顺南区块抗高温高性能水泥浆体系研究与应用

顺南 区块抗高温高性能水泥浆体系研究与应用

李凯

中石化江汉石油工程有限公司钻井一公司 湖北 潜江 433100

摘要：基于顺南区块深井及超深井对水泥浆性能要求，综合考虑高压、高温状态对水泥浆体性能的影响，优选出抗高温高性能水泥浆体外加剂，对液硅、降失水剂、缓凝剂进行配比，探究不同浓度抗高温高性能水泥浆体系，并测定水泥浆体基本性能。

关键词：顺南区块；抗高温；固井；研究

引言：顺南区块地层油气资源丰富，是开发、勘探的重点区块。顺南区块深井固井阶段防气窜难度较大、气层活跃，因此对水泥浆体系有着较高的要求，为满足固井施工的要求，研究出抗高温、水泥石力学及防气窜性能好的高性能水泥浆体系，对满足顺南区块固井需求具有极为重要的意义。

一、抗高温高性能水泥浆体系研究

（一）缓凝剂

1、高温缓凝剂性能评价

高温缓凝剂GHN主要是由有机酸、有机膦酸钠盐组成，液体呈淡黄色，无腐蚀性、毒性。有机膦酸盐为高效螯合剂，有较强的抗高温性能和抗钙抗盐性能。GHN分子官能团主要吸附于C—S—H凝胶层，可以让整体结构变得更加紧致，避免水泥快速水化，有着延缓水泥稠化的作用。

2、GHN缓凝效果

硅粉、铁矿粉等都会对水泥浆中的缓凝剂产生一定影响。与普通缓凝剂相比，GHN缓凝剂可以与水泥外渗料充分融合，并且对缓凝剂线性良好、影响水泥石强度效果小、配方易调整、无闪凝现象。不同剂量GHN在不同环境下对高密度水泥石稠化性能影响如表1所示^[1]。实验过程中所使用的水泥浆配方为硅粉：铁矿粉：G级水泥=23:160:100，同时加入3%分散剂FCJ，利用16%浓度盐水进行配浆，其中水泥浆密度为2.43g/cm³，水灰比为0.28。

表1 CHN加量对水泥浆稠化时间影响

根据表1中的数据分析得出，水泥稠化时间与加入的GHN缓凝剂的量为线性关系，并且GHN加量范围较宽，能够保证施工安全性；GFL与GHN配伍性较好，不会对水泥浆性能产生较大的影响；GHN具有较好的抗盐性，对水泥石强度影响较小。

3、GHN对水泥浆流变性的影响

GHN可以吸附在水泥浆中砂石颗粒表面，从而阻止颗粒沉降、聚结，具有良好的缓凝效果^[2]。同时，GHN也有着稀释作用，能够提高水泥浆密度，GHN缓凝剂对水泥浆流变性影响如表2所示。从表2中可以看出GHN有利于水泥浆流动性的提高，能够改善水泥浆流变参数。

表2 GHN对水泥浆流变性影响

（二）降失水剂

高压状态下，水泥浆在进入渗透性地层后极易出现渗滤现象，而降失水剂则是控制水泥失水情况的一种试剂，在固井工作中有着极为重要的作用

^[3]。通常降失水剂可以分为很多种，其中由人工合成的降失水剂有着十分广泛的应用，可以改善高分子降失水剂在低温状态下失水不可控，以及水泥浆增稠等缺陷，拥有良好的抗高温抗盐性能，并且配伍性较好。

SCF200抗高温降失水剂，温度范围为100～200℃，主要是由DMAA（N—N）（N，N—二甲基丙烯酰胺）、（丙烯酸）四元共聚物、AMPS（2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸）、AHPS（3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙磺酸）组成，解决了单体结合物降失水剂在高温状态下出现的水泥浆缓凝的缺点，并且SCF200中的丙烯酸能够增强水泥颗粒与聚合物分子之间的吸附作用，从而增加水泥浆粘稠度，缓解失水情况，DMAA（N—N）、AHPSH、AMPS有着增强水泥浆抗盐和耐高温作用，使高温状态下水泥浆失水情况变得可控，提高水泥浆耐高温性能。

