抗高温高密度固井水泥浆体系研究

2022-08-30侯海欧

石油化工应用 2022年7期

侯海欧

（中海油田服务股份有限公司油化塘沽作业公司，天津 300459）

在钻井的过程中,井下条件愈复杂,井底温度和地层压力的变化幅度也就越大。常规类型的油井水泥浆和添加剂已经不能满足高温固井的性能需求。常规类型的固井水泥浆会在高温条件下更快的衰减强度，更容易破碎并且产生裂缝，温度较高的情况下甚至会使井下水泥环开裂，彻底失去其力学机械性能并产生坍塌[1-3]。同时，高温环境下油井水泥浆的水化速度变的非常快速，水泥浆的稠度也会相应变得增长过快，此时需要再添加高温缓凝剂以便使增稠时间合理，保证施工方面的安全性。高温环境也会对水泥浆的流变性、失水量等性能产生较大的影响，需要研究出适用于高温环境下的添加剂材料。此外，高温高压固井通常要求水泥浆具有较高的密度，而目前的高密度水泥浆体系普遍存在表观黏度高、现场混配困难、沉降稳定性差、性能调节困难、抗压强度低等缺点[4-6]。这对如何设计符合现场施工要求固井水泥浆提出了更大的挑战。

针对高温高密度水泥浆影响性能的各种因素和配方组成的设计难点，室内对不同添加剂材料进行研究，并构建不同密度的高温高密度水泥浆体系，为高温高压油气井固井作业提供技术支持。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

油井水泥，高温稳定剂、分散剂、加重剂、降失水剂、缓凝剂、增强剂，消泡剂。

1.2 实验方法

本文中水泥浆的配制和性能评价，均依据GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》中的相应规定进行。

2 水泥浆体系关键添加剂研究

2.1 高温稳定剂研究

一般用于深井或高温井的各类型水泥，一般在井下温度大于110 ℃就会出现强度降低。所以，只要井底静止温度大于等于110 ℃时，都会造成水泥石的强度衰退，所以这种情况下需要使用抗高温水泥浆体系。选择硅粉作为外掺料加入水泥浆中，可以有效的防止高温环境下水泥石强度的衰退。室内将35%作为高温稳定剂，研究不同目数硅粉对水泥浆性能的影响，实验数据（见表1）。

从表1 可以看出，不同目数的硅粉都能有效防止高温条件下水泥石强度衰退。硅粉目数越高，水泥石的抗压强度更高，且强度下降更小。混合硅粉对水泥石抗压强度的稳定性作用效果更好。其原因可能是不同目数硅粉颗粒级配的效果。因此，在构建抗高温水泥浆时，使用混合硅粉作为高温稳定剂。

2.2 加重剂研究

用作高温高密度固井水泥浆的加重剂一般需要满足需水量少、与添加剂有良好的相容性、与水泥浆的其他固相颗粒间具有合理的颗粒粒径分布。目前，国内外常用的固井水泥浆加重剂主要有重晶石、铁矿粉和锰矿粉，室内研究了不同加重剂对水泥浆性能的影响，结果（见表2）。

从表2 实验结果可以看出，三种加重剂均能提高水泥石的密度，但是锰矿粉加重剂水泥浆密度最高，且抗压强度发展更快，比重晶石水泥石和铁矿粉水泥石分别增大了8.5 MPa 和5.1 MPa。因此在配制水泥浆时采用锰矿粉作为加重剂。

2.3 高温降失水剂研究

针对高温高密度水泥浆体系的特殊性，室内开发了抗高温降失水剂RW92L 作为水泥浆的降失水剂，该降失水剂可以通过提高浆体黏度和降低滤饼渗透率，加大了液体滤失的阻力，降低水泥浆的失水。通过降失水剂性能评价实验，得到以下数据（见表3）。

表3 不同加量的RW92L 水泥浆失水量

实验结果可以看出，随着降失水剂RW92L 掺入，水泥浆失水量具有明显减少的特点。在加量为2%～4%时，失水量的减少量变化程度最大，且4%加量下水泥浆失水量小于50 mL，结合现场应用及现实成本问题，优先考虑降失水剂添加剂量为4%。

2.4 高温缓凝剂研究

缓凝剂是调节水泥浆稠化时间的添加剂材料，而稠化时间与水泥浆施工安全性密切相关。为了研究缓凝剂在高温下的作用效果，室内研发了缓凝剂RT60作为高温水泥浆的缓凝剂，并对其性能进行评价，结果（见表4）。

表4 不同加量缓凝剂RT60 水泥浆稠化时间

从实验数据可以看出，随着缓凝剂加量的增多，水泥浆的稠化时间逐渐延长，且缓凝剂延长幅度较大。但是，缓凝剂掺入水泥浆抗压强度下降，缓凝剂加量需控制。实验结果可以看出，当加量为1%时，水泥浆稠化时间满足固井作业时间大于3 h 的要求，且抗压强度下降幅度小。因此，针对研发的缓凝剂，其加量控制在1%左右较合适。