1、-18-2023.No.60引言随着石油天然气勘探开发技术的提高，油气田开采逐渐向复杂井、超深井发展，油气田开发的难度也越来越大。由于地质构造的特殊性，在钻进过程中经常要遭遇到异常高压气层和高压盐水层，钻井液密度可达2.5 g/cm3以上1-3。故通常需要使用高性能的高密度水泥浆体系进行固井作业，达到压稳地层的目的。但在配制高密度水泥浆体系时，常存在以下几点难题：（1）高密度水泥浆由于其固相含量较高，常会造成水泥浆体系的流变性差，黏度大，难以泵送；（2）加重剂易在浆体中发生沉降，造成水泥浆的不稳定；（3）由于高密度水泥浆主要应用于高温条件下，外加剂存在耐温限制，故水泥浆的稠化时间较难调节；（4
2、）由于高密度水泥浆的加重剂不具有胶凝强度，因而水泥石的强度偏低；（5）水泥浆浆体的稳定性与其流变性存在相互排斥。故本文针对上述难题，开发出流变性能和沉降稳定性能良好的密度为2.10 g/cm3和2.30 g/cm3的高密度水泥浆体系，对油田顺利开发或技术储备都有着重要的工程意义。1原材料及试验方法1.1原材料1.1.1G级油井水泥油井水泥是水泥石的主要胶结材料。铜川药王山水泥有限公司G级水泥质量高，性能稳定，触变性良好，与外加剂有较好的配伍性，在油井固井作业中使用广泛。因此，在本文的试验中选用药王山G级油井水泥。其物理性能指标、粒径分布分别如表1、表2所示。高密度油气井水泥浆的研制及应用李盼盼
3、，李明泽，郭伟，白永泰，吕宝玉（尧柏特种水泥技术研发有限公司，陕西西安710100）摘要：深井、超深井固井作业对水泥浆体系性能要求较高。为了满足深井、超深井固井作业需要，本文通过室内综合试验研究，优选合适的加重剂及水泥浆外加剂，构建了密度为2.10 g/cm3、2.30 g/cm3高密度固井水泥浆体系，并对水泥浆的性能进行评价。结果表明，该体系水泥浆具有较好的流变性和沉降稳定性，失水量低，抗压强度较高，抗高温性能优越。并且现已成功应用于蓬探XX井，固井质量优良，为后期深井及超深井固井的勘探开发起到了极为重要的推动作用。关键词：高密度水泥浆；加重剂；沉降稳定性；固井Abstract:Cement
4、ing operation of deep well and ultra-deep well requires high performance of cement slurry system.In order to meet the needs of deep well and ultra-deep well cementing operations,in this paper,we select appropriate weighting agents and cement slurry additives to construct a high-density cement slurry
5、 system with density of 2.10 g/cm3 and 2.30 g/cm3.Besides that,through the simulation comprehensive experimental study,we evaluate the performance of cement slurry.The results showed that the cement slurry of this system shows superior performance in rheological property,settlement stability,low wat
6、er loss,high compressive strength and high temperature resistance.It has been successfully applied to Pengtan XX well with excellent cementing quality,which has played a very important role in promoting the exploration and development of deep well and ultra-deep well cementing in the later period.Ke
7、y words:high density cement slurry;weighting agent;settlement stability;cementingFirst authors address:Yaobai Special Cement Technology Research and Development Co.LTD.,Xi an 710100,Shaanxi,China中图分类号：TQ172.754文献标志码：A文章编号：1002-9877（2023）06-0018-04DOI：10.13739/11-1899/tq.2023.06.004表1G级油井水泥性能指标密度/（g/
8、cm3）比表面积/（m2/kg）初始稠度/Bc稠化时间/min游离液/%抗压强度/MPa触变性（10 min）38，8 h60，8 h1.9230814.81103.486.116.0良好，呈“直线”从表1、表2数据可看出，药王山G级油井水泥各项物理性能指标达到企业内控指标要求，且平均颗粒2023.No.6-19-李盼盼，等：高密度油气井水泥浆的研制及应用较细，故而与水泥浆的其他固相颗粒间具有合理的颗粒粒径分布。同时水泥浆分别静置5 min、10 min后流动性均较好，表示浆体触变性良好，为高密度油气井水泥浆的研制提供了性能稳定的胶结材料。表2G级油井水泥粒径分布特征值 mD10D50D901
