海上稠油熱采井水泥漿體系研究

張帥，劉衛紅*，胡千紅，周俊

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海上稠油熱采井水泥漿體系研究

張帥，劉衛紅*，胡千紅，周俊

（長江大學 石油工程學院, 湖北 武漢 430100）

海上稠油熱采井與陸地熱采井對水泥漿性能要求基本相同，都要求水泥環在生產中要長期滿足經受反復高溫考驗后仍具有穩定性的特點。針對海上平臺作業條件，參照硅酸鹽水泥漿體系耐高溫特點和纖維材料的增韌效果，優化添加劑組合，配制出一套密度在1.50～1.90 g/cm3、溫度區間為40～90 ℃的新型水泥漿體系。室內試驗結果表明：該水泥漿體系失水量小于50 mL，稠化時間在120～400 min范圍內可控，水泥石高溫養護24 h的抗壓強度最高可達24.8 MPa，在經350 ℃高溫條件下養護28 d，水泥石仍有32.9 MPa的抗壓強度。表明該體系可以滿足海上熱采井固井的施工要求。

海上; 熱采井; 耐高溫性能; 纖維材料; 固井

固井作業水泥灰的混料方式分為干混和濕混兩種模式，通常陸上油田固井作業混料,取干混模式；而海上油田由于平臺空間和混料設備的限制，固井作業混料采取濕混模式，為提高混料效果，各種外加劑多采用水基外加劑。優選合適水基添加劑設計一套適合海上熱采井水泥漿體系。

國內有學者對陸上熱采井固井的研究中設計出一套新型鋁酸鹽水泥漿體系并進行了現場應用獲得了成功[1,2]，但是該體系的水泥石在2輪高溫條件下抗壓強度只有十幾MPa。考慮到水泥石要經受長期的高溫環境，所以要讓水泥石具有更高的強度才能保證完整性。在國內步玉環[3]教授的碳纖維改善水泥石韌性研究中得出碳纖維可以改善水泥石的脆性，能有效地阻止裂紋的發展，增強其抗裂能力和韌性。

通過對耐高溫水泥漿體系和纖維對水泥石的作用研究，充分的結合了這兩種特點，選取合理的添加劑，設計了一套適合海上稠油熱采固井水泥漿體系。該體系與常規體系相比，抗高溫性能更好，在350 ℃的超高溫條件下養護28 d水泥石仍具有很高的抗壓強度等特點。

1 海上熱采井耐高溫水泥漿體系設計

稠油熱采井的開采技術主要是熱力采油為主，在開采過程中，多使用蒸汽吞吐增產方法，如：間歇注氣技術、蒸汽驅技術、蒸汽輔助重力泄油技術和火燒油層技術等［4］，因此井筒內的溫度會高達350℃，并且在高溫熱采條件下，周期性的注蒸汽使得井筒要反復受到高低溫差。長期以往，油井水泥環強度將出現衰退，一旦水泥石完整性受到破壞，則井壁滲透率增加，固井質量受到破壞，嚴重影響開采效率和經濟成本。針對熱采井水泥石高溫強度衰退、滲透率增大的問題，提出設計思路，設計出一套耐高溫適用于海上熱采井固井水泥漿體系。

1.1高溫水泥漿設計原理

（1）降濾失劑不僅可以有效的改善水泥漿的濾失性能，而且對水泥漿的粘度、稠化時間，滲透性、與壁面的膠結狀態以及水泥石的性能產生較大的影響。在優選幾種降失水劑之后，發現聚合物類降失水劑CG88L所配的水泥漿配料能混合均勻，漿體隨溫度升高不存在稠化反轉的現象，保證固井質量。并且室內試驗API失水效果好，在90 ℃條件下依然具有降濾失作用，說明具有抗高溫的能力，此外市場上售價便宜，非常適合在海上平臺的儲層和海上稠油熱采井高溫條件地層下的使用。

（2）通常所用的硅酸鹽固井水泥漿，水泥環凝固后都有一個臨界溫度值，當井下溫度達到甚至超過這個溫度時，水泥環的抗壓強度要發生衰退，導致水泥石滲透率增大，甚至完全破壞固井水泥環，嚴重影響了油氣井測試、開發等后期作業的順利進行，難以滿足在稠油熱采井中的固井要求。在學者的研究中發現高溫強度穩定劑硅粉可以很好地改善水泥石的耐高溫性能。加入硅粉后降低了C/S摩爾比，不僅有效地阻止了固井水泥環的衰退，而且還使水泥環的高溫穩定性得到提高。

（3）熱采井在開采過程中經多次蒸汽吞吐，井下情況復雜不易控制，相比于套管，水泥環的抗壓能力和形變能力較差，所以其完整性最容易受到破壞，甚至導致固井失敗，影響后續開采。本文借鑒油井水泥石的改性研究，采用纖維來增加水泥石韌性取得了良好的效果。

