干热岩超高温防衰退水泥浆体系及应用.pdf

DOI:10.12358/j.issn.1001-5620.2024.01.010干热岩超高温防衰退水泥浆体系及应用肖京男，李小江，周仕明，魏浩光，杨红歧（中石化石油工程技术研究院有限公司,北京102200）肖京男，李小江，周仕明，等.干热岩超高温防衰退水泥浆体系及应用 J.钻井液与完井液，2024，41（1）：92-97.XIAOJingnan,LIXiaojiang,ZHOUShiming,etal.Ultra-hightemperatureresistantcementslurryanditsapplicationinhotdryrockJ.Drilling Fluid&Completion Fluid，2024,41（1）：92-97.摘要干热岩长期高温导致水泥石强度衰退，易造成套管挤毁或窜流，严重影响钻井的安全。针对 200 以上常规加砂水泥石强度衰退难题，基于硅铝键结合增强效应，通过优化水泥物相组成，开发了超高温增强材料 SCKL，可以满足210300 下固井要求，不仅抑制了水泥石强度衰退，且促进了水泥石强度长期发育，300、48h 的抗压强度为 18.2MPa，30d 抗压强度高达 23.2MPa，探索了超高温增强材料对水泥石微观结构的影响，揭示了超高温水泥石微观作用机制。研选了温度广谱型缓凝剂，开发了大温差防衰退水泥浆体系，可以满足干热岩 100 温差下安全固井需求，并在青海共和盆地成功应用 5 口井，固井质量均为优质，为干热岩井筒水泥环密封完整性提供了安全保障。关键词干热岩；固井；强度衰退；超高温中图分类号：TE256文献标识码：A文章编号：1001-5620（2024）01-0092-06Ultra-highTemperatureResistantCementSlurryandItsApplicationinHotDryRockXIAOJingnan,LIXiaojiang,ZHOUShiming,WEIHaoguang,YANGHongqi(Sinopec Science Technical Research Center,Beijing 102200)AbstractItiseasytocausethestrengthretrogressionofcementsheath,especiallyatthelong-termhightemperatureconditionofdryhotrock.Atpresent,themethodofaddingsandtostrengthencementiswidelyusedinhightemperaturecementingoperations.However,thestrengthretrogressionofcementstillexistswhenthetemperatureisabove200,resultingincasingcollapseandannularflow,whichseriouslyaffectsthewellboresafety.Tosolvetheproblemofcementstrengthretrogressionattheultra-hightemperature,anewhigh-temperaturestabilizer(SCKL)wasdevelopedbyoptimizingthephasecompositionofcementbasedontheenhancedeffectofsilicaaluminumbonding.TheeffectofSCKLontheinhibitionofsetcementstrengthretrogressionathightemperatureswasevaluated.Theresultsshowedthatthecompressivestrengthofsetcementwas18.2MPaat48-houragefor300curingtemperature.Andthestrengthreached23.2MPaafter30days,whichinhibitedthestrengthretrogressionofcementunderlong-termhightemperatureconditions.TheinfluenceoftemperatureonthemicrostructureandhydratesofsetcementwasrevealedbasedontheXRDandSEMtests.Finally,anewdurableheat-resistantcementsystemwasdeveloped.ThecementslurryhadverygoodsettlementstabilityandcouldmeettherequirementofsafecementinginDHRwellsatatemperaturedifferenceof100.Thedurableheat-resistantcementsystemhasbeensuccessfullyappliedinfivewellsinGongheBasin,QinghaiProvince.Thecementingqualitiesareverygood,whichprovidesaguaranteefortheintegrityofcementsheathsealingindryhotrock.KeywordsHotdryrock;Cementslurry;Strengthretrogression;Hightemperature中国干热岩资源集中埋深于 35007500m 之间，岩层温度可达 150250，蕴含热能约为6.31024J，可采热能约 1.261023J，开发前景巨大1。青海盆地干热岩固井面临井底静止温度高基金项目：国家自然科学基金“干热岩地热资源开采机理与方法”(52192624）。第一作者简介：肖京男，博士，副研究员。主要研究方向为复杂油气井特殊固井新材料与新工艺。E-mail：。第41卷第1期钻井液与完井液Vol.41No.12024年1月DRILLINGFLUID&COMPLETIONFLUIDJan.2024（大于 150）、封固段温差大（大于 60）、生产期间井筒温压波动等复杂工况2，造成水泥石底部强度衰退等固井难题。目前，主要通过向水泥中增加硅粉含量（35%80%）310，来抑制水泥石高温强度衰退。研究表明，在临界温度（110120）下，水化硅酸钙凝胶（CSH）易发生晶格转变，水化硅酸二钙（-C2SH）形成孔隙度较大、易强度衰退。通过降低钙硅比，可以使水化产物在高温下生成热稳定性更强的硬硅钙石（C6S6H）及雪硅钙石（C5S6H），避免水泥石强度衰退。但当温度超过 160，仅靠提高 SiO2含量，已无法消除水化硅酸二钙晶格迅速脱水与转变，且温度越高，水泥石强度衰退越明显。近年来，个别学者对 200 以上防衰退材料进行了研究11，主要是纳米尺寸含铝材料和纳米管，适用温度为 240，更高温度下水泥石防衰退材料及应用有待进一步探索。针对 200300 范围内干热岩层高温水泥石强度衰退难题，通过优选聚合物原材料，在高温热碱作用下，不仅可以抑制水泥石高温强度衰退，而且能够促进水泥石长期强度发育。开发了耐高温防衰退水泥浆体系，成功在青海共和盆地干热岩 GH-01 等 5 口井固井固井中应用，为后期干热岩长效安全开发提供水泥浆体系保障。1超高温增强材料开发与效果评价1.1超高温增强材料设计与作用机理地质聚合物增强作用机理为通过硅铝键结合作用，在碱性高温水热环境中，添加地聚合物材料，原料在碱溶作用下，SiO，AlO 结构打开，生成 Al（OH）4，OSi（OH）3，OSi（OH）2O，OSi（OH）2O等阴离子基团，见图 1。在水泥石中氢氧化钙的碱作用下，缩合成 SiOAl 三维网状结构体，从而改变高温水泥水化产物，促进水化产物二次发育，降低氢氧化钙含量，以抑制硅酸盐水泥石高温强度衰退。因此，与加砂水泥石单纯降低钙比不同，优选了 2 种铝硅比的地质聚合物材料，通过优化水泥外掺料中氧化硅与氧化铝比例，在降低钙硅比的同时，适当提高铝硅比，在长期高温下，考察了不同铝硅比对水泥石长期力学性能改善的影响。1.2超高温增强材料优选与效果评价1）超高温增强材料优选。嘉华 G 级水泥，高温强度防衰退剂 SCM，高温强度防衰退剂 SCKL，大温差缓凝剂 SCR-4，降失水剂 SCF-180S，分散剂DZS，悬浮剂DZW。选用2 种地聚合物材料SCM与 SCKL，并与石英砂进行了对比，3 者均为粉末，颗粒为 325 目，化学组成如表 1 所示。表1含不同钙-硅-铝的超高温增强材料材料SiO2Al2O3CaO石英砂SiO2100地聚物材料SCM66.7214.29.98地聚物材料SCKL57.7435.21.91（1）超高温增强材料效果对比。分别向水泥中添加 50%（BOWC）的石英砂、地聚物材料SCM 与地聚材料 SCKL，按照 0.44 水灰比配制水泥浆，对比了高铝硅比与低铝硅比的超高温材料对对水泥石长期强度的影响，利用超声波强度分析仪模拟干热岩（210）对水泥浆长期强度发育进行测试，结果如图 2 所示。