一種大溫差彈韌性水泥漿

高元，楊廣國，陸沛青，桑來玉，劉學鵬，劉仍光

（中國石化石油工程技術研究院，北京100101）

井口帶壓問題嚴重威脅著油氣井生產安全，因此為提高井筒完整性，盡量減少井筒薄弱環節，對超長封固段采用彈韌性水泥漿體系進行一次性封固作業成為熱門方案，以期實現井筒長效密封。長封固段固井面臨的主要難題是封固段長、上下溫差大、頂部水泥漿易超緩凝，從而嚴重影響固井質量[1-3]。因此，研發出高溫下水泥漿性能穩定，滿足施工安全，低溫下水泥石強度發展快，水泥石性能優良的彈韌性水泥漿體系，滿足高溫深井超長封固段大溫差固井要求，對防止井口帶壓具有重要意義。

1 大溫差彈韌性水泥漿體系設計

大溫差彈韌性水泥漿體系主要包含抗高溫大溫差緩凝劑、抗高溫大溫差降失水劑、抗高溫彈韌性材料及其他配套外加劑與外摻料等[4-5]，大溫差外加劑需滿足高溫下性能優良，低溫下水泥漿強度發展快。室內在優選外加劑時，采用單因素考察法，若無特殊說明，基本配方如下。

0#嘉華G級水泥+35%硅粉（＞110 ℃時）+4%降失水劑+3.5%緩凝劑，水灰比為0.44

1.1 抗高溫大溫差緩凝劑

通過分子結構設計，以Ca2+的絡合理論為依據，采用含磺酸基團的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）為主要單體，雙羧基單體衣康酸（IA）和含剛性基團單體N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）為輔劑，研制出性能優良的抗高溫大溫差緩凝劑SCR-3。其中的AMPS磺酸基團可提高SCR-3的耐溫和抗鹽性能，IA中的雙羧基能夠牢固吸附在水泥顆粒表面與鈣離子作用，形成致密水化層，降低水泥環水化反應速率，NVP中的剛性基團具有一定的空間位阻作用，部分弱化IA上雙羧基的強吸附能力。SCR-3中的緩凝基團通過感應溫度變化，實現對漿體中Ca2+的“包覆”和“釋放”，高溫下有效包覆并抑制水泥漿體相中Ca2+實現緩凝，低溫下“釋放”Ca2+或適時失效，不影響水泥石強度發展，滿足大溫差使用[6]。室內評價了抗高溫大溫差緩凝劑性能，結果見表1。由表1可以看出，在70～170 ℃范圍內，水泥漿稠化時間可調且緩凝劑加量規律性好，100 ℃溫差下水泥石72 h頂部強度大于21 MPa。說明緩凝劑SCR-3具有良好耐溫性能和較寬溫度適用范圍，可滿足深井、超深井或長封固段大溫差固井作業需求。

表1 不同SCR-3加量下水泥漿的稠化時間

1.2 抗高溫大溫差降失水劑

大溫差降失水劑同樣要求高溫下降失水性能優異，低溫下不影響水泥石強度發展。室內自研抗高溫大溫差降失水劑 SCF200，其為 AMPS、N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）、3-烯丙氧基-2-羥基-1-丙磺酸（AHPS）、丙烯酸（AA）多元共聚物，其中的AA可增強分子與水泥顆粒的吸附，而DMAA可改善分子的耐溫和抗鹽性能，且DMAA中的2個甲基形成的空間位阻作用可降低水泥漿中OH-對酰胺基團的水解作用，增強產品耐溫性，并避免造成水泥漿過度緩凝[7]。室內評價了不同溫度下其降失水性能，結果如表2所示。 由表2可以看出，在50～170 ℃范圍內，隨著溫度增加，適當增加SCF200加量可滿足API失水量小于50 mL，且水泥漿流變較好。

