抗高温防CO2和H2S腐蚀水泥浆体系研发与应用

赵 军 徐璧华 邱汇洋 谢应权 方国伟

(1.中海油田服务股份有限公司 河北三河 065201； 2. 西南石油大学 四川成都 100084)

抗高温防CO2和H2S腐蚀水泥浆体系研发与应用

赵 军1徐璧华2邱汇洋1谢应权2方国伟1

(1.中海油田服务股份有限公司 河北三河 065201； 2. 西南石油大学 四川成都 100084)

印度尼西亚BD气田开发层位为礁灰岩地层，具有高温高压、富含CO2和H2S等酸性气体的特点，给该气田开发井固井防腐作业带来严峻挑战。研发了多功能防腐剂PC-MTA，并通过优化颗粒级配技术构建了抗高温防CO2和H2S腐蚀水泥浆体系。室内实验评价表明，所构建的抗高温防CO2和H2S腐蚀水泥浆体系具有良好的防腐力学性能、流变性能和防气窜性能，目前已在BD气田4口开发井固井作业中取得成功应用，固井质量优良，可为类似气田固井防腐作业提供借鉴。

抗高温；防腐蚀；二氧化碳；硫化氢；多功能防腐剂PC-MTA；水泥浆体系；印尼BD气田

BD气田位于印度尼西亚Madura海峡，地质条件复杂，开发层位为礁灰岩地层，地层温度151 ℃，地层压力56 MPa，富含CO2和H2S酸性气体(其中CO2含量6.59%， H2S含量0.59%)，给钻井和固井施工作业都带来极大的困难。20世纪80年代末期在BD气田进行的2口探井作业，在钻进或固井时遇到漏失、环空溢流、酸性气体腐蚀等问题，导致了该气田开发滞后。为了顺利开展BD气田的钻井作业，须克服高温条件下酸性气体对水泥浆的腐蚀破坏。以往现场应用的防腐水泥浆主要是利用胶乳或树脂作为防腐剂，微硅作为填充材料，来提高水泥石的致密性，增强其防腐蚀性能[1-4]。实验结果表明，尽管上述措施可以使水泥石防腐性能得到一定的提高，但对于防腐性能的评价多为单一的CO2或H2S腐蚀[5-6]，对于高温高压条件下CO2和H2S同时存在的腐蚀研究还较少。为满足BD气田高温高压富含CO2和H2S地层固井施工要求和保证油气井的生产寿命，笔者开展了高温高压条件下防CO2和H2S酸性气体腐蚀水泥浆体系的研发，构建了以多功能防腐剂PC-MTA为主的抗高温防CO2和H2S腐蚀水泥浆体系并在该气田4口开发井取得成功应用，具有较好的推广应用价值。

1 抗高温防腐蚀水泥浆体系的构建

1.1 构建思路

参考以往胶乳或树脂结合微硅来改善水泥石抗腐蚀性能的方法，为了提高硅酸盐G级水泥石高温高压抗酸性气体腐蚀能力，提出了化学反应与物理填充相结合的方法构建高温防腐蚀水泥浆体系。

1) 通过化学反应，研发了多功能防腐剂PC-MTA。该多功能防腐剂可以与水泥形成良好的颗粒级配，同时其中含有一定量的球形颗粒材料，可以改善水泥浆的流动性。多功能防腐剂PC-MTA部分成分富含SiO2，可与Ca(OH)2反应产生水化硅酸钙新物相C-S-H-(Ⅱ)，从而使水泥石结构致密，进而提高水泥石抗侵蚀能力，其反应式为

