宋鶴，楊威，唐俊峰，劉翠微，王敬朋，林志偉

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300450；2.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000）

準(zhǔn)噶爾盆地位于新疆北部，各地層壓力系數(shù)均有較大變化，天灣1 井是為了了解準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)含油氣狀況部署的一口超深預(yù)探井，從該井的壓力預(yù)測(cè)資料了解到該井井深7500 m，地層溫度為160 ℃，地層最大壓力為170 MPa，針對(duì)高溫高壓環(huán)境，為保持井眼壓力平衡和滿足井底高溫環(huán)境，需注入抗高溫性良好的超高密度水泥漿，以滿足超深井固井作業(yè)能夠安全順利地完成。

1 南緣地區(qū)超高密度水泥漿固井難點(diǎn)

準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地層壓力體系多變。天灣1 井井深7500 m，鉆井液密度達(dá)到2.3～2.4 g/cm3,安全窗口密度較窄，給水泥漿體系的調(diào)整增加了難度。

井下溫度高，固井外加劑難以優(yōu)選。高溫固井外加劑多為聚合物，造成水泥漿體系流動(dòng)性能較差，同時(shí)該類外加劑在高溫下易發(fā)生降解和熱稀釋，容易造成水泥漿體系高溫沉降失穩(wěn)問題，從而引發(fā)誘導(dǎo)環(huán)空氣竄等問題，影響固井質(zhì)量。

大溫差下造成頂部水泥石強(qiáng)度過低，發(fā)生超緩凝現(xiàn)象。封固段較長，造成水泥漿液柱上下段溫差較大，其中頂部溫度120 ℃，底部溫度160 ℃，容易造成頂部水泥漿長時(shí)間不發(fā)生凝固，導(dǎo)致頂部固井質(zhì)量出現(xiàn)問題[1]。

2 優(yōu)選高溫高壓超高密度水泥漿配方

針對(duì)天灣1 井固井技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)高溫高壓超高密度水泥漿體系必須具備相關(guān)性能[2-4]。①良好的流動(dòng)性，能夠一次混泵；②稠化時(shí)間線性可調(diào)，滿足固井施工要求；③動(dòng)態(tài)失水量小于50 mL,且游離液含量為0；④高溫下具有良好的沉降穩(wěn)定性；⑤靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間較短，具有較強(qiáng)的防氣竄能力；⑥水泥石整體抗壓強(qiáng)度較高，其中頂部水泥石具有較高的早期強(qiáng)度?；谏鲜鲈瓌t對(duì)水泥漿體系配方進(jìn)行優(yōu)選。

1）優(yōu)選新型超高密度加重劑材料。由于加重外摻料的存在，使超高密度水泥漿體系中膠溶相比例減少，優(yōu)選一種新型加重外摻料GQ780，密度高達(dá)7.8 g/cm3，如圖1（a）所示，該類加重劑顆粒較為均勻，相對(duì)于普通鐵礦粉類加重外摻料，水泥漿體系中水泥含量提高50%～80%。同時(shí)在體系中加入Micromax 加重劑，該加重劑是一種以微錳礦粉為原材料的超細(xì)加重材料，從圖1（b）中可知，該類加重劑屬于較好的球型顆粒，不增加需水量，不存在沉降穩(wěn)定性問題，同時(shí)具備減阻效果。

圖1 2 種加重劑的掃描電鏡

2）優(yōu)選堆積粒徑理想的固體材料。選用600目的圓角度超細(xì)硅石粉與超高密度加重材料進(jìn)行緊密堆積設(shè)計(jì)，一方面能夠在120～160 ℃高溫下防止水泥石強(qiáng)度衰退，另一方面能夠增強(qiáng)水泥漿體的流動(dòng)性能。

3）優(yōu)選抗高溫性能良好的固井外加劑。①優(yōu)良的抗高溫降失水劑能夠保證超高密度水泥漿體系各項(xiàng)性能穩(wěn)定，由于超高密度水泥漿在高溫下高分子聚合物外加劑易發(fā)生熱分解和稀釋效應(yīng)，從而導(dǎo)致水泥漿體系黏度降低，發(fā)生高溫沉降失穩(wěn)問題[5-10]。優(yōu)選粉體有機(jī)聚合物抗高溫降失水劑GRF-1S，并對(duì)其耐溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用高溫高壓稠化儀在160 ℃、170 MPa 下對(duì)降失水劑樣品攪拌6 h，分析攪拌前后降失水劑樣品的黏度變化，見表1。

