高温高压井固井水泥浆体系研究

金勇，邓成辉

（中海石油有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000）

随着深层以及超深层油气开发的进行，钻遇高温高压地层的油气井越来越多。与常规油气井相比，高温高压油气井在固井作业方面对水泥浆要求更高[1-2]。目前固井现场使用最普遍的波特兰油井水泥在温度大于110 ℃时易出现强度衰退现象，在高温作业环境下一般需要添加高温稳定材料才能应用于固井[3-6]。常用的水泥浆添加剂材料，如缓凝剂、降失水剂，极易受到温度的影响出现稠化反转或者作用失效的情况。此外，高温高压固井作业通常需要较高密度的水泥浆体系才能更好地压稳地层，以满足固井作业的要求。因此，针对高温高压油气井固井作业，需要研究一系列固井材料，才能构建性能优异的水泥浆体系用于固井施工。

针对高温高压油气井固井水泥浆开发的难点，室内研究了构建高温高压固井水泥浆的关键材料，并对构建的水泥浆体系进行评价。研究成果为高温高压井固井水泥浆体系设计与应用提供指导与支持。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

G 级油井水泥（葛洲坝特种水泥厂），缓凝剂H60L、降失水剂CG68L、分散剂CF42L（自制），加重剂、高温稳定剂、微硅、消泡剂CX60L（荆州嘉华科技有限公司）。

1.2 实验方法

水泥浆的制备与性能评价依据GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》中的相应规定进行。

2 实验结果与讨论

2.1 水泥浆体系关键添加剂研究

2.1.1 高温分散剂研究

分散剂是固井水泥浆中降低水泥浆水灰比，并改善水泥浆流变特性的外加剂[7]。固井水泥净浆流变性通常较差，调节水泥浆的流动性需要添加合适的外加剂材料对水泥浆的浆体结构进行有效破坏。目前采用的最有效的方法是通过向水泥浆中掺入分散剂，通过化学添加剂的吸附作用，降低浆体结构和颗粒的结合力，达到稀释分散的作用。室内针对高温水泥浆的需求，研选了一种分散剂CF42L，并对分散剂的性能进行评价，实验结果见表1。

表1 不同分散剂加量水泥浆性能

从表1 的实验结果可以看出，随着分散剂CF42L 加量的增加，水泥浆流变性测试读数降低，说明分散剂CF42L能对水泥浆的流变性能进行较好的调节，提高水泥浆的流动性能。此外，当分散剂CF42L 加量在4%时，水泥浆出现少量自由液，水泥浆浆体稳定性受到影响，因此，分散剂CF42L 在使用时需要合理地控制其加量。

2.1.2 高温降失水剂研究

降失水剂是固井水泥浆中用于控制水泥浆中液相向渗透性地层滤失的外加剂。通常认为降失水剂降低失水量的机理主要是降低滤饼渗透率、使滤饼形成极化水层、提高浆体滤失阻力等[8-9]。国内外固井所用的耐高温降失水剂主要有耐高温聚合物降失水剂和超细颗粒降失水剂，其中超细颗粒材料只是利用级配关系堵塞水泥颗粒间的孔隙来降低失水的，其降低能力是有限。室内研选了一种耐高温聚合物降失水剂CG68L，并对其性能进行评价，实验结果见图1。

图1 不同加量降失水剂水泥浆性能

从图1 的实验结果可以看出，随着降失水剂加量的增多，水泥浆的失水量下降明显，水泥石抗压强度下降较小。当降失水剂加量达到4%时失水量在50 mL 以内，比空白水泥浆失水量下降37 mL，水泥浆的失水量降低幅度较大。实验结果表明，降失水剂CG68L 能有效降低水泥浆的失水量，且对水泥石抗压强度影响较小。

2.1.3 高温缓凝剂研究

缓凝剂在固井水泥浆中的主要作用是延长水泥浆稠化时间，防止水泥浆过早无法流动，以确保施工安全。缓凝剂通过表面吸附、生成表面沉淀等方式在固井水泥浆中起作用[10]。由于稠化时间受温度影响较大，因此性能优良的耐高温缓凝剂对抗高温固井水泥浆体系来说至关重要。室内对研选的高温缓凝剂H60L 的性能进行评价，实验结果见图2。

