一種高溫低密度高強水泥漿的研究及在墨西哥灣的應用

宋亞楠 馮建建 石禮崗 丁嘉迪

（中海油田服務股份有限公司，河北 三河 065200）

Z-1 井位于墨西哥灣K 區塊，由于6500 萬年前受隕石撞擊影響，該區塊碳酸鹽巖地層脆弱，天然裂縫發育嚴重，較深層次鉆井過程中普遍存在漏失、氣竄等技術難點[1]。以Z-1井為例，該井使用10 5/8″鉆頭鉆至3524 米，井底靜止溫度120℃，鉆進過程中為減少裂縫性漏失，使用1.02g·cm-3油基泥漿鉆進，固井采用9 5/8″ 技術尾管，封固2979 米到3524米，采用1.35g·cm-3低密度水泥漿進行固井。由于該層次為尾管作業且下一層次8 1/2″井眼采用裸眼完鉆，對該9 5/8″技術尾管作業固井質量提出了嚴苛的要求。為高質量完成該井作業，需開發1.35 g·cm-3的高溫低密度高強度水泥漿體系。

1 技術難點

1.1 水泥漿使用H 級水泥，作為水泥漿中最主要組分，水泥對水泥漿的物理化學性能起決定性作用。墨西哥僅有Holcim 一家水泥供應商提供能夠滿足油田固井作業使用的高抗硫水泥，而Holcim 公司只生產H 級水泥，不生產在國內油田固井作業中廣泛使用的G 級水泥。H 級與G 級水泥相比，化學組成一致，但水泥顆粒更粗（見表1），比表面積更小，造成H 級水泥反應速率低，強度發展慢，水泥漿懸浮穩定性差，尤其在高溫低密度水泥漿中，高溫對水泥漿膠結結構的破壞，進一步加劇了水泥漿體系的不穩定性。同時在低密度水泥漿中，由于減輕劑的存在，組成材料間密度差異較常規水泥更大（見表2），更容易發生沉降，引起水泥漿體系不穩定。

表1 H 級水泥與G 級水泥粒度對比

表2 高溫低密度水泥漿中不同材料密度

1.2 水泥石高溫強度衰退問題，水泥石強度由水泥與水發生水化反應形成的C-S-H 膠凝結構的強度決定，低密度水泥漿中水灰比高，水泥含量低，形成水泥石強度比常規密度水泥漿低。對于高溫低密度水泥漿，高溫造成水泥石強度衰退，進一步降低了水泥石強度。而水泥石強度對水泥封固質量具有重要影響，因此低密度水泥漿一般作為填充水泥漿應用于封固質量要求較低的表層，對于封固質量要求較高的深層次固井作業尤其尾管固井作業，低密度水泥漿一般作為雙密度水泥漿中的領漿，用于封固套管或尾管頂部，底部套管鞋處則使用具有更高抗壓強度的常規密度水泥漿進行封固，單獨使用低密度水泥漿進行固井的應用很少。

因此，本研究主要針對具有高溫、易漏等技術難點且對固井質量要求高的深層次固井作業，使用H 水泥開發出一套滿足現場作業要求的高溫、高強度低密度水泥漿體系。

2 材料選擇

相比高溫常規密度水泥漿，由減輕劑、超細水泥、增強劑、高溫防衰退劑等組成的固相材料在高溫低密度水泥漿中占比更高（見表3），對水泥漿穩定性、流變性及強度性能等起決定性作用，因此，固相材料篩選及材料配比是高溫低密度水泥漿體系建立的關鍵。

表3 不同密度水泥漿中固相材料體積百分比

2.1 減輕劑

高溫深層次固井作業，作業層次深，井底壓力高，因此要求高溫低密度水泥漿使用的減輕材料除需具有密度低的特點外，還需具有較高的承壓能力（一般要求大于40Mpa）。本體系中減輕劑使用3M 公司的新型人造玻璃微珠HGS19K46，相對傳統人造玻璃微珠，具有密度低、承壓高的特點（見圖1）。在低密度水泥漿密度、流變性能相同條件下，HGS19K46 加量更少，水泥漿水灰比更小（見表4），水泥漿膠凝硬化后形成水泥石的強度更高[2]。

