新型抗高温水泥浆体系的研究及应用

瞿志浩 孙晓杰 朱海金 史为纪 雒 闯 殷天龙

（中国石油海洋工程有限公司钻井工程研究院，天津 塘沽 300450）

0 引言

深井的高温高压会引起水泥浆稠化时间突变、水泥浆沉降稳定性变差、水泥石强度衰退等系列问题[1-2]。在设计高温水泥浆时，某些高温缓凝剂可能对降失水剂有破坏作用，造成浆体失水偏大，或者某些高温缓凝剂稀释性很强，会造成浆体沉降和游离水，或者某些高温缓凝剂存在“过缓凝”、“倒挂”等现象，给施工安全带来风险[3]。因此，需要研发抗温能力强、适用范围广的水泥悬浮剂，以提高水泥浆的稳定性，确保高温深井固井施工安全及固井质量[4]。

1 新型抗高温缓凝剂的研发及性能评价

1.1 新型抗高温缓凝剂A的研制

目前国内AMPS类合成缓凝剂效果较明显、应用较广泛[5-6]。 研究选用衣康酸／2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（IA／AMPS）类共聚物作为缓凝剂的缓凝效果。另外，由于衣康酸属于发酵产品，其共聚物可生物降解，是一种环境友好型产品[7-8]。

将AMPS、衣康酸（AI）、去离子水加入反应釜，调节溶液pH值至7，升温至60℃，然后搅拌，通氮气除氧，并滴加引发剂于溶液中，在60℃下连续反应5小时，得到AMPS／IA共聚物溶液。产物经过丙酮反复萃取后，于40℃烘箱中烘干，粉碎得到AMPS／IA共聚物。再将AMPS／IA共聚物与一种羟基羧酸盐按照一定的比例混合，即得到新型抗高温缓凝剂A[9-10]。

图1为该共聚物的的IR谱图，从图谱峰值分析可看出共聚物物含有羧酸基、酰胺基等特征基团，并且没有出现C＝C的特征吸收峰（1680cm-1与1620cm-1之间），说明AMPS与IA进行了充分的共聚反应。

图1 IA／AMPS共聚物红外谱图

1.2 新型抗高温缓凝剂A的温敏性研究

按照克XX井实验条件，研究不同温度下高温缓凝剂A的稠化时间，以考察高温缓凝剂的温度敏感性。基础配方为：阿克苏G级水泥100 g＋细目硅粉50-60 g＋微锰15 g＋铁矿粉10 g＋悬浮剂B2 g＋降失水剂4.5 g＋水61 g＋高温缓凝剂A＋减阻剂4 g＋消泡剂0.5 g。实验温度为160℃，压力为135 MPa，升温时间为100 min，实验结果见表1。

表1 高温缓凝剂A的温度敏感性能测试表

由表1按SY／T 5504.1—2013标准计算得到，高温缓凝剂A每升高5℃的稠化时间变化率未超过15%，满足行业标准小于20%要求。同时从表1还可以看出，随着温度的升高，水泥浆稠化时间有所缩短，无温度倒挂现象，且线性关系较为明显；从典型曲线（图2、图3）可以看出，曲线平滑，稠度无突变现象。

图2 160℃稠化曲线图（480 min）

图3 175℃稠化曲线图（400 min）

1.3 新型抗高温缓凝剂A的掺量敏感性研究

依据塔里木油田高温深井实验条件，研究不同掺量下高温缓凝剂A的稠化时间变化，以考察高温缓凝剂的掺量敏感性。

基础配方为：阿克苏G级水泥100 g＋细目硅粉60 g＋悬浮剂B2 g＋降失水剂5 g＋水56 g＋高温缓凝剂A+减阻剂3 g＋消泡剂0.5 g。实验压力为135 MPa，升温时间为80 min，实验结果见表2。

表2 高温缓凝剂A的掺量敏感性能测试表

由表2按SY／T 5504.1—2013标准计算得到，新型高温缓凝剂A在这几个温度点上的敏感系数未超过20%，均满足行业标准（＜25%）要求。另外，通过表2可以看出，高温缓凝剂A加量与水泥浆稠化时间具有良好的线性关系，并且高温缓凝剂A适用温度高，可应用于190℃的高温环境且稠化时间可调。

2 新型抗高温悬浮剂B的研发及性能评价

2.1 新型抗高温悬浮剂B的研制

抗高温水泥悬浮剂在提高水泥浆悬浮性能的同时，要确保其低温下不过分增稠、高温下不过分稀释，并且对水泥浆的稠化、抗压强度、失水量、下灰时间等性能不会产生不良影响。因此，需要研发具有良好的热稳定性和悬浮能力的抗高温悬浮剂，以提高水泥浆的稳定性，确保高温深井固井施工安全及固井质量[11-12]。

选用AMPS、丙烯酰胺（AM）和N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）为聚合单体。AMPS具有稳定性强的碳链结构和空间位阻效应大的侧基，能提高抗温抗盐性能；AM中具有酰胺基团，可以通过氢键吸附大量水分子，形成水化膜，增大分子间的内摩擦力，使颗粒均匀分散，提升水泥浆的悬浮能力[13-14]。NVP中含有吡咯环，能增强共聚物侧链刚性，可提高抗温性能。选用合适的共聚物摩尔比，在一定的PH条件下反应，然后将反应物进行烘干、粉碎，制得白色粉末，将所得白色粉末与特种无机矿物材料进行复配得到目标产品即新型抗高温悬浮剂B。该特种矿物材料在温度达到100℃以上时，由于水泥浆造就的碱性环境在高温高矿化度条件时的激发作用，特种矿物成分水化加速，并迅速形成立体网架结构，加强悬浮稳定作用。

