复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系

路飞飞， 李斐， 田娜娟， 朱文豪

（1.中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院，乌鲁木齐 830011；2.渤海钻探井下作业分公司，河北任丘 062550）

复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系

路飞飞1， 李斐1， 田娜娟2， 朱文豪1

（1.中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院，乌鲁木齐 830011；2.渤海钻探井下作业分公司，河北任丘 062550）

普通加砂G级水泥无法满足异常高温固井，水泥石高温强度衰退严重。针对高温深井固井问题，开展了在145～180 ℃下35%硅粉加量水泥石强度衰退机理研究，探索了170～200 ℃高温下硅粉粒度、加量及硅粉复配对水泥石强度发展的影响规律，优化出抗高温防衰退水泥浆体系。研究结果表明：①在温度大于160 ℃下，加量为35%硅粉的水泥石养护30 h时开始强度衰退，温度越高，衰退越早；②根据粗、细硅粉对水泥石强度发展的影响，得出0.18、0.09 mm硅粉及液硅比例为30∶60∶10，复合加量70%时，可以抑制200 ℃水泥石强度衰退；③优化出抗温为170～200 ℃、密度为2.08～2.41 g/cm3的复合加砂抗高温防衰退高密度防气窜水泥浆体系。通过以上研究，不但抑制了水泥石强度持续衰退，也改善了水泥石长期力学性能，对高温高压气井的良好封固提供技术支撑。

复合加砂；强度防衰退；抗高温；硅粉加量；硅粉粒度；液硅；高密度水泥浆

油气勘探步入深井、超深井时代，高温固井必 将面临艰巨挑战。西北油田塔中北坡奥陶系中下统存在异常高温层，井底静止温度为170～200 ℃，为保证井筒完整性，必须使用抗高温防衰退水泥浆体系，然而硅酸盐G级水泥和35%～40%加砂水泥的强度衰退临界温度均不大于150 ℃[1-3]，井底静止温度超高，水泥石强度衰退严重。在该区块前期水泥浆研究的基础上[4]，从硅粉粒度、加量及粗细硅粉复配等方面开展研究，研制出抗高温170～200 ℃的复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系。

1 加砂35%水泥强度衰退研究

在G级水泥中加入35%～40%的硅粉可以抑制温度不大于150 ℃时的水泥石强度衰退[1-3]，但是对于超高温井，普通加砂G级油井水泥仍然存在强度衰退问题。室内以G级油井水泥和常用的0.18 mm硅粉为实验材料，采用超声波静胶凝强度分析仪，考察加砂35%水泥浆（天山G级油井水泥+35%硅粉+57%水）在145、160、180 ℃下的强度发展情况见图1。由图1可知，随着温度升高，水泥石发展加快，但最高强度值不断降低，且不小于160 ℃时，水泥石强度衰退明显；145 ℃时，加砂水泥石的强度呈台阶式发展，无强度衰退；160 ℃时，随温度升高，水泥石强度发展提前且强度降低，呈台阶式发展，30 h强度开始衰退；180 ℃时，水泥石强度发展更早、更迅速，升至最大值迅速衰退，无台阶式发展，衰退时间提前至13 h。

图1 加砂35%水泥浆不同温度下的强度发展情况

为研究强度衰退机理，采用扫描电镜观察180 ℃、21 MPa、7 d和200 ℃高温高压条件下水泥石的微观结构，结果见图2。由图2可知，180 ℃时水泥石结构开始出现微细孔，200 ℃时微细孔增多，放大1 000倍观察，部分水化颗粒高温下脱水，发生晶相转变，并与整体结构脱离。

结合加砂水泥水化产物，分析了加砂35%水泥石强度衰退原因：①硅粉加量过少，无法吸收水泥浆中的氢氧化钙（CH）和水化硅酸二钙（C2SH），无法形成高强度产物；②高温下C2SH结晶，发生晶体脱水、晶相转变后与整体脱离，破坏水泥石完整性与致密性，孔隙度与渗透率增大，水泥石强度下降；③温度越高，水化反应越快，硅粉提前参与反应，强度发展早，但水化产物短时间内完成晶相转变后，迅速进入衰退期[5-7]。因此，硅粉加量35%的水泥石强度无法满足高温大于160 ℃时的固井要求。

图2 不同温度下水泥石微观结构（21 MPa、7 d）

2 硅粉对水泥石强度发展的影响规律

2.1 硅粉粒度对水泥石强度的影响

采用G级油井水泥和粒度分别为0.18、0.098、0.076、0.038 5 mm硅粉为实验材料，考察加入不同粒径硅粉的水泥石不同温度下，对1、4和7 d抗压强度的影响，硅粉加量为50%，结果见表1。

表1 硅粉粒度对水泥石强度的影响

实际硅粉呈粒度分布状态，包含多种粒径。因此，不同目数的硅粉对水泥石强度并没有表现出严格的影响规律，由表1可知：①一定温度和硅粉加量下，添加单一粒度硅粉后，水泥石强度随养护时间延长均发生衰退；②一定温度下，硅粉越细，1 d水泥石强度越趋于升高，7 d水泥石强度也较高；

