抗高温低密度水泥浆体系研究与应用

＊肖振华 丁志伟 周琛洋 张华 张顺平

（1.中国石油西南油气田分公司勘探事业部 四川 610000 2.中国石油集团工程技术研究院有限公司 北京 102206 3.油气钻完井技术国家工程研究中心 北京 102206）

随着钻井技术的进步和油气勘探开发向深井、超深井发展，目的层地质条件的复杂性给固井工程带来了诸多困难和挑战，尤其是高温易漏失复杂深井固井。高温易漏失复杂深井固井[1]难点如下：（1）低密度水泥浆高温强度低，影响水泥胶结强度；（2）井深，井底压力高，低密度水泥浆减轻材料承压能力要求高；（3）高温条件下，低密度水泥浆沉降稳定性不易保障；（4）油气显示活跃，安全密度窗口窄，压稳和防漏难以兼顾。针对高温易漏失复杂深井存在的上述固井技术难题，笔者研制了低密度增强材料DRA-2S，提高了低密度水泥浆高温强度，增强了水泥环胶结强度；优选了耐压105 MPa 的高性能玻璃微珠，水泥浆承压101 MPa 后，水泥浆密度变化小于0.02 g/cm3；优选聚羧酸类分散剂DRS-2S，降低液固比，配合高温稳定剂DRK-3S，确保了体系稳定性；开发了适用于循环温度150 ℃、静止温度180 ℃的抗高温低密度水泥浆体系，配套精细控压平衡法固井工艺，为西南油气田高温易漏失复杂深井固井提供了技术支撑。

1.试验部分

（1）试验试剂。嘉华G 级水泥，四川嘉华水泥厂；高性能空心玻璃微珠（Y15000，国产）、增强材料DRA-2S、聚羧酸分散剂DRS-2S、膨胀增韧材料DRE-3S、稳定剂DRK-3S、缓凝剂DRH-2L 等，中石油工程院自研。

（2）试验仪器。恒速搅拌器TG-3060、高温高压失水仪TG-71、双缸高温高压稠化仪TG-8040D10，沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司； 高温高压养护釜Chandler Model 7375,静胶凝强度分析仪Chandler Model 5265，美国Chandler 公司。

（3）试验方法。水泥浆制备配方A：350 g 嘉华G级水泥+2.5%增强材料DRA-2S+24%高性能玻璃微珠+35%高温增强材料DRB-2S+10%增强材料DRB-1S+4%膨胀增韧材料DRE-3S+2% 微硅+1.5% 稳定剂DRK-3S+1.1%分散剂DRS-2S+7.5%降失水剂DRF-2L+5%缓凝剂DRH-2L+0.5%消泡剂DRX-1L+0.5%抑泡剂DRX-2L+74%现场水。

水泥浆制备及性能测试执行API 标准。

2.外加剂研制和减轻材料优选

（1）增强材料DRA-2S 评价。氯化钙是油井水泥常用的高效早强剂和抗压强度增强材料，但是氯化钙易使水泥浆屈服值升高，甚至出现“闪凝”现象。另外，氯化钙还会使水泥石体积收缩变大、渗透率升高和防硫酸盐腐蚀能力下降等弊端[2]，在高温条件下，掺入氯化钙的水泥石易发生强度衰退，并对套管有一定的腐蚀作用。因此，开发了一种新型复合无氯增强材料，实验表明，复合型增强材料比单组分增强材料更具有良好的增强效果，实验结果如表1。

表1 增强材料DRA-2S 对水泥浆性能的影响

从表1 可知，在127～180 ℃温度范围内，添加2.5% 增强材料DRA-2S 抗压强度明显高于空白试验，说明优选的复合无氯增强材料在127～180 ℃温度范围内具有良好性能。

（2）分散剂DRS-2S 评价。SXY 是油井水泥常用分散剂，由于空心玻璃微珠粒径小（微米级），配制水泥浆需水量大，常规SXY 分散性能不佳，表现为下灰困难，配制水泥浆黏稠。因此优选聚羧酸类分散剂DRS-2S，可以起到降低水泥浆液固比，改善水泥浆流动性的作用。其作用机理是聚羧酸分散剂中的羧基和磺酸基吸附在水泥颗粒表面，改变水泥颗粒表面电荷分布，然后通过静电排斥和空间立体位阻，使水泥颗粒具有较强的立体分散能力，表现出优良的分散性能[3]。

