邓 平

（四川京川大正油田技术服务有限责任公司，四川 德阳 618000）

0 引言

深部油气资源的勘探与开发需要面临2个最重要的问题：温度和压力。长时间的地层高温环境会令固井体系的水体、桨体稳定性变差，水泥石强度衰减变化以及外加剂失效等多种问题，给固井工程带来了许多工艺上的挑战。因此，如何解决高温高压给固井工程带来的问题，是目前在固井建设过程中需要考虑的重点性问题之一。一般来说，工程师会采用在油井的水泥砂浆中加入硅砂，通过传统添加剂的方式加强后期的水泥石强度。这种传统方式在长期高温高压的过程中，其水泥石的强度会不断减弱，产生脆性形变。

深部油气勘探需要面对高温和高压2个问题，地层的高温会使常规的水泥浆体系稳定性变差。造成水泥石强度下降、容易破碎等多种问题，会给固井工程带来相对较多的挑战。传统仅加入水泥砂浆的配伍体系的稳定性较差，导致基体内水份变多，基体松垮。因此容易出现后期水泥强度衰减加快，外加剂失去效益以及易破碎等多种问题。为了解决传统方法中存在的后期强度衰减变快，容易破裂的问题，不少学者针对高温高压的水热固井体系的添加剂材料进行了实际的研究，希望能够对我国的高温水热固井体系具有对应的贡献。

1 固井外加剂类型

1.1 高温固井材料体系

因为普通的固井外加剂水泥材料在高温高压体系受到挤压之后，其强度和硬度会快速衰减，进而产生裂缝，影响整体固井的安全。针对这一个现实问题，有学者提出了可以通过改变水泥中石灰以及二氧化硅的摩尔比例来解决强度衰减的问题。有学者发现，当水泥内的二氧化硅以及石灰的比例在0.6～0.8、井下温度大约处于110℃区间时，可以降低水泥中水化产物，即水化凝胶的脆性形变。因为此刻这种水泥体系中的水化产物会从雪硅钙石转变为硬度和强度更高的硬硅钙石和白钙沸石，能够更加有效地抑制水泥石嵌固端的衰减。

李世军（2020）研究的一种磷铝酸盐的水泥材料具有较强的耐高温性能，在没有其他强度和高温外加剂的添加下，常温形态下硬度可以达到16MPa。其在高温下的产物是一种磷铝酸盐材料，形成的三元磷铝酸盐相的强度较高，稳定性较好。并且在温度高达1400摄氏度时，强度仍然能够达到60.7MPa。

杨智光、李吉军等人（2020）从实验网格结构出发，深入研究了高温固井材料体系给水泥石强度带来的影响。认为在110℃之下，G级的水泥水化产物即C2SH2能够形成凝聚的网络结构，有利于水泥石的强度的发展。然而在温度高于150℃之后，因为水化产物的结晶体开始破裂，水化产物的强度呈现出下降的趋势。

1.2 油井水泥缓释剂

缓释剂是一种增加水泥浆稠化时间，防止因水泥浆内部凝结过快造成的空鼓以及空洞问题的添加剂。这种缓释剂的添加对后期的强度具有一定的提升作用，并且能够保障施工过程中水泥凝固速度变慢，保障施工安全。在化学成分以及作用机理上来看，缓释剂材料可以分为木质磺酸盐类缓凝剂、羟基羧酸类缓凝剂和高分子聚合物缓凝剂三种。

1.3 油井水泥降水剂

油井水泥降水剂是控制水泥浆中的水分过度向外界渗透的添加剂，一般来说，油井水泥降水材料可以分为两大类。一大类是超细的颗粒材料，另一类是可溶于水的高分子有机聚合材料。

超细颗粒材料、超细颗粒材料可以通过自身的间隙堵塞水泥颗粒之间的间隙，达到减少水份流失的目的。整体来说，超细颗粒材料的降水能力较为有限，因颗粒配比的原因，不管使用多细的颗粒材料，都不能较好地提升降水能力。

