春光油田稠油熱采井抗高溫長效固井水泥漿體系研究及應用

韓婧

中國石化華北石油工程有限公司技術服務分公司（河南 鄭州 450006）

中國陸上稠油資源占原油總量的21%，海域稠 油資源占探明總量的65%，國內稠油熱采井油層埋藏深度為幾百米至上千米不等，油層溫度為20~70℃，多數地層巖石膠結松散、地層溫度不高、壓力較低，這就要求固井水泥漿在低溫下凝結時間短，早期強度發展快（24 h抗壓強度≥14 MPa），有效防止水竄、氣竄等問題[1-2]；同時，稠油開采主要以熱力采油為主，熱力采油時蒸汽溫度通常高達300~350℃，要求固井水泥漿具備抵抗溫度交變的能力，在高溫條件下抗壓強度衰退≤20%，保證固井水泥環長效完整性[3-4]。春光油田屬于超稠油油藏，熱力采油時蒸汽溫度高達350℃，水泥環需承受注蒸汽過程的高溫（300~350℃）和回采階段的低溫（40~50℃）溫度交變。目前，該區塊稠油熱采井采用石英砂水泥漿體系，經2~3個輪次熱采周期后，有部分井存在管外竄流、套漏等情況發生，大大縮短了稠油熱采井的生產壽命，降低開采效率。

通過分析硅酸鹽水泥漿體系高溫衰退機理及水泥石高溫增強作用機理，優選超高溫強度穩定劑HSRK，設計出一種低溫綜合性能良好、高溫強度不衰退的G級油井水泥漿體系，解決了常規石英砂水泥漿體系高溫強度衰退的難題，支撐了稠油熱采井長期、安全開發。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

采用油井G級水泥，石英砂，高溫強度穩定劑HSRK，分散劑USZ，降失水劑G33S，早強劑HBQ-2。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品準備及基礎性能測試

根據GB/T 19139—2012《油井水泥試驗方法》標準配制水泥漿，并測試其流動度、失水、稠化時間、低溫抗壓強度性能，水泥石低溫養護條件為60℃養護24~48 h。

1.2.2 高溫力學性能及滲透率測試

根據SY/T 6466—2016《油井水泥石性能試驗方法》評價水泥石高溫養護后的力學性能；采用60℃養護48 h后的水泥石置于高溫高壓養護釜中進行高溫養護，養護溫度分別為180、250、300℃，養護壓力21 MPa，保溫7 d；達到養護齡期后，進行三軸力學性能及滲透率、孔隙度測試。

1.2.3 微觀結構分析

利用掃描電鏡觀察不同配方水泥漿經過相同養護齡期下的水泥石水化產物的微觀結構。

2 實驗結果分析

2.1 石英砂水泥漿高溫強度衰退機理分析

2.1.1 石英砂水泥漿高溫強度性能變化

通過測試石英砂不同加量條件下水泥漿體系在低溫、高溫養護后的抗壓強度及滲透率變化，探索石英砂水泥漿高溫強度性能變化規律，具體數據見表1。

表1 G級油井水泥加石英砂水泥漿體系高溫性能變化

由表1實驗數據可知，石英砂水泥漿體系在180℃養護7 d后，抗壓強度明顯衰退，滲透率顯著增大；經過250℃養護7 d后，抗壓強度衰退更加顯著，且滲透率進一步增大。石英砂水泥漿體系的抗溫能力難以滿足稠油熱采井的開采需求。

2.1.2 石英砂水泥漿高溫強度衰退機理

加砂水泥漿體系主要是通過改善硅鈣比。水泥水化產物氫氧化鈣、水化硅酸鈣等與石英砂反應后含量極大降低，提高水泥石結構穩定性；細纖維狀雪硅鈣石相互穿插形成致密的網架結構，提高水泥石致密性及抗壓強度；部分雪硅鈣石轉變為硬硅鈣石，晶體變粗，網架結構不穩定，從而導致加砂水泥石在一定程度上也會出現強度衰退[5-6]。加入石英砂可以獲得高溫下改善水泥石強度的水化產物C5S6H5，但C5S6H5的最高穩定溫度約為150℃，超過此溫度將轉變為C6S6H，所形成的網架結構粗大，力學強度下降，比形成針狀網絡結構的C5S6H5水泥石強度低，養護溫度超過200℃水泥石抗壓強度衰退明顯。