9、.9614.949.71.1.2加重剂的优选产地：峨眉山市托阳油田工程技术有限公司。加重剂的作用是提高水泥浆密度，故加重剂的选择是高密度水泥浆体系的关键因素。一般认为加重剂应当满足下列条件：较高的密度，较小的需水量，较好的球形度和合理的粒径分布。不同加重剂的性能对比如表3所示。表3不同加重剂的性能对比加重剂密度/（g/cm3）细度对水泥浆的影响配制水泥浆密度/（g/cm3）磁铁矿粉6.090%45 m，97%75 m需水量较小，无增稠问题2.60重晶石4.24.680%45 m，97%75 m需水量较大，增稠2.28赤铁矿4.85.285%45 m，97%75 m增加需水量，轻微增稠2.60综
10、上所述，重晶石需水量大，会引起高密度水泥石力学性能降低，且在酸化时难以被酸溶解；赤铁矿可作为配制高密度水泥浆体加重剂材料，但需水量较大，配制出的浆体较稠，酸化时也不易被溶解4。磁铁矿粉对水泥石的稠化时间和抗压强度影响相对较小，且悬浮性较好，同时查资料可知形貌趋于球形，解决了研制高密度水泥浆流动性问题5。因此综合考虑高密度水泥浆性能和经济性原则，可采用密度为6.0 g/cm3的磁铁矿粉作为加重剂进行高密度水泥浆研究。1.1.3高温稳定剂（石英砂）产地：河北灵寿裕川石英砂厂。当井底静止温度110 时，水泥石强度在高温条件下会急剧衰退，从而影响油气井使用寿命。有研究表明，当石英砂加量30%40%时，
11、能够防止水泥水化产物转化为多孔疏松形态，从而使水泥石能够保持较高的强度和较低的渗透率6。通常高密度油气井水泥浆在高温高压条件下应用，故本文需在水泥浆体中加入石英砂，可有效防止水泥石强度衰退。1.1.4悬浮稳定剂（微硅）产地：灵寿县诚德矿产品加工厂。浆体的沉降稳定性是配制高密度油气井水泥浆成功的关键因素。高密度水泥浆多用于深井、超深井，使用温度高。微硅不仅性能稳定，具有优越的耐高温性能，且能改善水泥浆水化产物的耐温性能。同时均匀分散后使水泥浆液相变为稳定的溶胶，使其水泥颗粒悬浮在溶胶中不易沉降，因此微硅水泥浆析水率极小，利于改善水泥界面的胶结，提高固井质量。故选用微硅作为高密度水泥浆体系的稳定剂
12、。1.1.5其他固相材料产地：四川川庆井下科技有限公司。本文选用膨胀剂、增强剂、柔性剂、分散剂作为改善水泥石工程性能指标材料，相互作用可有效改善水泥石的力学性能，也可在水泥中抵消干缩或温度骤降引起的拉应力，起到良好的补偿收缩作用，从而提高水泥石的抗裂防渗能力。1.1.6外加剂体系实践表明，固井水泥浆具有良好的综合性能是保证固井质量的关键因素之一，而水泥和水泥浆外加剂的性能共同决定固井水泥浆的性能。所以，水泥浆外加剂与水泥配伍是设计水泥浆配方成功的关键因素之一。分散剂、降失水剂和缓凝剂等外加剂之间可能存在相互影响、相互抵触的情况。因此，外加剂均来自四川川庆井下科技有限公司。1.2试验方法本文中水
13、泥浆的配制和性能评价，均依据GB/T 191392012油井水泥试验方法 中的相应规定进行。2高密度油气井水泥浆综合性能评价2.1配方研究提高水泥浆密度的主要途径是降低水灰比和增加加重剂与水泥的比例。但是在配制过程中不能无限降低水灰比，所以结合颗粒级配技术，需提高水泥浆体系的堆积密度。采用紧密堆积理论以颗粒级配技术为依托，将不同粒径大小的颗粒排列堆积，实现良好的孔隙充填，并相应提高颗粒间的范德华力，从而提高水泥石的综合性能7。基于高密度固井水泥浆的设计理论和材料优选，并通过不断微调水泥浆试验配方，最终调配出适应循环温度为120，密度为2.10 g/cm3、2.30 g/cm3的高密度水泥浆基本
14、配方。基本配方为：G级油井水泥+磁铁矿粉TYJ+悬浮稳定剂（微硅）高温稳定剂（石英砂）+柔性剂SD77+膨胀剂SDP-1+增强剂SD100+分散剂SD35+降失水剂（SD130液体）+缓凝-20-2023.No.6剂（SD210）+水。并评价其水泥浆综合性能。具体配方如表4所示。表42.10 g/cm3、2.30 g/cm3高密度油气井水泥浆试验配方配方水泥液固比磁铁矿粉石英砂微硅膨胀剂柔性剂增强剂分散剂降失水剂缓凝剂GM-11000.3045351.02.51.51.00.24.00.5GM-21000.26105353.51.03.03.00.44.00.62.2性能指标评价高密度水泥浆体
15、系物理性能指标见表5，沉降稳定性见表6。表7是根据六速旋转黏度计测定的水泥浆的流变性能。表5物理性能指标参数性能指标试验结果油田技术指标GM-1GM-2稠化时间（120，72 MPa，70 min）/min226228210350（可调）初始稠度/Bc16.214.320流动度/mm225230220水泥浆密度/（g/cm3）2.102.302.100.02、2.300.02游离液/%000强度（120，20.7 MPa，48 h）/MPa16.314.714.0API失水量（120，6.9 MPa）/mL494250表6高密度水泥浆体系沉降稳定性编号密度/（g/cm3）沉降稳定性/（g/cm
16、3）各测定点处的密度/（g/cm3）12345GM-12.100.023 02.089 42.098 52.099 22.110 42.112 1GM-22.300.020 52.290 52.293 22.298 72.306 72.310 5表7高密度水泥浆体系不同测定转速下的读数编号600 r/min300 r/min200 r/min100 r/min6 r/min3 r/minGM-115082422421GM-214575513054通常高密度水泥浆中由于加入了加重剂材料，会造成水泥浆沉降稳定性变差的问题。但从表5、表6试验结果综合可以看出，GM-1和GM-2密度差均小于0.03 g/cm3，说明该体系具有良好的稳定性。原因是通过调整悬浮稳定剂（微硅）及其他各相组分，有效控制了加重剂材料的沉降，因而改善了水泥浆浆体的稳定性。从表7看出在不同密度下均具有良好的流变性。从表5可见，水泥浆失水量均低于50 mL，具备低失水特性；浆体稠化时间均大于210 min，满足安全固井施工要求，易于调节控制；且不同密度水泥浆在高温下的力学性能优异，水泥石强度稳定（均大于14 MPa），但GM
