超高温水泥浆体系设计与性能评价

刘保波

（大庆钻探工程公司钻技一公司 黑龙江大庆 163000）

随着油气钻探的发展，固井工程将面临更多的超高温高压固定作业，同时水泥作为固定工程的重要材料，为了满足超高温的固定要求，需要开发出具有相应性能的超高温固井用水泥浆体系[1]。

1 固井超高温水泥浆体系中合成产品的介绍

1.1 外加剂

高温固井水泥浆以油井水泥为基础，硅胶等外加剂和水泥外加剂（主要外加制为脱水剂，加入凝集剂和分散剂）。固井水泥的性能可以根据外加容量进行调节和控制。在海外广泛使用的高温固井剂有石灰、沥青等无机材料和纤维素衍生物，负离子聚合物等水溶性高分子，在高温下天然高分子的性能随着成分的不同而不稳定，但是合成高分子固井剂中含有乙烯衍生物和不饱和酯等共聚物，使其理论耐热性大于已有的无机外加剂。

1.2 水泥浆体系

根据实际情况和需求情况添加不同的外加剂，为了调节硅胶，添加硅胶等多种功能，目前常用的水泥浆系统有软性水泥浆系统和特殊水泥浆系统，这种泥浆系统在功能上有不同的效果，高温密度泥浆系统必须在深井中处理高压层，稳定井内液体的压力，其卓越的防气性能能够有效地控制漏水和泄漏，显著优化水泥石的强度，有效地提高油井的使用寿命，为了避免井筒的压力和高温破坏，防止这种情况发生，可以在泥浆系统中加入软性外加剂[2]。

1.3 聚合物外加剂合成条件确定

（1）单体配比

单体配合费主要由脱水剂和凝集剂的特定官能团决定，但由于所需量和分子量不同，所以决定了单体的配比，不同的单一配比研究了高分子产品的性能，确定降失水剂HT-1的单体配比为AMPS：AM：NX=6：3：1；缓凝剂HTF2的单体配比为AMPS：IA：DX=10：4：1。

（2）引发剂用量

如果引发剂的用量过低，那么聚合物分子链的长度将增加，并包裹对分子链具有缓冲作用的羧基，从而不能充分发挥凝聚分散作用，使用适合用量的引发剂会增加高分子体在磷中处于伸展状态，活性气团暴露在分子外，具有充分的速度率的污泥中的钙，据悉，铝等离子体在C3S和Ca的生长环境中具有很强的吸附力。如果引发剂使用量过多，不仅会浪费材料，还会引起爆发性的聚合。因此，用于合成下降过滤器引发剂使用量为0.2%。

2 超高温水泥浆的设计和性能优化

2.1 超高温水泥浆体系设计

耐高温水泥外加剂主要由缓冲剂、抑制剂等构成，为了满足高温固井水泥浆的性能要求，必须加入一定量的硅粉，以稳定高温强度。为了解决高温泥浆稳定性下降的问题，一般在泥浆中添加高分子悬浊剂，使液体粘度增加，抑制泥浆体系的沉降，为了提高水泥浆和水泥砂浆的综合性能，可以在水泥浆中加入定量的填料，使地下流体活性化。添加弹性剂可以降低水泥浆的柔软性，添加防腐剂可以提高水泥砂浆的防腐能力。

2.1.1 油井水泥外掺料

（1）高温强度稳定剂

当临界温度在110℃以上时，硅酸盐油井水泥的强度在140℃以上时，水泥浆的强度会更严重。一般硅酸盐油井水泥的主要矿物是硅酸三钙和硅酸钙，占整个矿物的80%。当温度低时，两种矿物的氢化产物主要是水和硅酸。一定量的氢氧化钙和少量的碳酸钙具有良好的机械性能。如果温度超过110℃，水泥浆水化反应会加快，强度将暂时升高，但硅酸将钙和硅酸三钙反应而形成的氢化硅酸钙在高温下不稳定，氢化产物强度低，固体晶体破坏水泥砂浆的内部结构，使水泥浆在高温下的强度急剧下降。特别是深井，深井的恒温一般超过110℃，在这个温度条件下，纯水泥浆的强度会下降，在水泥中加入一定量的硅，可以有效地抑制水泥的高温强度下降，水泥浆的强度会下降。掉落的问题可以降低水泥中的石灰和硅石的灰浆的对比，改善水泥浆的强度，因此在水泥中加入一定量的硅粉，将水泥石的C/S摩尔比降低到1.0左右，水泥砂浆在110℃下氢化转换成硅酸钙，形成坚硬的硅石（C5HS6H5），可以维持水泥砂浆的高强度和低渗透性。

