胶乳纳米液硅高温防气窜水泥浆体系

高元，桑来玉，杨广国，常连玉，魏浩光

（中国石化石油工程技术研究院，北京100101）



胶乳纳米液硅高温防气窜水泥浆体系

高元，桑来玉，杨广国，常连玉，魏浩光

（中国石化石油工程技术研究院，北京100101）

高元等.胶乳纳米液硅高温防气窜水泥浆体系[J].钻井液与完井液，2016，33（3）：67-72.

摘要针对顺南区块超深高温高压气井固井面临井底温度高、气层活跃难压稳的问题，研究了胶乳纳米液硅高温防气窜水泥体系。通过将纳米液硅防气窜剂与胶乳防气窜剂复配使用，协同增强水泥浆防气窜性能；不同粒径硅粉复配与加量优化，增强水泥石高温稳定性；无机纤维桥联阻裂堵漏，抑制裂缝延展，提高水泥浆防漏性能和水泥石抗冲击性能。该水泥浆体系具有流动性好、API失水量小于50 mL、直角稠化、SPN值小于1，水泥石具有高温强度稳定性好、胶结强度高、抗冲击能力强的特点。密度为1.92 g/cm3的水泥浆体系在190 ℃、21MPa养护30 h后超声波强度逐渐平稳，一界面胶结强度达12.6 MPa；水泥石弹性模量较常规低失水水泥石降低52%，抗冲击强度增加了188%，且受霍普金森杆冲击后仅纵向出现几条未贯穿的裂纹。该高温防气窜水泥浆体系在顺南5-2井和顺南6井成功应用，较好地解决了顺南区块超深气井固井难题。

关键词胶乳； 纳米液硅； 耐高温； 防气窜； 固井

顺南区块位于塔里木盆地塔中沙漠腹地。2013年西北分公司在顺南区块顺南4井和顺南5井取得勘探重大突破，分别在奥陶系一间房组、鹰山组、蓬莱坝组钻遇油气显示且获得工业油气流。该区块奥陶系储层埋藏深，储集类型以裂缝-孔洞型为主，固井面临高温、高压、易漏等难题，固井后对水泥环完整性和长期密封性能要求高。

1　主要固井难题

1）储层埋藏深、 温度高。顺南区块奥陶系灰岩储层埋深约7 000 m，受热岩改造作用影响，进入一间房组地层温度突变，井底静止温度在180 ℃左右，其中顺南501井四开井深6 890 m处测井温度为183 ℃。井底温度高，对水泥浆抗高温性能和水泥石强度高温稳定性提出了更高的要求。

2）高压缝洞型储层，气窜风险大，压稳与防漏困难。该区块为裂缝-孔洞型储层，部分裂缝贯穿气层，压力窗口窄，压稳与防漏矛盾突出，通常发生漏失与气侵并存现象。其中，顺南6井钻井液密度为1.92 g/cm3时，进出口密度差接近0.2 g/cm3，达不到安全下套管和固井要求，循环排气超过1个月，但后效仍然严重。

2　胶乳纳米液硅高温防气窜水泥浆

2.1水泥浆体系设计

针对顺南区块超深高温高压气井面临的固井难题，从增强防气窜性能、水泥石高温强度稳定性和抗冲击性方面进行研究[1-2]。

1）胶乳与纳米硅乳液防气窜剂复配，协同增强防气窜性能。纳米液硅为一种新型防气窜剂，是由球型纳米二氧化硅颗粒经特殊处理形成的水性乳液。实验采用SCLS纳米液硅，其固相含量为45%，球形度高，二氧化硅平均粒径为160 nm左右，比表面积高达23 m2/g，粒径分布曲线如图1所示。

纳米液硅乳液中所含的二氧化硅颗粒呈无定形态，表面含有大量硅羟基，可与水泥水化产物CH反应生成CSH凝胶，因具有较高活性，能迅速提高水泥浆胶凝强度，增加气窜阻力；同时，纳米二氧化硅颗粒可充填于水泥颗粒空隙，增强水泥石密实性，降低水泥石渗透率。室内评价了纳米液硅加量对常规低滤失水泥石渗透率的影响，见图2。由图2可知，随着纳米液硅加量的增加，常规低滤失水泥石的渗透率逐渐降低，加量为15%时水泥石渗透率降幅可达65%，增强了水泥石防气窜性能。

