163413）

古龍B井是部署在慶深氣田古龍斷陷上的一口風險探井，完鉆井深4838m，井底溫度193℃，而且氣層活躍，鉆井液密度2.0g/cm3以上，井下環境要求尾管固井水泥漿技術上有大的突破。水泥漿高溫下穩定性不易保證，表現為水泥漿穩定性差、析水量大、失水量大，而且水泥石超過110℃易發生強度衰退等[1]；若采用密度為1.90g/cm3的常規水泥漿體系固井，液柱壓力不能平衡地層壓力，極易造成竄槽，使固井質量大幅降低，甚至固井失敗，為此需要提高水泥漿密度；尾管固井，環空間隙小，要滿足安全提取鉆具的需要，要求水泥漿在提鉆時間內保持良好的性能。因此，開展密度為2.00～2.30g/cm3抗高溫高密度防竄水泥漿研究，以保障慶深氣田高溫高壓井勘探開發需求，并保證古龍B 井固井施工安全和固井質量。

1 抗高溫高密度防竄水泥漿設計

抗高溫高密度防竄水泥漿體系要求水泥漿在高溫下具有防竄、稠化時間可調、失水量低、穩定性好、強度高等性能，因此，水泥漿體系的設計關鍵是水泥外加劑的選擇及水泥漿性能調整[2]。

1.1 加重劑研選

目前，高密度水泥漿多采用添加高密度加重材料。國內外常用的高密度加重材料有重晶石粉、還原鐵粉、鐵礦粉、鈦鐵礦粉、微錳等。重晶石粉可有效提高水泥漿密度，對保持膠體穩定性有利，但本身密度低，需水量少，水泥外加劑使用受限，同時又使水泥石強度下降較大。四氧化三鐵需水量較少，其加量較大時，需調整水泥漿的流變性能。鈦鐵礦對水泥漿的稠化時間和抗壓強度影響較小，但目前使用的鈦鐵礦石雜質含量高，需要適當提高水泥漿的稠度以防水泥漿離析。而微錳加重劑是一種以錳鐵合金生產中的副產品，其性能優良，在國內外高壓油氣井固井中應用效果良好，但價格昂貴，制約了它的使用范圍[3]。

綜合考慮高密度水泥漿性能和經濟原則，室內要配制出密度范圍2.00～2.30g/cm3的高密度水泥漿體系時，選用四氧化三鐵作為加重劑。同時，選擇了一種納米級別的增強劑，與加重劑配合使用，以增加水泥石的早期強度。

1.2 懸浮穩定劑研制

由于高密度水泥漿使用了加重劑和較少的水泥，水泥漿的懸浮穩定性受到的影響較大，尤其是在高溫環境，由于高溫作用引起水泥漿中顆粒的布朗運動加快，漿體的稀釋引起水泥漿不穩定性的加劇，易導致水泥漿沉降。為保持高密度水泥漿無固相顆粒沉降無自由水析出直至固化，通過加入微硅均勻分散后使水泥漿液相變為較穩定的溶膠，形成基礎骨架，但不能徹底解決高溫下沉降穩定差的問題。為此研發了懸浮劑DHTS-1，該懸浮劑由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、偶氮二異丁咪唑啉鹽酸鹽反應而成，聚合物中含有大量的酰胺基(-CONH2)和磺酸根(-SO3)對水泥顆粒的分散和支撐作用，可以增加液相粘度，能夠讓水泥顆粒在高溫下處于懸浮狀態，與微硅配合使用，來提高高溫下水泥漿懸浮穩定性。

1.3 降失水劑研制

對于抗高溫高密度水泥漿體系而言,選擇的降失水劑，對水泥的早期強度、流變性、稠化時間、凝結時間等無不良影響。要求降失水劑的相對分子質量大小、分子分布以及分子形態合理，需要聚合物分子同水泥顆粒之間具有良好的水化和吸附作用，且聚合物主鏈具有良好的熱穩定性。研發了降失水劑DHTF-3作為高密度水泥漿體系的降失水劑，該劑選用2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸（AMPS）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）和丙烯酸（AA）進行聚合。AMPS 和AA 中含有大量的-CH2-SO3-和-COO-等基團，與水泥顆粒有較強的水化及吸附作用；同時，AMPS 的大側基增強了分子鏈的剛性，加之NVP 側鏈上有許多剛性的環狀機構碳鏈結構，提高了聚合物的耐高溫性能。

1.4 緩凝劑研制

為了保證固井施工的安全性，研究出一種超高溫緩凝劑DHTR400，它的緩凝特性更加有效、穩定，比常規的緩凝劑能耐更高的溫度，并與其它外加劑配伍性較好。該緩凝劑是由含多種極性基團的聚合物與一定比例的耐高溫助劑混合而成。當DHTR400 加入到水泥漿中，極性基團（磺酸鹽基團、耐高溫助劑）具有極強的抑制作用，這些極性基團在C-S-H、Ca（OH）2表面形成極為致密的結構，延長了成核結晶時間，延緩了水泥顆粒的水化速度；此外，超高溫緩凝劑DHTR400 中的兩種乙烯系單體中含有羥基（-OH）、酮基（-C=O）等活性基團，可以使聚合物線團吸附于水泥顆粒表面，起到阻止水滲入的作用。