纖維在水泥基體復合中主要起著以下三方面的作用[5]：

①裂阻作用 纖維在水泥石基體中受載荷應力阻止或減少裂縫的生成。

②增強作用 水泥石基體的抗拉強度低，且因存在內部缺陷而往往難于保證抗拉強度，加入纖維可使其抗拉強度有充分保證。

③增韌作用 纖維能在水泥石中可以起到橋接，可以提高水泥材料的斷裂韌性，保證水泥石的完整性。

1.2 海上熱采井耐高溫水泥漿體系配方

（1）實驗材料：降失水劑CG88L；高溫強度穩定劑硅粉S11S；增韌材料XW-3、 緩凝劑H21L、減輕劑DW、分散劑F44L、增強劑PF、膨脹劑EXP-1、填充劑MX、消泡劑CX601L以及G級水泥等

（2）實驗配方：

G級水泥+5%～10%PF+48%～70%淡水+5%～7%CG88L+1%CF44L+0.4% H21L+0.5%～2% EXP-1+8% MX+1% CX601L+35%～40%S11S +0%～21%DW+0.6% XW-3

這里選取密度為1.90 g/cm3的配方對水泥漿進行了具體的評價，配方如下：

G級水泥+5%PF+48%淡水+5%CG88L +1%CF44L+0.4%H21L+0.5%EXP-1+8% MX +1% CX601L+40%S11S +0.6% XW-3

2耐高溫海上熱采井水泥漿性能評價

2.1 實驗設備與方法

2.1.1 實驗設備

恒速攪拌器、常壓稠化儀、高溫高壓失水儀；以及增壓稠化儀；增壓養護釜和超高溫增壓水泥石強度評價儀；密度計、微機控制電子萬能試驗機，可精密測試水泥石的抗壓強度，抗折強度等。

2.1.2 實驗方法

根據API規范制備和養護密度為1.90 g/cm3的水泥漿，測試水泥漿的流變性、穩定性、失水量和稠化時間等。耐高溫海上熱采井在40～90 ℃養護24 h測得抗壓強度，考察不同溫度對強度的影響；同時還室內評價了在養護壓力為21 MPa（以下實驗高溫養護壓力均為21 MPa），養護溫度為280、300、320及350 ℃條件下，水泥石養護7 d后的強度性能，實驗方法參照石油天然氣行業標準SY/T6466-2000進行。

2.2 水泥漿的高溫條件下濾失量控制

熱采井固井水泥漿應該具有低失水、滲透性的特點，通過對聚合物水泥漿中的CG88L加量調節可以使水泥漿具有較好流變性的條件下兼具良好的失水控制能力以及稠化性能。實驗室對CG88L加量對水泥漿濾失量和稠化時間的影響進行了試驗研究（表1）。

表1 CG88L加量對水泥漿濾失量和稠化時間影響

注：失水測試實驗條件7 MPa、80 ℃，時間30 min。

從表1可以看出，隨著CG88L降濾失劑加量的增加，水泥漿的失水量逐漸下降，稠化時間總體有所延長，但水泥漿稠化延長的時間較有規律性，當水泥漿降失水劑加量提高1%時水泥漿的稠化時間增長的時間在20 min左右，方便現場試驗掌控。

在固井作業中，水泥漿會封固不同層位的地層，因而所接觸地層的溫度也不一樣，圖1實驗了不同的溫度對降濾失劑性能的影響。

圖1 不同溫度對降濾失劑濾失性能的影響

由上圖所示，溫度對CG88L的降濾失性能有一定的影響，隨著溫度的升高，濾失量逐漸加大，但在考察的溫度范圍內，濾失量可以滿足要求。

2.3 水泥漿的稠化時間控制

水泥漿在注入井底前都是要先經過上部的低溫層，若水泥漿存在有稠化反轉現象且反轉現象很嚴重。為保證現場施工作業的安全性，試驗需對水泥漿稠化時間進行試驗評價。對于用于稠油熱采水泥漿的水泥漿體系，其使用溫度在27～90 ℃左右。針對不同加量的H21L和不同溫度對水泥漿稠化時間的影響做了室內測試(圖2、3)。

如圖2、3可知，水泥漿具有較好的稠化時間控制能力，隨H21L緩凝劑加量的增大，吸附作用劇烈，附著的聚集物影響了水泥水化反應，水泥漿的稠化時間呈增大的趨勢。在加量一定的情況下，隨著溫度的升高，稠化時間呈線性下降的趨勢，表明緩凝劑H21L可以在不同的溫度下稠化時間可調，同時可以滿足高溫條件下的固井要求，保證施工的安全性。

2.4 水泥石抗高溫性能

稠油熱采井在生產作業中會受到高溫的作用，其注蒸汽溫度可高達350 ℃。為考察水泥石在不同溫度下的高溫穩定性能，我們實驗評價了水泥漿體系在養護壓力為21 MPa（以下實驗高溫養護壓力均為21 MPa），養護溫度為280、300、320及350 ℃條件下，水泥石養護7 d后的強度性能，實驗結果如圖4。

圖2 不同H21L加量對稠化時間的影響

圖3 溫度對水泥漿的稠化性能的影響

圖4 水泥石在不同溫度下的強度衰減性能

從以上實驗數據可以看出，水泥石在280℃至350 ℃的高溫條件下進行養護后，水泥石的強度有緩慢的衰減，養護7 d后仍能保持較高的抗壓強度。尤其是在350 ℃的高溫下養護7 d后，仍能保持34.5 MPa的抗壓強度，說明該體系具有非常好的抗高溫性能。