表2 SCF200不同溫度下的降失水效果

為考察SCF200對水泥石強度的影響，室內評價了凈漿中不同SCF200加量下，在室溫和93 ℃養護后水泥石強度發展情況，結果如表3所示。由表3 可以看出，在水泥漿中加入SCF200降失水劑對水泥石的抗壓強度影響不大，隨著SCF200加量的增加水泥石抗壓強度略有下降，但滿足使用需求。

表3 水泥石24 h抗壓強度實驗

1.3 抗高溫彈韌性材料

常規水泥石脆性大，變形能力差，受到外力沖擊時易發生破壞。通常，在水泥漿中添加彈韌性材料以降低水泥石彈性模量，提高水泥石抗沖擊性，提高水泥環密封完整性[8-9]。室內研制了抗高溫彈性材料SRBS，為“核殼結構，內柔外剛”，即通過PCS顆粒包覆工藝，將有機彈性粒子做為內核，無機活性材料為外殼，SRBS的核殼結構改善了有機材料與水泥漿的相容性，提高了水泥漿沉降穩定性，增強了有機彈性材料與水泥水化產物的鍵合能，實現降低水泥石彈性模量的效果。SRBS顆粒粒徑在10～100 μm之間，耐溫達150 ℃?？疾炝?SRBS 加量下對水泥石（93 ℃ ×0.1 MPa×48 h）力學性能的影響，如表4所示。

表4 SRBS加量對水泥石力學性能的影響

由表4可知，隨著SRBS加量增加，水泥石彈性模量由12.7 GPa下降至5.3 GPa，但水泥石抗壓強度也隨之降低，優選彈性材料加量為4%～6%。同時為增加水泥石抗沖擊韌性，水泥漿中摻加有機增韌纖維SFP-2，提高水泥石抗折強度，結果如表5所示。

表5 SFP-2加量對水泥石抗折強度的影響

由表5可知，隨著SFP-2加量增加，可顯著增加水泥石抗折強度，提高水泥石抗沖擊性。優選SFP-2加量為0.1%～0.2%之間。

2 大溫差彈韌性水泥漿體系性能評價

2.1 常規性能評價

在優選關鍵外加劑的基礎上，研制出大溫差彈韌性水泥體系配方如下，并對其常規性能進行了評價，如表6所示，稠化曲線見圖1。

1#G級水泥+140%DFS+6%膨脹劑DZP-2+22%降失水劑SCF200+4.2%大溫差緩凝劑SCR-3+1.2%早強劑H-T+3%鹽+0.6%分散劑DZS，水灰比為1.96

2#G級水泥 +35%硅粉 +4%DZP-2+5% 彈性材料SRBS+6%SCF200+3.0%SCR-3+1.5%H-T+0.5% DZS+0.2%有機纖維SFP-2，水灰比為0.44

3#G級水泥+50%硅粉+4%微硅+4%DZP-2+5%SRBS+72%鐵礦粉+8%SCF200+4.2%SCR-3+2%H-T+1.5%DZS+0.2%SFP-2，水灰比為0.62

表6 大溫差彈韌性水泥漿體系常規性能

由表6和圖1可知，密度為1.50～2.20 g/cm3大溫差彈韌性水泥漿體系綜合性能良好，API失水量小于50 mL，流變性好，直角稠化，可滿足不同密度段、不同溫度下水泥漿稠化時間需求。

圖1 不同配方水泥漿的稠化曲線

2.2 水泥石力學性能評價

大溫差水泥石強度發展情況直接關系到水泥漿體系能否滿足現場應用需求。因此室內評價了該大溫差彈韌性水泥體系強度發展情況，結果見表7。

表7 大溫差彈韌性水泥石強度發展情況

由表6和表7可知，50 ℃溫差下的1.50 g/cm3低密度水泥石和60 ℃溫差下的2.20 g/cm3高密度水泥石72 h抗壓強度均較高，抗折強度大于3.5 MPa，且水泥石彈性模量小于7 GPa，力學性能優良，可滿足現場大溫差應用。

