干热岩地热井固井技术研究综述

黄范勇，张　丽，段云星

（1.中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司，天津300280；2.长庆油田分公司矿区服务事业部，陕西西安710018；3.中国地质大学<北京>，北京100083）

干热岩地热井固井技术研究综述

黄范勇*1，张丽2，段云星3

（1.中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司，天津300280；
2.长庆油田分公司矿区服务事业部，陕西西安710018；3.中国地质大学<北京>，北京100083）

我国大陆干热岩资源在3.0～10.0km深处总计为2.5×1025J，按2%的可开采资源量计算，相当于目前能源消耗总量的5200倍，具有很大开发潜力和前景。国内外在干热岩地热井固井工艺、水泥浆体系和外加剂方面进行了诸多研究。目前开发出的内插法、免钻法等固井工艺及其配套技术措施已经运用在地热井固井施工中；多数水泥浆体系耐温低于200℃，但已有室内实验结果满足API标准的220℃的体系；水泥外加剂多通过复配来改善因单独性能存在缺陷而影响使用的情况，从而扩大适用温度范围、提高综合性能。

干热岩；高温；固井；水泥浆；外加剂

干热岩是一种没有水或蒸汽的热岩体，埋藏于距地表2～10km的深处，温度大约150℃～650℃。我国大陆3.5～7.5km深处、150℃～250℃的干热岩储量巨大，约为6.3×106EJ，按2%的可开采储量计算，可获得126000EJ的热能，相当于2010年我国能源消费总量的1320倍，开发利用前景巨大［1-2］。本文从固井工艺、水泥浆体系、水泥外加剂方面总结了国内外在干热岩地热井固井技术方面的研究。

1　高温固井工艺

高温固井要点：

（1）温度引起的轴向载荷以及形成的弯曲破坏时管柱方面的主要问题。在套管选择方面，应该考虑使用具有较大抗拉强度的螺纹类型，一般选择梯形螺纹以及抗拉强度更大的其他特殊螺纹，抗拉安全系数在2.0～3.0为宜。尽可能使水泥全部封固套管柱。

（2）水泥中必须加入硅粉热稳定剂，加入量控制在水泥质量的35%～40%。

（3）加密使用套管扶正器，尽量提高顶替效率。当设计水泥浆返出地面时，要保证一定量的水泥浆返出地面（10m3），保证上部水泥环质量。

川东北地区井深、温度高，地层压力大，富含酸性或腐蚀性气体。在川东北地区作业过程中，吴建忠［3］、龙嗣源［4］研发的固井新工艺为内插法固井工艺技术、分级固井工艺、尾管及回接固井工艺、平衡压力固井工艺、反挤水泥固井工艺；提高顶替效率的技术措施为优选前置液体系、保证套管居中度；配套的固井用工具和附件的选用以中国石化德州大陆架油气高科技分公司产品为主；国外有Petro-King、Weatherford、Baker公司，主要提供的是尾管挂和分级箍。

张轩［5］针对分级箍完井和筛管完井后期必须下小钻杆通井，磨掉分级箍和盲板耗费时间，影响钻井时效这一实际情况采取了针对性的技术措施，开发出了免钻分级箍和免钻盲板等井下固井工具，并结合现场实际情况开发出了一整套免钻固井工艺和配套技术措施，提高了固井时效，节约了钻井成本。

2　高温水泥浆体系

张清玉［6］、郭进忠［7］介绍了几种高温深井固井用新型水泥浆体系：超高密水泥浆体系、防窜水泥浆体系、柔性水泥浆体系和特种水泥浆体系。

超高密度水泥浆体系：超高密度水泥浆的实现通过减少水灰比、提高固体材料的堆积密度、提高配浆水的密度和外掺加重材料来完成。在水泥浆密度要求很高时，可能同时采用这4种方法或其中的几种。这样便在深井注水泥时保持了井眼压力平衡，井内液柱压力与地层压力保持平衡或略高于地层压力。

防气窜水泥浆体系：目前国内外用到的防气窜剂有：触变类外加剂（半水石膏、交联或复合聚合物材料等），延迟胶凝材料，铝粉混合物，基质流动阻力剂或阻塞剂（胶乳、硅灰等）。一般使用胶乳水泥浆来满足深井气井固井施工安全系数要求大、水泥浆密度控制严格的要求。国内近年来从胶乳的作用机理、研制、开发及应用等方面研究了丁苯胶乳水泥浆体系。

柔性水泥浆体系：防止形成微环空的技术除了采用特殊的固井方法外，另一技术是用不收缩的柔性水泥浆，甚至是膨胀水泥。柔性水泥浆通常是在水泥浆中加入柔性外加剂（如硫化像胶）、膨胀剂，该体系的特点是有弹性、没有收缩、渗透率极低，可以避免由于井眼压力增加或温度升高引起的应力损坏水泥环，防止形成微环空。可将弹性粒子，如橡胶粒子，加入水泥中提高水泥的柔韧性。但是一般的韧性材料如聚丙烯、聚乙始等在比较低的温度就熔化或者降解，另外一些材料如高性能热塑料等适用于高温碱性环境。

