耐高溫低密度防CO2 腐蝕水泥漿體系研究

王學春

中海油田服務股份有限公司 河北 廊坊 065200

CO2作為石油和天然氣的伴生氣或地層水的組分，存在于油氣層或地層水中。當含CO2的水擴散到水泥基質中時，解離的酸（H2CO3）與水泥水化產物發生反應，其反應產物可溶解，并可從水泥基體中遷移出來，導致水泥石的抗壓強度降低，滲透率和孔隙度增加，表現為水泥石的破裂、疏松，嚴重時會進一步導致CO2對套管產生點蝕、穿孔，甚至造成生產油管的腐蝕斷裂［1-5］。隨著碳化程度的加大，水泥中膠結組分遭到破壞，滲透率進一步變大，抗壓強度最終完全喪失，并誘發諸如流體竄流、塑性地層的井壁垮塌等事故發生，從而縮短油氣井的生產壽命，造成巨大的經濟損失。

隨著我國石油與天然氣勘探、開發的持續發展，出現了較多含CO2酸性氣體的油氣藏，富含CO2的地質構造遍布全國。此外，CO2混相驅油技術的應用、CO2封存技術的實施等都將對封固水泥環產生嚴重的腐蝕作用［6-10］。盡管國內外關于固井水泥石二氧化碳腐蝕已開展大量研究，卻少有對低密度防腐水泥漿的研究，尤其是在高溫條件下。如在欠平衡的低壓易漏地層固井時含有CO2，要求使用低密度水泥漿進行封固，同時要求水泥漿具有防CO2腐蝕能力。在南海東部，我國第一口海上碳封存井也用到了低密度防腐水泥漿。低密度水泥漿由于需要添加減輕材料、水灰比大、抗壓強度低、滲透率高等，抗CO2腐蝕能力往往較差［11-13］。

本項目制備了低密度防腐劑C-JX52，研究了適用于低密度體系的高溫穩定劑及分散劑等關鍵材料，構建了耐高溫的低密度防腐蝕水泥漿體系，并對其進行了性能評價。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

G級油井水泥（四川嘉華特種水泥廠）、低密度防腐劑C-JX52、降失水劑FL57、緩凝劑R36L、分散劑JL58、消泡劑DF60L。

1.2 實驗方法

1.2.1 常規性能評價

水泥漿制備與常規性能評價相關試驗均依據《油井水泥》（GB/T 10238—2015）和《油井水泥試驗方法》（GB/T 19139—2012）的相應規定進行［14-15］。

1.2.2 抗CO2腐蝕性能評價

制備的水泥漿在150 ℃環境中養護24 h，取出脫模，再將制備好的試塊放入CO2腐蝕儀內養護（150 ℃、CO2分壓20 MPa）。7 d和30 d后將水泥石取出，并測試腐蝕深度、抗壓強度和滲透率。

2 關鍵材料研究

2.1 低密度防腐劑C-JX52

調節水泥漿密度最有效且性能較好的減輕劑為人造微珠，但其表面通常呈堿性，摻入水泥漿中易引起水泥漿堿度增大，不利于防止CO2腐蝕。室內評價的不同類型微珠腐蝕性能如表1 所示。

表1 不同漂珠水泥石腐蝕性能（85 ℃、CO2 分壓15 MPa）Tab.1 Corrosion properties of different bleached cement（85 ℃， CO2 partial pressure of 15 MPa）

通過上述試驗，優選抗腐蝕性能較好的人造微珠MP，同時對人造微珠進行表面改性，將3種防腐增強材料按一定比例混配得到低密度防腐劑C-JX52。圖1 是人造微珠MP和低密度防腐劑C-JX52 掃描電鏡圖，經過表面處理后，人造微珠表面包覆一層薄膜物質，比表面積增大，與水泥石基體有更好的相容性，同時搭配不同粒徑的防腐增強材料，利于顆粒級配，能夠提高水泥石致密性。

圖1 人造微珠MP和低密度防腐劑C-JX52 外觀Fig.1 Appearance of artificial microbeads MP and lowdensity preservative C-JX52

調節水泥漿密度為1.5 g/cm3，研究不同C-JX52添加量對水泥石腐蝕深度的影響，結果如圖2 所示。隨C-JX52 添加量增大，水泥石腐蝕深度下降，加入10% C-JX52，腐蝕深度下降明顯，但超過30%添加量后，水泥漿流變性較差，下灰困難。