2.2 硅粉加量对水泥石强度的影响

采用G级水泥和0.098 mm硅粉为实验材料，考察了硅粉加量为35%、50%、75%、100%和400%条件下水泥石1、4和7 d的强度发展情况，见表2。由表2可知：①180～220 ℃高温养护相同时间，单一粒度硅粉的水泥石强度随着硅粉加量的增大呈现先升后降的趋势，并随养护时间延长而衰退。②加砂量小于50%或大于100%，高温养护水泥石强度衰退严重，如加砂35%和400%时，220 ℃高温水泥石强度7 d衰退至10 MPa以下。③加砂量50%～75%，水泥石初始强度较高，衰退后保持较高强度，但加量75%时，7 d水泥石强度衰退趋势明显增大。原因分析：加砂量较小时，高温下高强度产物少，迅速进入衰退期；加砂量过大时，硅粉粒子过剩，残存在水泥石中破坏水泥石的结构完整性，强度降低。因此，温度大于180 ℃时，建议加砂量为50%～70%。

表2 不同硅粉加量对水泥石强度的影响（0.098 mm）

2.3 硅粉复配对水泥石强度的影响

根据以上研究，单一粒度硅粉防衰退能力有限，而硅粉粒度过小易导致浆体增稠。因此，进行粗细硅粉颗粒级配，在满足加砂量的同时，改善水泥浆流变性。考察了0.09、0.18 mm及纳米液硅等3种不同粒度硅粉在总加量70%时，不同组成比例对水泥石高温强度的影响，结果见表3。

表3 硅粉复配对水泥石强度的影响

硅粉复配后，200 ℃下水泥石强度随养护时间呈现先衰退后回升的趋势，其作用机理有待进一步研究。由于添加外加剂及不同批次水泥性能的影响，水泥石整体强度偏低，但硅粉复配对水泥石强度的影响规律是一致的。由表3可知，1#配方（粗∶细∶超细硅粉比例=30∶60∶10）表现出良好的高温强度稳定性，14 d时水泥石强度回升后较0.5 d更高。因此，粗细硅粉以适当比例复配加量70%时，基本可以抑制水泥石强度衰退。

3 抗高温防衰退水泥浆体系

3.1 高温缓凝剂DZH-3

针对顺南区块井底异常高温，优选了高温缓凝剂DZH-3，其通过吸附、螯合、分散和润湿等作用，形成溶剂化膜和极为致密的水化层，抑制晶核生长、发育，降低水化速度实现缓凝。DZH-3加量与稠化时间呈良好线性关系，且温度适用范围广。前期研究表明，缓凝剂对水泥石强度发展也有着至关重要的作用[1-2，5]，因此考察了DZH-3对水泥石强度的影响，结果见表4。由表4可知，在180、200 ℃下养护240 h，水泥石超声波抗压强度大于20 MPa，说明了DZH-3是一种理想的高温缓凝剂，通过调节加量能够满足水泥石抗压强度要求，不会导致其强度明显衰退。表4实验用水泥浆配方如下。

天山G级油井水泥+63%复合硅粉SiO2+7%SCLS+3%胶乳稳定剂SD-1+1.8%分散剂DZS+0.1%消泡剂DZX+64%水；密度为1.88 g/cm3

表4 DZH-3对水泥石超声波强度的影响

3.2 抗高温胶乳防气窜剂DC200

胶乳是国内外公认的性能优良的防气窜剂。优选的DC200为苯乙烯-丁二烯的乳液共聚物，在压差作用下聚集成膜覆盖在滤饼表面，防止气体窜入水泥浆，与胶乳稳定剂SD-1配套使用，抗温能力大于200 ℃。胶乳体系形成的水泥石具有良好的弹性，耐冲击性强，能够降低水泥石的渗透率，防止窜流，价格经济，可大幅度节约固井成本。

3.3 防衰退水泥浆体系

根据硅粉复配对水泥石强度发展影响的研究，优选了4套复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系。在160 ℃、130 MPa下考察了水泥浆的基本性能，结果见表5。

表5 水泥浆体系基本性能

表5实验用水泥浆配方如下。

1#天山G级+60%复合硅粉+40%铁矿粉+10%液硅SCLS+10%胶乳DC200+1.2%胶乳稳定剂SD-1+3.4%缓凝剂DZH-3+1.5%纤维SFP-2+3%微硅+1.8%降失水剂DZI-Y+0.8%分散剂DZS+1.5%消泡剂DZX+64%水

2#天山G级+60%复合硅粉+57%铁矿粉+6%SCLS+10% DC200+1.2% SD-1+2.5%DZH-3+1%SFP-2+3%微 硅+1.8%DZI-Y+0.7%DZS+1.2%DZX+70%水

3#天山G级+60%复合硅粉+75%铁矿粉+8%SCLS+10%DC200+1%SD-1+2.5%DZH-3+1%SFP-2+3%微硅+3%DZI-Y+0.6%DZS+1%DZX+85%水