特种水泥浆体系：常用的波特兰水泥是硅酸钙矿物，其主要组分是硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S），大约占到75%～80%。在水泥中添加35%～40%的细硅砂或硅粉，将C/S比调到1.0～1.2时，形成雪硅钙石（C5Si6H5），当养护温度高于170℃时，雪硅钙石通常又会转化为硬硅钙石（C6Si6H）；有一种适用高温气井的新型磷酸钙水泥材料，体系中粉煤灰与铝酸钙反应生成硅铝酸钙CaO·A12O3·2SiO2，粉煤灰中的铁与石英也和铝酸钙反应生成钙铁榴石（Ca3Fe2SiO4），反应后的水泥石抗压强度大大提高；还一种特种高温低密水泥浆：硅酸钙15%～40%、多磷酸钠5%～20%、粉煤灰25%～45%、足够的水、a-烯烃磺酸盐1%～3%（发泡剂）、三甲铵乙内酯0.5%～1.5%（泡沫稳定剂）。

高温深井固井是一项复杂的系统工程，必须根据油田实际灵活运用合适的固井技术，必须仔细评估固井作业的所有方面，必须不断发展新的设备、工艺和材料。新型固井材料的开发对提高固井质量起着十分重要的作用，目前国内在高温外加剂、高温特种水泥等方面的研究还很不够，需要加强这方面的研究，需要固井界、材料界的广大科学工作者付出更多艰苦的努力。

3　高温水泥外加剂

耐高温固井水泥由基本油井水泥H级、G级，外加一定量的外掺料（硅粉、密度调节剂等）及水泥外加剂来构成，其性能主要靠外掺料和外加剂［8］进行调节。为了提高固井质量，国内外固井工作者研制出了上百种油井水泥外加剂［9］，这些外加剂的应用改善了水泥浆及水泥石的性能，从而提高了固井质量。

油井水泥外加剂用量最大的主要有3类：降失水剂、调凝剂和分散剂，称“油井水泥三大剂”，几乎所有优质水泥浆体系中都包括这3大组分，应该说明的是这些外加剂一般都是复合使用的，单一使用难以获得综合性能优良的水泥浆。

3.1调凝剂

促凝剂：常规促凝剂有氯盐、碳酸盐、碱和有机化合物等，典型的代表产品有氯化钙、氯化钠、氢氧化钠、碳酸钠、氯化铁、氯化铝、甲酞胺和三乙醇胺。氯离子对套管有一定的腐蚀作用，但仍是目前使用最多的。高温高压井固井时，一般不会用到促凝剂，但有时为了提高水泥浆的早期强度或是缩短候凝时间，会引入少量促凝剂。

缓凝剂及高温缓凝剂：油井水泥缓凝剂有木质素磺酸盐及其异构体或衍生物；单宁、磺化单宁及其衍生物；酸、羟基羧酸、异构体或衍生物及其盐类；葡糖酸及其衍生物的钠盐或钙盐；相对低分子质量的纤维素及其衍生物；有机或无机磷酸盐；硼酸及其盐类等。缓凝剂大多数是复合物，即使是木质素磺酸盐也要复配上一定量的无机酸、有机酸或它们的盐类，弥补各自性能的不足，使缓凝组分之间具有互补性，以扩大使用范围、稠化时间与加量成线性关系，也想消除单一缓凝剂低温时加量小、过于灵敏、而高温时加量过多等弊病。

3.2降失水剂

从降失水机理来划分，水泥浆降失水剂有2大类：颗粒材料，包括膨润土、石灰石粉、聚合物微粒（胶乳体系）；水溶性聚合物，包括纤维素衍生物（CMC、HEC、CMHEC）、非离子型聚合物（如聚乙烯毗咯烷酮复合体系，聚乙烯醇类）、阴离子型聚合物［（如N、N—二甲基丙烯酞胺类聚合物、磺化苯乙烯聚合物或其共聚物、阳离子型聚合物（聚乙烯胺类）］。典型代表有低粘CMC、CMHEC、HEC、丙烯酸类聚合物和共聚物等，国内常用水泥浆降失水剂产品有S24、S27、LW-1、LW-2、MS-88、PA等。