熱采井在生產過程中，會長期持續的受到高溫的作用，為考察水泥石在高溫下長期的強度衰減性能，室內評價了300 ℃養護溫度下，水泥石經28 d養護后的強度變化性能。實驗結果見表2。

表2 水泥石在高溫下長期的強度衰減性能

從以上實驗數據可以看出，水泥石在300 ℃養護下，近28 d后其抗壓仍然高達32.9 MPa，從強度衰減曲線來看，21 d后，其強度衰減非常緩慢。說明該水泥漿配方在高溫下具有很好的長期強度穩定性能。

對于水泥石具有較高的抗高溫性能和長期抗衰減能力，筆者分可能是一下原因：1）配方中加入硅粉在水泥水化反應時吸收了反應產物Ca(OH)2，打破高硅酸鹽的水化平衡；另一部分硅與α—C2SH反應生成纖維狀的低鈣硅酸鹽雪硅鈣石(C5S6H5)和硬硅鈣石（C6S6H），這兩種產物的抗壓強度都非常高，因此可以提高水泥石在高溫下的抗壓強度以及熱穩定性。2）使用復合增強劑PF，在水泥水化反應時，顆粒均勻分布在水泥石內部保證了水泥石的致密性，同時降低了水泥滲透率，使水泥石的強度得到保證。3）增韌材料纖維的加入提高了水泥環的抗折能力，水泥石內部空間均勻地分布著的纖維，這種網狀的結構與水泥石基體之間的橋接能夠產生一種咬合力，當水泥石受到外部作用力時，大量的纖維在水泥石內部起到支撐作用，抵消了相當大的載荷，讓水泥石具有良好的韌性。保證水泥石在高溫下的完整性。

3 結論

（1）針對海上水泥漿濕混工藝要求，優選水基添加劑，成功設計了一套適合海上耐高溫稠油熱采井固井水泥漿體系。

（2）設計出的耐高溫海上熱采井固井水泥稠化時間可調、失水量小、水泥石抗壓強度高，能夠滿足40～90 ℃范圍內的熱采井固井要求。

（3）該體系具有良好的耐高溫性能，通過28 d的350 ℃的高溫養護，水泥石仍具有很高強度，保證水泥環的長期穩定性，降低氣竄的發生。提高固井質量，對熱采井的后續生產具有重要意義。

［1］ 李早元，郭小陽，楊遠光，等．新型耐高溫水泥用于熱采井固井初探[J] ．石油學報，2001，23（4）：29- 32.

［2］ 李早元，伍鵬，吳東奎，等．稠油熱采井固井用鋁酸鹽水泥漿體系的研究及應用[J].鉆機工業與完井液，2014,31（5）：71-74.

［3］ 步玉環，王瑞和，穆海朋，等．碳纖維改善水泥石韌性實驗研究[J].石油大學學報（自然科學版），2005（03）：3-04.

［4］ 趙旸，馬貴陽，趙亞東，等．稠油蒸汽吞吐后期增產技術現狀與前景[J] ．當代化工，2014（12）：2666-2669.

［5］ 代若愚．預應力玻璃纖維混泥土受彎構件力學性能及正截面承載力研究［D］．昆明：昆明理工大學．2009．

Study on the Cement Slurry System of Offshore Heavy Oil Thermal Recovery Wells

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(College of Petroleum Engineering ,Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China)

The performance requirements for cement slurry systems for offshore heavy oil thermal recovery wells and land thermal recovery wells are basically the same, the cement sheath must keep long-term stability under high temperature. According to the working conditions of offshore platform, referring to the characteristics of high temperature resistance of portland cement slurry system and the toughening effect of fiber materials, additives formula were optimized, a new cement slurry system with the density of 1.50 ~ 1.90 g/cm3and the suitable temperature range of 40 ℃ to 90 ℃ was developed . The evaluation result in laboratory showed that fluid loss of the cement slurry was less than 50 mL, thickening time can be controlled in the range of 120 ~ 400 min,the compressive strength of cement stone after curing 24 h at high temperature can reach to 24.8 MPa, and then the compressive strength of cement stone can reach to 32.9 MPa after curing 28 days under the condition of 350 ℃. So the system can meet the construction requirements of offshore thermal recovery well.

Offshore oilfield; Heavy oil; High temperature performance; Fiber material; Cementing

TE 256.6

A

1671-0460（2017）12-2543-04

國家科技重大專項“海上熱采井套損防治及耐高溫彈性水泥石研究”，項目號：2016ZX05025004-003。

2017-09-27

張帥（1991-），男，湖北省隨州市人，長江大學在讀碩士研究生，研究方向：主要從事固井水泥漿技術研究。E-mail：976109636@qq.com。

劉衛紅（1967-），男，長江大學副教授，主要從事油田化學和固井水泥漿的教學與研究。E-mail：liuweihong06@126.com。