温雪丽（2020）使用白色的药用油材料作为载体，油性介质中采用环保的黄原胶聚合物材料与纤维素醚类材料等衍生物制作了生物降水剂。这种降水剂是一种十分环保的外加缓释剂材料，对地层的伤害性较小。

Bach（2020）等人从羟乙基纤维素的合成路径出发，将其与羧甲基纤维素结合，合成了一种全新的纤维素型的降失水剂HEC。这种降水剂能够适用于140℃左右的高温，控制失水能力在60mL/g左右，是一种降失水能力较好的环保水剂。

1.4 油井水泥分散剂

分散剂可以用于降低水泥砂浆中所需的加水量，降低水灰比以及改善水泥浆的流动性。在目前的国内固井过程中最常使用的分散剂材料是磺化醛酮类的缩聚物材料。2020年，张请玉等人使用甲基氧聚乙二醇加急丙烯酸酯类材料，采用新型的聚羧酸油井水泥分散剂材料合成了一种新的水泥分散剂体系。这种水泥分散剂在使用之后能够让水泥泥浆的流动性变好，稠化时间没有明显不同，并且还能够抗地层中的高盐性对固井的干扰。

2 固井材料及外加剂原理研究

2.1 研究目的

目前的固井已经朝着深井和超深井的方向进发。超深井的一般性温度高达200℃，在传统的油井水泥固井材料不能够满足现代高温固井材料的需求之下，该文希望研究新型固井外加剂材料在水泥体系中的合理化运用。1） 在高温体系下，常规的水泥固井材料的强度衰减较快，容易发生破碎的问题。2） 在高温体系条件下，水泥泥浆体系因为水化速度过长，稠度增长过快需要加入大量的高温缓凝剂材料才能够合理稠化的问题。3） 解决因为井深过深，加上外部压力过大，导致井口和井底的水泥材料凝固时间不同的问题。

传统的G级水泥在硅砂增加的情况下，水泥基体会存在很大的强度衰减和裂缝问题，因此对超深井的高温固井材料来说，需要使用全新的外加剂配伍体系，保障固井在超深层尤其开采的过程中不会出现各种安全性问题。

2.2 各种外加配伍剂的原理研究

缓释剂是油井水泥中一种十分重要的外加剂体系。因为深井和超深井的高温高压容易让水泥桨体结构稳定性变差，因此需要加入缓凝剂增加水泥桨体的稠化时间，延长桨体的输送时间效益，以此来满足固井施工过程中对施工安全的需要。主要使用的高温缓凝剂是木质素的磺酸盐类，羟基羧酸类，AMPS聚合物之类的产品。

以AMPS类的缓释剂举例，这一类缓释剂的有机官能团能够与水泥砂浆体系中的离子基团随机结合，在固体颗粒的表面形成一种透明薄片状的物质缓释剂分子，这种分子能够降低水泥砂浆体系与水分子中的共价键进行的接触反应，降低水合物的形成，进而减缓了凝结速度，如图1所示。

图1 未添加缓释剂（a）和添加缓释剂（b）的电镜图片对比

从图1中可以看出，添加了缓释剂之后，颗粒之间会形成一种致密的针织状结构，在固体与固体颗粒之间的接触面积提升的同时生成了一种凝胶类物质。让体系后期的整体稠度上升，强度发展较为迅速，能够较好地提升固井水泥体系的强度。

降失水剂一般具有数目较多的高分子聚合物，其含有的一些羟基、羧基等有机官能团能够固定在固体颗粒的表面，改变体系原有的电位。这种高分子聚合物中的固体颗粒还会形成一种网状结构，将整体水泥浆体的致密性和硬度提升。图2为添加和未添加降失水剂的电镜扫描图片。在添加了降失水剂之后，其内的高分子基团通过桥接作用连接在一起，整体的网格致密结构比未添加降失水剂体系的水热合成材料的强度更高，能够更好地抵御高温和高压的干扰。

