抗循环温度210 ℃超高温固井水泥浆

于永金 ，丁志伟 ，张弛 ，张华 ，郭锦棠

（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）

随着钻井技术进步及油田勘探开发的不断深入，井底温度超过200 ℃的高温深井、超深井逐渐增多，高温、超高温下对水泥浆性能提出了更高的要求[1-6]。针对高温深井固井方面的难点主要体现在：①高温、超高温下水泥浆失水量变大，甚至不可控，存在施工安全风险；②高温、超高温下水泥浆沉降稳定性差，停泵过程中固相易沉降导致安全隐患；③水泥浆稠化时间难以调节；④高温、超高温深井一般为尾管小间隙固井，对水泥浆流变性能要求高。针对高温、超高温固井技术难题，在前期抗高温固井水泥浆研究的基础上，通过进一步优化缓凝剂聚合单体及分子量、分子量分布等新开发了满足210 ℃下使用的缓凝剂，以保证固井施工安全，同时配套开发出了超高温水泥浆稳定剂；针对水泥石高温强度衰退问题开发了防强度衰退材料，通过外加剂材料与外掺料体系集成，形成了满足井底循环温度210 ℃、井底静止温度230 ℃以上的超高温固井常规密度水泥浆体系，可满足现有高温固井要求，同时为未来更高温度固井提供了技术储备。

1 超高温水泥浆体系设计思路及配套外加剂开发

1.1 设计思路

超高温水泥浆体系主要技术难点是解决高温及超高温下水泥浆稠化时间能够满足施工安全的要求、水泥浆失水量可控制在较低范围内、沉降稳定性满足设计要求等3个方面的问题，因此，超高温水泥浆体系的设计关键在于开发适用于高温及超高温下的降失水剂、缓凝剂及稳定剂，使水泥浆稠化时间易调、失水量可控、沉降稳定性好、水泥石早期强度发展快，且外加剂对水泥石强度发展无不良影响，并且在超高温下水泥石长期抗压强度不衰退。基于以上思路，通过大量实验研究，开发出了满足循环温度210 ℃的降失水剂DRF-1S、缓凝剂DRH-2L、稳定剂DRK-3L、防衰退剂DRB-3S等。

1.2 配套外加剂开发

1.2.1 降失水剂DRF-1S

降失水剂DRF-1S是通过水溶液自由基聚合反应制备的一种多元共聚物。其分子主链上引入了磺酸基团、酰胺基、链刚性基团等，磺酸基具有良好的热稳定性和耐盐性能，同时具有很强的水化能力，这使得制备的共聚物降失水剂具有良好的抗高温、抗盐能力；酰胺基团具有较强的吸附能力及较强的水化作用；链刚性基团单体使得降失水剂分子链在高温下的热运动变慢，同时也提高了分子链的抗温能力；通过优化聚合工艺，得到具有最佳的分子量和分子量分布的降失水剂分子，从而使降失水剂的性能达到最佳。通过调整降失水剂DRF-1S的加量均能够使淡水水泥浆及含盐水泥浆的API失水量控制在100 mL以内。降失水剂DRF-1S适用温度范围为40～210 ℃。

1.2.2 抗高温缓凝剂DRH-2L

缓凝剂DRH-2L是通过水溶液自由基聚合反应制备的一种五元共聚物。其分子主链上引入了磺酸基团、双羧基、链刚性基团、阳离子基团等，这些基团赋予缓凝剂分子链优异的抗高温及缓凝性能，通过优化聚合工艺，优化分子量和分子量分布，从而使缓凝剂的性能达到最佳。缓凝剂DRH-2L适用最高温度可以达到210 ℃。

1.2.3 高温稳定剂DRK-3L

高温稳定剂DRK-3L是通过水溶液自由基聚合反应制备的一种多元共聚物。其分子主链上引入了磺酸基团、双羧基、酰胺基、环状刚性基团等，这些基团赋予高温稳定剂分子链优异的高温稳定性能，通过优化聚合工艺，得到具有最佳分子量和分子量分布的高温稳定剂分子，从而使高温稳定剂的性能达到最佳。合成聚合物高温稳定剂DRK-3L配合黏土矿物类高温悬浮剂DRY-S2，可使常规密度水泥浆在210 ℃下的上下密度差低于0.05 g/cm3。

1.2.4 防超高温水泥石强度衰退材料DRB-3S

通过大量室内实验，优选出了含铝、镁等元素的硅酸盐与磷酸盐类材料，通过配比优化定型而制成防强度衰退材料 DRB-3S，其与水泥水化析出的氢氧化钙反应生成具有凝胶性质的水化产物，且后期强度不断增强，防止超高温下水泥石抗压强度衰退。

