大港潜山固井用水泥浆体系评价研究

赵殊勋，王亚楠，饶辰威，刘子帅

（1.渤海钻探工程公司第二固井公司，天津300000；2.俄罗斯秋明国立石油天然气大学，俄罗斯秋明州625061；3.川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，陕西西安710000；4.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京100000）

近2年油价低位徘徊，大港油田为拓展勘探、增储建产，由前期以千米桥、王官屯、埕海等为主的潜山油气开发，转为主攻高位潜山。但受埋深及裂缝发育等因素影响，固井需采用抗高温、低密度、防窜性能好的水泥浆体系，以满足固井技术需求，为大港油田增储建产提供技术支撑。大港潜山固井主要存在以下问题：①埋藏较深，约2500～3500m。地层温度梯度约2.7℃/100m，井底温度80℃～125℃，对水泥浆的抗高温性能、稳定性、失水等性能要求高；②地层压力复杂，裂缝发育，井漏严重，潜山中生界、奥陶系地层恶性漏失频发，低密度水泥浆优选困难；③封固段气层活跃，油气上窜速度大，其中港古1605井设计井深2573m，钻进至2377m，发生恶性漏失，提前完钻；港古1601井钻进中全烃最高峰值5.5548%，后效油气上窜高度185.09m，中途测试出水1.06m3,无油气显示，对固井水泥浆的防窜性能提出了挑战。

1 水泥浆体系评价方法

针对大港潜山固井对水泥浆体系技术要求，主要针对 1.20g/cm3、1.40g/cm3、1.60g/cm3低密度水泥浆体系，1.90g/cm3常规密度水泥浆体系进行高温稳定性试验、API失水、稠化时间、抗压强度、弹性模量进行试验评价，并对SPN系数进行计算。具体试验方法见表1。

2 主要外加剂

2.1 降失水剂

（1）降失水剂HX-12L。HX-12L是一种抗高温降失水剂，具有控制水泥浆失水量效果好，高温游离液低，对水泥浆稠化时间无影响，同时与其它外加剂配伍性良好等特点[1]。

（2）降失水剂DRF-3S。降失水剂DRF-3S是一种以高分子化合物为主的材料，在水泥浆中会吸附于水泥颗粒表面，相互交联后在水泥浆体系中形成交联网络，在水泥浆与地层间的压差作用下，在界面处形成致密的低渗透滤失膜，保证水泥浆体系的低失水[2]。

（3）降失水剂G33S。G33S是一种性能良好的固态高温抗盐降失水剂，它具有很强的热稳定性、抗盐性能以及配伍性。适用于含盐量5%～37%的水泥浆，在施工中能起到高效降失水性能；同时可在二界面形成水泥颗粒填充的薄滤饼，更能有效改善胶结质量[3]。

2.2 缓凝剂

（1）缓凝剂HX-36L。缓凝剂HX-36L具有良好的缓凝作用，且加量与稠化时间具有良好的线性关系，对水泥石的早期强度发展影响较小[1]。

（2）缓凝剂GH-9。高温缓凝剂GH-9是一种综合性能比较好的中深井缓凝剂,能够满足固井施工的要求:缓凝效果明显，稠化时间随其加量按比例延长，并且现场已于控制，应用范围广[4]。

（3）缓凝剂DRH-1L。缓凝剂DRH-1L的主要成分为有机磷酸盐，具有加量低、线性关系好、不破坏水泥石强度等优点，可用于淡水及盐水水泥浆中，最高使用温度为130℃[5]。

表1 水泥浆评价方法

（4）缓凝剂HN-1。缓凝剂HN-1可抗温150℃，其具有良好的缓凝性能，水泥浆稠化时间随HN-1加量增加而延长，接近直角稠化。同时缓凝剂HN-1对水泥浆的分散效果明显，改善了水泥浆流变性，并与其它外加剂具有良好的配伍性，抗盐效果较好，对水泥石抗压强度影响较小[6]。

2.3 其它外加剂

（1）防窜剂FLOK-2。防窜剂FLOK-2可在水泥浆内能够充分溶解，并构建空间网架结构，提高水泥浆基体对地层流体的抗窜能力[1]。

（2）增强材料DRB-1S。增强材料DRB-1S由多种具有活性的超细材料构成，这些微粒可以堵塞水泥颗粒间的空隙，减少水泥基质的渗透率；另一个特性，其具有很大的比表面积，具有较高的凝硬活性，并能与水泥水化形成的Ca(OH)2反应，从而进一步减少水泥基质的渗透率并提高渗透率[2]。

