稠油热采井抗350 ℃高温硅酸盐基水泥浆

张华 ，靳建洲，刘明涛，肖云峰，张晓兵，郭锦棠张同颖

（1.天津大学化工学院，天津 300350；2.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京 102206；3.辽河油田分公司钻采工艺研究院，辽宁盘锦 124000；4.渤海钻探工程公司工程技术处,天津300457 ）

中国陆上稠油资源占原油总量的21%，主要分布在辽河、胜利、新疆等油田。海域稠油资源占探明总量的65%。目前稠油开采主要以热力采油为主，热力采油时蒸汽温度通常高达350 ℃。在高温热采条件下，井筒将反复多周期经受蒸汽产生的高温，油井水泥环在高温下抗压强度衰退，渗透率增加，水泥石的稳定性和均质性遭到破坏，这直接影响井筒完整性，大大缩短稠油热采井的生产寿命，降低开采效率[1-2]。目前主要采用硅酸盐水泥加石英砂、铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥作为固井水泥浆体系，虽然高温抗压强度较普通加砂水泥有所提高，但仍存在一些问题。①硅酸盐水泥加石英砂的350 ℃高温抗压强度衰退很严重，水泥环易失去层间封隔能力。②铝酸盐水泥或磷铝酸盐水泥的价格很贵，一般是硅酸盐水泥的十几倍。③开发适合铝酸盐水泥或磷铝酸盐水泥的降失水剂、缓凝剂等外加剂的难度大，而硅酸盐水泥有现成的配套外加剂。④目前硅酸盐水泥在固井行业的应用还是占据主要市场，各固井施工单位的固井设备几乎都接触过硅酸盐水泥，而铝酸盐水泥或磷铝酸盐水泥一旦接触硅酸盐水泥就会絮凝，敏感性很强，易引起固井事故。⑤普通硅酸盐水泥加石英砂、铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥的350 ℃高温水泥石抗压强度小于20 MPa[3]。通过分析高温增强作用机理，开发出高温特种增强材料，研发出综合性能良好的抗350 ℃高温硅酸盐基水泥浆体系，解决了硅酸盐水泥高温强度低、长期强度衰退等难题，满足蒸汽驱稠油热采井固井需求，支撑了稠油热采井长期、安全开发。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

油井G 级水泥，石英砂，高温特种增强材料DRB-4S，增韧防裂材料DRN-2S，分散剂DRS-1S，降失水剂DRF-1S，缓凝剂DRH-1L。

1.2 实验方法

1.2.1 水泥浆性能测试方法

按照GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》进行抗350 ℃高温硅酸盐基水泥浆体系性能测试。

1.2.2 水泥浆实验仪器

电子天平、瓦楞搅拌器、高温高压稠化仪、抗压强度测试仪、高温高压失水仪、XRD 分析仪、SEM 分析仪等。

2 结果与分析

2.1 高温增强作用机理

1）原浆水泥石高温强度衰退原因分析：单硫型水化硫铝酸钙（板状或片状）高温转变为钙矾石时，因结构水增加、体积膨胀，导致水泥石结构破坏而强度下降；氢氧化钙是层状，其层间较弱的联结，可能引起水泥石受力的应力集中，导致高温水泥石开裂；温度超过200 ℃，对于水泥原浆，其主要水化产物仍以板块状水化硅酸钙、氢氧化钙等为主，但水化产物间结构疏松[4-6]。

2）加砂水泥高温强度发展机理分析。改善硅钙比，水泥水化产物氢氧化钙、水化硅酸钙等与石英砂反应后含量极大降低，提高水泥石结构稳定性；细纤维状雪硅钙石相互穿插形成致密的网架结构，提高水泥石致密性及抗压强度；部分雪硅钙石转变为硬硅钙石，晶体变粗，网架结构不稳定，从而导致加砂水泥石在一定程度上也会出现强度衰退[7-8]。

结合原浆、加砂水泥的高温强度发展情况与强度衰退机理，提出了水泥石350 ℃高温强度防衰退增强作用机理：调节硅钙比，掺入石英砂，降低氢氧化钙、水化硅酸钙等含量；掺入抗高温微米材料、含铝类材料等，引入与诱导生成抗高温晶相，提高高温下水泥石骨架结构的稳定性；掺入纤维类材料消除应力集中、防裂、增强[9-10]；多尺寸材料的紧密堆积提高水泥石致密性及强度。

2.2 抗350 ℃高温硅酸盐基水泥浆体系

2.2.1 高温特种增强材料DRB-4S对水泥石高温强度的影响

以高温增强作用机理为水泥浆配方设计的理论基础，初步确定抗350 ℃高温硅酸盐基水泥浆常规密度配方如下。

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嘉华G级水泥+X%DRB-4S+1.5%DRF-1S+1.2%DRS-1S+50%200目石英砂+X%水+1%DRN-2S

当高温特种增强材料加量分别为0、5%、10%、15%时，先在70 ℃×20.7 MPa下养护3 d，再在350℃×20.7 MPa下养护3 d 后的水泥石强度分别为4.8、19.6、30.4、27.5 MPa。可以看出当高温特种增强材料加量为10%时，水泥石强度可达30.4 MPa。