表1 降失水劑GRF-1S 處理前后的流變性

由表1 可以看出，GRF-1S 型降失水劑經(jīng)高溫高壓攪拌前后塑性黏度變化較低，表明該降失水劑在高溫高壓下具有良好的性能以及穩(wěn)定水泥漿體系黏度的能力，能夠保證在超深井超高溫度境況下保持作用。該高分子聚合物類粉體降失水劑同時(shí)具備較高的相對(duì)分子質(zhì)量和較寬的相對(duì)分子質(zhì)量分布，在水泥漿體中通過氫鍵形成膠狀聚集，其極性基團(tuán)能夠吸附在水泥顆粒與加重外摻料表面，構(gòu)成致密濾餅，抑制超高密度水泥漿體系失水量。其加量確定見表2。由表2 可以看出，GRF-1S 型降失水劑加量在1.0%～3.0%左右，水泥漿體系動(dòng)態(tài)失水量較大，加量為4.0 %時(shí)，失水量控制在40 mL，且流動(dòng)度達(dá)到32.0 cm，加量增加至5.0%時(shí)，失水量控制變化不明顯，且流動(dòng)度有所下降。②對(duì)于溫差較大的超高密度水泥漿體系，高溫下安全泵送以及頂部水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢是重點(diǎn)解決的問題，優(yōu)選溫度敏感性較小的高溫緩凝劑GRH-2L，在低溫下頂部水泥石具有較高早期抗壓強(qiáng)度。并且該系列緩凝劑與GRF-1S 系列降失水劑具備良好的配伍性能，能夠防止“包心”、“超緩凝”等現(xiàn)象發(fā)生。③高溫懸浮穩(wěn)定劑。優(yōu)選2 種高溫穩(wěn)定懸浮劑GRY-S2、GRK-1S，同時(shí)加入一定量的微硅，提高水泥漿體系的懸浮穩(wěn)定性。④高溫減阻劑。在超高密度水泥漿體系中加入減阻劑可有效阻止膠凝材料聚集，減小水灰比，從而改善膠凝材料性能。但當(dāng)水灰比小于0.35 時(shí)，水泥漿的流變性能就不能隨著減阻劑加量的增加而明顯改善。因此，需要在水灰比較小的條件下，優(yōu)選2 種耐高溫粉體減阻劑GRS-S1 和GRS-S2，GRS-S1 在高溫下起到很好的減阻作用，提高水泥漿體的流變性能，GRS-S2 的作用主要是用于吹灰過程中使大樣混合易于泵送。二者加量各為1%時(shí)，水泥漿體流動(dòng)度為 32.0 cm，游離液含量為0，體現(xiàn)出很好的減阻效果，同時(shí)能有效保持漿體的穩(wěn)定性。⑤水泥石韌性材料。優(yōu)選增韌材料GRE-3S，通過韌性化處理技術(shù)改善水泥石力學(xué)性能。

表2 GRF-1S 耐高溫降失水劑加量與水泥漿失水和流動(dòng)度的關(guān)系

3 水泥漿室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料

1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備。3260 型恒速攪拌器、8040D10型高溫高壓雙缸稠化儀、7375 型高溫高壓雙缸養(yǎng)護(hù)釜、7120 型攪拌式失水儀、3530 型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)均為美國千德樂公司產(chǎn)品，120-58 型靜膠凝強(qiáng)度分析儀、CLF-40 全自動(dòng)抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀均為美國OFITE 公司產(chǎn)品，數(shù)顯式液體密度計(jì)、常壓稠化儀均為沈陽航天公司產(chǎn)品。

2）實(shí)驗(yàn)材料。為更好地模擬實(shí)際固井條件，油井水泥選用克拉瑪依地區(qū)的天山G 級(jí)高抗硫酸鹽型油井水泥，固井外加劑包括高溫降失水劑GRF-1S、高溫緩凝劑GRH-2L、高溫懸浮穩(wěn)定劑GRY-S2 和GRK-1S、增韌材料GRE-3S、高溫減阻劑GRS-S1 和GRS-S2、固井外摻料包括新型高密度加重劑GQ780、微錳礦粉。

3.2 水泥漿性能評(píng)價(jià)

3.2.1 超高密度水泥漿配方

室內(nèi)對(duì)天灣1 井耐高溫高壓超高密度水泥漿進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最終確定體系配方如下，干混總質(zhì)量為1242.80 g。

400 g克拉瑪依天山G 級(jí)油井水泥+145%GQ780+40%硅粉（粒徑為0.025 mm）+5%微硅+2%GRE-3S+1.2%GRK-1S+1.5%GRY-S2+4%GRF-1S+1%GRS-S1+1%GRS-S2+10%Micromax 加重劑+300 g自來水+0.80%GRH-2L，液固比為0.249