对比考察了分散剂对低密度水泥浆下灰、流动度性能的影响，结果如表2 所示。

表2 分散剂DRS-2S 对水泥浆流动性能的影响

由表2 可知，相同基础配方下，SXY 分散剂加量1.5%，下灰时间＞50 s，配制的水泥浆流动性差，初始稠度37Bc，难以现场应用。相比而言，优选的聚羧酸分散剂DRS-2S 加量1.1%，下灰时间35 s，配制的水泥浆流动性能好，初始稠度23Bc，满足现场施工要求。

（3）高性能空心玻璃微珠评价。油井水泥常用减轻材料为漂珠、珍珠岩、空心玻璃微珠[4]。由于漂珠、珍珠岩承压能力不高[5]，用高温高压稠化仪模拟掺有漂珠、珍珠岩的低密度水泥浆承压试验，打压至50 MPa 过程中，稠度明显增加，拆出水泥浆已无流动性。对比常规玻璃微珠（Y12000）与高性能玻璃微珠（Y15000）承压试验，如表3 所示。

表3 空心玻璃微珠承压试验

由表3 可知，常规玻璃微珠配制的水泥浆经过101 MPa 承压后，稠度由23Bc 升至31Bc，承压后的水泥浆密度由1.50 g/cm3升至1.58 g/cm3，说明Y12000玻璃微珠破碎较多。现场应用表现为泵压增加，环空液柱压力增加，易引发井漏。而优选的高性能空心玻璃经过101 MPa 承压后，稠度和密度变化不大，表现出良好的承压能力。

（4）水泥浆综合性能评价。针对高温易漏失复杂深井固井给水泥浆体系设计带来了诸多困难，通过研发新型复合无氯增强材料DRA-2S，优选聚羧酸类分散剂DRS-2S、高性能空心玻璃微珠，配合膨胀增韧材料DRE-3S[6]，高温增强材料DRB-2S，增强材料DRB-1S、高温稳定剂DRK-3S、缓凝剂DRH-2L 等，开发了抗高温低密度水泥浆体系，水泥浆性能如表4 所示。

表4 水泥浆性能

由表4 可知，水泥浆顶部13.3 h 起强度，24 h 抗压强度12.4 MPa；防窜系数SPN 0.64，具有良好的防窜性能，抗高温低密度水泥浆综合性能满足固井施工要求。

3.现场应用

ZJ2 井是西南油气田分公司布置的一口预探井，该井四开采用Ф149.2 mm 钻头钻至6898 m 完钻，钻井液密度1.50 g/cm3，电测井底温度168 ℃，裸眼段平均井径扩大率5.6%。

(1)ZJ2井Φ127 mm尾管固井难点及技术措施

表5 ZJ2 井φ127 mm 尾管固井难点及技术措施汇总

(2)ZJ2井Φ127mm尾管固井精细控压模拟

固井施工过程控制H2S 显示层、主气层当量密度高于1.50 g/cm3，确保固井施工过程始终压稳地层；同时保持主漏层当量密度小于1.68 g/cm3，降低固井施工过程压漏风险。

模拟固井施工过程H2S 显示层、气层6841 m、主漏层6746 m ECD，如图1 所示。

图1 固井施工精细控压模拟曲线

由图1 可知，模拟整个固井施工过程中，H2S 显示层6751 m、主气层6841 m ECD ＞1.50 g/cm3，可以压稳地层；主漏层6746 m ECD ＜1.68 g/cm3，井漏风险小，确保了固井施工压稳和防漏。

4.结论

（1）开发的抗高温低密度水泥浆具有良好的性能，稠化时间377 min，顶部静胶凝13.3 h 起强度，24 h 抗压强度12.4 MPa，满足固井施工对水泥浆性能的要求。

（2）采用精细控压固井工艺，实现了固井施工全过程气层压稳，降低了窜气和H2S 风险，现场固井施工无井漏。

（3）采用抗高温低密度水泥浆体系，结合抗高温高效抗污染冲洗隔离液技术、精细控压固井等配套工艺技术措施，有效保障了探井ZJ2 井Ф127 mm 尾管悬挂固井施工安全和固井质量，电测固井质量合格率96.7%。