2 实验部分

2.1 实验材料和主要设备

主要材料：山东胜潍G级油井水泥、石英砂、微硅、 降失水剂 DRF-1S、 缓凝剂 DRH-2L、 稳定剂DRK-3L、 高温悬浮剂 DRY-S2、 分散剂 DRS-1S、高温增强材料DRB-2S、增韧剂DRN-1S。

主要设备：高温高压失水仪，沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司；Chandler Model 8040D10 双缸高温高压稠化仪，美国Chandler公司；Chandler Model 7375高温高压养护釜，美国Chandler公司；Chandler Model 4207水泥石抗压强度试验机，美国Chandler公司。

2.2 性能测试方法

水泥浆制备及性能测试按照API标准进行。

3 高温水泥浆体系性能评价

3.1 水泥浆抗高温性能评价

3.1.1 高温沉降稳定性

高温、超高温下水泥浆沉降稳定性是保证固井施工安全的重要指标之一，若高温下水泥浆沉降稳定性差，易导致水泥浆中固相沉降快，固井施工过程中停泵易出现憋泵问题，造成安全隐患。对循环温度160～210 ℃温度范围内的水泥浆沉降稳定性进行了评价[7-11]，见表1。水泥浆配方如下。

配方A 山东胜潍G级水泥+25%石英砂+15%高温增强材料DRB-2S+5%微硅+2%降失水剂DRF-1S+6%缓凝剂DRH-2L+0.5%分散剂DRS-1S+1.5%高温悬浮剂DRY-S2+水，密度为1.88 g/cm3

配方B 山东胜潍G级水泥+25%石英砂+15%DRB-2S+5%微硅+2%DRF-1S+6%DRH-2L+0.5% DRS-1S+1.5%DRY-S2+4%稳定剂DRK-3L+水，密度为1.88 g/cm3

表1 不同水泥浆配方在160～210 ℃下的沉降稳定性

从表1可以看出，在循环温度160～210 ℃温度范围内水泥浆具有良好的高温稳定性，当温度在160～180 ℃时通过高温悬浮稳定剂DRY-S2可控制水泥浆上下密度差不高于0.03 g/cm3, 当温度在190～210 ℃时通过高温悬浮稳定剂DRY-S2配合高温稳定剂DRK-3L可控制水泥浆上下密度差不高于0.04 g/cm3。

3.1.2 高温失水性能

表2为在降失水剂DRF-1S不同加量下，水泥浆失水量随实验温度变化的情况。水泥浆配方如下。

山东胜潍G级水泥+25%石英砂+15%DRB-2S+5%微硅+X%DRF-1S+ 6%DRH-2L+0.5%DRS-1S+1.5%DRY-S2+Y%DRK-3L+水，密度为1.88 g/cm3

表2 160～210 ℃下不同外加剂加量对水泥浆失水量的影响

从表2可以看出，水泥浆的失水量随实验温度的升高逐渐增大，通过增大DRF-1S的加量可以降低高温下水泥浆的失水量；当DRF-1S加量为2%时，在210 ℃下，水泥浆的API失水量可以控制在100 mL以内，证明了降失水剂DRF-1S具有良好的抗高温性能。

3.1.3 高温稠化性能

表3考察了在缓凝剂DRH-2L不同加量下水泥浆稠化时间随实验温度变化的情况。水泥浆配方为：山东胜潍G级水泥+25%石英砂+5%微硅+15%DRB-2S+2%DRF-1S+X%DRH-2L+0.5%DRS-1S+1.5%DRY-S2+4%DRK-3L+水， 密度为1.88 g/cm3

表3 160～210 ℃下不同缓凝剂加量对水泥浆稠化时间的影响

从表3可以看出，水泥浆稠化时间在160～210 ℃范围内可调，在210 ℃下，水泥浆的稠化时间可达到300 min以上，证明了缓凝剂DRH-2L具有良好的抗高温性能，水泥浆高温稠化曲线见图1。

图1 水泥浆在200 ℃及210 ℃超高温下的稠化曲线

3.2 水泥石力学性能评价及微观结构测试

3.2.1 水泥石高温力学性能评价

高温及超高温下水泥石长期强度易衰退，为了提高水泥石的高温强度稳定性，水泥浆体系中除掺入常规石英砂以外，还掺入高温增强材料DRB-2S及防衰退材料DRB-3S，其高温下与水泥水化产物发生反应，生成高温下有胶结能力的晶相，减少甚至消除无胶结相，提高了水泥石的高温稳定性；同时，在高温下水泥石脆性大，采用增韧剂DRN-1S实现对高温水泥石降脆增韧改造，增韧剂DRN-1S中的无机晶须类材料可增强水泥石韧性[12-15]。实验水泥浆配方如下。

