山西干熱巖GR1井高溫固井技術(shù)研究與實(shí)踐

郤一臻，趙福金，荊 京，祁國華，張 勃

（山西省地質(zhì)工程勘察院有限公司，山西太原 030024）

0 引言

干熱巖是可再生清潔能源的一種，具有資源量大、分布范圍廣泛、開發(fā)利用對(duì)環(huán)境影響小、基本不受自然條件影響等顯著優(yōu)勢。全球陸域干熱巖資源量相當(dāng)于4950萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤，是全球所有石油、天然氣和煤炭蘊(yùn)藏能量的近30倍，中國大陸3～10 km深處干熱巖資源量約合856萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤，占世界資源量的1/6左右［1］。雖然干熱巖熱量巨大，但目前國內(nèi)對(duì)于干熱巖系統(tǒng)性研究較為薄弱，尤其受到鉆探技術(shù)與成本等制約，干熱巖勘探開發(fā)一直較為滯后。山西省自然資源廳組織開展“山西省陽高縣-天鎮(zhèn)縣一帶干熱巖地?zé)豳Y源預(yù)可行性勘查”，填補(bǔ)了山西省干熱巖勘查及開發(fā)的空白。對(duì)勘查區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源量進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，2000～4000 m深處干熱巖地?zé)豳Y源量熱能為1.9×1024J，按2%可開采資源量計(jì)算，折合65000萬億t煤，對(duì)踐行山西能源革命、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、降低碳排放和改善生態(tài)環(huán)境具有重大意義。固井是干熱巖井成井的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2］，山西大同盆地干熱巖勘查井GR1井二開深度1502.82 m，井底溫度157.2℃，壓力15.0 MPa，常規(guī)固井水泥漿現(xiàn)場無法應(yīng)用，亟需針對(duì)干熱巖固井技術(shù)進(jìn)行研究探索。為解決高溫固井矛盾，本文系統(tǒng)梳理了高溫固井水泥漿研究實(shí)踐，形成了一套高溫固井水泥漿技術(shù)體系，為今后同類型高溫固井工作提供了經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支撐［3］。

1 基本情況

1.1 地質(zhì)概況

山西省大同盆地干熱巖勘查區(qū)位于山西省大同市天陽盆地弧山廟和馬圈癢一帶，盆地區(qū)域性深大斷裂構(gòu)造延伸下切，沿深大斷裂淺部發(fā)現(xiàn)有火成巖體侵入，深大斷裂是溝通淺深部熱源的有利通道，將地下深處高溫流體通過大型構(gòu)造斷裂傳導(dǎo)上來，圈閉形成地?zé)岙惓^(qū)。

勘查區(qū)地層主要有太古界集寧群（Arj）、元古界長城系（Ch）、中生界白堊系（K）、新生界新近系（N）和第四系（Q）。出露的地質(zhì)體以新太古代變質(zhì)基底為主，次為中、新生代陸相地層及火山巖，另有少量中元古代、早古生代海相碳酸鹽巖為主的地層。干熱巖地?zé)醿?chǔ)為太古界早中晚期變質(zhì)巖、花崗結(jié)晶巖體、巖柱、巖漿侵入體，特點(diǎn)是埋藏淺、溫度高，巖體溫度150～300℃。

1.2 井身結(jié)構(gòu)

山西省大同盆地干熱巖勘查井GR1井采用三開井身結(jié)構(gòu)，井深1624.01 m，二開井深1502.82 m。按照施工設(shè)計(jì)，井身結(jié)構(gòu)見表1。

表1 山西大同盆地干熱巖勘查井GR1井井身結(jié)構(gòu)Table 1 Structure of dry hot rock exploration Well GR1 in Datong Basin,Shanxi province