（2）油井水泥填充剂

油井水泥填料的作用是提高水泥浆的稳定性，油井水泥填料cea-1是固体上的非定型颗粒，主要成分是硅石，在超高温水泥中加入cea-1，通过颗粒大小分布效果提高超高温水泥浆的稳定性，另一方面，不同粒子大小的石英粒子和高温强度稳定剂的组合提高了水泥颗粒连接效果的强度，在高温条件下进一步加强了水泥浆强度。

（3）高分子悬浮剂

泥浆在超高温下的稳定性是泥浆的重要性能指标，在高温环境下，水泥浆容易形成层状，在正常密度和高密度水泥中，硅、水泥等高密度固体颗粒被释放，上层泥水密度降低，水泥含量减少，难以加固，对水泥浆的强度发展和固定质量非常不利，提高泥浆稳定性的方法是在泥浆中添加填料等固体颗粒材料，通过颗粒的效果提高体颗粒的体积密度，提高泥浆稳定性，添加高分子悬浮剂提高泥浆液体的粘度。

2.1.2 隔离液设计

为了提高本研究开发的超高温水泥浆系统的现场适用性，开发了用于解决超高温泥浆污染问题的分离液系统。该分离液系统使用高分子分离剂O-SP，将分离液的液体粘度有效提高，防止了污染，调节分离液密度，满足压力稳定和地层压力平衡需求，为了满足需求，可根据污染试验在隔离液中添加2～3%的油井水泥凝结剂HT2。

2.2 超高温水泥浆体系性能评价

2.2.1 超高温常规密度水泥浆

因此，对超高温泥浆的配合和性能进行了测定。测试用的超高温一般密度的水泥配比参照表1。

表1 超高温常规密度水泥浆配方

测试结果表明，通过调整油井水泥填料cea-1和高分子悬浮剂的容量，可以改善泥浆的稳定性，Ca-1排水容量为5%，高分子悬浮剂添加量为0.3%时，受到高温保护后的沉降稳定性测试是泥浆的上下密度差可控制在0.02以内，浓缩时间可根据使用量进行调节，增加脱水剂的使用量可减少泥浆的脱水，电阻的容量由混合条件和材料的流动性决定。

2.2.2 超高温高密度水泥浆性能

为了维持井底和地层的压力均衡，在开采超高压地层时，必须使用高密度的固井液，在这种油井的固井作业中，添加的铁矿石粉末和泥土的由于密度差太大，高密度泥浆在高温和超高温条件下难以保持等离子体的稳定性。测定了超高温高密度水泥浆的性能，利用粒子级燃料技术提高了泥中固体颗粒之间的沉积密度，大大降低了水泥浆的空间率提高高水泥浆防沉淀性能，提升高密度水泥浆的稳定性，超高温水泥浆系统中使用的高分子悬浮剂He400，可以通过调整He400的容量来提高水泥浆的稳定性。结果见表2。

表2 超高温高密度水泥浆实验

3 结论

开发的超高温固井泥浆系统采用高温防降水剂HT-1，产品的耐温性和耐盐性好；开发的超高温水泥浆系统将HT-2作为高温缓冲剂，调节水泥的浓稠化时间，研究HF-2的综合性能，该凝集剂满足超高温要求，适用于盐水水泥浆系统，调整缓冲剂HT-2的容量，因此在60℃-200℃的条件下，可以灵活调整水泥的候凝时间，满足固井作业的要求。