2.3 水泥環密封性能評價

水泥石力學性能優劣直接影響水泥環長效密封性，室內利用自制水泥環密封完整性評價裝置，分別評價了常規水泥石和低彈性模量（彈性模量為7 GPa）水泥石的密封性，結果如圖2所示。由圖2可知，常規體系水泥石在70 MPa套管內壓交變下，經過2次壓力加卸載即在一界面發生氣竄現象，說明水泥環密封完整性易遭受破壞；而彈韌性水泥石得益于較好的彈性變形能力在90 MPa套管內壓交變下，經過30余輪次加卸載后未發生界面氣竄問題，水泥環密封完整性依然良好，可滿足后期作業過程中井筒壓力交變載荷下水泥環密封完整性，防止井口帶壓[10-11]。因此大溫差彈韌性水泥漿體系可應用于氣井固井作業，實現水泥環長效密封。

圖2 不同體系水泥石密封完整性評價

3 現場應用

該大溫差彈韌性水泥漿體系在中石化西北油田分公司順北 4 井φ193.7 mm +φ206.4 mm 尾管回接固井中成功應用，效果良好，該回接固井一次性封固段長，創中石化西北分公司記錄。

順北4井為西北油田分公司在塔中北坡區塊部署的一口探井，主探奧陶系一間房組-鷹山組上段儲層發育特征，預測油氣藏類型為凝析氣藏，地層壓力系數為1.15～1.48。鄰井鉆完井過程中多次發生氣侵、溢流等風險，后期井口帶壓問題普遍。為提高井控能力和水泥環密封完整性，防止井口帶壓，四開φ193.7 mm+φ206.4 mm 尾管回接固井采用單級固井，一次性封固段長5693 m，井底溫度為117 ℃，上下溫差約105 ℃，氣井大溫差長封固段固井對水泥漿強度發展，水泥環密封完整性要求高。

主要技術措施：①為提高水泥環密封完整性，全井段采用大溫差彈韌性水泥漿體系，領漿尾漿雙凝設計；②為提高超長封固段頂替效率，根據軟件模擬，設計套管居中度不小于60%，替漿排量不小于2 m3/min，前置液體積不小于30 m3；③為彌補水泥石收縮，改善井口段固井質量，提高水泥環密封完整性，設計預應力固井工藝，環空憋壓15 MPa。

主要施工流程：現場注入20 m3密度為1.02 g/cm3的前置液；注110 m3水泥漿（包括50 m3密度為 1.90 g/cm3領漿，60 m3密度為 1.90 g/cm3尾漿，性能見表8所示）；替50 m3重漿，排量為2.1～1.8 m3/min，壓力為 8～14 MPa，替鉆井液 72 m3，排量為 2.0～0.5 m3/min，壓力為 18～24 MPa，替漿到量未碰壓，混漿返出地面；憋壓15 MPa候凝72 h后泄壓。候凝結束后下鉆探水泥塞面5405 m，塞長 288 m ；套管試壓 20 MPa，穩壓 30 min，壓降 0 MPa合格，固井聲幅曲線優秀率為78.7%，優良率為96.7%，固井質量優秀。

表 8 順北 4 井φ193.7 mm+φ 206.4 mm尾管回接固井水泥漿性能

4 結論

1.通過優選抗高溫大溫差降失水劑和抗高溫大溫差緩凝劑，可滿足100 ℃大溫差條件水泥漿稠化時間要求和水泥石強度發展需求；通過優選抗高溫彈韌性材料，可改善水泥石力學性能。

2.大溫差彈韌性水泥漿體系綜合性能良好，API失水量小于50 mL，水泥石強度發展快，密度1.50～2.20 g/cm3水泥石72 h抗壓強度最高可至17.7 MPa，彈性模量最低可至 5.7 GPa，可滿足 90 MPa壓力加卸載下水泥環密封完整性。

3.針對超長封固段大溫差固井，還需進一步從微觀結構分析，加強水泥環長效密封性研究，實現水泥環長效密封。