1.3 井內(nèi)溫壓測試

使用高溫測井設(shè)備連續(xù)溫壓測試，結(jié)果見圖1，二開井底溫度157.2℃，壓力15.0 MPa，其中400～1500 m平均地溫梯度為6.24℃/100 m，1000～1500 m平均地溫梯度為8.3℃/100 m。井底溫度高，對(duì)固井水泥漿稠化時(shí)間、沉降穩(wěn)定性、抗壓強(qiáng)度等抗高溫性能要求高，亟待開展高溫固井水泥漿技術(shù)研究［4］。

圖1 GR1井測溫曲線Fig.1 Temperature logging curve of GR1

2 高溫固井水泥漿技術(shù)體系開發(fā)

2.1 開發(fā)要求

山西大同盆地干熱巖勘查井GR1井井底溫度高，需開發(fā)滿足高溫條件下的固井水泥漿技術(shù)體系，對(duì)水泥漿材料選取、性能參數(shù)、配比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定性和定量研究，保證水泥凝固后強(qiáng)度長期穩(wěn)定，保障干熱巖高溫固井施工安全［5］。

2.2 高溫水泥漿添加劑優(yōu)選

2.2.1 高溫降失水劑

高溫降失水劑能夠在高溫環(huán)境下形成薄膜或膠粒，阻止水泥漿中的自由水析出及先期脫水，改善顆粒級(jí)配，決定水泥漿保存及圈閉自由水能力的大小，因此高溫降失水劑優(yōu)選為合成的有機(jī)高分子化合物CG82L。其降濾失性能在于具有多官能團(tuán)線性大小分子，能吸附于水泥顆粒表面，有的基團(tuán)與水結(jié)合，處理劑分子橫向之間也有吸附水，從而使水泥顆粒帶有結(jié)構(gòu)吸附水層的外殼，保證其功能。

高溫降失水劑CG82L能使水泥漿在井壁形成薄而致密的濾餅，增大了繼續(xù)濾失的阻力，另一方面也能增加水泥漿中“水”流逸的阻力，降失水性能優(yōu)異。通過優(yōu)化其配比，高溫降失水劑CG82L加量為6.7%時(shí)，失水量控制在16 mL/30 min，溫度適用范圍在60～180℃，同時(shí)CG82L水泥漿體較為穩(wěn)定。

2.2.2 高溫緩凝劑

高溫緩凝劑主要是在高溫環(huán)境下吸附在水泥顆粒表面或水泥水化產(chǎn)物晶體表面，形成一層致密的吸附膜層，改變水泥表面的雙電層結(jié)構(gòu)，使水泥吸附水分的過程及水化反應(yīng)受到抑制，延緩水化的作用［6］。優(yōu)選高溫緩凝劑H40L，其在高溫、高壓環(huán)境下，具有足夠的性能穩(wěn)定性，不易斷鏈或者降解分散，能夠有效吸附于水泥顆粒及水化產(chǎn)物晶體表面，保證其緩凝功能［7］。

高溫緩凝劑H40L溫度適用范圍80～200℃，熱穩(wěn)定性能良好。為滿足現(xiàn)場高溫固井作業(yè)需求，通過優(yōu)化高溫緩凝劑H40L配比（見表2），可以有效控制水泥漿稠化時(shí)間。水泥漿稠化時(shí)間為3 h，保證固井施工作業(yè)可控連續(xù)。

表2 不同高溫緩凝劑配比條件下水泥漿稠化時(shí)間Table 2 Performance of cement slurry at different ratios of high temperature retarders

2.2.3 高溫穩(wěn)定劑

水泥石強(qiáng)度一般情況下隨壓力及溫度的增加而提高，當(dāng)壓力＞20.68 MPa后，壓力繼續(xù)增加，對(duì)水泥石強(qiáng)度影響減?。?］。API規(guī)定在20.68 MPa以下試驗(yàn)，溫度影響更為明顯，溫度提高后，使抗壓強(qiáng)度達(dá)最大值，該溫度稱為“臨界溫度”。當(dāng)超過此溫度后，水泥石的抗壓強(qiáng)度將急劇下降，水泥強(qiáng)度的衰退和滲透率的增加，對(duì)水泥漿影響極為嚴(yán)重［9］。