3.2.2 水泥漿密度、流動(dòng)度、流變性能

按照上述配方配漿，漿體密度達(dá)到2.55 g/cm3，流動(dòng)度為32 cm。室溫下測(cè)定該漿體的流變性能見圖2。結(jié)果說明，在室溫下該漿體流型符合冪律模式（n＜1），流性指數(shù)為0.67，稠度系數(shù)為2.35 Pa·sn，具有較好的流變性能。

圖2 室溫下超高密度水泥漿體流變性能曲線

3.2.3 高溫高壓稠化性能

按照井底循環(huán)溫度為160 ℃、井底壓力170 MPa、升溫升壓時(shí)間為100 min 的條件進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3 所示，超高密度水泥漿體系的初始稠度為30 Bc，隨著溫度壓力升高，稠度逐漸降低并穩(wěn)定在20 Bc，稠化時(shí)間為414 min，過渡時(shí)間為2 min。為驗(yàn)證在不同溫度、不同壓力下，不同緩凝劑加量對(duì)該水泥漿稠化時(shí)間的影響，分別在120、140、160 ℃下對(duì)該水泥漿進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3，隨著溫度的降低，該體系稠化時(shí)間呈階段性延長，未出現(xiàn)稠化時(shí)間“倒掛”的現(xiàn)象，并且通過調(diào)節(jié)緩凝劑的加量，稠化時(shí)間能夠得到有效的延長。圖4 為緩凝劑加量與稠化時(shí)間關(guān)系曲線。

圖3 160 ℃、170 MPa 緩凝劑加量為0.80%時(shí)超高密度水泥漿體系稠化曲線

圖4 緩凝劑加量與超高密度水泥漿稠化時(shí)間關(guān)系曲線

由圖4 可以看出，緩凝劑加量與稠化時(shí)間呈線性關(guān)系，不存在緩凝劑加量敏感點(diǎn)。稠化曲線平滑，未出現(xiàn)“臺(tái)階”、“鼓包”等現(xiàn)象，表明該體系緩凝劑與其他外加劑之間具有良好的配五性，過渡時(shí)間能夠控制在4 min 以內(nèi)，屬于明顯的“直角稠化”，說明該體系具有良好的防氣竄性能。

3.2.4 高溫強(qiáng)度性能

按照超高密度水泥漿體系配方進(jìn)行高溫高壓抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為頂部水泥石強(qiáng)度120 ℃、48 h，底部水泥石強(qiáng)度160 ℃、24 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該水泥漿體系頂部水泥石強(qiáng)度達(dá)到15.72 MPa，底部水泥石強(qiáng)度達(dá)到18.31 MPa，能夠滿足油層開發(fā)與射孔的要求，見表4。

表4 超高密度水泥漿體系高溫高壓抗壓強(qiáng)度

3.2.5 動(dòng)態(tài)失水量和游離液含量

對(duì)該水泥漿進(jìn)行高溫（＞93 ℃）高壓下的失水實(shí)驗(yàn)，按照GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》[11]中規(guī)定的2 種方法。①靜態(tài)失水量，使用高溫高壓稠化儀對(duì)水泥漿體在規(guī)定溫度下進(jìn)行攪拌，再冷卻至90 ℃后放入靜態(tài)失水儀中加熱至規(guī)定溫度后進(jìn)行失水測(cè)定。②動(dòng)態(tài)失水量，使用攪拌式失水儀按規(guī)定溫度進(jìn)行程序升溫，加熱到預(yù)定溫度后養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后進(jìn)行失水量測(cè)定，結(jié)果見圖5。

圖5 超高密度水泥漿高溫高壓下的失水實(shí)驗(yàn)

圖5 表明，利用動(dòng)態(tài)失水測(cè)定160 ℃下超高密度水泥漿的失水量是靜態(tài)失水儀的2 倍，由于攪拌式失水儀實(shí)驗(yàn)過程一直對(duì)水泥漿體進(jìn)行升溫?cái)嚢?，該過程更貼近于固井施工過程，所以對(duì)于該水泥漿體系的高溫高壓失水量測(cè)定應(yīng)以攪拌式失水儀實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行更為準(zhǔn)確。

該水泥漿體系游離液含量的測(cè)定按照GB/T 19139—2012 相關(guān)要求，利用高溫高壓稠化儀對(duì)水泥漿體在160 ℃下進(jìn)行攪拌，再冷卻至90 ℃后放入250 mL 量筒中，室溫下靜置2 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果游離液含量為0。