2.1.3 油井水泥石高溫增強機理

凈漿水泥石高溫強度衰退是由于單硫型水化硫鋁酸鈣（板狀或片狀）高溫轉變為鈣礬石時，因結構水增加、體積膨脹，導致水泥石結構破壞而強度下降；其次水化產物中的Ca(OH)2是層狀結構，其層間較弱的聯結，可能引起水泥石受力的應力集中，導致高溫水泥石開裂[7]。加入石英砂后，在溫度高于200℃后，強度仍然衰退顯著。

基于凈漿水泥石及加砂水泥石高溫強度衰退機理，通過優選超高溫強度穩定劑HSRK，調節硅鈣比，降低Ca(OH)2、水化硅酸鈣的含量，提高高溫下水泥石骨架結構的穩定性。

2.2 抗高溫長效水泥漿體系

2.2.1 高溫強度穩定劑HSRK對水泥石高溫強度的影響

以高溫強度穩定劑HSRK作為抗高溫長效水泥漿的外摻料，與G級油井水泥按一定比例制備常規密度水泥漿體系配方，基礎配方如下：天山G級水泥+（40~80）%HSRK+46%水。密度為1.80~1.85 g/cm3。以春光油田稠油熱采井井底靜止溫度60℃為低溫養護條件，以蒸汽吞吐溫度300℃為超高溫養護條件。

1）水泥石低溫力學性能。采用上述水泥漿配方，分別測試高溫強度穩定劑HSRK不同加量條件下對水泥石低溫力學性能、高溫力學性能的影響，結果見表2。

表2 HSRK不同加量對水泥石力學性能的影響

綜合表2的實驗數據，隨著高溫強度穩定劑HSRK的加量增大，水泥石低溫抗壓強度和高溫抗壓強度略有增大，同時高溫養護后水泥石的彈性模量相應變大，但3種加量下水泥石彈性模量均相對較小；隨著HSRK加量增加，水泥石的滲透率和孔隙度呈現變小的趨勢。綜合考慮，優選HSRK加量為G級油井水泥的80%。

2）水泥石微觀結構對比。分別對40%石英砂摻量的石英砂水泥石與80%HSRK摻量的抗高溫水泥石進行微觀結構對比，養護條件為60℃養護3 d，再300℃×21 MPa養護7 d，SEM分析如圖1所示。

圖1 水泥石的SEM圖

由兩者的SEM圖可見，經過300℃高溫養護后，石英砂水泥石內部結構呈現粉化現象。由此可見，石英砂水泥石在超高溫條件下，水泥石中C-S-H水化產物變得粗大且結構疏松，其形態由鏈狀最終轉變為顆粒狀，破壞了水泥石的結構完整性，從而降低其抗壓強度。由高溫強度穩定劑HSRK制備的抗高溫水泥石的內部結構致密，說明該高溫強度穩定劑在高溫條件下發生相關反應，降低水泥石中Ca(OH)2、水化硅酸鈣的含量，生成結構與性能穩定的結構體，保證水泥石高溫條件下的抗壓強度。

2.2.2 抗高溫長效水泥漿體系綜合性能

結合稠油熱采井固井施工需求，對抗高溫長效水泥漿基礎配方“天山G級水泥+80%HSRK+46%水”開展綜合性能優化。

1）常規綜合性能。通過優選油井水泥外加劑，優化調整水泥漿體系的失水性能、流變性能、早期強度發展、稠化時間等性能指標，形成水泥漿配方：100%天山G級水泥+80%HSRK+1.5%G33S+1%USZ+1.5%HBQ-2+46%水，實驗條件為60℃×20 MPa，其常規綜合性能見表3。

表3 抗高溫長效水泥漿常規綜合性能

2）水泥石高溫長期強度變化。采用抗高溫長效水泥漿體系配方進行不同溫度不同時間的高溫增壓養護，評價其高溫條件下長期抗壓強度變化，強度數據見表4。

由表4可知，通過在水泥漿體系中摻入適量的高溫強度穩定劑HSRK，水泥石在低溫條件下具有較好的早期強度，在溫度180℃時的強度較低溫條件下的強度有所降低，當溫度高于180℃后，水泥石強度逐漸變大；同時，在同一個溫度條件下，隨著養護齡期的增長，水泥石的抗壓強度未出現明顯衰退現象；該水泥漿體系可較好地適應稠油熱采井高溫蒸汽吞吐開采過程，且長期高溫條件下強度未衰退，有效保障水泥環的長期密封性。