图2 未添加降失水剂（左）和添加降失水剂（右）的电镜图片对比

分散剂加入水中之后，能够通过等离子电力形成较多的游离例子基团。这些基团通过电位作用能够吸附在外加固井剂的水泥颗粒体表面，扩大颗粒表面的电位差，并让其Zeta电位发生变化的同时，将不同基团带有的电荷剥离，进而产生了更大的电位差，大大增加其排斥力。

分散剂添加量越大，颗粒剂就能够通过吸附作用吸附越多的离子基团，让浆体处于一种悬浮状态。能够有效增强浆体的分散效果，让浆体在流动的过程中，成为流动性较好的液体，进而让体系内的固体颗粒分散开来，整体桨体的流变性能提升。在水热合成材料体系中添加不同比例的USZ分散剂后的电位差情况如图3所示。整体桨体的电位和分散剂比例的关系由此得出。

从图3中可以发现，未添加分散剂的过程中，水热合成材料体系中的Zeta电位为-3mV，加入分散剂之后，其Zeta电位迅速降低，而后变化趋势逐渐变缓。

图3 不同分散剂下的Zeta电位

2.3 各种外加配伍剂的试验性能研究

在高温水热固井合成材料体系中加入AMPS的降失水剂HX-15L，水灰比设计为0.4～0.44左右。并将该溶液配置为桨体，使用翻转式的失水仪计算120℃下整体桨体（API）的失水量。试验结果如表1所示。

表1 AMPS类降失水剂HX-12L在120℃下的失水量

图4为120℃下不同HX-12L添加量下API的失水率。从图4中可以看出，随着HX-12L缓释剂的不断添加，高温固井水热合成材料体系的失水量逐渐下降。并且在添加量大约为2.5%时。失水量以及趋近于平衡。也就是在120℃下，HX-12L类型的降失水剂在添加量为2.5%左右即可有效控制浆体的失水问题。因此在实际应用过程中，可以将HX-12L的降失水剂添加比例添加为2.5%左右。

图4 120℃下不同HX-12L添加量下API的失水率

根据实际试验的需要，选择合适的试验药品和试验仪器研究分散剂对水热合成材料的实际性能规律影响研究，具体使用的药品和仪器如表2及表3所示。

表2 试验试剂生产厂家

表3 试验仪器生产厂家

水泥浆的流变性能测试。在高温水热固井合成的不同材料体系中加入不同剂量的分散剂，并使用旋转黏度计测试年度，计算相应的黏度指数，研究分散剂对高温水热固井合成材料性能的影响。

电位仪测试方法。用Zeta电位仪测试分散剂对高温水热合成材料体系中表面Zeta电位的变化，并使用有机碳分析仪材料研究高温固井水热合成材料对分散剂的吸附性能。

研究固井目前使用最广泛的一种磺化醛酮缩聚物类的分散剂作为材料。使用USZ产品作为本次研究的分散剂材料。先在水热合成材料中添加不同质量的分散剂USZ，将其配置成为桨体，计算其黏度。不同分散剂下水热合成材料的黏度见表4。

表4 不同分散剂下水热合成材料的黏度

从表4中可以看出，随着分散剂的添加，体系的流动阻力随之改善。流体更加容易达到稳定的状态。这种状态有利于桨体的泵送与成型均匀过程，利于高温固井水热合成材料的强度提升。因此在高温水热固井材料体系中适量添加分散剂USZ有利于整体桨体的稳定和强度的提升，可为现实应用过程提供一定的参考。

3 结语

该文对水热合成材料与外加剂的配伍体系的现状以及原理进行了研究。通过分析缓释剂、降水剂、分散剂等多种具体性能、配伍机理和研究机理，对新型的高温固井液体物质的配伍方法和作用原理进行了研究。并且通过降水剂及分散剂设计了对应的试验，为全文提供了试验数据参考，也为未来的学者提供了理论依据。