2) 加入一定量的胶乳，通过其在水泥石空隙间充填聚合物薄膜或凝胶粒，使水泥石渗透率下降，提高水泥石抗侵蚀能力，同时可以增强水泥浆的防气窜能力[7-9]。

1.2 配方优选实验

根据BD气田的井身结构设计及地层压力数据，固井方案设计封固目的层的水泥浆密度是1.98 g/cm3，由于井底温度超过110 ℃，为防止水泥石高温强度衰退，配方中加入35%硅粉，并加入一定量的加重材料来满足其施工性能。为了评价所研发的多功能防腐剂PC-MTA的抗高温防腐性能，构建了以赤铁矿粉PC-D20(最常用加重材料)为加重材料，辅以胶乳和树脂的1#水泥浆配方，以及通过优化颗粒级配技术，添加多功能防腐剂PC-MTA构建了没有加重剂的2#水泥浆配方；为了评价多功能防腐剂PC-MTA与加重材料的联合防腐能力，分别选用赤铁矿粉、锰矿粉和重晶石等3种加重剂构建了3#、4#和5#水泥浆配方。具体水泥浆配方详见表1。将养护好的不同配方制作的水泥石试块放入高温高压腐蚀釜内进行防CO2和H2S腐蚀实验。

表1 抗高温防腐水泥浆体系配方Table 1 Formula of heat resistance and anti-corrosion cement slurry system

1.2.1 腐蚀深度分析

按照表1配方，在150 ℃、40 MPa，富含6.59% CO2和0.59%H2S条件下腐蚀30、60 d后，5种不同防腐蚀水泥浆体系配方的水泥石端面腐蚀样貌如图1所示，腐蚀深度统计结果见表2。

从图1、表2实验结果可以看出，经过30、60 d的腐蚀后，添加了多功能防腐剂PC-MTA的2#水泥浆配方比以铁矿粉为加重材料的1#水泥浆配方具有更小的腐蚀深度，60 d的腐蚀情况对比更加明显。查阅文献[10]可知，这主要是由于H2S易与铁矿粉发生化学反应，从而加剧了水泥石中铁矿粉的腐蚀。同时，对比2～5#水泥浆配方的腐蚀结果可以发现，多功能防腐剂PC-MTA单独使用的防腐效果比与加重材料混合使用时的防腐效果好，表明通过优化颗粒级配技术在满足现场应用水泥浆密度要求的条件下可以达到更好的防腐效果。

图1 腐蚀30、60 d后不同防腐蚀水泥浆体系配方的水泥石端面Fig .1 The cross section of the cement stone after corrosion 30 and 60 days 表2 不同防腐蚀水泥浆体系配方的水泥石经过30、 60 d后的腐蚀深度Table 2 The corrosion depth of cement stone from different anti-corrosion cement slurry systems after 30 and 60 days

配方编号30d腐蚀深度/mm60d腐蚀深度/mm120～3080～100202～0505～1031550～6041020～3050510～20

1.2.2 腐蚀力学性能实验

选取腐蚀30 d后腐蚀深度最浅的2#水泥浆配方(颗粒级配防腐新配方)和腐蚀较严重的3#水泥浆配方(常用赤铁矿加重配方)，评价其力学性能在腐蚀前后的变化，考察水泥石被腐蚀性气体侵入的程度。试验通过三轴应力试验机，采用不加围压的方式，测试腐蚀后水泥石的力学性能，并与腐蚀前的水泥石力学性能进行对比，测试结果见表3。

从表3可以看出，2#和3#水泥浆配方的水泥石经过CO2和H2S腐蚀30 d后,其抗压强度不仅没有降低，反而在高温高压养护作用下有较大增加。这是因为一方面在高温高压条件下水泥石的后期强度得到很大发展，使其因腐蚀带来的对强度的影响并未表现出来；另一方面，CO2对水泥石短期腐蚀后，溶解于水中的碳酸与水泥石发生离子交换反应，在水泥石表面形成硬度较高的CaCO3沉淀，有利于水泥石抗压强度的提高。此外，2#水泥浆配方的水泥石抗压强度要高于1#水泥浆配方，可见添加了本文研发的多功能防腐剂的水泥浆体系具有较好的抗高温防腐蚀力学性能。

表3 不同水泥浆配方的水泥石在腐蚀前后的力学性能对比Table 3 Comparison of mechanical properties of cement stone from different cement slurry systems before and after corrosion

