抗高溫低密度水泥漿體系研究與應用

＊肖振華 丁志偉 周琛洋 張華 張順平

（1.中國石油西南油氣田分公司勘探事業部 四川 610000 2.中國石油集團工程技術研究院有限公司 北京 102206 3.油氣鉆完井技術國家工程研究中心 北京 102206）

隨著鉆井技術的進步和油氣勘探開發向深井、超深井發展，目的層地質條件的復雜性給固井工程帶來了諸多困難和挑戰，尤其是高溫易漏失復雜深井固井。高溫易漏失復雜深井固井[1]難點如下：（1）低密度水泥漿高溫強度低，影響水泥膠結強度；（2）井深，井底壓力高，低密度水泥漿減輕材料承壓能力要求高；（3）高溫條件下，低密度水泥漿沉降穩定性不易保障；（4）油氣顯示活躍，安全密度窗口窄，壓穩和防漏難以兼顧。針對高溫易漏失復雜深井存在的上述固井技術難題，筆者研制了低密度增強材料DRA-2S，提高了低密度水泥漿高溫強度，增強了水泥環膠結強度；優選了耐壓105 MPa 的高性能玻璃微珠，水泥漿承壓101 MPa 后，水泥漿密度變化小于0.02 g/cm3；優選聚羧酸類分散劑DRS-2S，降低液固比，配合高溫穩定劑DRK-3S，確保了體系穩定性；開發了適用于循環溫度150 ℃、靜止溫度180 ℃的抗高溫低密度水泥漿體系，配套精細控壓平衡法固井工藝，為西南油氣田高溫易漏失復雜深井固井提供了技術支撐。

1.試驗部分

（1）試驗試劑。嘉華G 級水泥，四川嘉華水泥廠；高性能空心玻璃微珠（Y15000，國產）、增強材料DRA-2S、聚羧酸分散劑DRS-2S、膨脹增韌材料DRE-3S、穩定劑DRK-3S、緩凝劑DRH-2L 等，中石油工程院自研。

（2）試驗儀器。恒速攪拌器TG-3060、高溫高壓失水儀TG-71、雙缸高溫高壓稠化儀TG-8040D10，沈陽泰格石油儀器設備制造有限公司； 高溫高壓養護釜Chandler Model 7375,靜膠凝強度分析儀Chandler Model 5265，美國Chandler 公司。

（3）試驗方法。水泥漿制備配方A：350 g 嘉華G級水泥+2.5%增強材料DRA-2S+24%高性能玻璃微珠+35%高溫增強材料DRB-2S+10%增強材料DRB-1S+4%膨脹增韌材料DRE-3S+2% 微硅+1.5% 穩定劑DRK-3S+1.1%分散劑DRS-2S+7.5%降失水劑DRF-2L+5%緩凝劑DRH-2L+0.5%消泡劑DRX-1L+0.5%抑泡劑DRX-2L+74%現場水。

水泥漿制備及性能測試執行API 標準。

2.外加劑研制和減輕材料優選

（1）增強材料DRA-2S 評價。氯化鈣是油井水泥常用的高效早強劑和抗壓強度增強材料，但是氯化鈣易使水泥漿屈服值升高，甚至出現“閃凝”現象。另外，氯化鈣還會使水泥石體積收縮變大、滲透率升高和防硫酸鹽腐蝕能力下降等弊端[2]，在高溫條件下，摻入氯化鈣的水泥石易發生強度衰退，并對套管有一定的腐蝕作用。因此，開發了一種新型復合無氯增強材料，實驗表明，復合型增強材料比單組分增強材料更具有良好的增強效果，實驗結果如表1。

表1 增強材料DRA-2S 對水泥漿性能的影響

從表1 可知，在127～180 ℃溫度范圍內，添加2.5% 增強材料DRA-2S 抗壓強度明顯高于空白試驗，說明優選的復合無氯增強材料在127～180 ℃溫度范圍內具有良好性能。

（2）分散劑DRS-2S 評價。SXY 是油井水泥常用分散劑，由于空心玻璃微珠粒徑小（微米級），配制水泥漿需水量大，常規SXY 分散性能不佳，表現為下灰困難，配制水泥漿黏稠。因此優選聚羧酸類分散劑DRS-2S，可以起到降低水泥漿液固比，改善水泥漿流動性的作用。其作用機理是聚羧酸分散劑中的羧基和磺酸基吸附在水泥顆粒表面，改變水泥顆粒表面電荷分布，然后通過靜電排斥和空間立體位阻，使水泥顆粒具有較強的立體分散能力，表現出優良的分散性能[3]。