圖1 人造玻璃微珠HGS19K46 與HG6000 及HGS10000承壓實驗對比

表4 1.35g·cm-3 水泥漿中使用HGS19K46 與HGS10000水灰比對比表

2.2 超細水泥

超細材料是傳統低密度水泥漿中重要組分，占比20%-50% BWOC（By weight of cement, 相對水泥質量百分比），其組成與普通油井水泥類似，粒徑為1-10 um，作用原理是，組分粒徑小，可提高水泥石填充性及致密性，水化反應快，可提高水泥石早期強度[3]。但另一方面，由于超細水泥粒徑小，比表面積大，顆粒表面潤濕需水量大，在水泥漿達到相同流變性能的條件下，水泥漿需水量更大，水灰比（水泥漿中水與水泥重量百分比）更高，增大水泥漿硬化后水泥石的孔隙度，降低水泥石強度。目前關于超細水泥對水泥漿強度發展影響因素的研究中，主要思路為保證水泥漿其它材料組成一致，通過改變水泥中超細水泥比例研究水泥石強度發展規律，并未同時考慮水泥漿的流變性，而在實際施工過程中，流變性能對泵壓、泵速及摩擦阻力等施工參數具有重要影響。因此，為提高研究的現場可應用性，實驗中保證所設計水泥漿具有相同的流變性，在此基礎上觀察超細水泥對水泥石強度的影響。

分別設計兩個1.35 g·cm-3的水泥漿配方，配方一中水泥由70%H 級水泥及30%超細水泥組成，配方二中只含H級水泥，通過調節減輕劑及水的加量，保證其具有相同流變性能，見表5。將兩個配方在4262 型超聲波強度儀、120℃高溫條件下養護，觀察抗壓強度變化情況，結果見圖2。

圖2 配方一與配方二在120 ℃下抗壓強度變化對比

表5 配方一及配方二水灰比及流動性對比

配方一，70% BWOC H 級水泥+30% BWOC 超細水泥+23% BWOC HGS19K46+10% BWOC 微硅+35% BWOC硅粉325 目+0.5% BWOC 消泡劑+0.7% BWOC 分散劑+2.3% BWOC 降失水劑+0.9% BWOC 緩凝劑+87.3% BWOC水；

配 方 二，100% BWOC H 級 水 泥 +26% BWOC HGS19K46+10% BWOC 微硅+35% BWOC 硅粉325 目+0.5% BWOC 消泡劑+0.7% BWOC 分散劑+2.3% BWOC 降失水劑+0.9% BWOC 緩凝劑+70.4% BWOC 水。

通過圖2 可以看出，配方一因為含有超細水泥，強度發展快，從開始起強度至強度接近最大值，僅需要1 個小時，配方二則需要5 個小時，這是因為超細水泥在粒徑小，比表面積大，水泥顆粒與水接觸充分，高溫下水化反應迅速，水泥石強度發展迅速。但配方一最終強度小于配方二，因為在相同流變性能下，配方一水灰比小，水泥漿中水泥占比小，盡管前期水泥水化反應快，強度較高，但后期水化速率降低，強度增長緩慢。而配方二中，盡管水泥水化初期因為顆粒較粗，水化反應緩慢，強度低，但隨著水泥顆粒繼續水化，水泥石強度繼續增長，由于水泥漿中水泥占比高，形成最終水泥石的強度也越高。同時由于高溫下水泥水化反應比低溫下快，即使只使用顆粒較粗的H 級水泥也能快速水化，形成較高強度，因此本體系中僅使用H 級水泥作為膠凝材料。