综合上述腐蚀深度及腐蚀力学性能测试，本文构建的2#水泥浆配方具有腐蚀深度小、腐蚀力学性能高的特点，因此初步选定该水泥浆体系为BD气田抗高温防腐蚀水泥浆体系。

1.3 防腐蚀综合性能评价

1) 常规施工性能。对2#水泥浆配方进行了流变性能评价，评价结果见表4。由表4可以看出，该水泥浆体系具有良好的流变性能，可满足现场作业要求。

表4 2#水泥浆配方常规流变性能Table 4 Conventional construction performance of 2# cement slurry

2) 防气窜性能。对2#水泥浆配方进行了防气窜能力评价，结果见表5。由表5可以看出，该水泥浆体系强度发展快，具有良好的防气窜性能。当孔隙压力由2.07 MPa降为1.72 MPa通气时，没有发生气窜现象，表明水泥浆胶凝强度发展迅速，防窜能力强。

表5 2#配方水泥浆的防气窜性能Table 5 Gas channeling prevention performance of 2# cement slurry

2 应用效果

BD气田有4口开发井，其中1口为直井，3口为水平井，φ244.475 mm(含)及以上套管层次采用批钻方式。本文构建的新型抗高温防腐蚀水泥浆体系在该气田4口开发井的φ244.475 mm套管和φ177.8 mm尾管进行了成功应用，设计水泥浆密度1.98 g/cm3，稠化时间150～350 min，API失水量<50 mL，自由水为零，24 h抗压强度>21 MPa，塑性黏度241 mPa·s，动切力12 Pa，固井施工过程安全顺利，固井质量优良。

3 结束语

针对BD气田高温富含CO2和H2S气体腐蚀环境所研发的多功能防腐剂PC-MTA具有良好的防腐蚀性能，可以通过颗粒级配技术提高水泥浆的固相含量和致密性，从而满足防腐及密度要求。以多功能防腐剂PC-MTA为主构建的高温防CO2和H2S腐蚀水泥浆体系在BD气田4口开发井固井作业中取得成功应用，可为类似气田抗高温防腐水泥浆体系的研发及应用提供借鉴，具有较好的推广价值。

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(编辑：孙丰成)

Research and application of a heat-resisting and anti CO2and H2S corrosion cement slurry

ZHAO Jun1XU Bihua2QIU Huiyang1XIE Yingquan2FANG Guowei1

(1.COSL,Sanhe,Hebei065201,China; 2.SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan100084，China)

The producing formation of BD oilfield in Indonesia is reef limestone. The characteristics of high temperature/high pressure and rich CO2/H2S of the field pose challenges to cementing operation. A multi-function corrosion inhibitor PC-MTA was developed and a cement slurry was further formulated with it and based on the theory of engineered particle size distribution, which exhibits fair resistance to high temperature and CO2/H2S corrosion. Lab evaluation of the slurry system shows remarkable corrosion resistance, rheology performance and gas migration control. The slurry has been successfully applied in 4 development wells in BD oilfield, resulting sound bonding quality through the pay zone. Therefore it can be a model for the cementing jobs of similar wells.

high temperature resistance; corrosion resistance; CO2; H2S; corrosion inhibitor PC-MTA; cement slurry; BD oilfield in Indonesia

赵军，男，工程师，2006年毕业于中国石油大学(华东)，主要从事油气井固井技术研究工作。地址：河北省三河市燕郊开发区行宫西大街中海油服油田化学研究院(邮编：065201)。E-mail：zhaojun13@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0091-04

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.015

TE256+.1

A

2016-10-18 改回日期：2017-03-12

赵军,徐璧华,邱汇洋，等.抗高温防CO2和H2S腐蚀水泥浆体系研发与应用[J].中国海上油气，2017,29(3)：91-94.

ZHAO Jun,XU Bihua,QIU Huiyang,et al.Research and application of a heat-resisting and anti CO2and H2S corrosion cement slurry[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):91-94.