1.5 防竄劑研選

為了提高水泥石防竄性能，采用聚合物膠乳DQJ-2L 作為防竄劑，抗溫可達200℃，膠乳中懸浮的膠粒具有一定的彈性，一部分膠粒通過擠塞、填充于水泥與外摻料顆粒間的空隙中，降低了水泥石的滲透率；另一方面，膠粒在壓差的作用下，在水泥顆粒間聚集成膜，這層覆蓋在濾餅表面的膜，阻止氣體竄入水泥漿，提高了高密度水泥漿體系的防竄性能。

2 抗高溫高密度防竄水泥漿性能評價

2.1 水泥漿穩定性評價

通過室內評價實驗，對抗高溫高密度防竄水泥漿體系不同密度點，進行了水泥漿體系穩定性實驗，實驗結果如表1所示。

表1 水泥漿體系穩定性實驗

由表1 可以看出，水泥漿體系穩定性測試結果顯示，各配方密度差均小于0.03g/cm3，游離液為0，說明該體系具有良好的穩定性。

2.2 水泥漿（石）抗壓強度評價

優選了適當加量的加重劑，與納米增強劑復配，并加入35%熱穩定劑。水泥漿體系水泥石抗壓強度如表2所示。

表2 水泥漿體系水泥石抗壓強度實驗

水泥漿體系各密度點水泥石強度發展快，且7d 強度不衰退，可保證水泥環長期封隔效果，能滿足完井作業時的強度要求。

2.3 水泥漿體系防竄性能評價

開展了密度2.00～2.30g/cm3的水泥漿體系氣竄量及滲透率室內評價實驗，防竄劑DQJ-2L加量為10%～15%，由表3 可知，水泥漿體系高溫下具有良好的防竄性能，且有較低的滲透率，能夠阻止地層氣體向環空竄流，防止氣竄發生。

表3 水泥漿體系氣竄量及滲透率實驗

2.4 水泥漿體系其它性能評價

對抗高溫高密度防竄水泥漿體系進行了水泥漿流動度、濾失量及稠化時間室內評價實驗，實驗結果如表4所示。從表4中可以看出，抗高溫高密度防竄水泥漿體系各配方流動性好，水泥漿體系濾失量在50mL 以內，且稠化時間不倒掛、線性關系好。

表4 水泥漿體系流動度、濾失量及稠化時間實驗

綜上，研制的密度為2.00～2.30g/cm3的抗高溫高密度防竄水泥漿體系（適用溫度150℃～200℃），具有耐高溫、抗壓強度高、防竄性能好等特點，可保證水泥環長期封隔效果，防止氣竄發生，滿足慶深氣田高溫高壓井固井施工要求。

3 現場應用及效果

古龍B 井井底溫度193℃，井深在4621～4675m 之間，全烴2.24%，其中CO2含量80.41%，現場尾管固井施工設計水泥漿密度2.10g/cm3，設計循環溫度170℃。

為了防止CO2腐蝕水泥石，在水泥漿中添加防腐劑DCR，評價試樣腐蝕前后的抗壓強度與氣體滲透率的變化情況，見表5。從表中數據可以看出，加入防腐劑DCR 后，水泥石抗壓強度及滲透率基本保持穩定。

表5 193℃水泥石腐蝕前后試樣抗壓強度與氣體滲透率的變化

在室內模擬現場工況變化的情況，對水泥漿稠化性能變化進行評價，見表6。

表6 水泥漿稠化性能評價

從表6 可以看出，在溫度、密度高于設計指標的條件下，稠化時間略有縮短，而且中停試驗和污染試驗對稠化時間影響不大，現場工況變化對水泥漿施工作業安全影響較小，水泥漿性能穩定。

現場施工過程中下灰順利、流動狀態好、密度均勻，瞬時最大排量1.7m3/min，最小排量1.1m3/min，替壓5～20MPa；整個施工過程中注替平穩，無井漏等復雜情況發生。72h測井，固井質量優質，見圖1。

圖1 古龍B井固井質量聲幅圖

4 結論

（1）研制了抗高溫性能優良的水泥外加劑DHTF-3、DHTS-1、DHTR400，配伍性較好，保證水泥漿性能穩定，并優選了加重劑四氧化三鐵、防竄劑聚合物膠乳DQJ-2L等關鍵外加劑。

（2）研制了密度為2.00～2.30g/cm3的抗高溫高密度防竄水泥漿體系（適用溫度150℃～200℃），可保證水泥環長期封隔效果，防止氣竄發生，滿足慶深氣田高溫高壓井固井施工要求。

（3）該抗高溫高密度防竄水泥漿在古龍B 井油層固井中應用，施工正常，72h測井固井質量優質。