林荣壮，耿建卫，郭光奇，白忠明，苑春洋，马佳文

（大庆油田钻探工程公司，黑龙江大庆 163413）

古龙B井是部署在庆深气田古龙断陷上的一口风险探井，完钻井深4838m，井底温度193℃，而且气层活跃，钻井液密度2.0g/cm3以上，井下环境要求尾管固井水泥浆技术上有大的突破。水泥浆高温下稳定性不易保证，表现为水泥浆稳定性差、析水量大、失水量大，而且水泥石超过110℃易发生强度衰退等[1]；若采用密度为1.90g/cm3的常规水泥浆体系固井，液柱压力不能平衡地层压力，极易造成窜槽，使固井质量大幅降低，甚至固井失败，为此需要提高水泥浆密度；尾管固井，环空间隙小，要满足安全提取钻具的需要，要求水泥浆在提钻时间内保持良好的性能。因此，开展密度为2.00～2.30g/cm3抗高温高密度防窜水泥浆研究，以保障庆深气田高温高压井勘探开发需求，并保证古龙B 井固井施工安全和固井质量。

1 抗高温高密度防窜水泥浆设计

抗高温高密度防窜水泥浆体系要求水泥浆在高温下具有防窜、稠化时间可调、失水量低、稳定性好、强度高等性能，因此，水泥浆体系的设计关键是水泥外加剂的选择及水泥浆性能调整[2]。

1.1 加重剂研选

目前，高密度水泥浆多采用添加高密度加重材料。国内外常用的高密度加重材料有重晶石粉、还原铁粉、铁矿粉、钛铁矿粉、微锰等。重晶石粉可有效提高水泥浆密度，对保持胶体稳定性有利，但本身密度低，需水量少，水泥外加剂使用受限，同时又使水泥石强度下降较大。四氧化三铁需水量较少，其加量较大时，需调整水泥浆的流变性能。钛铁矿对水泥浆的稠化时间和抗压强度影响较小，但目前使用的钛铁矿石杂质含量高，需要适当提高水泥浆的稠度以防水泥浆离析。而微锰加重剂是一种以锰铁合金生产中的副产品，其性能优良，在国内外高压油气井固井中应用效果良好，但价格昂贵，制约了它的使用范围[3]。

综合考虑高密度水泥浆性能和经济原则，室内要配制出密度范围2.00～2.30g/cm3的高密度水泥浆体系时，选用四氧化三铁作为加重剂。同时，选择了一种纳米级别的增强剂，与加重剂配合使用，以增加水泥石的早期强度。

1.2 悬浮稳定剂研制

由于高密度水泥浆使用了加重剂和较少的水泥，水泥浆的悬浮稳定性受到的影响较大，尤其是在高温环境，由于高温作用引起水泥浆中颗粒的布朗运动加快，浆体的稀释引起水泥浆不稳定性的加剧，易导致水泥浆沉降。为保持高密度水泥浆无固相颗粒沉降无自由水析出直至固化，通过加入微硅均匀分散后使水泥浆液相变为较稳定的溶胶，形成基础骨架，但不能彻底解决高温下沉降稳定差的问题。为此研发了悬浮剂DHTS-1，该悬浮剂由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐反应而成，聚合物中含有大量的酰胺基(-CONH2)和磺酸根(-SO3)对水泥颗粒的分散和支撑作用，可以增加液相粘度，能够让水泥颗粒在高温下处于悬浮状态，与微硅配合使用，来提高高温下水泥浆悬浮稳定性。

1.3 降失水剂研制

对于抗高温高密度水泥浆体系而言,选择的降失水剂，对水泥的早期强度、流变性、稠化时间、凝结时间等无不良影响。要求降失水剂的相对分子质量大小、分子分布以及分子形态合理，需要聚合物分子同水泥颗粒之间具有良好的水化和吸附作用，且聚合物主链具有良好的热稳定性。研发了降失水剂DHTF-3作为高密度水泥浆体系的降失水剂，该剂选用2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸（AMPS）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）和丙烯酸（AA）进行聚合。AMPS 和AA 中含有大量的-CH2-SO3-和-COO-等基团，与水泥颗粒有较强的水化及吸附作用；同时，AMPS 的大侧基增强了分子链的刚性，加之NVP 侧链上有许多刚性的环状机构碳链结构，提高了聚合物的耐高温性能。

1.4 缓凝剂研制

为了保证固井施工的安全性，研究出一种超高温缓凝剂DHTR400，它的缓凝特性更加有效、稳定，比常规的缓凝剂能耐更高的温度，并与其它外加剂配伍性较好。该缓凝剂是由含多种极性基团的聚合物与一定比例的耐高温助剂混合而成。当DHTR400 加入到水泥浆中，极性基团（磺酸盐基团、耐高温助剂）具有极强的抑制作用，这些极性基团在C-S-H、Ca（OH）2表面形成极为致密的结构，延长了成核结晶时间，延缓了水泥颗粒的水化速度；此外，超高温缓凝剂DHTR400 中的两种乙烯系单体中含有羟基（-OH）、酮基（-C=O）等活性基团，可以使聚合物线团吸附于水泥颗粒表面，起到阻止水渗入的作用。