通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選對(duì)比，水泥漿中加入合適比例的高溫穩(wěn)定劑CF40L和硅粉，能夠顯著提高其熱穩(wěn)定性，保證水泥石抗壓強(qiáng)度，見表3。加入CF40L和硅粉的水泥，在高溫下可以吸收水泥熟料水化析出的Ca（OH）2，形成纖維狀的CSH（B）單體，其強(qiáng)度高達(dá)31.88 MPa，因此可大幅保證水泥漿的熱穩(wěn)定性能［10］。

表3 不同高溫穩(wěn)定劑CF40L和硅粉配比條件下水泥漿性能Table 3 Performance of cement slurry at different ratios of high temperature stabilizer CF40L and silica power

經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，優(yōu)選出適用于干熱巖高溫條件下的水泥漿添加劑：高溫降失水劑CG82L、高溫緩凝劑H40L、高溫穩(wěn)定劑CF40L、消泡劑GX-1及硅粉。

3 高溫固井水泥漿性能評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)高溫固井水泥漿性能，是保障高溫固井質(zhì)量的前提。本次實(shí)驗(yàn)是在150℃、18 MPa環(huán)境下，對(duì)水泥漿各添加劑配比加量、水泥漿稠化時(shí)間、高溫沉降穩(wěn)定性、水泥石抗壓強(qiáng)度進(jìn)行綜合系統(tǒng)評(píng)價(jià)，得出最后數(shù)據(jù)結(jié)論，并在山西大同盆地干熱巖勘查井GR1井成功應(yīng)用［11］。

3.1 高溫稠化性能

結(jié)合干熱巖GR1井現(xiàn)場固井需求，對(duì)高溫固井水泥漿體系的稠化性能進(jìn)行研究，采用添加劑不同配比加量，考察水泥漿稠化性能，獲得水泥漿稠化時(shí)間隨配方調(diào)整的變化情況，見表4。

表4 水泥漿稠化時(shí)間變化情況Table 4 Changes in thickening time of cement slurry

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著高溫緩凝劑H40L加量的增加，水泥稠化時(shí)間有所增加，關(guān)系較為明顯，為方便現(xiàn)場固井施工作業(yè)，高溫緩凝劑H40L配比選擇1.58%，水泥稠化時(shí)間為3 h。圖2可看出，水泥漿稠化曲線正常，水泥漿添加劑在高溫下配伍性能良好［12］。

圖2 150℃條件下高溫水泥漿稠化曲線Fig.2 Thickening curve of high temperature cement slurry at 150℃

通過實(shí)驗(yàn)，選擇水泥漿基礎(chǔ)配方如下：

P.O42.5水泥+6.7%高溫降失水劑CG82L+1.58%高溫緩凝劑H40L+0.67%高溫穩(wěn)定劑CF40L+15.8% 200目硅粉+0.5%消泡劑GX-1+0.5%HV-PAC。

3.2 高溫沉降穩(wěn)定性

高溫條件下，水泥漿沉降穩(wěn)定性是保證其性能的關(guān)鍵之一。當(dāng)溫度超過水泥漿臨界溫度，添加適當(dāng)比例的水泥漿添加劑，有利于提高水泥漿懸浮能力，降低水泥漿固相顆粒沉降速率，減小水泥漿上下密度差［13］。

在150℃條件下，對(duì)按上述配方配置好的水泥漿進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)，升溫結(jié)束后停機(jī)，在高溫養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)靜置60 min，取出測量上、下部水泥漿密度，對(duì)水泥漿沉降穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，見表5。

