超高溫水泥漿體系設計與性能評價

劉保波

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司 黑龍江大慶 163000）

隨著油氣鉆探的發展，固井工程將面臨更多的超高溫高壓固定作業，同時水泥作為固定工程的重要材料，為了滿足超高溫的固定要求，需要開發出具有相應性能的超高溫固井用水泥漿體系[1]。

1 固井超高溫水泥漿體系中合成產品的介紹

1.1 外加劑

高溫固井水泥漿以油井水泥為基礎，硅膠等外加劑和水泥外加劑（主要外加制為脫水劑，加入凝集劑和分散劑）。固井水泥的性能可以根據外加容量進行調節和控制。在海外廣泛使用的高溫固井劑有石灰、瀝青等無機材料和纖維素衍生物，負離子聚合物等水溶性高分子，在高溫下天然高分子的性能隨著成分的不同而不穩定，但是合成高分子固井劑中含有乙烯衍生物和不飽和酯等共聚物，使其理論耐熱性大于已有的無機外加劑。

1.2 水泥漿體系

根據實際情況和需求情況添加不同的外加劑，為了調節硅膠，添加硅膠等多種功能，目前常用的水泥漿系統有軟性水泥漿系統和特殊水泥漿系統，這種泥漿系統在功能上有不同的效果，高溫密度泥漿系統必須在深井中處理高壓層，穩定井內液體的壓力，其卓越的防氣性能能夠有效地控制漏水和泄漏，顯著優化水泥石的強度，有效地提高油井的使用壽命，為了避免井筒的壓力和高溫破壞，防止這種情況發生，可以在泥漿系統中加入軟性外加劑[2]。

1.3 聚合物外加劑合成條件確定

（1）單體配比

單體配合費主要由脫水劑和凝集劑的特定官能團決定，但由于所需量和分子量不同，所以決定了單體的配比，不同的單一配比研究了高分子產品的性能，確定降失水劑HT-1的單體配比為AMPS：AM：NX=6：3：1；緩凝劑HTF2的單體配比為AMPS：IA：DX=10：4：1。

（2）引發劑用量

如果引發劑的用量過低，那么聚合物分子鏈的長度將增加，并包裹對分子鏈具有緩沖作用的羧基，從而不能充分發揮凝聚分散作用，使用適合用量的引發劑會增加高分子體在磷中處于伸展狀態，活性氣團暴露在分子外，具有充分的速度率的污泥中的鈣，據悉，鋁等離子體在C3S和Ca的生長環境中具有很強的吸附力。如果引發劑使用量過多，不僅會浪費材料，還會引起爆發性的聚合。因此，用于合成下降過濾器引發劑使用量為0.2%。

2 超高溫水泥漿的設計和性能優化

2.1 超高溫水泥漿體系設計

耐高溫水泥外加劑主要由緩沖劑、抑制劑等構成，為了滿足高溫固井水泥漿的性能要求，必須加入一定量的硅粉，以穩定高溫強度。為了解決高溫泥漿穩定性下降的問題，一般在泥漿中添加高分子懸濁劑，使液體粘度增加，抑制泥漿體系的沉降，為了提高水泥漿和水泥砂漿的綜合性能，可以在水泥漿中加入定量的填料，使地下流體活性化。添加彈性劑可以降低水泥漿的柔軟性，添加防腐劑可以提高水泥砂漿的防腐能力。

2.1.1 油井水泥外摻料

（1）高溫強度穩定劑

當臨界溫度在110℃以上時，硅酸鹽油井水泥的強度在140℃以上時，水泥漿的強度會更嚴重。一般硅酸鹽油井水泥的主要礦物是硅酸三鈣和硅酸鈣，占整個礦物的80%。當溫度低時，兩種礦物的氫化產物主要是水和硅酸。一定量的氫氧化鈣和少量的碳酸鈣具有良好的機械性能。如果溫度超過110℃，水泥漿水化反應會加快，強度將暫時升高，但硅酸將鈣和硅酸三鈣反應而形成的氫化硅酸鈣在高溫下不穩定，氫化產物強度低，固體晶體破壞水泥砂漿的內部結構，使水泥漿在高溫下的強度急劇下降。特別是深井，深井的恒溫一般超過110℃，在這個溫度條件下，純水泥漿的強度會下降，在水泥中加入一定量的硅，可以有效地抑制水泥的高溫強度下降，水泥漿的強度會下降。掉落的問題可以降低水泥中的石灰和硅石的灰漿的對比，改善水泥漿的強度，因此在水泥中加入一定量的硅粉，將水泥石的C/S摩爾比降低到1.0左右，水泥砂漿在110℃下氫化轉換成硅酸鈣，形成堅硬的硅石（C5HS6H5），可以維持水泥砂漿的高強度和低滲透性。