2.2.2 水泥浆配方优化

为了进一步提高抗350 ℃高温硅酸盐基水泥石强度，需对水泥浆配方中石英砂加量、石英砂目数、增韧防裂材料DRN-2S 加量等参数进行优化实验，结果见表1。水泥浆配方如下。

嘉华G 级水泥+10%DRB-4S+X% 石英砂+1.5%DRF-1S+1.2%DRS-1S+X%水+X%DRN-2S，密度为1.90 g/cm3

表1 抗350 ℃高温硅酸盐基水泥浆常规密度配方优化

由表1 可知，当200 目石英砂加量为50%时，水泥石抗压强度最高；当石英砂加量一定的前提下，随着石英砂目数越高，石英砂粒径越小，高温下更易与水泥水化产物发生反应，因此水泥石抗压强度越高，但石英砂目数越高，成本越高，且同等加量下水泥浆稠度越高，因此优选200 目石英砂作为配方用石英砂目数，当增韧防裂材料DRN-2S 加量为2%时，水泥石抗压强度最高。

2.2.3 水泥浆综合性能

表2 抗350 ℃高温硅酸盐基水泥浆常规综合性能

从表2 可知，抗350 ℃高温硅酸盐基水泥浆体系的沉降稳定性小于0.02 g/cm3，游离液量为0，API 失水量小于50 mL，流动度大于20 cm，稠化时间可调性好，70 ℃水泥石24 h 抗压强度大于14 MPa，满足现场固井施工要求。对不同配方水泥石进行抗压强度实验，水泥浆配方如下。

1#嘉华G 级水泥+10%DRB-4S+50%200 目石英砂+1.5%DRF-1S+1.2%DRS-1S+60% 水+2%DRN-2S+0.3%DRH-1L

2#嘉华G 级水泥+10%DRB-4S+50%200 目石英砂+1.5%DRF-1S+1.2%DRS-1S+56%水+1%DRN-2S

在70 ℃×20.7 MPa 下，将1#和2#配方水泥石养护3 d 后的抗压强度分别为 23.2、18.2 MPa；在350 ℃×20.7 MPa 下，将2#配方水泥石养护3 d 后的抗压强度为4.8 MPa，且2#配方水泥石有明显裂纹，将1#配方水泥石养护7 d 后的抗压强度为39.6 MPa。将1#配方水泥石先在70 ℃×20.7 MPa下养护3 d，再在350 ℃ ×20.7 MPa 下养护7 d 后，进行 2 轮次测试，1#配方水泥石强度2 轮次分别为41.3、41.9 MPa，且1#配方水泥石完整无裂纹。可以看出，350 ℃高温下水泥石抗压强度大于 40 MPa，高温抗压强度发展稳定，水泥石结构完整，满足稠油热采井现场工程应用需求。

2.3 微观结构对比

对纯水泥石与抗350 ℃高温硅酸盐基水泥石进行微观结构对比，养护条件为70 ℃×20.7 MPa 养护3 d，再350 ℃×20.7 MPa 养护7 d，SEM 分析见图1，XRD 分析见图2。

图1 纯水泥石（左）和抗350 ℃高温硅酸盐基水泥石（右）的SEM 图

图2 纯水泥石和抗350 ℃高温硅酸盐基水泥石的XRD 图

从图1 和图2 可知，纯硅酸盐水泥石，SEM下可观察到粗状晶体，结构疏松，通过XRD 分析可知，该水泥石中存在氢氧化钙、水化硅酸钙等高温下不稳定的晶相。而对于抗350 ℃硅酸盐基水泥石，SEM下可观察到大量细纤维状晶体交错，结构紧密，通过XRD 分析可知，该水泥石中存在硬硅钙石、铝酸钙、磷酸钙、磷铝酸钙、硅铝酸钙等抗高温晶相，因此通过以上微观分析可知，水泥水化产物的氢氧化钙、水化硅酸钙等与高温特种增强材料DRB-4S、石英砂发生反应生成了硬硅钙石、铝酸钙、磷酸钙、磷铝酸钙、硅铝酸钙等高温下稳定的晶相，明显降低了体系中氢氧化钙、水化硅酸钙等物质含量，确保了高温下水泥石结构的稳定性和完整性，保障了水泥石力学性能的可靠性。

3 结论与建议

1.探明350 ℃高温水泥石增强作用机理，指导蒸汽驱稠油热采井固井用抗350 ℃硅酸盐基水泥浆配方设计。350 ℃硅酸盐基水泥浆的沉降稳定性小于0.02 g/cm3，游离液量为0，API 失水量小于50 mL，流动度大于20 cm，稠化时间可调性好，70 ℃水泥石24 h 抗压强度大于14 MPa，满足现场固井施工要求。

2.3 轮次养护下，抗350 ℃硅酸盐基水泥石的30 d 抗压强度大于40 MPa，高温抗压强度发展稳定，满足稠油热采井的现场工程应用需求，突破了超高温下硅酸盐水泥强度低、铝酸盐及磷铝酸盐水泥必用的困境，促进了超高温水泥浆技术进步。

3.以抗350 ℃硅酸盐基水泥浆配方为基础，优化改进开发出600 ℃火驱稠油热采井固井用硅酸盐基水泥浆体系。