韩婧
中国石化华北石油工程有限公司技术服务分公司（河南 郑州 450006）
中国陆上稠油资源占原油总量的21%，海域稠 油资源占探明总量的65%，国内稠油热采井油层埋藏深度为几百米至上千米不等，油层温度为20~70℃，多数地层岩石胶结松散、地层温度不高、压力较低，这就要求固井水泥浆在低温下凝结时间短，早期强度发展快（24 h抗压强度≥14 MPa），有效防止水窜、气窜等问题[1-2]；
同时，稠油开采主要以热力采油为主，热力采油时蒸汽温度通常高达300~350℃，要求固井水泥浆具备抵抗温度交变的能力，在高温条件下抗压强度衰退≤20%，保证固井水泥环长效完整性[3-4]。春光油田属于超稠油油藏，热力采油时蒸汽温度高达350℃，水泥环需承受注蒸汽过程的高温（300~350℃）和回采阶段的低温（40~50℃）温度交变。目前，该区块稠油热采井采用石英砂水泥浆体系，经2~3个轮次热采周期后，有部分井存在管外窜流、套漏等情况发生，大大缩短了稠油热采井的生产寿命，降低开采效率。
通过分析硅酸盐水泥浆体系高温衰退机理及水泥石高温增强作用机理，优选超高温强度稳定剂HSRK，设计出一种低温综合性能良好、高温强度不衰退的G级油井水泥浆体系，解决了常规石英砂水泥浆体系高温强度衰退的难题，支撑了稠油热采井长期、安全开发。
1.1 实验材料
采用油井G级水泥，石英砂，高温强度稳定剂HSRK，分散剂USZ，降失水剂G33S，早强剂HBQ-2。
1.2 实验方法
1.2.1 样品准备及基础性能测试
根据GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》标准配制水泥浆，并测试其流动度、失水、稠化时间、低温抗压强度性能，水泥石低温养护条件为60℃养护24~48 h。
1.2.2 高温力学性能及渗透率测试
根据SY/T 6466—2016《油井水泥石性能试验方法》评价水泥石高温养护后的力学性能；
采用60℃养护48 h后的水泥石置于高温高压养护釜中进行高温养护，养护温度分别为180、250、300℃，养护压力21 MPa，保温7 d；
达到养护龄期后，进行三轴力学性能及渗透率、孔隙度测试。
1.2.3 微观结构分析
利用扫描电镜观察不同配方水泥浆经过相同养护龄期下的水泥石水化产物的微观结构。
2.1 石英砂水泥浆高温强度衰退机理分析
2.1.1 石英砂水泥浆高温强度性能变化
通过测试石英砂不同加量条件下水泥浆体系在低温、高温养护后的抗压强度及渗透率变化，探索石英砂水泥浆高温强度性能变化规律，具体数据见表1。
表1 G级油井水泥加石英砂水泥浆体系高温性能变化
由表1实验数据可知，石英砂水泥浆体系在180℃养护7 d后，抗压强度明显衰退，渗透率显著增大；
经过250℃养护7 d后，抗压强度衰退更加显著，且渗透率进一步增大。石英砂水泥浆体系的抗温能力难以满足稠油热采井的开采需求。
2.1.2 石英砂水泥浆高温强度衰退机理
加砂水泥浆体系主要是通过改善硅钙比。水泥水化产物氢氧化钙、水化硅酸钙等与石英砂反应后含量极大降低，提高水泥石结构稳定性；
细纤维状雪硅钙石相互穿插形成致密的网架结构，提高水泥石致密性及抗压强度；
部分雪硅钙石转变为硬硅钙石，晶体变粗，网架结构不稳定，从而导致加砂水泥石在一定程度上也会出现强度衰退[5-6]。加入石英砂可以获得高温下改善水泥石强度的水化产物C5S6H5，但C5S6H5的最高稳定温度约为150℃，超过此温度将转变为C6S6H，所形成的网架结构粗大，力学强度下降，比形成针状网络结构的C5S6H5水泥石强度低，养护温度超过200℃水泥石抗压强度衰退明显。