（2）油井水泥填充劑

油井水泥填料的作用是提高水泥漿的穩定性，油井水泥填料cea-1是固體上的非定型顆粒，主要成分是硅石，在超高溫水泥中加入cea-1，通過顆粒大小分布效果提高超高溫水泥漿的穩定性，另一方面，不同粒子大小的石英粒子和高溫強度穩定劑的組合提高了水泥顆粒連接效果的強度，在高溫條件下進一步加強了水泥漿強度。

（3）高分子懸浮劑

泥漿在超高溫下的穩定性是泥漿的重要性能指標，在高溫環境下，水泥漿容易形成層狀，在正常密度和高密度水泥中，硅、水泥等高密度固體顆粒被釋放，上層泥水密度降低，水泥含量減少，難以加固，對水泥漿的強度發展和固定質量非常不利，提高泥漿穩定性的方法是在泥漿中添加填料等固體顆粒材料，通過顆粒的效果提高體顆粒的體積密度，提高泥漿穩定性，添加高分子懸浮劑提高泥漿液體的粘度。

2.1.2 隔離液設計

為了提高本研究開發的超高溫水泥漿系統的現場適用性，開發了用于解決超高溫泥漿污染問題的分離液系統。該分離液系統使用高分子分離劑O-SP，將分離液的液體粘度有效提高，防止了污染，調節分離液密度，滿足壓力穩定和地層壓力平衡需求，為了滿足需求，可根據污染試驗在隔離液中添加2～3%的油井水泥凝結劑HT2。

2.2 超高溫水泥漿體系性能評價

2.2.1 超高溫常規密度水泥漿

因此，對超高溫泥漿的配合和性能進行了測定。測試用的超高溫一般密度的水泥配比參照表1。

表1 超高溫常規密度水泥漿配方

測試結果表明，通過調整油井水泥填料cea-1和高分子懸浮劑的容量，可以改善泥漿的穩定性，Ca-1排水容量為5%，高分子懸浮劑添加量為0.3%時，受到高溫保護后的沉降穩定性測試是泥漿的上下密度差可控制在0.02以內，濃縮時間可根據使用量進行調節，增加脫水劑的使用量可減少泥漿的脫水，電阻的容量由混合條件和材料的流動性決定。

2.2.2 超高溫高密度水泥漿性能

為了維持井底和地層的壓力均衡，在開采超高壓地層時，必須使用高密度的固井液，在這種油井的固井作業中，添加的鐵礦石粉末和泥土的由于密度差太大，高密度泥漿在高溫和超高溫條件下難以保持等離子體的穩定性。測定了超高溫高密度水泥漿的性能，利用粒子級燃料技術提高了泥中固體顆粒之間的沉積密度，大大降低了水泥漿的空間率提高高水泥漿防沉淀性能，提升高密度水泥漿的穩定性，超高溫水泥漿系統中使用的高分子懸浮劑He400，可以通過調整He400的容量來提高水泥漿的穩定性。結果見表2。

表2 超高溫高密度水泥漿實驗

3 結論

開發的超高溫固井泥漿系統采用高溫防降水劑HT-1，產品的耐溫性和耐鹽性好；開發的超高溫水泥漿系統將HT-2作為高溫緩沖劑，調節水泥的濃稠化時間，研究HF-2的綜合性能，該凝集劑滿足超高溫要求，適用于鹽水水泥漿系統，調整緩沖劑HT-2的容量，因此在60℃-200℃的條件下，可以靈活調整水泥的候凝時間，滿足固井作業的要求。