目前高温降失水剂发展方向主要是线性高分子聚合物和胶乳型聚合物，如N、N—二甲基丙烯酞胺—AMPS共聚物，AA/AMPS共聚物和CMHEC高温（204℃）耐盐（10%）降失水体系；AMPS-VP-AM-AA四元共聚物（26℃～232℃）；聚乙烯亚胺及聚乙烯多胺（亚胺）与磺化苯乙烯反应的产物和苯乙烯—丁二烯胶乳（以非离子表而活性剂或其它类型的表面活性剂为胶乳稳定剂）等。道威尔-SCHLUMBERGER公司研制开发了UNFLAC通用型降失水剂，适应温度10℃～232℃，适应密度为1.2～2.9g/cm3，适应淡水至饱和盐水配浆；国产胶乳由于性能不稳定，现场实际使用的报道不多，现正在进行这方而的攻关。

3.3水泥浆分散剂和消泡剂

分散剂主要有：木质素磺酸盐及其衍生物；聚奈磺酸盐类；磺化醛酮缩合物；磺化乙烯基聚合物及其衍生物；柠檬酸类；AMPS聚合物类；其它，如多糖、羟基羧酸类。国内的抗高温分散剂较少，能在150℃以上效果依然优良更少；国外主要发展乙烯基单体聚合物及其衍生物，这类油井水泥分散剂稳定性好、抗高温、不引气、减阻效果好、耐盐。

油井水泥消泡剂是有起泡趋势的水泥浆体系中的重要组成部分。其消泡机理主要是改变体系的表而张力，适合各种水泥浆体系而消泡能力强的消泡剂是很难得到的；配浆水的消泡和水泥浆的消泡是2个概念，同时解决这2个问题的消泡剂更是难得。目前最为常用的是消泡剂有机硅类、脂类消泡剂。

3.4胶乳

早期用于油井水泥固井的胶乳是聚二氯乙烯、聚醋酸乙烯酯体系，效果较好，限于50℃以下使用；20世纪80年代开发的苯乙烯—丁二烯及其衍生物的共聚物胶乳可用于176℃，国内外类似的产品有DOW465、LATEX2000等。固井用胶乳还有聚苯乙烯、氯苯乙烯、氯乙烯共聚物、氯丁二烯—苯乙烯共聚物及树脂胶乳等几类。

到目前为比，国内在油井水泥外加剂方而，已形成11大类100多个品种，在分散剂、低温防气窜剂、常规性能降失水剂等方而，其性能已接近或超过国外同类产品的性能；与国外抗盐、抗高温外加剂相比，国内这类外加剂在温度低于120℃时使用具有良好的性能，能在温度高于120℃使用而性能优异的外加剂种类较少且性能不稳定，尤其是高温降失水剂、高温防气窜剂和高温缓凝剂这三类产品问题更严重。国内抗高温外加剂的抗盐性能普遍不理想。另外，对减少和防止高温强度衰退的硅质材料研究不多且性能不稳定。还有一个最普遍的问题就是国内油井水泥外加剂各自为政，相互间配伍性较差。

4　结论与建议

（1）固井水泥浆体系要根据地层特性，配合固井技术和工具，才能实现固井施工的高效、安全、长期。目前，高温地层固井的大多数的水泥浆体系耐温低于200℃，但已有达到220℃的水泥浆体系，室内实验结果显示性能满足API标准。

（2）复配可改善外加剂因单独使用性能存在缺陷而影响使用的情况，应对已有外加剂和新研发的产品进行复配应用研究，扩大适用温度范围，提高其综合性能。

［1］徐巍.世界干热岩发展现状及趋势［C］//中国地热资源开发与保护——全国地热资源开发利用与保护考察研讨会论文集，2007：51-55.

［2］蔺文静，刘志明，马峰，等.我国陆区干热岩资源潜力估算［J］.地球学报，2012，33（5）：807-811.

［3］吴建忠，张磊，严焱诚，等.川东北复杂地层固井技术探讨［J］.天然气技术，2009，3（3）：37-40.

［4］龙嗣源，陈道元，马自伟.川东北地区深井固井技术综述［J］.石油科技论坛，2010（2）：38-41.

［5］张轩.免钻固井技术的研究与应用［J］.中国石油和化工标准与质量，2010（7）：111-123.

［6］张清玉，邹建龙，谭文礼，等.高温深井固井技术研究进展［J］.石油天然气学报，2005，27（1）：219-220.

［7］郭进忠，孙富全，侯筱.高温固井水泥浆体系的研究［J］.石油化工应用，2008，27（5）：10-14.

［8］吴景华，谢俊革.深部钻探耐高温固井材料研制［J］.长春工程学院学报：自然科学版，2012，13（4）：57-59.

［9］武世新.国内外高温高压井固井用外加剂现状及进展［J］.延安职业技术学院学报，2011，25（5）：77-79.

P314

A

1004-5716（2016）04-0090-03

2015-04-20

2015-04-20

国家自然科学基金项目“高温高压低弹性模量复合固井材料形成机理研究”，编号51474192；中央高校基本科研业务费，编号2012098。

黄范勇（1980-），男（汉族），江苏盐城人，工程师，现从事石油钻井技术工作。