3.2.6 沉降穩(wěn)定性

針對(duì)超高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性能的分析，筆者應(yīng)用行業(yè)中常用的2 種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行比較，一種是按照GB/T 19139—2012 中規(guī)定的BP 沉降管實(shí)驗(yàn)方法[11]，進(jìn)行2 次平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5，另一種是利用500 mL 量筒對(duì)水泥漿體密度進(jìn)行測(cè)定，水泥漿體經(jīng)高溫高壓稠化儀在160 ℃下攪拌后，冷卻至90 ℃放入500 mL 量筒內(nèi)，室溫下靜置2 h，測(cè)定上下水泥漿密度差值，結(jié)果見表6。

表5 超高密度水泥石BP 沉降管沉降穩(wěn)定性能

表6 超高密度水泥漿沉降穩(wěn)定性能

BP 沉降管法結(jié)果顯示，超高密度水泥漿體系水泥石密度差最大為0.04 g/cm3。水泥漿密度差法結(jié)果顯示，水泥漿最大密度差值為0.020 g/cm3。2種實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該體系具有較好的沉降穩(wěn)定性能。

3.2.7 防氣竄性能

目前，針對(duì)超高密度水泥漿體系防氣竄能力的評(píng)價(jià)多憑借于SPN值的計(jì)算，筆者應(yīng)用水泥漿體系靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間和SPN值兩者綜合考量超高密度水泥漿體系的防氣竄性能。

對(duì)于靜膠凝強(qiáng)度的測(cè)定，大多借助于無損超聲波靜膠凝強(qiáng)度測(cè)定裝置，但該裝置對(duì)于超高密度水泥漿體系靜膠凝強(qiáng)度的測(cè)定存在較大的誤差，一方面是由于無損超聲波靜膠凝測(cè)定裝置在水泥漿體系膠凝值（Gel Value）小于3000 的條件下超聲波信號(hào)無法接收，這種情況下必須先對(duì)水泥漿體進(jìn)行高溫養(yǎng)護(hù)后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，另一方面在實(shí)驗(yàn)過程中，由于水泥漿體系處于完全靜置的狀態(tài)，膠凝值會(huì)再度降低至3000 以下，造成曲線中斷，造成數(shù)據(jù)存在較大的系統(tǒng)誤差（見圖6）。對(duì)于水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的測(cè)定，使用120-58 型靜膠凝強(qiáng)度分析儀，該設(shè)備利用力學(xué)性能對(duì)水泥漿體系的靜膠凝強(qiáng)度值進(jìn)行分析，其核心原理是利用特定的力學(xué)轉(zhuǎn)子按照1 r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)水泥漿進(jìn)行攪拌（見圖7），無需事先對(duì)水泥漿進(jìn)行高溫養(yǎng)護(hù)，在釜體中直接進(jìn)行程序升溫。結(jié)果顯示，該體系在160 ℃、20.7 MPa 下的靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間（48～240 Pa）為11 min，見圖8。

圖6 利用無損超聲波靜膠凝測(cè)定裝置測(cè)定超高密度水泥漿體系靜膠凝強(qiáng)度出現(xiàn)信號(hào)中斷現(xiàn)象

圖7 力學(xué)性能測(cè)定靜膠凝強(qiáng)度裝置的特定轉(zhuǎn)子

圖8 力學(xué)性能測(cè)定靜膠凝強(qiáng)度過渡時(shí)間曲線

依據(jù)超高密度水泥漿體系各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)值，選取動(dòng)態(tài)失水量40 mL，SPN值結(jié)果為1.06，體現(xiàn)了良好的防氣竄性能。

4 結(jié)論與建議

1.天灣1 井高溫高壓超高密度水泥漿體系密度達(dá)到2.55 g/cm3，該體系在160 ℃、170 MPa 下具有良好的流動(dòng)度、流變性能、動(dòng)態(tài)失水能力、沉降穩(wěn)定性能、防氣竄性能以及適宜可調(diào)的稠化時(shí)間。

2.該體系具有較高的頂部水泥石抗壓強(qiáng)度，有效解決了較大溫差條件下易出現(xiàn)低溫過緩凝問題。

3.該體系配方應(yīng)用范圍廣泛，可通過調(diào)整相關(guān)外加劑摻量滿足天灣1 井不同井深溫度條件下的固井施工要求。

4.該體系對(duì)水泥石系統(tǒng)的力學(xué)性能還有待深入研究和探討。