（三）热稳定性

高温深井中，由于水泥浆布朗运动会加快，并且随着外加剂不断增加，水泥石强度和水泥浆流变性会受到影响，从而导致水泥浆热稳定性变差，出现气窜的情况。这主要是由于水泥浆中C—S—H粘结力受到外加剂中化学物质具备的吸附络合作用所破坏，因此导致水泥浆聚结性能降低。为保证水泥浆性能满足使用要求，通常需要在水泥浆中加入稳定剂改善综合性能^[4-5]。

某工程研究院将二氧化硅颗粒进行处理后转变为水溶性乳液，可以提高水泥浆热稳定性，同时该乳液也是防气窜剂。由于二氧化硅颗粒属于无定形态，能够促进水泥浆凝胶反应，从而增强水泥浆凝胶强度。此外二氧化硅颗粒较小，可以填充在水泥浆颗粒中，从而降低水泥浆防渗率，起到防气窜作用。

硅粉主要成分为SiO2，能够减缓水泥石强度衰减效果，硅粉与液硅进行复配，能够增强水泥石热稳定性。微粒径、大粒径SiO2可以与高钙水化硅酸盐和水化产物发生反应，从而生成耐热性较强的雪钙硅石、低钙硅酸盐、硬硅钙石，以满足高温状态下水泥石对热稳定性和强度的要求。

（四）膨胀剂

水泥在凝固过程中会出现“化学收缩”现象，并且随着水泥逐渐失水，整体体积会减小，从而导致水化浆胶结质量降低，出现微小间隙，造成油气窜动，影响油气井产量及固井质量。而加入膨胀剂，可以阻碍水泥石膨胀，降低水泥石收缩速度。

膨胀剂DZP为复合膨胀剂，成分主要包括氧化镁、氧化钙、硫铝酸钙等氧化物，在水泥浆出现水化情况时，能够起到弥补的作用。在不同反应时期膨胀作用下，膨胀剂中硫铝酸钙会形成钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O），钙矾石体晶体较小，但是形成的结晶体体积较大，能够增强水泥石结构致密性；氧化镁、氧化钙共同反应会生成氢氧化镁、氢氧化钙等物质，能够提高水泥石膨胀稳定性、渗透性和强度。

（五）早强剂

早强剂可以分为硫酸盐类、有机类、氯盐类早强剂，氯盐类早强剂效果最好，但与其他物质电离产生的氯离子会逐渐腐蚀套管，并且也会与水泥石发生反应，导致水泥石稳定性降低；硫酸盐类早强剂在水泥浆中的效果不明显，并且会与水泥浆中部分成分发生盐结晶作用，导致水泥石出现膨胀现象，总成水泥石脱落，水泥浆强度下降；有机类早强剂会造成水泥浆出现缓凝的情况，会降低水泥石强度，并且早强效果不稳定。目前常用的早强剂为复合型，一方面能够加快水泥浆水化反应，另一方面能够压缩水泥颗粒，降低水泥颗粒中的电位电动，从而加快早期强度的形成^[6]。

二、水泥浆体系室内评价

（一）水泥浆基本配方

（1）1.88g/cm³。40%硅粉、7%SCF200降失水剂、3%GHN缓凝剂、8%SCLS液硅、8%MSi微硅、49%水、库G水泥。

（2）1.91g/cm³。45%硅粉、5.5%SCF200降失水剂、0.15%GHN缓凝剂、6%SCLS液硅、3%MSi微硅、54%水、库G水泥、3%DZP膨胀剂、0.25%H—T早强剂、0.6%DZS分散剂、0.15%DZX消泡剂。

（3）2.10g/cm³。35%硅粉、11%SCF200降失水剂、0.35%GHN缓凝剂、90%MHM复合加重材料、8%MSi微硅、76%水、库G水泥、4%DZP膨胀剂、1.5%H—T早强剂、0.2%DZX消泡剂。

（二）水泥浆基本性能

不同密度抗高温高性能水泥浆性能如表3所示，三种水泥配方都具有良好的流变性能，并且沉降性良好，水泥失水量均不超过50mL。

表3 抗高温高性能水泥浆体系性能

（三）抗压强度、稠化时间常规性能

抗高温高性能水泥浆体系在满足施工要求的情况下，还需考虑水泥泵送时间，可以通过增加或者减少缓凝剂量来控制水泥浆稠化时间，水泥浆体系配方实验结果及条件如表4所示。在高温高压状态下模拟地下温度及压力，并根据实验时间养护水泥浆，水泥石强度测试结果如表4所示。