图2 SCLS纳米液硅加量对水泥石渗透率影响

在优选纳米液硅防气窜剂的同时，复配使用耐温达200 ℃的DC200型胶乳防气窜剂，依靠柔性胶乳粒子颗粒填充与聚结成膜作用防止气窜，与纳米二氧化硅颗粒协同增强水泥浆和固化水泥石的防气窜性能，且胶乳防气窜剂和纳米液硅防气窜剂中含有的表面活性剂可改善界面胶结质量[3-5]。

2）复配SiO2颗粒，增强水泥石高温稳定性。纳米液硅中活性二氧化硅颗粒可参与水泥水化反应，增强水泥石强度，提高水泥石高温稳定性。表1显示了不同纳米液硅加量对常规低滤失水泥石强度的增强效果。针对井底190 ℃下水泥石高温强度衰退问题，通过不同SiO2粒径组合，在井底高温下，大粒径SiO2颗粒可与水泥水化产物CH反应，降低液相Ca2+浓度，打破C2SH2或C2SH（A）、C2SH（C）高钙水化硅酸盐的水化平衡，使其继续水化生成以高温强度较高的纤维状CSH（B）为主的低钙硅酸盐；微小粒径SiO2颗粒可与C2SH反应，生成高温强度较高的雪钙硅石（C5S6H5）和硬硅钙石（C6S6H），从而提高了水泥石高温强度和热稳定性，减少了水泥石高温强度衰退[6-9]。实验结果显示，在硅粉总加量为50%～70%时，粒径为0.180～0.280 mm（60～80目）和0.090～0.098 mm（160～180目）粗细粒径硅粉与纳米液硅搭配形成SiO2的多级粒径组合，可有效改善水泥石高温强度，提高水泥石高温稳定性，结果如表2所示。由表1可知，纳米液硅加入后可增强常规低失水水泥石强度，长期强度增加尤为明显，增幅达86%。由表2可知，当粗∶细∶超细硅粉质量比为30∶60∶10时，水泥石高温强度发展稳定性最好，水泥石高温强度由0.5 d时的31.5 MPa降低至3 d时的26.0 MPa，后恢复至7 d时的28.2 MPa，至14 d时强度达到39.2 MPa，表现出良好的高温强度稳定性，无剧烈强度衰退与恢复。

表1　纳米液硅水泥石抗压强度发展

表2　硅粉粒径组合对水泥石高温强度的影响

3）胶乳和无机纤维复合降脆增韧，提高水泥石抗冲击性能。短切耐高温无机纤维（3 mm）可干混，表面含有亲水基团，使其易分散，在水泥石中形成网状结构，且较高的弹性模量可抑制水泥石裂纹的生成与延展，提高水泥石抗冲击性能[10-13]。在水泥水化过程中，胶乳颗粒的空间阻碍作用和电荷吸附作用影响和改变了CH晶体生成与发育；同时胶乳粒子还参与CSH凝胶网的形成，混存于CSH凝胶相之中形成有机统一整体，从而降低水泥石脆性。室内评价了无机纤维加量对水泥石抗拉强度的影响，在80 ℃、0.1MPa下无机纤维加量为0、1%、2%、3%时，水泥石48 h抗拉强度分别为2.1、3.8、4.3、4.4 MPa。由此可知，无机纤维显著增强水泥石抗拉强度，加量为2%时，水泥石抗压强度增加1倍以上，但加量大于2%后，水泥石抗拉强度增加不明显，因此优选无机纤维加量为2%。

4）耐高温无机纤维搭桥成网，降低漏失。纤维作为常用的堵漏材料，广泛应用于堵漏水泥浆中。但普通有机纤维在180 ℃高温老化后，发生碳化发黑现象，其力学性能明显降低，堵漏效果明显下降。所选无机纤维经高温烧制而成，具有耐高温、耐酸碱、高弹性模量特性，保证了其在井底高温下仍具有足够力学强度，搭桥成网并降低水泥浆漏失[14-15]。

2.2水泥浆常规性能评价

室内优选出不同密度的胶乳纳米液硅高温防气窜水泥浆体系，其常规性能如表3所示。胶乳纳米液硅高温防气窜水泥体系流变性能良好，155 ℃下API失水量小于50 mL，直角稠化，SPN值小于1，沉降稳定性好。水泥浆配方如下。

1#AG+40%复合硅粉+1.0%无机纤维SFP-2+2.0%降失水剂DZJ-Y+0.5%分散剂SCD+ 10%胶乳DC200+1%胶乳稳定剂SD-1+8%纳米液硅SCLS+2.8%高温缓凝剂SCR-3+1.2%消泡剂DZX，水灰比为0.44

2#AG+55%复合硅粉+3%微硅+40%铁矿粉+1.5%SFP-2+1.8%DZJ-Y+0.5%SCD+10% DC200+1.2%SD-1+6%SCLS+4.2%SCR-3+1.2% DZX，水灰比为0.65