（3）乳胶粉DRT-1S。乳胶粉DRT-1S是一种密度为1.70g/cm3的可再分散聚合物粉末，在与水混合后，可以恢复到其原始乳液状态，具有极突出的粘结强度，水溶性与再分散性强。在水泥浆中，随着水化反应的进行，水化产物增多，乳胶粉DRT-100S逐渐聚集在毛细孔中，并在凝胶体表面和未水化的水泥颗粒上形成紧密堆积层，减少了微裂缝的产生[7]。

（4）膨胀剂G401。膨胀剂G401主要依靠水泥水化产物晶体膨胀，能补偿因水泥浆（石）收缩，并产生体积微膨胀，有利于防窜，压缩水泥石孔隙并改善孔分布，达到提高强度和降低渗透率的目的，在受限状态下产品预应力，提高水泥环的胶结强度，有利于防止水泥石及套管的腐蚀，控制环流[8]。

（5）增韧材料DRE-3S。DRE-3S是一种具有火山灰活性、低弹性模量的膨胀增韧材料。DRE-3S与水泥水化产物反应可以生成具有阻裂增韧作用的纤维状晶格膨胀效应的物质，提高水泥石韧性。另一方面由于DRE-3S自身的低弹性模量特征，可以有效降低水泥石弹性模量，实现阻裂增韧和低弹性模量双重韧性改造[9]。

3 1.20g/cm3超低密度水泥浆体系评价

优选并评价1.20g/cm3超低密度水泥浆体系2套，分别为超低密度防窜水泥浆体系、超低密度高强韧性水泥浆体系。

超低密度防窜水泥浆体系主要采用防窜剂FLOK-2、降滤失剂HX-12L以及缓凝剂HX-36L为主剂，配套减轻剂LWA-3和微硅调节密度和稳定性。配方为华银G级水泥+8%微硅+30%减轻剂LWA-3+12%防窜剂FLOK-2+6%降滤失剂HX-12L+4.4%油井水泥用减阻剂FS-13L+100%水+%缓凝剂HX-36L。

超低密度高强韧性水泥浆体系主要采用增强材料DRB-1S和早强剂DRA-1S对水泥石空隙进行填充和提高水泥石抗压强度，通过乳胶粉DRT-1S提高水泥浆防窜性能，同时有利于降低水泥石弹性模量。配方为华银G级水泥+82%增强材料DRB-1S+129%漂珠+4%乳胶粉DRT-1S+6%降失水剂DRF-3S+1.5%分散剂DRS-1S+早强剂DRA-1S+192%水。 实验结果见表2。

表2 超低密度水泥浆实验结果

通过表2实验结果可以看出，超低密度防窜水泥浆体系具有良好稠化时间可调，早期强度高过渡时间短等特点，同时在静止温度条件下的水泥浆稳定性好和较低的失水性能。超低密度高强韧性水泥浆体系高温稳定性好，失水量低、稠化时间可调，过渡时间短（见图1），同时具有较高的抗压强度和较低的弹性模量，满足大港潜山固井水泥浆需要。

图1 超低密度高强韧性水泥浆体系稠化曲线

4 1.40g/cm3低密度水泥浆体系评价

优选并评价1.40g/cm3低密度水泥浆体系2套，分别为低密度膨胀水泥浆体系、低密度高强防窜水泥浆体系。

低密度膨胀水泥浆体系主要采用膨胀剂YXPZ-1、配套减轻剂BYJ-1、降失水剂JS-2以及缓凝剂HN-1，可调节水泥浆密度，控制水泥浆失水和稠化时间。配方为华银G+2%降失水剂JS-2+3%膨胀剂YX⁃PZ-1+29%减轻剂BYJ-1+0.5%分散剂GF-1+10%微硅+缓凝剂HN-1+102%水。

低密度高强防窜水泥浆体系优选马鞍山空心玻璃微珠，以提高水泥浆高温稳定性和早期强度，同时优选乳胶粉DRT-1L，增强水泥浆防窜能力。配方为华银G级+10%增强材料DRB-1S+22%玻璃微珠+4%增韧材料DRE-3S+2%乳胶粉DRT-1S+2.5%降失水剂DRF-3S+缓凝剂DRH-1L+0.5%分散剂DRS-1S+80%水。