配方C G级水泥+30%石英砂+20%DRB-2S+2%DRF-1S+6%DRH-2L+0.5%DRS-1S+1.5%DRY-S2+4%DRK-3L+3%增韧剂DRN-1S+水，密度为1.88 g/cm3

配方D 配方C+10%防衰退材料DRB-3S，密度为1.88 g/cm3

在230 ℃和250 ℃下对配方C和配方D水泥石高温力学性能进行了评价，结果见表4和图2。从表4可以看出，水泥浆配方C通过采用石英砂配合高温增强材料DRB-2S，水泥石7 d抗压强度可以达到30 MPa以上，但28 d抗压强度大幅衰减，230 ℃下28 d抗压强度衰退率为48.7%，250 ℃下28 d抗压强度衰退率为58.0%；水泥浆配方D在配方C的基础上添加10%防衰退材料DRB-3S后，在230 ℃和250 ℃超高温条件下，水泥石7 d抗压强度均能达到45 MPa以上，且28 d抗压强度均未出现衰退问题。

表4 超高温水泥浆在不同养护温度下的水泥石抗压强度

图2 不同配方水泥石在230 ℃下养护28 d照片

从图2可以看出，水泥浆配方D在230 ℃下养护28 d后，压碎后的水泥石内部结构较配方C压碎后的水泥石内部结构更加致密。

3.2.2 高温水泥石微观结构测试

对配方C及配方D水泥石在230 ℃下养护28 d后内部微观结构进行了扫描电镜测试，见图3。通过扫描电镜图片可以看出，配方C高温养护后水泥石的内部结构较为疏松，配方D水泥石的内部结构致密，结合水泥石抗压强度数据及扫描电镜结果，可以证实防衰退材料DRB-3S可以保持高温下水泥石内部结构致密性，防止水泥石发生高温强度衰退。

图3 230 ℃下配方C与配方D水泥石养护28 d电镜照片

3.3 水泥浆综合性能评价

表5为160～210 ℃范围内水泥浆综合性能，水泥浆配方如下。

0#山东胜潍G级油井水泥+30%石英砂+20%DRB-2S+2%DRF-1S+1.5%DRY-S2+0.5%DRS-1S+3%DRN-1S+0.2%消泡剂DRX-1L+水

1#0#+3.0%缓凝剂DRH-2L

2#0#+3.5%DRH-2L

3#0#+4.0%DRH-2L

4#0#+5.0%DRH-2L+4.0%稳定剂DRK-3L

5#0#+6.0%DRH-2L+4.0%DRK-3L+10% 防 衰退材料DRB-3S

6#0#+7.0%DRH-2L+4.0%DRK-3L+10%DRB-3S

表5 超高温水泥浆体系在160～210 ℃下综合性能评价

从表5可以看出，超高温水泥浆综合性能良好，API失水量可以控制在100 mL以内；水泥浆稠化时间可以满足施工要求；过渡时间短，呈“直角”稠化，高温及超高温条件下2 d抗压强度均高于40 MPa，满足固井施工要求。

4 水泥浆体系现场应用

该超高温水泥浆体系在华北油田高温深探井安探4X井进行了应用。安探4X井四开采用φ152.4 mm钻头钻至井深6455 m，在4620～5950 m井段下入φ127 mm尾管，钻井液密度为1.15 g/cm3。该井具有以下固井难点：①井深、温度高，井深5950 m静止温度为190 ℃，稠化实验温度取165 ℃，高温对水泥浆稳定性及水泥石长期强度影响大；②环空间隙小，水泥环薄，对固井顶替效率及水泥石力学性能要求高；③潜山层位较窄的环空间隙易造成环空憋堵，有可能造成漏失；④水泥浆与钻井液抗污染性能要求高；⑤套管下深5950 m，距井底有505 m口袋，水泥浆沉降易造成封固段下部固井质量差。采用该超高温水泥浆体系，该井固井施工过程顺利，未发生漏失，固井质量优质。

5 结论

1.以降失水剂DRF-1S及缓凝剂DRH-2L为主剂的常规密度水泥浆体系满足井底循环温度210 ℃、井底静止温度230 ℃的固井需求，实现了水泥浆抗高温能力的新突破。

2.常规密度超高温水泥浆体系具有失水量低、过渡时间短，呈“直角”稠化、水泥石抗压强度高等特点，综合性能良好。

3.防衰退材料DRB-3S能够保证250 ℃下水泥石28 d抗压强度高于50 MPa，可以解决超高温下水泥石抗压强度衰退问题。

4.超高温水泥浆体系在华北油田杨税务地区高温深井安探4X井φ127 mm尾管成功应用，固井质量优质，证明了该水泥浆体系能够满足高温深井固井要求，应用前景广阔。