3#AG+55%复合硅粉+3%微硅+57%铁矿粉+1.0%SFP-2+1.8%DZJ-Y +0.7%SCD+10% DC200+1.2%SD-1+6%SCLS+2.5%SCR-3+1.2% DZX，水灰比为0.68

表3　胶乳纳米液硅高温防气窜水泥浆体系常规性能

2.3水泥浆直角稠化与快速胶凝特性

利用chandler 8040和5265U测量1#配方的稠化与静胶凝强度发展情况，结果见图3和图4。由图3可知，胶乳液硅水泥浆体系初始稠度低，稠化过渡时间小于2 min，稠化后期水泥水化突然加剧，呈直角稠化，有利于防止气窜。

图3　150 ℃1#配方水泥浆体系稠化曲线

图4　190 ℃1#配方水泥浆体系静胶凝强度发展曲线

图5　190 ℃1#配方水泥石超声波强度发展曲线

图6　190 ℃常规胶乳水泥石超声波强度发展曲线

由图4可以看出，体系静胶凝强度发展快，190 ℃下静胶凝强度过渡时间为15 min，有利于阻止气体窜流[16]。

2.4水泥石强度高温稳定性

利用超声波仪器对1#配方水泥浆进行190 ℃下高温高压养护，观察水泥石高温下强度变化（见图5）；室内对比了加有35%硅粉（0.125 mm）的常规胶乳水泥浆体系190 ℃下强度发展情况（见图6）。由图5可知，190 ℃下胶乳纳米液硅水泥石抗压强度经过2次发展后虽有所降低，但30 h后强度曲线趋于平稳且有所上升，根据脱模时水泥石从静胶凝釜体脱落的压力，折算一界面胶结强度达12.6 MPa。图6显示，加有35%硅粉（粒径为0.125 mm）的常规胶乳水泥石190 ℃下出现明显高温强度衰退现象，虽然后期强度缓慢回升，但前期大幅度的强度衰退已经对水泥石内部结构和环空胶结质量造成不可逆的损坏，降低了水泥环整体密封性能。相比而言，经过SiO2颗粒复配和加量优化的胶乳纳米液硅水泥石显示出良好的高温稳定性和胶结强度，可保证井底高温水泥环的良好胶结。

2.5水泥石弹性与抗冲击性

利用TONI压力机和霍普金森冲击杆对高温胶乳液硅水泥石的弹性和抗冲击性进行评价，结果如表4所示。从表4可知，无机纤维增韧胶乳液硅水泥石弹性模量较常规水泥石降低52.6%，显示出较好的弹性变形；霍普金森冲击实验显示，其冲击强度提高188%，观察水泥石受冲击后的情况，水泥石仅在纵向出现几条未贯穿裂纹，冲击后试样依然完整，显示出高抗冲击性，可减少后期作业时应力变化造成的水泥环破环，保持水泥环整体完整性。

表4　无机纤维增韧胶乳液硅水泥石弹性模量与冲击强度

3　现场应用

高温胶乳纳米液硅防气窜水泥浆体系作为一种新型防气窜水泥浆体系，在西北油田分公司顺南区块超深气井顺南5-2和顺南6井进行了应用，效果良好。下面以顺南5-2井为例介绍其现场应用情况。该井是顺南区块评价井，井深为7 414 m，四开采用φ215.9 mm钻头钻至井深6 920 m中途完钻，下入φ177.8 mm生产尾管至井深6 918.43 m，悬挂器位置为5 721.78 m。钻井液为钾胺基聚磺钻井液，密度为1.70 g/cm3，黏度为52 s，塑性黏度为24 mPa··s，动切力为6.0 Pa，泥饼厚度为0.4 mm，Cl-离子含量为13 000 mg/L，Ca2+离子含量为300 mg/L，井底实测温度为178 ℃。在四开地层6 334～6 586 m井段钻遇油气显示层位6个，钻井及中途完钻期间最高油气上窜速度为32.95 m/h，全烃值最高为78.50%；固井前循环排后效点火火焰为橘黄色，高度为2 m，点火时间为30 min，油气上窜速度为8.71m/h，上窜高度为473.31m，最大全烃值为62.19%。

