慶深氣田古龍B井抗高溫高密度防竄水泥漿研究與應(yīng)用

林榮壯，耿建衛(wèi)，郭光奇，白忠明，苑春洋，馬佳文

（大慶油田鉆探工程公司，黑龍江大慶 163413）

古龍B井是部署在慶深氣田古龍斷陷上的一口風(fēng)險(xiǎn)探井，完鉆井深4838m，井底溫度193℃，而且氣層活躍，鉆井液密度2.0g/cm3以上，井下環(huán)境要求尾管固井水泥漿技術(shù)上有大的突破。水泥漿高溫下穩(wěn)定性不易保證，表現(xiàn)為水泥漿穩(wěn)定性差、析水量大、失水量大，而且水泥石超過(guò)110℃易發(fā)生強(qiáng)度衰退等[1]；若采用密度為1.90g/cm3的常規(guī)水泥漿體系固井，液柱壓力不能平衡地層壓力，極易造成竄槽，使固井質(zhì)量大幅降低，甚至固井失敗，為此需要提高水泥漿密度；尾管固井，環(huán)空間隙小，要滿足安全提取鉆具的需要，要求水泥漿在提鉆時(shí)間內(nèi)保持良好的性能。因此，開(kāi)展密度為2.00～2.30g/cm3抗高溫高密度防竄水泥漿研究，以保障慶深氣田高溫高壓井勘探開(kāi)發(fā)需求，并保證古龍B 井固井施工安全和固井質(zhì)量。

1 抗高溫高密度防竄水泥漿設(shè)計(jì)

抗高溫高密度防竄水泥漿體系要求水泥漿在高溫下具有防竄、稠化時(shí)間可調(diào)、失水量低、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高等性能，因此，水泥漿體系的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是水泥外加劑的選擇及水泥漿性能調(diào)整[2]。

1.1 加重劑研選

目前，高密度水泥漿多采用添加高密度加重材料。國(guó)內(nèi)外常用的高密度加重材料有重晶石粉、還原鐵粉、鐵礦粉、鈦鐵礦粉、微錳等。重晶石粉可有效提高水泥漿密度，對(duì)保持膠體穩(wěn)定性有利，但本身密度低，需水量少，水泥外加劑使用受限，同時(shí)又使水泥石強(qiáng)度下降較大。四氧化三鐵需水量較少，其加量較大時(shí)，需調(diào)整水泥漿的流變性能。鈦鐵礦對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度影響較小，但目前使用的鈦鐵礦石雜質(zhì)含量高，需要適當(dāng)提高水泥漿的稠度以防水泥漿離析。而微錳加重劑是一種以錳鐵合金生產(chǎn)中的副產(chǎn)品，其性能優(yōu)良，在國(guó)內(nèi)外高壓油氣井固井中應(yīng)用效果良好，但價(jià)格昂貴，制約了它的使用范圍[3]。

綜合考慮高密度水泥漿性能和經(jīng)濟(jì)原則，室內(nèi)要配制出密度范圍2.00～2.30g/cm3的高密度水泥漿體系時(shí)，選用四氧化三鐵作為加重劑。同時(shí)，選擇了一種納米級(jí)別的增強(qiáng)劑，與加重劑配合使用，以增加水泥石的早期強(qiáng)度。

1.2 懸浮穩(wěn)定劑研制

由于高密度水泥漿使用了加重劑和較少的水泥，水泥漿的懸浮穩(wěn)定性受到的影響較大，尤其是在高溫環(huán)境，由于高溫作用引起水泥漿中顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)加快，漿體的稀釋引起水泥漿不穩(wěn)定性的加劇，易導(dǎo)致水泥漿沉降。為保持高密度水泥漿無(wú)固相顆粒沉降無(wú)自由水析出直至固化，通過(guò)加入微硅均勻分散后使水泥漿液相變?yōu)檩^穩(wěn)定的溶膠，形成基礎(chǔ)骨架，但不能徹底解決高溫下沉降穩(wěn)定差的問(wèn)題。為此研發(fā)了懸浮劑DHTS-1，該懸浮劑由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、偶氮二異丁咪唑啉鹽酸鹽反應(yīng)而成，聚合物中含有大量的酰胺基(-CONH2)和磺酸根(-SO3)對(duì)水泥顆粒的分散和支撐作用，可以增加液相粘度，能夠讓水泥顆粒在高溫下處于懸浮狀態(tài)，與微硅配合使用，來(lái)提高高溫下水泥漿懸浮穩(wěn)定性。