实验结果见表3。

通过表3实验结果可以看出，低密度膨胀水泥浆体系稳定，失水量低、强度发展快，稠化时间可调，过渡时间短（见图2），具有较强的防窜能力。低密度高强防窜水泥浆体系具有稠化时间可调，过渡时间短，同时抗压强度高、弹性模量低等特点。

5 1.60g/cm3低密度水泥浆体系评价

优选并评价1套1.60g/cm3低密度高强增韧水泥浆体系。

高强增韧水泥浆体系主要在1.20g/cm3的超低密度高强韧性水泥浆体系进行了优化，对漂珠的加量进行了调整，增加了增韧材料DRE-3S，在提高强度的同时降低水泥石弹性模量。配方为华银G级+15%增强材料DRB-1S+15%漂珠+4%增韧材料DRE-3S+2%乳胶粉DRT-1S+3.5%降失水剂DRF-3S+0.5%分散剂DRS-1S+1%早强剂DRA-1S+缓凝剂DRH-1L+66%水。

实验结果见表4。

通过表4实验结果可以看出，高强增韧水泥浆体系24h抗压强度高，弹性模量低，同时稠化时间可调，过渡时间短（见图3），失水量低，具有一定的防窜能力。

图2 低密度膨胀水泥浆体系稠化曲线

6 1.90g/cm3常规密度水泥浆体系评价

优选并评价1.90g/cm3常规密度水泥浆体系3套，分别为膨胀水泥浆体系、高强水泥浆体系以及高强韧性防窜水泥浆体系。

膨胀水泥浆体系主要采用膨胀剂G401S为主剂，配套降失水剂G33S及缓凝剂GH-9，以提高水泥浆的膨胀率，同时控制水泥浆失水，调节稠化时间。配方为华银G级水泥+2.5%降失水剂G33S+2.5%膨胀剂G401+缓凝剂GH-9+45%水。

高强水泥浆体系主要采用降失水剂HX-12L、缓凝剂HX-36L为主剂，可有效控制水泥浆失水量，同时调节水泥浆稠化时间。配方为华银G级水泥+3%微硅+9.5%悬浮稳定剂FLOK-2+2.5%降失水剂HX-12L+缓凝剂HX-36L+43%水。

高强韧性防窜水泥浆体系优选超细增强材料DRB-1S和早强剂DRA-1S，可有效提高水泥石早期强度和长期强度，并可调节稠化时间；采用增韧材料DRE-3S和乳胶粉DRT-1S，可对降低水泥石弹性模量和提高水泥浆防窜性能；并配套降失水剂DRF-3S可有效控制水泥浆失水量。配方为华银G级水泥+4%增强材料DRB-1S+6%增韧材料DRE-3S+2%乳胶粉DRT-1S+2.5%降失水剂DRF-3S+0.5%分散剂DRS-1S+早强剂DRA-1S+46%水。

表4 低密度水泥浆实验结果

图3 高强增韧水泥浆体系稠化曲线

实验结果见表5。

表5 常规密度水泥浆实验结果

通过表5实验结果可以看出，膨胀水泥浆体系膨胀率较高，达到了0.11%，同时强度发展快，24h抗压强度达到了28.1MPa。水泥浆稠化时间可调，过渡时间13min，具有良好的防窜性能。高强水泥浆体系具有良好的高温稳定性，抗压强度较高，24h抗压强度达到31.6MPa，同时稠化时间过渡时间短，防窜性较强。高强韧性防窜水泥浆体系抗压强度高，24h抗压强度达到32.2MPa，弹性模量6.8GPa，失水量32mL，过渡时间8min（见图4），具有良好的力学性能和防窜性能。

图4 高强韧性防窜水泥浆体系稠化曲线

7 结论

（1）针对大港潜山固井对水泥浆技术要求，优选出降失水剂3种、缓凝剂4种，可以满足对水泥浆降失水、调节稠化时间等要求；筛选其它配套外加剂5种，可满足水泥浆防窜性能以及提高水泥石韧性的要求。

（2）针对候凝过程中的水泥浆失水、稳定性要求，提出了以静止温度为实验温度，对水泥浆候凝过程中的性能要求更严格。

（3）形成的超低密度、低密度、常规密度水泥浆体系8套，均具有良好的稳定性，失水量低、稠化时间可调，抗压强度高，具有良好的防窜性能，可用于大港油田潜山固井。

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