4#天山G级+67%复合硅粉+210%复合加重材料+10%SCLS+6%DC200+1.2%SD-1+8%DZH-3+1.5%DZI-Y+0.3%DZS+1.5%DZX+90%水

3.4 水泥石强度发展

考察了4套配方的超声波强度发展情况，结果见图4～图7。由此可知，190 ℃时，密度为2.08 g/cm3的1#配方水泥浆因水泥加量比例多，77 h强度无衰退；190 ℃时，密度2.15 g/cm3的2#配方水泥浆因水泥加量比例相对减少，水泥石强度增长至最高点后轻微下降趋于平稳，后期又有所恢复，205 ℃下，密度为2.20 g/cm3的3#配方水泥浆有相似的强度发展历程；170 ℃时，密度为2.41 g/cm3的4#配方水泥浆，水泥石强度在轻微下降后恢复。因此，以上4套配方克服了高温下水泥石强度持续衰退的难题，满足高温固井对水泥石强度的要求。

图3 1#配方在190 ℃下静胶凝强度发展曲线

图4 2#配方在190 ℃下静胶凝强度发展曲线

图5 3#配方在205 ℃超声波水泥石强度发展曲线

图6 4#配方在170 ℃下静胶凝强度发展曲线

3.5 水泥石力学性能

为测量水泥石长期力学性能，以3#配方为例，考察了200 ℃、21 MPa条件下水泥石养护30、60 d的力学性能，结果见表6。由表6可知，养护时间从30 d延长至60 d，弹性模量低至5～7 GPa，气测孔隙度和气测渗透率进一步降低，水泥石长期力学性能可满足高温高压气井固井要求。

表6 3#配方水泥石长期力学性能

4 结论

1.当温度大于160 ℃时，35%～40%的硅粉加量过少，水泥石随温度升高强度迅速衰退。

2.根据粗细硅粉对水泥石强度发展的影响规律，对粗细硅粉进行复配，其最佳复配比例为：0.18 mm∶0.09 mm∶纳米液硅=30∶60∶10，且复配加量70%时，基本抑制200 ℃左右的水泥石强度衰退。

3.优选出密度范围在2.08～2.41 g/cm3的复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系，保证了170～200 ℃高温下固井水泥石的抗压强度，防止高温下强度持续衰退。

4.复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系具有良好的力学性能，有利于高温高压气井的封固。但其水泥石的高温水化产物及强度发展机理还有待进一步的研究。

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High Temperature Anti Strength Retrogression Cement Slurry with Compounded Silica Powder

LU Feifei1, LI Fei1, TIAN Najuan2, ZHU Wenhao1
(1.Research Institute of Petroleum Engineering, Sinopec Northwest Oil Field Company, Urumqi, Xinjiang 830011;2.Downhole Services Company BHDC Renqiu Hebei 062550)

Conventional Class G cement with silica powder is not able to satisfy the need of extra high temperature well cementing because of serious retrogression of the high temperature strength of the set cement. The mechanisms of set cement (with 35% silica powder) strength retrogression at 145 – 180 ℃, and the effect of particle sizes, concentrations and compounding of silica powder on the development of the strength of set cement at 170 – 200 ℃ have been studied to resolve strength retrogression of set cement at elevated temperatures. A high temperature anti strength retrogression cement slurry has been developed. These studies showed that(1) at temperatures above 160 ℃, the strength of a set cement with 30% silica powder begins to decline after curing for 30 h, and the higher the temperature, the earlier the process of strength retrogression. (2) The ratio of 0.18 mm silica powder, 0.09 mm silica powder and liquid silica is determined to be 30∶60∶10 based on the effect of coarse and fine particle silica powders on the development of the strength of set cement. When the compounded silica is added at a concentration of 70%, strength retrogression of set cement at 200℃ can be inhibited. (3) a high temperature high density anti strength retrogression anti-channeling cement slurry with compounded silica powder has been developed with density between 2.08 g/cm3and 2.41 g/cm3, and it can be used at high temperatures such as 170-200 ℃. Through these studies, the continual strength retrogression of set cement is inhibited, the long-term mechanical performance is improved, and the technology developed can be used in perfectly cementing HTHP gas wells.

Compounded silica powder addition; Anti strength retrogression; High temperature resistant; Dosage of silica powder;Particle size of silica powder; Liquid silica; High density cement slurry

路飞飞，李斐，田娜娟，等.复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系[J].钻井液与完井液，2017，34（4）：85-89.

LU Feifei，LI Fei，TIAN Najuan，et al.High temperature anti strength retrogression cement slurry with compounded silica powder[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（4）：85-89.

TE256

A

1001-5620（2017）04-0085-05

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.04.016

中石化科研项目“顺南高压气井安全钻井配套技术研究”（P14013）资助。

路飞飞，工程师，硕士，1985年生，毕业于中国石油大学（华东）油气井工程专业，现在从事固井技术研究工作。电话 （0991）3161179/18160669925；E-mail：939197895@qq.com。

2017-3-5；HGF=1704C1；编辑 王超）