1.3 降失水劑研制

對(duì)于抗高溫高密度水泥漿體系而言,選擇的降失水劑，對(duì)水泥的早期強(qiáng)度、流變性、稠化時(shí)間、凝結(jié)時(shí)間等無(wú)不良影響。要求降失水劑的相對(duì)分子質(zhì)量大小、分子分布以及分子形態(tài)合理，需要聚合物分子同水泥顆粒之間具有良好的水化和吸附作用，且聚合物主鏈具有良好的熱穩(wěn)定性。研發(fā)了降失水劑DHTF-3作為高密度水泥漿體系的降失水劑，該劑選用2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸（AMPS）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）和丙烯酸（AA）進(jìn)行聚合。AMPS 和AA 中含有大量的-CH2-SO3-和-COO-等基團(tuán)，與水泥顆粒有較強(qiáng)的水化及吸附作用；同時(shí)，AMPS 的大側(cè)基增強(qiáng)了分子鏈的剛性，加之NVP 側(cè)鏈上有許多剛性的環(huán)狀機(jī)構(gòu)碳鏈結(jié)構(gòu)，提高了聚合物的耐高溫性能。

1.4 緩凝劑研制

為了保證固井施工的安全性，研究出一種超高溫緩凝劑DHTR400，它的緩凝特性更加有效、穩(wěn)定，比常規(guī)的緩凝劑能耐更高的溫度，并與其它外加劑配伍性較好。該緩凝劑是由含多種極性基團(tuán)的聚合物與一定比例的耐高溫助劑混合而成。當(dāng)DHTR400 加入到水泥漿中，極性基團(tuán)（磺酸鹽基團(tuán)、耐高溫助劑）具有極強(qiáng)的抑制作用，這些極性基團(tuán)在C-S-H、Ca（OH）2表面形成極為致密的結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)了成核結(jié)晶時(shí)間，延緩了水泥顆粒的水化速度；此外，超高溫緩凝劑DHTR400 中的兩種乙烯系單體中含有羥基（-OH）、酮基（-C=O）等活性基團(tuán)，可以使聚合物線團(tuán)吸附于水泥顆粒表面，起到阻止水滲入的作用。

1.5 防竄劑研選

為了提高水泥石防竄性能，采用聚合物膠乳DQJ-2L 作為防竄劑，抗溫可達(dá)200℃，膠乳中懸浮的膠粒具有一定的彈性，一部分膠粒通過(guò)擠塞、填充于水泥與外摻料顆粒間的空隙中，降低了水泥石的滲透率；另一方面，膠粒在壓差的作用下，在水泥顆粒間聚集成膜，這層覆蓋在濾餅表面的膜，阻止氣體竄入水泥漿，提高了高密度水泥漿體系的防竄性能。

2 抗高溫高密度防竄水泥漿性能評(píng)價(jià)

2.1 水泥漿穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

通過(guò)室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，對(duì)抗高溫高密度防竄水泥漿體系不同密度點(diǎn)，進(jìn)行了水泥漿體系穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 水泥漿體系穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

由表1 可以看出，水泥漿體系穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果顯示，各配方密度差均小于0.03g/cm3，游離液為0，說(shuō)明該體系具有良好的穩(wěn)定性。

2.2 水泥漿（石）抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)

優(yōu)選了適當(dāng)加量的加重劑，與納米增強(qiáng)劑復(fù)配，并加入35%熱穩(wěn)定劑。水泥漿體系水泥石抗壓強(qiáng)度如表2所示。

表2 水泥漿體系水泥石抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

水泥漿體系各密度點(diǎn)水泥石強(qiáng)度發(fā)展快，且7d 強(qiáng)度不衰退，可保證水泥環(huán)長(zhǎng)期封隔效果，能滿足完井作業(yè)時(shí)的強(qiáng)度要求。

