干熱巖地熱井固井技術研究綜述

黃范勇，張　麗，段云星

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司，天津300280；2.長慶油田分公司礦區(qū)服務事業(yè)部，陜西西安710018；3.中國地質大學<北京>，北京100083）

干熱巖地熱井固井技術研究綜述

黃范勇*1，張麗2，段云星3

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司，天津300280；
2.長慶油田分公司礦區(qū)服務事業(yè)部，陜西西安710018；3.中國地質大學<北京>，北京100083）

我國大陸干熱巖資源在3.0～10.0km深處總計為2.5×1025J，按2%的可開采資源量計算，相當于目前能源消耗總量的5200倍，具有很大開發(fā)潛力和前景。國內外在干熱巖地熱井固井工藝、水泥漿體系和外加劑方面進行了諸多研究。目前開發(fā)出的內插法、免鉆法等固井工藝及其配套技術措施已經(jīng)運用在地熱井固井施工中；多數(shù)水泥漿體系耐溫低于200℃，但已有室內實驗結果滿足API標準的220℃的體系；水泥外加劑多通過復配來改善因單獨性能存在缺陷而影響使用的情況，從而擴大適用溫度范圍、提高綜合性能。

干熱巖；高溫；固井；水泥漿；外加劑

干熱巖是一種沒有水或蒸汽的熱巖體，埋藏于距地表2～10km的深處，溫度大約150℃～650℃。我國大陸3.5～7.5km深處、150℃～250℃的干熱巖儲量巨大，約為6.3×106EJ，按2%的可開采儲量計算，可獲得126000EJ的熱能，相當于2010年我國能源消費總量的1320倍，開發(fā)利用前景巨大［1-2］。本文從固井工藝、水泥漿體系、水泥外加劑方面總結了國內外在干熱巖地熱井固井技術方面的研究。

1　高溫固井工藝

高溫固井要點：

（1）溫度引起的軸向載荷以及形成的彎曲破壞時管柱方面的主要問題。在套管選擇方面，應該考慮使用具有較大抗拉強度的螺紋類型，一般選擇梯形螺紋以及抗拉強度更大的其他特殊螺紋，抗拉安全系數(shù)在2.0～3.0為宜。盡可能使水泥全部封固套管柱。

（2）水泥中必須加入硅粉熱穩(wěn)定劑，加入量控制在水泥質量的35%～40%。

（3）加密使用套管扶正器，盡量提高頂替效率。當設計水泥漿返出地面時，要保證一定量的水泥漿返出地面（10m3），保證上部水泥環(huán)質量。

川東北地區(qū)井深、溫度高，地層壓力大，富含酸性或腐蝕性氣體。在川東北地區(qū)作業(yè)過程中，吳建忠［3］、龍嗣源［4］研發(fā)的固井新工藝為內插法固井工藝技術、分級固井工藝、尾管及回接固井工藝、平衡壓力固井工藝、反擠水泥固井工藝；提高頂替效率的技術措施為優(yōu)選前置液體系、保證套管居中度；配套的固井用工具和附件的選用以中國石化德州大陸架油氣高科技分公司產(chǎn)品為主；國外有Petro-King、Weatherford、Baker公司，主要提供的是尾管掛和分級箍。

張軒［5］針對分級箍完井和篩管完井后期必須下小鉆桿通井，磨掉分級箍和盲板耗費時間，影響鉆井時效這一實際情況采取了針對性的技術措施，開發(fā)出了免鉆分級箍和免鉆盲板等井下固井工具，并結合現(xiàn)場實際情況開發(fā)出了一整套免鉆固井工藝和配套技術措施，提高了固井時效，節(jié)約了鉆井成本。