可知：加砂水泥石在 210下强度急剧衰退；SCM 水泥石中含有少量的 Al2O3，虽然在 24h 时，水泥石强度有小幅度的恢复，但水化产物并不稳定，48h 后水泥石长期高温度依然存在衰退的现象，水泥石更为疏松，内部颗粒依然存在分化现象；SCKL 水泥石中含有更多的 Al2O3，Al(OH)4Al(OH)4SiO4(3Al)SiO4(Al)SiO4(2Al)R+R+R+R+R+OSi(OH)3OSi(OH)2OOSi(OH)2O图1地聚合材料碱溶与 SiOAl键的三维立体网状结构第41卷第1期肖京男等：干热岩超高温防衰退水泥浆体系及应用9324h 后能在高温热碱环境下，与水泥石中的氢氧化钙发生反应，生成硫铝酸钙的水化产物，增强了水泥石的致密性，不仅抑制了水泥石长期强度衰退，反而促进了水泥石长期强度发育，呈现出强度增长的趋势。因此，选择 SCKL 作为高温防衰退剂进一步评价。石英砂SCMSCKL300250T/转化时间/(microsec/in)P/MPa抗压强度200150100500150125100755025030282624222018161412105045403530252015100306090120t/h5086420300250T/转化时间/(microsec/in)P/MPa抗压强度200150100500150125100755025030282624222018161412105045403530252015100306090120t/h5086420抗压强度300250T/转化时间/(microsec/in)P/MPa200150100500150125100755025030282624222018161412105045403530252015100306090120t/h5086420图2210 下添加不同超高温增强材料后水泥石的抗压强度1.3300 超高温增强材料抑制衰退效果评价1）超高温增强材料对水泥石抗压强度影响。超高温水泥浆体系配方：400gG 级水泥+320gSCKL+320g 水，设定实验条件 300、20MPa，模拟不同养护 48h 与 7d 的水泥石，考察了 300下超高温增强材料 SCKL 对水泥石长期抗压强度的影响。由实验结果可知，添加 SCKL 水泥石在300、2d 抗压强度达 18.2MPa，7d 水泥石抗压强度为 19.7MPa，有增长现象。2）超高温增强材料加量优化与长期效果。向水泥中分别加入 40%、60%、80%、100%SCKL，水泥石在 300 下养护 30d 后力学性能，如图3 所示。可知，随 SCKL 加量的增加，水泥石长期抗压强度先降低后升高，水泥石弹性模量增大。当SCKL 加量为 60%时，30d 水泥石抗压强度最低。当 SCKL 加量为 80%时，300、30d 水泥石抗压强度基本无衰退，水泥石弹性模量为 5.89GPa。当 SCKL 加量为 100%时，300、30d 抗压强度高达 23.2MPa，水泥石弹性模量为 7.49GPa。建议地聚物材料 SCKL 加量在 80%100%范围内，不仅能抑制水泥石高温强度衰退，同时具有较低的弹性模量，可满足干热岩后期压裂要求。40506070809010015161718192021222324抗压强度/MPaSCKL/%2345678弹性模量/GPa0.140.160.180.200.220.240.26泊松比图3300 下不同加量 SCKL 对水泥石力学性能的影响1.4超高温增强材料对水泥石微观结构影响对温度 150300 范围含 SCKL 的水泥石微观形貌进行了表征，结果见图 4。可知，150 下水泥石内部水化产物能够观察到明显的针状结构；180 下水泥石内部针状结构减少，生成片状结构；210 下水泥石内部没有片状结构，水泥石较致密；300 下水泥石内部出现棒状结构，水化产150 10 m10 m10 m10 m180 210 300 图4不同温度下水泥石扫描电镜分析结果94钻井液与完井液2024年1月物较为致密，没有出现粉化现象。对 150、180、210 与 300 高温养护后水泥石的水化产物进行了 XRD 分析，高温养护后水泥石中水化产物见图 5。随着温度的升高，水泥石中莫来石减少，水化产物向水钙铝榴石转化，在300 下莫来石消失，生成了黄长石，在一定程度抑制了水泥石强度衰退。40000150 180 210 300 300002000010000强度2/()010203040506070:Ca5(OH)2Si6O164H2O:Ca3Al2(SiO)4(OH)8图5不同温度对水泥石水化产物的影响2干热岩耐高温防衰退水泥浆体系评价青海共和盆地干热岩井三开封固段长，井下温度高（200），上下温差大，固井施工作业难度大，要求水泥浆体系在高温下有足够的安全施工时间，水泥石在长期高温下强度不能发生衰退，后期压裂要保证密封完整性，对水泥浆及外加剂体系提出了更高要求。针对干热岩高温固井条件，选择了温度广谱型聚合物类缓凝剂 SCR-4，能在高温条件下有效延长水泥浆稠化时间，且不影响水泥石顶部强度。温度广谱型缓凝剂 SCR-4 在不同加量时，对水泥浆体系稠化的影响见表 2。