该井使用胶乳纳米液硅高温防气窜弹韧性水泥浆双凝体系，短候凝尾浆快速形成强度，阻止气体上窜，水泥浆性能如表5所示。现场入井液依次为20 m3密度为1.75 g/cm3隔离液，4 m3密度为1.89 g/cm3过渡浆，12 m3密度为1.91g/cm3领浆，13 m3密度为1.91g/cm3尾浆，2 m3密度为1.04 g/cm3压塞液，75.3 m3替浆，替浆到量后压力由4 MPa上升到9.5 MPa碰压，放回水正常，起钻1柱反循环10 h，循环排量为1.0 m3/min，压力为9 MPa；再上提3柱，憋压6 MPa，关井候凝24 h，总共候凝48 h。

表5　顺南5-2井φ177.8 mm尾管固井水泥浆体系性能

注：领浆、尾浆均为1#配方；稠化实验条件为145 ℃× 110 MPa×80 min。

候凝结束后下钻探上水泥塞面位置5 690 m，塞长37.98 m；探得下水泥塞面位置6 630 m，塞长288.43 m；喇叭口试压30 MPa合格；5 721～6 290 m声幅值不大于20%，6 750～6 920 m声幅值不大于15%。

4　结论

1.胶乳纳米液硅高温防气窜水泥浆体系的API失水量小于50 mL，呈直角稠化，SPN值小于1，防气窜效果好；水泥石190 ℃超声波强度发展曲线平稳，高温力学性能好，一界面胶结强度为12.6 MPa，水泥石弹性模量较常规低滤失水泥石低52.9%，抗冲击强度提高188.2%，抗冲击性能好。

2.胶乳纳米液硅高温防气窜水泥浆体系在顺南5-2井和顺南6井进行了应用，有效地封固了气层，达到了固井目的，较好地解决了顺南区块超深气井固井技术难题。

3.针对顺南区块超深高温高压气井固井技术需求，还需加强水泥石长期高温稳定性、水泥环长久密封性及配套固井工艺研究。

参考文献

[1]朱海金，屈建省，刘爱萍，等.水泥浆防气窜性能评价新方法[J].天然气工业，2010，30（8）：55-58. ZHU Haijin，QU Jiansheng，LIU Aiping，et al. A new method to evaluate gas migration prevention performance of cement slurries[J]. Natural Gas Industry，2010，30 （8）：55-58.

[2]许加星，邹建龙，朱海金，等.胶乳水泥浆的防气窜性能评价及应用[J].钻井液与完井液，2011，28（增刊）：20-22. XU Jiaxing，ZOU Jianlong，ZHU Haijin，et al. Antimigration evaluation and application of latex cement slurry[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2011，28 （S0）：20-22.

[3]李铁成，周仕明.普光气田整体固井工艺技术[J].石油钻探技术，2011，39（1）：78-82. LI Tiecheng，ZHOU Shiming. Overall cementing technology for Puguang Gas Field[J]. Petroleum Drilling Techniques，2011，39（1）：78-82.

[4]SUN Fuquan，LYU Guanming，JIN Jianzhou. Application and research of latex tenacity cement slurry system[J]. SPE 104434，2006.

[5]牛新明，张克坚，丁士东，等.川东北地区高压防气窜固井技术[J].石油钻探技术，2008，36（3）：10-15. NIU Xinming，ZHANG Kejian，DING Shidong，et al. Gas migration prevention cementing technologies in northeast sichuan area[J]. Petroleum Drilling Techniques，2008，36（3）：10-15.

[6]符军放，张浩，项先忠，等.硅溶胶在固井水泥浆中的应用性能研究[J].西安石油大学学报（自然科学版），2013，28（3）：78-82. FU Junfang，ZHANG Hao，XIANG Xianzhong，et al. Study on the performance of colloidal silica for cementing slurry[J]. Journal of Xi’an Shiyou University（ Natural Science Edition），2013，28（3）：78-82.

[7]SARAH ANNE GIBSON. Novel solution to cement strength retrogression[J]. SPE 138852，2011.

[8]张颖，陈大钧，罗杨，等.硅砂对稠油热采井水泥石强度影响的室内试验[J].石油钻采工艺，2010，32（5）： 44-47. ZHANG Ying，CHEN Dajun，LUO Yang，et al. Laboratory study on grain size of silica in strength recession of heavy oil thermal recovery cement[J]. Oil Drilling & Production Technology，2010，32（5） ：44-47.

[9]PHILIPPE REVIL，GUNNAR LENDE，HARALD JUSTNES. Successful use of a liquid strengthretrogression prevention additive[C]//Offshore Mediterranean Conference and Exhibition. Ravenna，Italy，2007.

[10]郭进忠，罗霄，华苏东，等.抗冲击防窜水泥浆体系性能研究[J].钻井液与完井液，2010，27（4）：59-65. GUO Jinzhong，LUO Xiao，HUA Sudong，et al. Study on tough and anti-channeling cement slurry[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2010，27（4）：59-61.