2　高溫水泥漿體系

張清玉［6］、郭進忠［7］介紹了幾種高溫深井固井用新型水泥漿體系：超高密水泥漿體系、防竄水泥漿體系、柔性水泥漿體系和特種水泥漿體系。

超高密度水泥漿體系：超高密度水泥漿的實現(xiàn)通過減少水灰比、提高固體材料的堆積密度、提高配漿水的密度和外摻加重材料來完成。在水泥漿密度要求很高時，可能同時采用這4種方法或其中的幾種。這樣便在深井注水泥時保持了井眼壓力平衡，井內液柱壓力與地層壓力保持平衡或略高于地層壓力。

防氣竄水泥漿體系：目前國內外用到的防氣竄劑有：觸變類外加劑（半水石膏、交聯(lián)或復合聚合物材料等），延遲膠凝材料，鋁粉混合物，基質流動阻力劑或阻塞劑（膠乳、硅灰等）。一般使用膠乳水泥漿來滿足深井氣井固井施工安全系數(shù)要求大、水泥漿密度控制嚴格的要求。國內近年來從膠乳的作用機理、研制、開發(fā)及應用等方面研究了丁苯膠乳水泥漿體系。

柔性水泥漿體系：防止形成微環(huán)空的技術除了采用特殊的固井方法外，另一技術是用不收縮的柔性水泥漿，甚至是膨脹水泥。柔性水泥漿通常是在水泥漿中加入柔性外加劑（如硫化像膠）、膨脹劑，該體系的特點是有彈性、沒有收縮、滲透率極低，可以避免由于井眼壓力增加或溫度升高引起的應力損壞水泥環(huán)，防止形成微環(huán)空?？蓪椥粤Ｗ?，如橡膠粒子，加入水泥中提高水泥的柔韌性。但是一般的韌性材料如聚丙烯、聚乙始等在比較低的溫度就熔化或者降解，另外一些材料如高性能熱塑料等適用于高溫堿性環(huán)境。

特種水泥漿體系：常用的波特蘭水泥是硅酸鈣礦物，其主要組分是硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S），大約占到75%～80%。在水泥中添加35%～40%的細硅砂或硅粉，將C/S比調到1.0～1.2時，形成雪硅鈣石（C5Si6H5），當養(yǎng)護溫度高于170℃時，雪硅鈣石通常又會轉化為硬硅鈣石（C6Si6H）；有一種適用高溫氣井的新型磷酸鈣水泥材料，體系中粉煤灰與鋁酸鈣反應生成硅鋁酸鈣CaO·A12O3·2SiO2，粉煤灰中的鐵與石英也和鋁酸鈣反應生成鈣鐵榴石（Ca3Fe2SiO4），反應后的水泥石抗壓強度大大提高；還一種特種高溫低密水泥漿：硅酸鈣15%～40%、多磷酸鈉5%～20%、粉煤灰25%～45%、足夠的水、a-烯烴磺酸鹽1%～3%（發(fā)泡劑）、三甲銨乙內酯0.5%～1.5%（泡沫穩(wěn)定劑）。

高溫深井固井是一項復雜的系統(tǒng)工程，必須根據(jù)油田實際靈活運用合適的固井技術，必須仔細評估固井作業(yè)的所有方面，必須不斷發(fā)展新的設備、工藝和材料。新型固井材料的開發(fā)對提高固井質量起著十分重要的作用，目前國內在高溫外加劑、高溫特種水泥等方面的研究還很不夠，需要加強這方面的研究，需要固井界、材料界的廣大科學工作者付出更多艱苦的努力。

3　高溫水泥外加劑

耐高溫固井水泥由基本油井水泥H級、G級，外加一定量的外摻料（硅粉、密度調節(jié)劑等）及水泥外加劑來構成，其性能主要靠外摻料和外加劑［8］進行調節(jié)。為了提高固井質量，國內外固井工作者研制出了上百種油井水泥外加劑［9］，這些外加劑的應用改善了水泥漿及水泥石的性能，從而提高了固井質量。

油井水泥外加劑用量最大的主要有3類：降失水劑、調凝劑和分散劑，稱“油井水泥三大劑”，幾乎所有優(yōu)質水泥漿體系中都包括這3大組分，應該說明的是這些外加劑一般都是復合使用的，單一使用難以獲得綜合性能優(yōu)良的水泥漿。