2.1.3 油井水泥石高温增强机理
净浆水泥石高温强度衰退是由于单硫型水化硫铝酸钙（板状或片状）高温转变为钙矾石时，因结构水增加、体积膨胀，导致水泥石结构破坏而强度下降；
其次水化产物中的Ca(OH)2是层状结构，其层间较弱的联结，可能引起水泥石受力的应力集中，导致高温水泥石开裂[7]。加入石英砂后，在温度高于200℃后，强度仍然衰退显著。
基于净浆水泥石及加砂水泥石高温强度衰退机理，通过优选超高温强度稳定剂HSRK，调节硅钙比，降低Ca(OH)2、水化硅酸钙的含量，提高高温下水泥石骨架结构的稳定性。
2.2 抗高温长效水泥浆体系
2.2.1 高温强度稳定剂HSRK对水泥石高温强度的影响
以高温强度稳定剂HSRK作为抗高温长效水泥浆的外掺料，与G级油井水泥按一定比例制备常规密度水泥浆体系配方，基础配方如下：天山G级水泥+（40~80）%HSRK+46%水。密度为1.80~1.85 g/cm3。以春光油田稠油热采井井底静止温度60℃为低温养护条件，以蒸汽吞吐温度300℃为超高温养护条件。
1）水泥石低温力学性能。采用上述水泥浆配方，分别测试高温强度稳定剂HSRK不同加量条件下对水泥石低温力学性能、高温力学性能的影响，结果见表2。
表2 HSRK不同加量对水泥石力学性能的影响
综合表2的实验数据，随着高温强度稳定剂HSRK的加量增大，水泥石低温抗压强度和高温抗压强度略有增大，同时高温养护后水泥石的弹性模量相应变大，但3种加量下水泥石弹性模量均相对较小；
随着HSRK加量增加，水泥石的渗透率和孔隙度呈现变小的趋势。综合考虑，优选HSRK加量为G级油井水泥的80%。
2）水泥石微观结构对比。分别对40%石英砂掺量的石英砂水泥石与80%HSRK掺量的抗高温水泥石进行微观结构对比，养护条件为60℃养护3 d，再300℃×21 MPa养护7 d，SEM分析如图1所示。
图1 水泥石的SEM图
由两者的SEM图可见，经过300℃高温养护后，石英砂水泥石内部结构呈现粉化现象。由此可见，石英砂水泥石在超高温条件下，水泥石中C-S-H水化产物变得粗大且结构疏松，其形态由链状最终转变为颗粒状，破坏了水泥石的结构完整性，从而降低其抗压强度。由高温强度稳定剂HSRK制备的抗高温水泥石的内部结构致密，说明该高温强度稳定剂在高温条件下发生相关反应，降低水泥石中Ca(OH)2、水化硅酸钙的含量，生成结构与性能稳定的结构体，保证水泥石高温条件下的抗压强度。
2.2.2 抗高温长效水泥浆体系综合性能
结合稠油热采井固井施工需求，对抗高温长效水泥浆基础配方“天山G级水泥+80%HSRK+46%水”开展综合性能优化。
1）常规综合性能。通过优选油井水泥外加剂，优化调整水泥浆体系的失水性能、流变性能、早期强度发展、稠化时间等性能指标，形成水泥浆配方：100%天山G级水泥+80%HSRK+1.5%G33S+1%USZ+1.5%HBQ-2+46%水，实验条件为60℃×20 MPa，其常规综合性能见表3。
表3 抗高温长效水泥浆常规综合性能
2）水泥石高温长期强度变化。采用抗高温长效水泥浆体系配方进行不同温度不同时间的高温增压养护，评价其高温条件下长期抗压强度变化，强度数据见表4。
由表4可知，通过在水泥浆体系中掺入适量的高温强度稳定剂HSRK，水泥石在低温条件下具有较好的早期强度，在温度180℃时的强度较低温条件下的强度有所降低，当温度高于180℃后，水泥石强度逐渐变大；
同时，在同一个温度条件下，随着养护龄期的增长，水泥石的抗压强度未出现明显衰退现象；