[11]司秀勇，潘慧敏.纤维对混凝土早期抗裂性能的影响[J].硅酸盐通报，2011，30（6）：1425-1429. SI Xiuyong，PAN Huimin. Influences of fiber on early crack resistance of concrete[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2011，30（6）： 1425-1429.

[12]李早元，郭小阳，罗发强，等.油井水泥环降脆增韧作用机理研究[J].石油学报，2008，29（3）：438-441. LI Zaoyuan，GUO Xiaoyang，LUO Faqiang，et al. Research on mechanism of increasing flexibility and decreasing brittleness of cement sheath in oil well[J]. Acta Petrolei Sinica，2008，29（3）：438-441.

[13]张峰，季凯，吕磊，等.油井水泥增韧剂的实验研究[J].四川建筑科学研究，2012，38（5）：166-168. ZHANG Feng，JI Kai，LYU Lei，et al. The research on reinforced agent for oilwell cement[J]. Sichuan Building Science，2012，38（5）： 166-168.

[14]李胜，田璐，薛玉志，等.北部湾盆地徐闻X3井抗高温承压堵漏技术[J].天然气工业，2011，31（10）：73-77. LI Sheng，TIAN Lu，XUE Yuzhi，et al. Hole plugging technology with high-temperature resistance and well bore strengthening capacity applied in the Xu-wen 3 well[J]. Natural Gas Industry，2011，31（10）：73-77.

[15]张成金，冷永红，李美平，等.聚丙烯纤维水泥浆体系防漏增韧性能研究与应用[J].天然气工业，2008，28（1）：91-93. ZHANG Chengjin，LENG Yonghong，LI Meiping，et al. Property studies and application of leak protection and flexibility of mekralon mud[J]. Natural Gas Industry，2008，28（1）：91-93.

[16]朱礼平，廖忠会，刁素，等.川西水平井水泥浆防气窜评价方法[J].石油钻采工艺，2012，34（1）：60-62. ZHU Liping，LIAO Zhonghui，DIAO Su，et al. Evaluation method for gas channeling control of cement slurry on horizontal wells in West Sichuan area[J]. Oil Drilling & Production Technology，2012，34（1）：60-62.

Cement Slurry Treated with Latex Nano Liquid Silica Anti-gas-migration Agent

GAO Yuan, SANG Laiyu, YANG Guangguo, CHANG Lianyu, WEI Haoguang
(Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101)

AbstractCement slurry treated with latex nano liquid silica anti-gas-migration agent has been studied for the possibility of using it in Shunnan area, where ultra-deep wells have penetrated high temperature high pressure formations. The nano liquid silica anti-gasmigration agent and latex anti-gas-migration agent are both used to synergistically enhance the anti-gas-migration performance of the cement slurry. By optimizing the particle sizes and concentrations of the silica powder, the high temperature stability of the set cement can be improved. Inorganic fbers are added into the cement slurry to stop the development of fractures，thus controlling the losses of cement slurry and improving the shock resistance of the set cement. This cement slurry has good mobility，API flter loss less than 50 mL, right-angle thickening curve, and SPN less than 1. The set cement has good high temperature stability, high bond strength, and high shock resistance. Cement slurry with density of 1.92 g/cm3, after aging at 190 ℃ and 21MPa for 30 h, has strength (measured with ultrasonic wave method) gradually stabilized, and interface (between casing string and cement sheath) bond strength of 12.6 MPa. Compared with conventional cement slurry, the elastic modulus of the set cement has been reduced by 52%, and the shock resistance increased by 188%. Striking the set cement with Hopkinson bar has only left several pieces of fractures that do not penetrate the set cement. This cement slurry has been successfully used in the cementing of the well Shunnan5-2 and well Shunnan6, overcoming the diffculties encountered in ultra-deep gas well cementing.

Key wordsLatex; Nano liquid silica; High temperature resistant; Anti-gas migration; Well cementing

中图分类号：TE256.6

文献标识码：A

文章编号：1001-5620（2016）03-0067-06

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.014

基金项目：国家科技重大专项课题“大型油气田及煤层气开发”（2011ZX05049-02）。

第一作者简介：高元，工程师，硕士，1986年生，毕业于中国石油大学（华东）油气田开发工程专业，现在从事固井水泥浆体系与固井工艺方面的研究工作。电话（010）84988358；E-mail：gy2431@126.com。

收稿日期（2016-1-19；HGF=1603M4；编辑马倩芸）