3.1調凝劑

促凝劑：常規(guī)促凝劑有氯鹽、碳酸鹽、堿和有機化合物等，典型的代表產(chǎn)品有氯化鈣、氯化鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉、氯化鐵、氯化鋁、甲酞胺和三乙醇胺。氯離子對套管有一定的腐蝕作用，但仍是目前使用最多的。高溫高壓井固井時，一般不會用到促凝劑，但有時為了提高水泥漿的早期強度或是縮短候凝時間，會引入少量促凝劑。

緩凝劑及高溫緩凝劑：油井水泥緩凝劑有木質素磺酸鹽及其異構體或衍生物；單寧、磺化單寧及其衍生物；酸、羥基羧酸、異構體或衍生物及其鹽類；葡糖酸及其衍生物的鈉鹽或鈣鹽；相對低分子質量的纖維素及其衍生物；有機或無機磷酸鹽；硼酸及其鹽類等。緩凝劑大多數(shù)是復合物，即使是木質素磺酸鹽也要復配上一定量的無機酸、有機酸或它們的鹽類，彌補各自性能的不足，使緩凝組分之間具有互補性，以擴大使用范圍、稠化時間與加量成線性關系，也想消除單一緩凝劑低溫時加量小、過于靈敏、而高溫時加量過多等弊病。

3.2降失水劑

從降失水機理來劃分，水泥漿降失水劑有2大類：顆粒材料，包括膨潤土、石灰石粉、聚合物微粒（膠乳體系）；水溶性聚合物，包括纖維素衍生物（CMC、HEC、CMHEC）、非離子型聚合物（如聚乙烯毗咯烷酮復合體系，聚乙烯醇類）、陰離子型聚合物［（如N、N—二甲基丙烯酞胺類聚合物、磺化苯乙烯聚合物或其共聚物、陽離子型聚合物（聚乙烯胺類）］。典型代表有低粘CMC、CMHEC、HEC、丙烯酸類聚合物和共聚物等，國內常用水泥漿降失水劑產(chǎn)品有S24、S27、LW-1、LW-2、MS-88、PA等。

目前高溫降失水劑發(fā)展方向主要是線性高分子聚合物和膠乳型聚合物，如N、N—二甲基丙烯酞胺—AMPS共聚物，AA/AMPS共聚物和CMHEC高溫（204℃）耐鹽（10%）降失水體系；AMPS-VP-AM-AA四元共聚物（26℃～232℃）；聚乙烯亞胺及聚乙烯多胺（亞胺）與磺化苯乙烯反應的產(chǎn)物和苯乙烯—丁二烯膠乳（以非離子表而活性劑或其它類型的表面活性劑為膠乳穩(wěn)定劑）等。道威爾-SCHLUMBERGER公司研制開發(fā)了UNFLAC通用型降失水劑，適應溫度10℃～232℃，適應密度為1.2～2.9g/cm3，適應淡水至飽和鹽水配漿；國產(chǎn)膠乳由于性能不穩(wěn)定，現(xiàn)場實際使用的報道不多，現(xiàn)正在進行這方而的攻關。

3.3水泥漿分散劑和消泡劑

分散劑主要有：木質素磺酸鹽及其衍生物；聚奈磺酸鹽類；磺化醛酮縮合物；磺化乙烯基聚合物及其衍生物；檸檬酸類；AMPS聚合物類；其它，如多糖、羥基羧酸類。國內的抗高溫分散劑較少，能在150℃以上效果依然優(yōu)良更少；國外主要發(fā)展乙烯基單體聚合物及其衍生物，這類油井水泥分散劑穩(wěn)定性好、抗高溫、不引氣、減阻效果好、耐鹽。

油井水泥消泡劑是有起泡趨勢的水泥漿體系中的重要組成部分。其消泡機理主要是改變體系的表而張力，適合各種水泥漿體系而消泡能力強的消泡劑是很難得到的；配漿水的消泡和水泥漿的消泡是2個概念，同時解決這2個問題的消泡劑更是難得。目前最為常用的是消泡劑有機硅類、脂類消泡劑。