该水泥浆体系可较好地适应稠油热采井高温蒸汽吞吐开采过程，且长期高温条件下强度未衰退，有效保障水泥环的长期密封性。
表4 不同温度条件下长期抗压强度数据
3）不同温度条件下水泥石力学性能变化。采用抗高温长效水泥浆体系配方分别以井底静止温度60℃及蒸汽吞吐温度300℃进行水泥石力学性能评价，分析其经高温条件养护后，水泥石力学性能变化，实验数据见表5。该水泥石经过300℃高温养护7 d后，抗压强度未见衰退，渗透率及孔隙度略有增大，但相比常规石英砂水泥浆体系，渗透率和孔隙度增加幅度较小。
表5 不同温度条件下水泥石性能变化
由图2水泥石应力-应变曲线可见，水泥石有明显的弹性变形，水泥石弹性模量3.77 GPa，能有效抑制交变内应力、交变温度造成的界面环隙。
图2 抗高温长效水泥石300℃×7 d后应力-应变曲线
抗高温长效固井水泥浆体系在春光油田春10Ⅱ2-*-7HJ稠油热采井Φ177.8 mm生产套管固井中进行现场应用。该井是一口蒸汽驱开发井，井深1 262 m，尾浆封固段为900~1 170 m，井底循环温度55℃。
3.1 水泥浆性能情况
该井领浆采用石英砂水泥浆体系，尾浆采用抗高温长效固井水泥浆体系，水泥浆配方为100%天山G级水泥+80%HSRK+1.5%G33S+1%USZ+1.5%HBQ-2+46%水。实验温度55℃，水泥浆密度1.80 g/cm3，流动度212 mm，失水32 mL，沉降稳定性0.01 g/cm3，游离液0 mL，稠化时间（40~70 Bc）120~138 min，抗压强度（60℃×48 h）22.7 MPa。
3.2 施工过程及生产效果
1）注水泥浆和替浆碰压过程。水泥车注冲洗液12.0 m3；
注导浆5.0 m3，最高密度1.53 g/cm3，最低密度1.48 g/cm3，平均密度1.50 g/cm3；
注领浆33.6 m3，最高密度1.58 g/cm3，最低密度1.52 g/cm3，平均密度1.55 g/cm3；
注尾浆8.2 m3，最高密度1.82 g/cm3，最低密度1.79 g/cm3，平均密度1.80 g/cm3；
水泥车用清水压胶塞2.0 m3后,采用泥浆泵顶替泥浆19.0 m3，水泥车小排量顶替清水2.4 m3，碰压至23.0 MPa，稳压10 min，观察压力稳定情况；
碰压完后放回压，放回压至8.0 MPa。
2）固井质量及生产效果。春10Ⅱ2-*-7HJ井施工过程中水泥浆流动性良好，施工顺利。固井测井质量表明：一、二界面合格率100%，固井质量满足后续开发需求。该井经7个周期的注汽生产，累计生产263 d，总产油量1 006 t，生产状况良好，未出现管外窜等异常情况。
1）稠油热采井常用石英砂水泥浆体系经180℃以上的高温条件养护后水泥石抗压强度显著衰退，渗透率明显增大，表明，石英砂水泥浆体系适用的温度上限，对揭示春光油田稠油热采井管外窜现象提供指导。
2）通过优选高温强度稳定剂HSRK，改善了硅酸盐水泥石高温强度衰退问题，保证了低温条件下水泥石早期强度，提高了水泥石高温养护后的抗压强度。
3）设计出的抗高温长效水泥浆体系失水量小，稠化时间可调，水泥石早期强度发展快，经300℃高温蒸汽养护7~28 d，抗压强度未见明显衰退，且水泥石渗透率、孔隙度增幅较小。经现场应用，满足稠油热采井多轮次蒸汽开采的应用需求，为稠油热采井固井水泥环长效密封提供技术支撑。
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