2.2 新型抗高温悬浮剂B的性能研究

水泥浆基础配方为阿克苏G级水泥100 g＋细目硅粉60 g＋悬浮剂B＋降失水剂5 g＋水56 g＋高温缓凝剂A＋减阻剂3 g＋消泡剂0.5 g。性能评价按照《油井水泥试验方法》（GB／T 19139-2012）进行。

2.2.1 稳定性研究

将制备好的水泥浆倒入高温高压稠化仪中，按照升温方案将温度升至200℃后继续搅拌30 min，然后温度降至90℃后取出；将水泥浆倒入搅拌浆杯，以4 000 r／min搅拌15 s，再倒入500 mL量筒。在90℃养护箱内静置2 h后，用钻井液密度计测上部、中部、下部密度。水泥浆上下密度差等于水泥浆下部密度值与上部密度值之差[15]。在水泥浆中加入不同量的悬浮剂，测得其加量与沉降稳定性的关系，结果见图4。由图4可知，悬浮剂在水泥浆中的加量大于1.5%时，可控制水泥石上下密度差小于0.05 g／cm3。可见，该悬浮剂能保证水泥浆在高温下的沉降稳定性能。

图4 水泥浆沉降稳定性与悬浮剂加量的关系曲线图

2.2.2 水泥浆稠化性能研究

在基础配方水泥浆中加入2%悬浮剂，测试悬浮剂前后水泥浆的稠化曲线如图5、图6所示。由图5可知，基础配方水泥浆在稠化初始阶段稠度基本为20 Bc，随着温度升高稠度逐渐变小，温度达到预定温度后水泥浆高温稀释，稠度基本降低到4 Bc；加入2%悬浮剂的水泥浆在开始稠化前稠度基本稳定为26 Bc，升温结束后稠度基本稳定在20 Bc，水泥浆高温稀释不明显。因此，该悬浮剂能够保证水泥浆体系在低温下不过分增稠，高温下不会过度稀释，可保持稠度的相对稳定性。

图5 无悬浮剂稠化曲线图（376 min）

图6 2%悬浮剂稠化曲线图（392 min）

3 新型抗高温水泥浆体系综合性能评价

据克XX井的实验条件，研究了掺有新型抗高温缓凝剂A、抗高温悬浮剂B的水泥浆体系的稠化、失水、抗压强度、游离液、稳定性等综合性能，结果见表3。从表3可以看出该抗高温水泥浆的失水控制在50 mL以下，28 d抗压强度在14 MPa以上，满足后续开采需要。水泥浆游离液在0.5 mL以下，上下密度差小于0.05 g／cm3，稠化时间满足施工要求。

4 新型抗高温水泥浆体系在克XX井应用

克XX井是位于塔里木盆地库车坳陷克拉苏构造带克深区带上的一口预探井，该井五开采用∅149.2 mm钻头钻至井深8 000 m完钻，准备下入∅127 mm套管进行悬挂固井，封固已钻开裸眼地层，为下步钻进提供保障。该井井下静止温度为178℃，循环温度为160℃，水泥浆密度为1.96 g／cm3。主要固井难点包括：① 井底温度、压力较高，对水泥浆抗高温性能及稳定性要求高；② 地层压力窗口窄，钻进过程中发生过井漏，下套管和固井施工期间井漏风险大；③ 环空间隙小，水泥环薄，超高温高压下，水泥石封固质量难以保证。根据该井井况对固井方案进行优化，主要技术措施如下：① 采用新型抗高温水泥浆体系，优化水泥浆配方，使其性能符合固井规范要求和现场施工条件；② 改善水泥石的力学性能，既能满足高温考验及薄水泥环压裂要求，又能封堵窜流通道和漏失层，确保水泥石高温强度衰减；③ 为降低环空摩阻，优化水泥浆流变性能。

表3 抗高温水泥浆体系性能评价表

固井施工流程：注前冲洗型隔离液15 m3，密度1.93 g／cm3；注水泥浆12.7 m3，密度1.96／cm3；注后冲洗型隔离液6 m3，密度1.93 g／cm3；泵替钻井液67.8密度1.90 g／cm3，固井施工过程顺利。后期固井质量全部合格，并且负压验窜通过，达到了固井目的。

5 结论

1）新型抗高温缓凝剂A温敏性以及掺量敏感性研究说明该缓凝剂对温度、掺量不敏感，具有良好的缓凝作用，适用温度高。

2）室内研究结果表明，加入新型抗高温悬浮剂B的水泥浆无包心及稠度下降现象。经200℃高温养护形成的水泥浆上下密度差小，达到了提高水泥浆高温稳定性的目的。并且该高温悬浮具有适应温度范围宽、配伍性好等优点。

3）采用缓凝剂A以及悬浮剂B研发的新型抗高温水泥浆体系应用温度范围为100～180℃，稠化时间可调，失水量控制在50 mL以内，上下密度差在0.05 g／cm3以内，稳定性和流变性能良好，后期高温强度稳定。该体系在克XX井进行了试验，现场施工顺利，负压验窜通过，可在塔里木油田及其他地区的高温深井固井作业中推广应用。