一种应用于热采井的韧性水泥的研制与应用

李焕明，卢燕华，王洪芝

(1.山东西格玛检测技术服务有限公司，山东 东营 257000；2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司，山东 东营 257000)

1 引言

随着石油需求量的逐渐增大,开采难度较大的稠油成为提高石油产量的一种重要手段。目前，在我国的稠油开采中，注蒸汽是最常用的一种方法。但热采井通常存在浅层采油低温和注蒸汽高温的环境，注采循环过程中热应力周期变化引起水泥环、套管、地层应力周期性变化，从而导致水泥环开裂和破损，失去层间封隔的作用[1]。因此为了延长油井使用寿命，确保在开采过程中保持良好的层间封隔，需要一种能够具有韧性的水泥环。

制备韧性水泥需要在体系中加入一定量的弹性粒子，但常规的弹性粒子(如天然橡胶、合成橡胶、聚四氟乙烯等)不能承受注蒸汽带来的高温[2]。本文添加了聚醚醚酮作为弹性粒子，它具有耐高温性、对交变应力下的抗疲劳性能突出、耐腐蚀性，具有很高的化学稳定性[3]。通过添加了聚醚醚酮，赋予了水泥很好的弹性，使之能够更好的抵抗外压。

2 实验材料与实验方法

2.1 实验材料

G级水泥，硅粉(D50≈15μm)，聚醚醚酮(PEEK，密度D50≈40μm， 1.32g/cm3)。

2.2 实验仪器

恒速搅拌器，增压养护釜，钢材弹性模量试验机、压力试验机，水泥渗透仪，高温高压稠化仪。

2.3 试验方法

实验配方：G级水泥+硅粉 45%+PEEK 20%+降失水剂0.5%+分散剂0.5%+缓凝剂0.3%(式中百分比均为占水泥的重量比，BWOC)。水泥浆密度1.90g/cm3。

水泥浆按API SPEC.10规定的方法制备。水泥浆和水泥石性能按GB/T 19139-2012规定的性能测试方法进行测试。

3 实验结果与讨论

3.1 水泥浆性能

(1)流变性能

表1 韧性水泥浆流变性能Table1 Rheology Properties of Toughness Cement Slurry

从表1中可以看出，韧性水泥浆具有良好的流变性能。n>0.8，K<0.4 Paosn，塑性粘度和动切力适中，这说明水泥浆浆体稳定，在顶替泥浆过程中易于实现紊流顶替，有利于清除泥浆，提高固井质量。

(2)稠化实验

通过图1可以看出，初始稠度为10Bc。有利于现场混配。稠化曲线平稳，无鼓包、闪凝等现象，过渡时间短。

图1 80℃×35MPa×40min下稠化曲线图Fig.1 Thickening Curve at 80℃×35MPa×40min

(3)其它性能

表2 韧性水泥浆其它性能Table2 Other Properties of Toughness Cement Slurry

表2中可以看出，流动度适宜，现场易于混浆；水泥浆稳定性好，无游离液，候凝过程中不会出现游离水带，这对于水平井固井尤为重要；失水较小，可以满足大多数条件下固井要求。

3.2 水泥石性能

(1)杨氏模量

杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量。杨氏模量越大表明材料的刚性越大，越不易发生弹性形变[4]。稠油热采井中水泥环的杨氏模量不宜过大或过小。杨氏模量过小的水泥无法保护套管受内压的破坏；杨氏模量过大时，水泥弹性不足，受到压力时易发生破碎。图2是韧性水泥在300℃条件下养护不同时间所测量的杨氏模量。

图2 韧性水泥体系在300℃养护后不同时间的杨氏模量值Fig.2 Young's modulus of toughness cement at different time after curing at 300℃

通过图2可以看出，韧性水泥的杨氏模量在2000～4000MPa之间，而常规水泥在7000～10000MPa之间。这是因为加入了聚醚醚酮后，水泥石的杨氏模量降低，其弹性增强。而且即使在300℃条件下养护24周，水泥石的杨氏模量并未发生明显变化，这说明该体系具有良好的热稳定性，能够在承受注蒸汽带来的热冲击。

(2)抗压强度

按照2.1中养护条件养护韧性水泥石，测定其抗压强度，实验结果见图3。

图3 韧性水泥浆体系在300℃养护后在不同时间的抗压强度Fig.3 Compressive strength of toughness cement at different time after curing at 300℃

从图3中可以看出，从养护72h到24周，水泥石的抗压强度未发生明显变化。养护24周后其抗压强度为9.7MPa，满足后续操作如压裂、蒸汽驱等的施工要求。这主要是因为体系中添加了细颗粒的硅粉，能有效防止水泥石强度产生衰退。含有粒度在15微米左右硅粉的水泥体系在高温养护后其主要晶相为短平行结构的硬硅钙石。硬硅钙石可以在350℃以下保持水泥石的稳定性，防止强度衰退，这对延长油井的使用寿命有着至关重要的意义。

(3)渗透率

对于稠油热采井，为了最大限度的使热量传递到产层，需要水泥环具有良好的隔热性能[5]。渗透率是指水泥石抵抗流体通过的能力。较低的渗透率不但能有效地防止油、气、水窜发生，而且使水泥具有良好的隔热性能。

韧性水泥浆通过颗粒级配技术，调整水泥、硅粉、聚醚醚酮加量和粒径，使水泥石具有较低的渗透率。在300℃养护后24周后其渗透率小于0.1mD，能够有效地防止流体窜流并具备良好的隔热性能。

图4 韧性水泥在300℃养护后不同时间的渗透率Fig.4 Permeability of toughness cement at different time after curing at 300℃

4 现场应用

西北油田塔河区块稠油井普遍采用注蒸汽方式进行开采。之前采用普通加砂水泥进行固井，在进行注蒸汽开采半年内基本需要进行挤水泥作业来修补损坏的水泥环。

采用韧性水泥浆体系在塔河区块进行试验井5口，与未采用韧性水泥浆体系相比，其油井寿命大大延长，节约了成本。

表3 韧性水泥现场应用Table3 Field application of toughness cement

表3(续)Table3 Field application of toughness cement

5 结论与认识

(1)韧性水泥浆浆体稳定，无游离液，失水小，稠化曲线平稳，为固井现场安全施工提供了保证。

(2)该体系在300℃条件下养护后24周后其杨氏模量、抗压强度、渗透率均未出现明显变化，说明该体系具有良好的热稳定性，可以有效延长稠油热采井使用寿命。

(3)现场应用表明，该体系能够很好的延长油井寿命，产生较大的经济效益。