3.4膠乳

早期用于油井水泥固井的膠乳是聚二氯乙烯、聚醋酸乙烯酯體系，效果較好，限于50℃以下使用；20世紀80年代開發(fā)的苯乙烯—丁二烯及其衍生物的共聚物膠乳可用于176℃，國內外類似的產(chǎn)品有DOW465、LATEX2000等。固井用膠乳還有聚苯乙烯、氯苯乙烯、氯乙烯共聚物、氯丁二烯—苯乙烯共聚物及樹脂膠乳等幾類。

到目前為比，國內在油井水泥外加劑方而，已形成11大類100多個品種，在分散劑、低溫防氣竄劑、常規(guī)性能降失水劑等方而，其性能已接近或超過國外同類產(chǎn)品的性能；與國外抗鹽、抗高溫外加劑相比，國內這類外加劑在溫度低于120℃時使用具有良好的性能，能在溫度高于120℃使用而性能優(yōu)異的外加劑種類較少且性能不穩(wěn)定，尤其是高溫降失水劑、高溫防氣竄劑和高溫緩凝劑這三類產(chǎn)品問題更嚴重。國內抗高溫外加劑的抗鹽性能普遍不理想。另外，對減少和防止高溫強度衰退的硅質材料研究不多且性能不穩(wěn)定。還有一個最普遍的問題就是國內油井水泥外加劑各自為政，相互間配伍性較差。

4　結論與建議

（1）固井水泥漿體系要根據(jù)地層特性，配合固井技術和工具，才能實現(xiàn)固井施工的高效、安全、長期。目前，高溫地層固井的大多數(shù)的水泥漿體系耐溫低于200℃，但已有達到220℃的水泥漿體系，室內實驗結果顯示性能滿足API標準。

（2）復配可改善外加劑因單獨使用性能存在缺陷而影響使用的情況，應對已有外加劑和新研發(fā)的產(chǎn)品進行復配應用研究，擴大適用溫度范圍，提高其綜合性能。

［1］徐巍.世界干熱巖發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［C］//中國地熱資源開發(fā)與保護——全國地熱資源開發(fā)利用與保護考察研討會論文集，2007：51-55.

［2］藺文靜，劉志明，馬峰，等.我國陸區(qū)干熱巖資源潛力估算［J］.地球學報，2012，33（5）：807-811.

［3］吳建忠，張磊，嚴焱誠，等.川東北復雜地層固井技術探討［J］.天然氣技術，2009，3（3）：37-40.

［4］龍嗣源，陳道元，馬自偉.川東北地區(qū)深井固井技術綜述［J］.石油科技論壇，2010（2）：38-41.

［5］張軒.免鉆固井技術的研究與應用［J］.中國石油和化工標準與質量，2010（7）：111-123.

［6］張清玉，鄒建龍，譚文禮，等.高溫深井固井技術研究進展［J］.石油天然氣學報，2005，27（1）：219-220.

［7］郭進忠，孫富全，侯筱.高溫固井水泥漿體系的研究［J］.石油化工應用，2008，27（5）：10-14.

［8］吳景華，謝俊革.深部鉆探耐高溫固井材料研制［J］.長春工程學院學報：自然科學版，2012，13（4）：57-59.

［9］武世新.國內外高溫高壓井固井用外加劑現(xiàn)狀及進展［J］.延安職業(yè)技術學院學報，2011，25（5）：77-79.

P314

A

1004-5716（2016）04-0090-03

2015-04-20

2015-04-20

國家自然科學基金項目“高溫高壓低彈性模量復合固井材料形成機理研究”，編號51474192；中央高校基本科研業(yè)務費，編號2012098。

黃范勇（1980-），男（漢族），江蘇鹽城人，工程師，現(xiàn)從事石油鉆井技術工作。