1.5 防窜剂研选

为了提高水泥石防窜性能，采用聚合物胶乳DQJ-2L 作为防窜剂，抗温可达200℃，胶乳中悬浮的胶粒具有一定的弹性，一部分胶粒通过挤塞、填充于水泥与外掺料颗粒间的空隙中，降低了水泥石的渗透率；另一方面，胶粒在压差的作用下，在水泥颗粒间聚集成膜，这层覆盖在滤饼表面的膜，阻止气体窜入水泥浆，提高了高密度水泥浆体系的防窜性能。

2 抗高温高密度防窜水泥浆性能评价

2.1 水泥浆稳定性评价

通过室内评价实验，对抗高温高密度防窜水泥浆体系不同密度点，进行了水泥浆体系稳定性实验，实验结果如表1所示。

表1 水泥浆体系稳定性实验

由表1 可以看出，水泥浆体系稳定性测试结果显示，各配方密度差均小于0.03g/cm3，游离液为0，说明该体系具有良好的稳定性。

2.2 水泥浆（石）抗压强度评价

优选了适当加量的加重剂，与纳米增强剂复配，并加入35%热稳定剂。水泥浆体系水泥石抗压强度如表2所示。

表2 水泥浆体系水泥石抗压强度实验

水泥浆体系各密度点水泥石强度发展快，且7d 强度不衰退，可保证水泥环长期封隔效果，能满足完井作业时的强度要求。

2.3 水泥浆体系防窜性能评价

开展了密度2.00～2.30g/cm3的水泥浆体系气窜量及渗透率室内评价实验，防窜剂DQJ-2L加量为10%～15%，由表3 可知，水泥浆体系高温下具有良好的防窜性能，且有较低的渗透率，能够阻止地层气体向环空窜流，防止气窜发生。

表3 水泥浆体系气窜量及渗透率实验

2.4 水泥浆体系其它性能评价

对抗高温高密度防窜水泥浆体系进行了水泥浆流动度、滤失量及稠化时间室内评价实验，实验结果如表4所示。从表4中可以看出，抗高温高密度防窜水泥浆体系各配方流动性好，水泥浆体系滤失量在50mL 以内，且稠化时间不倒挂、线性关系好。

表4 水泥浆体系流动度、滤失量及稠化时间实验

综上，研制的密度为2.00～2.30g/cm3的抗高温高密度防窜水泥浆体系（适用温度150℃～200℃），具有耐高温、抗压强度高、防窜性能好等特点，可保证水泥环长期封隔效果，防止气窜发生，满足庆深气田高温高压井固井施工要求。

3 现场应用及效果

古龙B 井井底温度193℃，井深在4621～4675m 之间，全烃2.24%，其中CO2含量80.41%，现场尾管固井施工设计水泥浆密度2.10g/cm3，设计循环温度170℃。

为了防止CO2腐蚀水泥石，在水泥浆中添加防腐剂DCR，评价试样腐蚀前后的抗压强度与气体渗透率的变化情况，见表5。从表中数据可以看出，加入防腐剂DCR 后，水泥石抗压强度及渗透率基本保持稳定。

表5 193℃水泥石腐蚀前后试样抗压强度与气体渗透率的变化

在室内模拟现场工况变化的情况，对水泥浆稠化性能变化进行评价，见表6。

表6 水泥浆稠化性能评价

从表6 可以看出，在温度、密度高于设计指标的条件下，稠化时间略有缩短，而且中停试验和污染试验对稠化时间影响不大，现场工况变化对水泥浆施工作业安全影响较小，水泥浆性能稳定。

现场施工过程中下灰顺利、流动状态好、密度均匀，瞬时最大排量1.7m3/min，最小排量1.1m3/min，替压5～20MPa；整个施工过程中注替平稳，无井漏等复杂情况发生。72h测井，固井质量优质，见图1。

图1 古龙B井固井质量声幅图

4 结论

（1）研制了抗高温性能优良的水泥外加剂DHTF-3、DHTS-1、DHTR400，配伍性较好，保证水泥浆性能稳定，并优选了加重剂四氧化三铁、防窜剂聚合物胶乳DQJ-2L等关键外加剂。

（2）研制了密度为2.00～2.30g/cm3的抗高温高密度防窜水泥浆体系（适用温度150℃～200℃），可保证水泥环长期封隔效果，防止气窜发生，满足庆深气田高温高压井固井施工要求。

（3）该抗高温高密度防窜水泥浆在古龙B 井油层固井中应用，施工正常，72h测井固井质量优质。