表4 不同溫度條件下長期抗壓強度數據

3）不同溫度條件下水泥石力學性能變化。采用抗高溫長效水泥漿體系配方分別以井底靜止溫度60℃及蒸汽吞吐溫度300℃進行水泥石力學性能評價，分析其經高溫條件養護后，水泥石力學性能變化，實驗數據見表5。該水泥石經過300℃高溫養護7 d后，抗壓強度未見衰退，滲透率及孔隙度略有增大，但相比常規石英砂水泥漿體系，滲透率和孔隙度增加幅度較小。

表5 不同溫度條件下水泥石性能變化

由圖2水泥石應力-應變曲線可見，水泥石有明顯的彈性變形，水泥石彈性模量3.77 GPa，能有效抑制交變內應力、交變溫度造成的界面環隙。

圖2 抗高溫長效水泥石300℃×7 d后應力-應變曲線

3 現場應用

抗高溫長效固井水泥漿體系在春光油田春10Ⅱ2-*-7HJ稠油熱采井Φ177.8 mm生產套管固井中進行現場應用。該井是一口蒸汽驅開發井，井深1 262 m，尾漿封固段為900~1 170 m，井底循環溫度55℃。

3.1 水泥漿性能情況

該井領漿采用石英砂水泥漿體系，尾漿采用抗高溫長效固井水泥漿體系，水泥漿配方為100%天山G級水泥+80%HSRK+1.5%G33S+1%USZ+1.5%HBQ-2+46%水。實驗溫度55℃，水泥漿密度1.80 g/cm3，流動度212 mm，失水32 mL，沉降穩定性0.01 g/cm3，游離液0 mL，稠化時間（40~70 Bc）120~138 min，抗壓強度（60℃×48 h）22.7 MPa。

3.2 施工過程及生產效果

1）注水泥漿和替漿碰壓過程。水泥車注沖洗液12.0 m3；注導漿5.0 m3，最高密度1.53 g/cm3，最低密度1.48 g/cm3，平均密度1.50 g/cm3；注領漿33.6 m3，最高密度1.58 g/cm3，最低密度1.52 g/cm3，平均密度1.55 g/cm3；注尾漿8.2 m3，最高密度1.82 g/cm3，最低密度1.79 g/cm3，平均密度1.80 g/cm3；水泥車用清水壓膠塞2.0 m3后,采用泥漿泵頂替泥漿19.0 m3，水泥車小排量頂替清水2.4 m3，碰壓至23.0 MPa，穩壓10 min，觀察壓力穩定情況；碰壓完后放回壓，放回壓至8.0 MPa。

2）固井質量及生產效果。春10Ⅱ2-*-7HJ井施工過程中水泥漿流動性良好，施工順利。固井測井質量表明：一、二界面合格率100%，固井質量滿足后續開發需求。該井經7個周期的注汽生產，累計生產263 d，總產油量1 006 t，生產狀況良好，未出現管外竄等異常情況。

4 結論與建議

1）稠油熱采井常用石英砂水泥漿體系經180℃以上的高溫條件養護后水泥石抗壓強度顯著衰退，滲透率明顯增大，表明，石英砂水泥漿體系適用的溫度上限，對揭示春光油田稠油熱采井管外竄現象提供指導。

2）通過優選高溫強度穩定劑HSRK，改善了硅酸鹽水泥石高溫強度衰退問題，保證了低溫條件下水泥石早期強度，提高了水泥石高溫養護后的抗壓強度。

3）設計出的抗高溫長效水泥漿體系失水量小，稠化時間可調，水泥石早期強度發展快，經300℃高溫蒸汽養護7~28 d，抗壓強度未見明顯衰退，且水泥石滲透率、孔隙度增幅較小。經現場應用，滿足稠油熱采井多輪次蒸汽開采的應用需求，為稠油熱采井固井水泥環長效密封提供技術支撐。