油井抗温抗衰聚合水泥浆的研制与应用

油井抗温抗衰聚合水泥浆的研制与应用

鄂鸿钰,刘宁泽,杨棋翔

中国石油渤海钻探工程有限公司第一固井分公司  东北项目部

摘要：在水泥浆体系中加入适量的地聚合物类高温强度抗衰减剂和液硅,有助于提高浆体稳定性、降低水泥石弹性模量并延缓高温强度衰减速度，能有效解决稠油热采井在高温驱替环境下固井质量差、油井寿命短的问题，具有良好的开发应用前景。

主题词：热采井；强度衰减；地聚合物；高温强度抗衰减剂；固井

0背景概述

热采井固井水泥浆要在低温下实现迅速凝结，防止环空窜流，形成封闭性完整的水泥环，同时要具有抗高温强度衰减性能，以满足稠油热采井的正常生产需求[1]。笔者通过在水泥浆体系中添加一种地聚合物类高温强度抗衰减剂，对比分析其耐高温性能和强度变化特征，进而优化水泥浆体系性能，使其满足热采井固井工艺要求。

1实验材料与试验方法

1.1 实验材料

G级油井水泥，高温强度抗衰减剂，液硅，降失水剂BXF-200L，缓凝剂BXR-200L，减阻剂BCD-200L，消泡剂XP-1，自来水等。

1.2 试验仪器

岩石力学三轴应力测试系统、深水孔隙压力伺服仪、岩心公司的氦孔隙度仪、强度养护箱、RTR-1500高温高压岩石三轴仪、六速旋转粘度计、恒速搅拌器、高温高压稠化仪、高温强度养护釜。

1.3 试验方法

水泥浆按照GB/T 19139-2012 油井水泥试验方法中规定的方法制备。

水泥石的抗压强度按照GB/T 10238-2015油井水泥中规定的方法测定。

三轴压力试验按照国际岩石力学学会（ISRM）1977.3 岩石三轴压缩测试方法测定。

2水泥浆体系的研究

实验采用降失水剂BXF-200L为主剂，配套缓凝剂BXR-200L、减阻剂BCD-200L等，并加入一定比例的新型低聚物类高温强度抗衰减剂，形成了新的地聚合物类稠油热采水泥浆体系。

2.1 高温强度抗衰减剂加量优选

在G级水泥中分别加入40%、60%、80%、100%的高温强度抗衰减剂，按照GB/T 19139-2012 油井水泥试验方法中规定的方法制备水泥浆（水灰比为0.44），将配置好的水泥浆倒入φ25.4 mm×（52 mm±0.5 mm）的圆柱形模具中，依次编号，放置在养护箱中养护，24 h后拆出，放入高温养护釜中养护，养护温度为300 ℃，养护30 d后拆出，测水泥石力学性能。

2.1.1 单轴压力试验

利用岩石力学三轴应力测试系统对试块进行单轴压缩实验，记录应力应变曲线。利用应力应变曲线计算试块的弹性模量和泊松比，并读取抗压强度。通过实验数据，可以看出，高温强度抗衰减剂加量越大，抗压强度越大，但弹性模量值也在增大，需要加入降低水泥石弹性模量的材料进行改善。

2.1.2 三轴压力试验

由于井壁围岩处于三向应力状态，所以测定岩石的力学性能时不能用简单的单轴压缩试验，而必须在一定的围压作用下，进行三轴压缩试验，才能得出合理的结果。采用高温高压三轴岩石强度试验装置对圆柱形岩样的横向施加液体围压（2 MPa、4.5 MPa、7 MPa），然后逐渐增大轴向载荷，测出岩石破坏时的轴向应力，并绘出应力—应变关系曲线。

2.2液硅加量优化

在前面的研究中，已经确认了干混的基本配方，为了降低水泥石的弹性模量，分别在水泥配方中加入5%和10%的液硅，基本配方及水泥浆性能。水泥石弹性模量的大小随着液硅加量的增加而降低，抗压强度值也在减小，但还是在合格的数值范围之内。

2.3地聚合物稠油热采水泥浆体系

在配方里面加入优选出的降失水剂，形成了地聚合物稠油热采水泥浆基本配方：400 gG级水泥+320g高温强度抗衰减剂+275g清水+16g降失水剂BXF-200L+7.5g减阻剂BCD-200L+40g液硅。在基本配方中分别加入不同加量的缓凝剂BXR-200L，按照GB/T 19139 油井水泥试验方法中规定的方法测量水泥浆的性能及稠化时间。

缓凝剂加量在0.03%～0.2%（占纯G级水泥重量百分比）区间时，稠化曲线正常，稠化时间呈线性分布，说明在52 ℃条件下，该水泥浆体系稠化时间可调、可控。

3机理分析

在高温条件下，热采井水泥石性能会发生复杂变化，当温度低于110 ℃时，水泥浆体中含有的C3S及C2S等主要矿物相水化后生成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶及少量CH( Ca( OH)2) ，水泥石强度随龄期延长呈增加趋势[2]; 当温度超过110 ℃后，随着温度升高，水泥石中的主要产物C-S-H凝胶逐渐转变为高结晶度的α水化硅酸二钙（α-C2SH），抗压强度因龄期延长迅速衰减; 当温度达到180 ℃时，衰退变化非常明显。同时，水泥环在受热过程中，由于热分布不均或温度的急剧变化导致开裂，无法对流体进行有效封隔[2-6]。

低温下，高温强度抗衰减剂不参与硅酸盐水泥的水化反应；当温度达到200℃以上时，硅酸盐水泥因高温会脱掉水分子，发生强度衰减情况，此时高温强度抗衰减剂被高温激活，与硅酸盐水泥发生反应，促使水泥石整体强度升高，从而起到水泥石的超高温强度补偿作用。

4结论与建议

（1）设计出的耐高温热采井固井水泥体系流动性良好、稠化时间可调可控、失水量小、水泥石抗压强度高、弹性模量低，能够满足热采井固井要求。

（2）该体系具有良好的耐高温性能，通过30 d的300 ℃的高温养护，水泥石仍具有很高强度，保证水泥环的长期稳定性，有利于提高固井质量，对热采井的后续生产具有重要意义。

参考文献

[1] 刘勇，张清玉，谢承斌，等． 低密度高强度水泥浆在哈萨克斯坦油田热采井的应用[J].钻井液与完井液，2010，27 ( 5) : 68－70.

[2] ZHANG J F，XU M，YAN Z H，et al. Hydration and hardening of class G oilwell cement with and without silica sands under high temperatures[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2008，36 ( 7) : 939－945.

[3] 杨远光，陈大钧.高温水热条件下水泥石强度衰退的研究[J].石油钻采工艺，1992，14( 5):33－39.

[4] 李光辉．固井水泥浆膨胀性能实验研究与应用[J].钻采工艺，2016，39 ( 4) : 29－31．

[5] 杨海波，曹成章，冯德杰，等． 新型低密度水泥减轻材料SXJ－1的研制及应用[J].石油钻探技术，2017，45 ( 4) : 59－64．

[6] 杨智光，崔海清，肖志兴. 深井高温条件下油井水泥强度变化规律研究[J].石油学报，2008，29( 3) : 435－437.