表5 150℃水泥漿沉降穩(wěn)定性Table 5 Settlement stability of cement slurry at 150℃

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，水泥漿在150℃條件下上下密度差＜0.02 g/cm3，沉降穩(wěn)定性較高，高溫穩(wěn)定劑CF40L懸浮能力和抗高溫性能良好，高溫降失水劑CG82L進(jìn)一步保障了水泥漿體的穩(wěn)定性。

3.3 水泥石抗壓性能評(píng)價(jià)

高溫環(huán)境下，水泥石強(qiáng)度是保證固井質(zhì)量的前提［14］。為此，在150℃條件下，使用高溫養(yǎng)護(hù)釜對(duì)水泥漿進(jìn)行24 h養(yǎng)護(hù)［15］，并使用微機(jī)材料測試機(jī)對(duì)養(yǎng)護(hù)后的水泥石進(jìn)行強(qiáng)度測試，試驗(yàn)情況見圖3，結(jié)果見表6。

圖3 150℃下養(yǎng)護(hù)24 h水泥石樣Fig.3 Cement stone samples cured at 150℃for 24h

表6 水泥石抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果Table 6 Test results of compressive strength of cement stone

結(jié)果顯示，4塊水泥石樣品抗壓強(qiáng)度結(jié)果分別為18.34、20.56、16.32、18.94 MPa，平 均 值18.54 MPa，水泥石養(yǎng)護(hù)24 h后抗壓強(qiáng)度發(fā)展結(jié)果滿足高溫環(huán)境下現(xiàn)場施工需求。

3.4 水泥漿綜合評(píng)價(jià)

通過實(shí)驗(yàn)，確定150℃溫度下水泥漿最終配比為：P.O42.5水泥+6.7%高溫降失水劑CG82L+1.58%高溫緩凝劑H40L+0.67%高溫穩(wěn)定劑CF40L+15.8% 200目硅粉+0.5%消泡劑GX-1+0.5%HV-PAC。該水泥漿體系A(chǔ)PI濾失量為16 mL/30 min，密 度 為1.80 g/cm3，3 h稠 度 達(dá) 到100 Bc，抗壓強(qiáng)度達(dá)18.54 MPa，上下水泥漿密度差＜0.02 g/cm3，滿足現(xiàn)場固井施工需求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

山西大同盆地干熱巖勘查井GR1井設(shè)計(jì)為直井，二開?311.1 mm口徑鉆至井深1502.82 m，下入?244.5×10.03 mm石油套管444.60～1502.82 m。對(duì)該井段進(jìn)行固井作業(yè)，前置液采用清水+低密度水泥漿組合，沖刷井壁及套管外壁，提高水泥漿膠結(jié)質(zhì)量。固井采用高溫固井水泥漿體系，水泥漿密度為1.80 g/cm3。

固井步驟為：注入5 m3密度為1.01 g/cm3前置液，隔離循環(huán)泥漿及固井水泥漿；泵入高溫固井水泥漿33 m3，直至井口返出固井水泥漿液；泵入替漿液15 m3，頂替循環(huán)管路水泥漿?，F(xiàn)場施工順利，施工工具使用正常，測井結(jié)果顯示固井質(zhì)量優(yōu)，滿足現(xiàn)場要求。

5 結(jié)論

（1）以高溫降失水劑CG82L、高溫緩凝劑H40L、高溫穩(wěn)定劑CF40L、消泡劑GX-1及硅粉等高溫水泥添加劑為基礎(chǔ)形成的150℃抗高溫固井水泥漿技術(shù)體系，性能滿足干熱巖鉆井二開?311.1 mm口徑、1502.82 m井深、井底溫度157.2℃現(xiàn)場施工需求，具有可推廣性。

（2）高溫固井水泥漿體系濾失量低，稠化時(shí)間可控，沉降穩(wěn)定性強(qiáng)，水泥石抗壓強(qiáng)度高，綜合性能優(yōu)。

（3）高溫固井水泥漿技術(shù)體系在山西大同盆地高溫干熱巖井成功應(yīng)用，為今后同類型高溫固井工作提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支撐。