2.3 防高溫強度衰退材料

當溫度高于110 ℃時，由于水合硅酸鈣（C-S-H）轉變為不穩定的硅酸鈣水化物，導致水泥石滲透率升高及強度降低。為了最大程度地降低抗壓強度高溫下衰退問題，通常在水泥中加入35-40% BWOC 的硅砂或硅粉以平衡CaO/SiO2比例，生成強度更高的雪硅鈣石，有效降低水泥石強度衰退。考慮墨西哥當地供應鏈情況，可選材料僅有100 目硅粉，325目硅粉以及微硅。因為硅粉的粒徑越小，比表面積越大，與水泥的水化產物氫氧化鈣的反應越迅速，水泥水化越充分，水泥石強度越高[4]，同時考慮體系穩定性，顆粒越粗，穩定性越差，因此本體系中不適用100 目硅粉。微硅具有粒徑小、比表面積大、等特點，具有提水泥漿高高溫懸浮穩定性、降低APⅠ失水、防氣竄等優點，因此在傳統低密度水泥漿中被普遍使用。但Grabowski 和Gillott 通過研究發現，過高的微硅加量可導致高溫水泥石的長期抗壓強度衰退[5]，因此本體系中采用35% BWOC 硅粉325 目與10% BWOC 微硅搭配使用（見表6），325 目硅粉用于減少水泥石強度高溫下衰退，微硅用于提高水泥漿懸浮穩定性及降低水泥石滲透率，提高防氣竄能力。

表6 硅粉及微硅對水泥石抗壓強度及穩定性影響對比（1.35g·cm-3，120℃，24h）

3 水泥漿組成及性能

針對Z-1 井9 5/8″ 尾管固井作業對低密度水泥漿要求，同時考慮防氣竄性能，在水泥漿中加入防氣竄劑，基本組成為：

100% BWOC H 級水泥+26% BWOC HGS19K46+10%BWOC 微硅+35% BWOC 硅粉325 目+0.5% BWOC 消泡劑+0.7% BWOC 分散劑+2.3% BWOC 降失水劑+0.9%BWOC 緩凝劑+4% BWOC 防氣竄劑。

水泥漿性能滿足作業要求，見表7，通過自由液及水泥柱密度差可以看出，該水泥漿穩定無沉淀，水泥漿24 小時實測抗壓強度達26.2 MPa，遠高于該層次固井作業對水泥石抗壓強度的要求（大于14 MPa），對提高固井作業后電測質量具有重要意義。同時具有良好的防氣竄性能，可有效阻止水泥漿膠凝硬化過程中地層氣體侵入，保證固井質量。

表7 ZAAP-76 9 5/8″尾管固井水泥漿基本性能（井底靜止溫度120℃，井底壓力45 MPa）

通過調整減輕劑，水及液體添加劑的加量，可獲得其它不同密度、不同性能的高溫低密度高強度水泥漿。

4 現場應用

該體系在Z-1 井9 5/8″尾管固井作業現場施作業過程中，混灰迅速，施工過程無漏失，施工后無井口帶壓，固井測井質量優異率100%，滿足下層次開鉆要求。

5 結論

針對墨西哥K 區塊地層特點及固井技術作業要求，利用當地材料，對1.35 g·cm-3高溫低密度水泥漿進行了研究，開發出高溫高強度的低密度水泥漿，在Z-1 井9 5/8″尾管固井作業中成功應用，固井質量優異。

5.1 減輕劑的選擇，在滿足承壓要求的條件下，密度越低，水泥漿水灰比更小，水泥漿膠凝硬化后形成水泥石的強度更高。

5.2 在流變性相同條件下，超細水泥會增加水泥漿水灰比，降低水泥石強度，因此在高溫低密度水泥漿中不建議使用超細水泥。

5.3 對高溫低密度水泥漿，影響水泥石強度的主要因素為水泥占比及水灰比，為提高水泥石強度，可在滿足水泥漿可泵性能的前提下，盡可能降低水灰比，提高水泥在水泥漿中占比。