表4 抗高温高性能水泥浆体稠化时间和强度测试

（四）防窜性能评价

水泥浆到位后，水泥稠化时间和孔隙压力变化情况往往会影响水泥浆防气窜性能，水泥浆气窜性能系数计算公式如下：

式中，FL为水泥浆滤失量；t100Bc为水泥浆稠度到100Bc时间；t30Bc为水泥浆稠度到30Bc时间。

SPN值在0≤SPN≤3范围内时，水泥浆防气窜效果最佳，三种抗高温高性能水泥浆体系SPN如表5所示，可以通过数据得出，水泥浆均具有较好的防气窜性能。

表5 抗高温水泥浆体系防窜能力

三、抗高温高性能水泥浆体系的应用

抗高温高性能水泥浆体系在顺南区块深井及超深井固井施工中，不仅能够满足实际施工要求，同时也具有加强的稳定性，在顺南区块具有十分广泛的应用，效果良好。

（一）顺南XXX井177.8mm尾管

顺南XXX井为顺南区块地带上的一口直井，井深为7572m，三开177.8mm油层尾管下深7569m，悬挂器位置为5309～5315m，固井工艺为尾管悬挂，封固进段为5309～7569m。井底温度约为159℃，循环温度约为139℃，利用抗高温高性能水泥浆体系第二种配方。实际现场入液顺序依次为：3m³密度为1.6g/cm³前置液、31m³领浆，密度为1.56g/m³、15m3尾浆，密度为1.89g/m³、7m³后置液，密度为1.56g/m3、82m3，替井浆，浓度为1.46g/m³。直井固井顺利，根据声幅测井数据显示，上部井段质量符合标准，下部井段质量良好，满足要求。

（二）顺南X井尾管

顺南X井为西北油田在顺南区块的重点探井，井深约为7536m，三开177.8mm和185.2mm尾管下深7082.99m，悬挂器为5005～5002m，固井工艺为尾管悬挂，封固井段为5007～7082m，井底温度约为140℃，循环温度约为120℃，利用抗高温高性能水泥浆体系第三种配方。实际现场入液顺序依次为：14m3密度为2.0g/cm3隔离液、26m3领浆，密度为2.22g/m3、8m3尾浆，密度为2.15g/m3、2m3后置液，密度为2.00g/m3、82m3替井浆，密度为1.96g/m3。固井顺利，根据声幅测井数据显示，固井优良率为100%，优质井段约为89%，良好井段约为11%。

结论：综上所述，根据对抗高温高性能水泥浆体系的应用效果表明，上述三种水泥浆体系具有过渡时间短、流动性好、失水量低、水泥石强度高等特点，并且综合性能较好，不仅能够满足顺南区块高温深井施工要求，而且也拥有良好的应用前景^[7]。面对深井固井水泥石抗冲击力、弹韧性能差等问题，仍需要我国科研人员进步一的研究，以推动国家飞速发展。

参考文献：

1. 刘玲榕. 抗高温水泥浆体系研究及应用[J]. 探矿工程：岩土钻掘工程, 2018, 45(9):5.

2. 许盟, 屈凌霄, 刘鑫,等. 高温高密度水泥浆体系在塔里木山前区块的研究与应用[J]. 数字化用户, 2017, 23(040):269.

3. 杜金鑫. 塔中顺南区块固井水泥浆技术研究[J]. 天然气勘探与开发, 2015, 38(4):4.

4. 王琴, 申峰, 李新春. 一种新型水泥浆体系的研究与应用[J]. 钻采工艺, 2002, 25(3):88-8

5. 彭金龙, 李全双. 抗高温低密度弹塑性水泥浆体系研究与应用[J]. 油气藏评价与开发, 2020, 10(3):5.

6. 毕明清, 何斌斌, 韩婧,等. 低成本超低密度水泥浆体系研究与应用[J]. 承德石油高等专科学校学报, 2021, 23(2):6.

7. 崔海林. 抗高温水泥浆体系的研究及推广[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2020, 40(23):3.