从图2 的实验结果可以看出，缓凝剂H60L 能有效调节水泥浆的稠化时间，0.6%加量下缓凝剂的稠化时间在3 h 以上。随着缓凝剂加量的增加，水泥浆的抗压强度下降，且加量在0.6%以上时抗压强度下降幅度增大。考虑高温缓凝剂H60L 对水泥浆性能的综合影响，使用过程中应控制合适的加量。

图2 不同加量缓凝剂水泥浆性能

2.1.4 加重剂研究

铁矿粉加重剂是目前在固井水泥浆中应用最普遍的加重剂之一，但是其在加量较高时容易引起水泥浆增稠明显、抗压强度下降等问题[11]。为了克服铁矿粉加重剂的缺陷，室内制备了一种复合加重材料，并在相同加量下对加重剂性能进行对比评价，实验结果见表2。

表2 加重剂性能

从表2 可以看出，相同的加量下，复合加重剂构建的水泥浆体系密度比铁矿粉加重剂水泥浆略高。复合加重剂水泥浆的流变性读数更低，对流变性影响更小，且抗压强度高于铁矿粉水泥浆体系。实验结果表明了制备的复合加重剂材料在高密度水泥浆中的应用效果优异，可作为高密度水泥浆的加重材料。

2.2 水泥浆体系性能评价

通过不同添加剂材料的研究，室内构建了耐高温的高密度水泥浆体系，水泥浆组成为：100%水泥+55%淡水+3%分散剂CF42L+6%降失水剂CG68L+35%硅粉＋0.6%缓凝剂H60L+0.6%消泡剂CX60L+3%微硅+115%复合加重剂（密度2.3 g·cm-3）。

2.2.1 水泥浆体系常规工程性能评价

水泥浆的常规工程性能主要包括流变性、失水量和稠化时间。水泥浆具有良好的流变性可以保证水泥浆在固井施工过程中具有很好的泵送性能，提高水泥浆顶替效率[12-13]。水泥浆的稠化时间是控制固井作业安全时间的关键参数[14]。水泥浆的失水量与固井质量和储层保护密切相关。为研究开发的耐高温水泥浆体系的工程性能，室内评价的水泥浆流变性、失水量实验结果见表3。

表3 水泥浆体系常规工程性能

从表3的数据可以看出，水泥浆体系流变性好，失水量小于50 mL。水泥浆稠化时间达到203 min，大于3 h，满足安全固井施工要求。实验结果表明，构建的抗高温固井水泥浆体系的常规工程性能满足固井作业要求，且具有较好的抗温能力。

2.2.2 水泥石高温稳定性评价

抗压强度是水泥石被破坏时能承受的最大外力。水泥石需要具有良好的抗压强度才能支撑和保护套管[15]。由于高温环境下水泥石抗压强度易衰退，因此，评价水泥石在高温环境下的稳定性，对研究高温水泥浆长期封固稳定性具有重要意义。室内在80 ℃环境下养护24 h 制备了抗高温水泥石，作为高温养护空白试样。水泥石在180 ℃环境下分别养护不同天数，测试水泥石抗压强度的稳定性，实验结果见图3。

图3 水泥石高温稳定性

从图3 可以看出，在高温养护前期，水泥石抗压强度随着养护时间的延长增加，且在高温养护3 d内增长较快。当养护时间大于7 d 时，水泥石的抗压强度有少量的下降。养护28 d 时水泥石的抗压强度与养护14 d 时无明显变化。水泥石养护后期抗压强度较稳定，且抗压强度较高，能满足高温固井作业长期封固的要求。

3 结 论

1）研究的高温分散剂能有效调节水泥浆的流变性，高温降失水剂可较大幅度地降低水泥浆的失水量。

2）高温缓凝剂可调节水泥浆的稠化时间，保障水泥浆安全施工；复合加重剂比铁矿粉在高密度水泥浆中的应用效果更优异。

3）构建的高密度水泥浆体系常规工程性能满足固井要求，180 ℃条件下水泥浆的高温强度稳定，有助于高温井长期封固。