2.3 水泥漿體系防竄性能評(píng)價(jià)

開(kāi)展了密度2.00～2.30g/cm3的水泥漿體系氣竄量及滲透率室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，防竄劑DQJ-2L加量為10%～15%，由表3 可知，水泥漿體系高溫下具有良好的防竄性能，且有較低的滲透率，能夠阻止地層氣體向環(huán)空竄流，防止氣竄發(fā)生。

表3 水泥漿體系氣竄量及滲透率實(shí)驗(yàn)

2.4 水泥漿體系其它性能評(píng)價(jià)

對(duì)抗高溫高密度防竄水泥漿體系進(jìn)行了水泥漿流動(dòng)度、濾失量及稠化時(shí)間室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，抗高溫高密度防竄水泥漿體系各配方流動(dòng)性好，水泥漿體系濾失量在50mL 以內(nèi)，且稠化時(shí)間不倒掛、線性關(guān)系好。

表4 水泥漿體系流動(dòng)度、濾失量及稠化時(shí)間實(shí)驗(yàn)

綜上，研制的密度為2.00～2.30g/cm3的抗高溫高密度防竄水泥漿體系（適用溫度150℃～200℃），具有耐高溫、抗壓強(qiáng)度高、防竄性能好等特點(diǎn)，可保證水泥環(huán)長(zhǎng)期封隔效果，防止氣竄發(fā)生，滿足慶深氣田高溫高壓井固井施工要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

古龍B 井井底溫度193℃，井深在4621～4675m 之間，全烴2.24%，其中CO2含量80.41%，現(xiàn)場(chǎng)尾管固井施工設(shè)計(jì)水泥漿密度2.10g/cm3，設(shè)計(jì)循環(huán)溫度170℃。

為了防止CO2腐蝕水泥石，在水泥漿中添加防腐劑DCR，評(píng)價(jià)試樣腐蝕前后的抗壓強(qiáng)度與氣體滲透率的變化情況，見(jiàn)表5。從表中數(shù)據(jù)可以看出，加入防腐劑DCR 后，水泥石抗壓強(qiáng)度及滲透率基本保持穩(wěn)定。

表5 193℃水泥石腐蝕前后試樣抗壓強(qiáng)度與氣體滲透率的變化

在室內(nèi)模擬現(xiàn)場(chǎng)工況變化的情況，對(duì)水泥漿稠化性能變化進(jìn)行評(píng)價(jià)，見(jiàn)表6。

表6 水泥漿稠化性能評(píng)價(jià)

從表6 可以看出，在溫度、密度高于設(shè)計(jì)指標(biāo)的條件下，稠化時(shí)間略有縮短，而且中停試驗(yàn)和污染試驗(yàn)對(duì)稠化時(shí)間影響不大，現(xiàn)場(chǎng)工況變化對(duì)水泥漿施工作業(yè)安全影響較小，水泥漿性能穩(wěn)定。

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中下灰順利、流動(dòng)狀態(tài)好、密度均勻，瞬時(shí)最大排量1.7m3/min，最小排量1.1m3/min，替壓5～20MPa；整個(gè)施工過(guò)程中注替平穩(wěn)，無(wú)井漏等復(fù)雜情況發(fā)生。72h測(cè)井，固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，見(jiàn)圖1。

圖1 古龍B井固井質(zhì)量聲幅圖

4 結(jié)論

（1）研制了抗高溫性能優(yōu)良的水泥外加劑DHTF-3、DHTS-1、DHTR400，配伍性較好，保證水泥漿性能穩(wěn)定，并優(yōu)選了加重劑四氧化三鐵、防竄劑聚合物膠乳DQJ-2L等關(guān)鍵外加劑。

（2）研制了密度為2.00～2.30g/cm3的抗高溫高密度防竄水泥漿體系（適用溫度150℃～200℃），可保證水泥環(huán)長(zhǎng)期封隔效果，防止氣竄發(fā)生，滿足慶深氣田高溫高壓井固井施工要求。

（3）該抗高溫高密度防竄水泥漿在古龍B 井油層固井中應(yīng)用，施工正常，72h測(cè)井固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)。