圖2 不同C-JX52 添加量水泥石腐蝕深度（150 ℃、CO2 分壓20 MPa）Fig.2 Corrosion depth of cement stone with different C-JX52 additions （150 ℃，CO2 partial pressure of 20 MPa）

2.2 高溫強度穩定劑研究

水泥在溫度高于110 ℃環境下養護72 h后就會出現強度衰減現象，需要添加硅粉減少水泥石高溫強度衰減。選取100 目、300 目進行研究，結果如表2所示。

表2 不同硅粉對水泥影響Tab.2 Influence of different silica powders on cement

由實驗結果可知，硅粉目數越大，水泥漿越稠，失水量越低，抗壓強度越高，抗腐蝕性能越好。為保證水泥漿更好的流動性和抗腐蝕性能，選擇300 目∶100 目=70∶30 的硅粉。

2.3 分散劑研究

為保證較好的抗CO2腐蝕性能及工作性能，低密度水泥漿體系需要盡可能降低水灰比，會犧牲一部分流變性能，選用效果較好的分散劑可彌補此性能。室內選擇JT58 作為水泥漿的分散劑，并對其性能進行研究，結果如表3 所示。

表3 分散劑JT58 對流變影響情況Tab.3 Influence of dispersant on rheology

由表3 可知，隨著JT58 添加量增多，水泥漿流變性明顯更好。分散劑JT58 對水泥漿流變性改善作用較好，且水泥漿漿體穩定，可作為高溫水泥漿分散劑。

2.4 高溫緩凝劑研究

在高溫環境下，常規的緩凝劑易失效，無法調節水泥漿稠化時間。室內研究了一種高溫緩凝劑R36L，并對所選取的R36L緩凝劑的緩凝效果進行進一步評價，如表4 所示。

表4 R36L添加量對水泥漿體系性能的影響Tab.4 Influence of R36L addition on performance of cement slurry system

實驗結果表明，緩凝劑添加量增加后，稠化時間增長，水泥石抗壓強度有波動，但每個添加量下都大于14 MPa；失水量變化小。

3 耐高溫低密度防腐蝕水泥漿體系

根據以上實驗結果，構建了耐高溫低密度防腐蝕水泥漿體系（1.5 g/cm3）。水泥漿的組成為100%水泥+30%低密度防腐劑C-JX52+35%復合硅粉+3%分散劑JT58+46%水+10%納米硅+6%降失水劑FL57+2%緩凝劑R36L+1%消泡劑DF60L。

3.1 施工性能評價

對構建的低密度水泥漿施工性能進行評價，結果如表5 所示。可以看到，構建的低密度防腐水泥漿流變性能良好，24 h 抗壓強度大于14 MPa，失水可控，稠化時間可調，可以滿足現場施工要求。

表5 低密度水泥漿施工性能Tab.5 Construction performance of low density cement slurry

3.2 防腐蝕性能

在150 ℃、CO2分壓20 MPa 條件下，評價該水泥漿體系的防腐蝕性能。水泥石7 d 和30 d 腐蝕深度、抗壓強度衰退率和滲透率增大率結果如表6 所示。

表6 低密度水泥漿防腐蝕性能（150 ℃，20 MPa CO2）Tab.6 Corrosion resistance of low density cement slurry（150 ℃，20 MPa CO2）

評價結果表明，多種防腐、降密度材料共同作用，防腐蝕效果優異。使用C-JX52 構建的低密度防腐水泥漿可有效降低腐蝕深度，使之控制在2 mm/30 d以下。腐蝕后，抗壓強度下降小于15%，滲透率增大率小于25%。

圖3 為水泥石腐蝕30 d后樣品及其SEM照片，可以看到，樣品腐蝕30 d后，腐蝕深度較小，由樣品掃描電鏡可以看到，減輕劑與水泥石基體相容性良好，且較致密。

圖3 水泥石腐蝕30 d后樣品及其SEM 照片Fig.3 Sample and SEM photo of cement stone after corrosion for 30 days

4 結 語

研究制備的低密度防腐劑C-JX52 表面處理后包覆一層薄膜物質，比表面積增大，與水泥石基體有更好的相容性。隨著C-JX52 的加量，水泥石腐蝕深度下降。300 目硅粉和100 目硅粉比例為70:30，可保證水泥漿具有更好的流動性和抗腐蝕性能。耐高溫、低密度防腐水泥漿體系流變性、抗壓強度、失水和稠化時間均滿足現場施工要求，在CO2腐蝕環境下，水泥石腐蝕深度減少，抗腐蝕能力增強。