對比考察了分散劑對低密度水泥漿下灰、流動度性能的影響，結果如表2 所示。

表2 分散劑DRS-2S 對水泥漿流動性能的影響

由表2 可知，相同基礎配方下，SXY 分散劑加量1.5%，下灰時間＞50 s，配制的水泥漿流動性差，初始稠度37Bc，難以現場應用。相比而言，優選的聚羧酸分散劑DRS-2S 加量1.1%，下灰時間35 s，配制的水泥漿流動性能好，初始稠度23Bc，滿足現場施工要求。

（3）高性能空心玻璃微珠評價。油井水泥常用減輕材料為漂珠、珍珠巖、空心玻璃微珠[4]。由于漂珠、珍珠巖承壓能力不高[5]，用高溫高壓稠化儀模擬摻有漂珠、珍珠巖的低密度水泥漿承壓試驗，打壓至50 MPa 過程中，稠度明顯增加，拆出水泥漿已無流動性。對比常規玻璃微珠（Y12000）與高性能玻璃微珠（Y15000）承壓試驗，如表3 所示。

表3 空心玻璃微珠承壓試驗

由表3 可知，常規玻璃微珠配制的水泥漿經過101 MPa 承壓后，稠度由23Bc 升至31Bc，承壓后的水泥漿密度由1.50 g/cm3升至1.58 g/cm3，說明Y12000玻璃微珠破碎較多。現場應用表現為泵壓增加，環空液柱壓力增加，易引發井漏。而優選的高性能空心玻璃經過101 MPa 承壓后，稠度和密度變化不大，表現出良好的承壓能力。

（4）水泥漿綜合性能評價。針對高溫易漏失復雜深井固井給水泥漿體系設計帶來了諸多困難，通過研發新型復合無氯增強材料DRA-2S，優選聚羧酸類分散劑DRS-2S、高性能空心玻璃微珠，配合膨脹增韌材料DRE-3S[6]，高溫增強材料DRB-2S，增強材料DRB-1S、高溫穩定劑DRK-3S、緩凝劑DRH-2L 等，開發了抗高溫低密度水泥漿體系，水泥漿性能如表4 所示。

表4 水泥漿性能

由表4 可知，水泥漿頂部13.3 h 起強度，24 h 抗壓強度12.4 MPa；防竄系數SPN 0.64，具有良好的防竄性能，抗高溫低密度水泥漿綜合性能滿足固井施工要求。

3.現場應用

ZJ2 井是西南油氣田分公司布置的一口預探井，該井四開采用Ф149.2 mm 鉆頭鉆至6898 m 完鉆，鉆井液密度1.50 g/cm3，電測井底溫度168 ℃，裸眼段平均井徑擴大率5.6%。

(1)ZJ2井Φ127 mm尾管固井難點及技術措施

表5 ZJ2 井φ127 mm 尾管固井難點及技術措施匯總

(2)ZJ2井Φ127mm尾管固井精細控壓模擬

固井施工過程控制H2S 顯示層、主氣層當量密度高于1.50 g/cm3，確保固井施工過程始終壓穩地層；同時保持主漏層當量密度小于1.68 g/cm3，降低固井施工過程壓漏風險。

模擬固井施工過程H2S 顯示層、氣層6841 m、主漏層6746 m ECD，如圖1 所示。

圖1 固井施工精細控壓模擬曲線

由圖1 可知，模擬整個固井施工過程中，H2S 顯示層6751 m、主氣層6841 m ECD ＞1.50 g/cm3，可以壓穩地層；主漏層6746 m ECD ＜1.68 g/cm3，井漏風險小，確保了固井施工壓穩和防漏。

4.結論

（1）開發的抗高溫低密度水泥漿具有良好的性能，稠化時間377 min，頂部靜膠凝13.3 h 起強度，24 h 抗壓強度12.4 MPa，滿足固井施工對水泥漿性能的要求。

（2）采用精細控壓固井工藝，實現了固井施工全過程氣層壓穩，降低了竄氣和H2S 風險，現場固井施工無井漏。

（3）采用抗高溫低密度水泥漿體系，結合抗高溫高效抗污染沖洗隔離液技術、精細控壓固井等配套工藝技術措施，有效保障了探井ZJ2 井Ф127 mm 尾管懸掛固井施工安全和固井質量，電測固井質量合格率96.7%。