可知：随着缓凝剂 SCR-4 加量增加，水泥浆稠化时间增长，缓凝剂 SCR-4 加量在 10%11%时，水泥浆稠化时间大于 4h，稠化形态基本呈直角形态，可以满足干热岩固井安全施工。选择降失水剂 SCF-180s 与高温悬浮稳定剂DZW，开发了干热岩耐高温防衰退水泥浆体系，并对其性能进行了评价。可知，高温防衰退 SCKL水泥浆体系密度 1.83g/cm3，具有良好的流变性，180 下水泥浆失水量 46mL，沉降密度差 0.03g/cm3，可以满足青海共和盆地三开固井作业需求。表2缓凝剂 SCR-4 加量对稠化时间的影响SCR-4/%t稠化/min30Bc100Bc过渡时间8156159391661682102632641113773781注：稠化时间测试条件为180、70MPa。配方为：嘉华 G 级水泥+80%高温强度防衰退剂 SCKL+4%微硅+6%降失水剂 SCF-180S+1.5%分散剂 DZS+0.5%高温悬浮剂 DZW+10%缓凝剂SCR-4+现场水。SCKL 水泥浆体系相容性实验与停机-变温实验，结果见图 6、图 7 和图 8。可知：高温防衰退水泥浆体系具有优良的沉降稳定性，与前置液具有很好的相容性，在 100 温差下能够满足干热岩尾管固井的安全施工要求。2001801601401201008060402002001801601401201008060402001009080706050403020100084t/minT/P/MPa稠度/Bc168252336420稠度压力温度图6180 高温防衰退水泥浆体系的稠化曲线20018016014012010080604020020018016014012010080604020010090807060504030201000162t/minT/P/MPa稠度/Bc324486648810稠度压力温度图7SCLK 水泥浆体系的相容性实验3现场应用总体情况与应用效果超高温防衰退水泥浆体系在青海共和盆地累计应用了 5 口井，干热岩经测井井温度范围在 180210，固井前利用先导浆进行降温，固井循环实第41卷第1期肖京男等：干热岩超高温防衰退水泥浆体系及应用95验温度取值范围 160180，具体应用见表 3，固井质量均达到了优质，为后续干热岩井开发提供了良好的井筒密封条件。以干热岩注采试验井GH-01井为例，采用筛管顶部注水泥固井，该井完井深度4002.88m，井底温度209，井身结构如图 9 所示。可以看出，固井前钻井液密度为 1.17g/cm3，该井一次封固段长 3620m，裸眼封固段长 2117m，井径不规则，平均井径扩大率高达 17.2%。三开固井采用筛管顶部注水泥工艺，领、尾浆体系全部采用高温防衰退水泥浆体系，共注入密度为1.83g/cm3领浆42m3，然后注入密度为1.83g/cm3尾浆 24m3。以排量1.0m3/min 注密度 1.02g/cm3清水 40m3，注密度 1.40g/cm3重浆 24m3，剩以0.30.5m3/min 排量替浆 1.90m3至碰压。固井施工过程顺利，72h 先探塞、扫塞至预留 10m 后测表3青海共和盆地高温防衰退水泥浆体系应用效果井号井深/mT井底/T循环/水泥浆/g/cm3固井质量GH-014002.882091801.83优质GH-024000.001821601.83优质GH-034000.002021601.821.83优质GH-044016.001761601.821.83优质GH-054032.001901601.821.83优质050100150200250300T/050100150200P/MPa0204060TP稠度80100稠度/Bc0120t/min240360480图8SCLK 水泥浆体系的高温停机变温实验钻遇厚度564.00 mF6F2564.001034.001360.001686169512 m3/h出水层-1出水层-2出水层-32037207223 m3/h2150218023 m3/h钻遇厚度470.00 m钻遇厚度326.00 m钻遇厚度2642.88 m(未穿)蚀变矿物密集发育带蚀变矿物密集发育带4002.88高铀更新世共和组河湖相沉积灰白色中粗粒二长花岗岩肉红色中粗粒黑云母正长花岗岩肉红色黑云母正长花岗岩灰白色二长花岗岩淡白色花岗岩闪长岩淡白色花岗岩闪长岩淡白色花岗岩闪长岩灰白色二长花岗岩灰白色二长花岗岩灰白色二长花岗岩灰白色二长花岗岩灰白色中粗粒二长花岗岩青灰色-灰白色似斑状中粗粒花岗岩闪长岩灰白色中粗粒二长花岗岩青灰色似斑状中粗粒蚀变花岗岩闪长岩灰白色似斑状中粗粒花岗岩闪长岩淡白-淡粉红色似斑状中粗粒花岗岩闪长岩灰白色似斑状中粗粒花岗岩闪长岩青灰色似斑状中粗粒蚀变花岗岩闪长岩灰白色似斑状中粗粒花岗岩闪长岩肉红色正长花岗岩肉红色正长花岗岩灰白色中粗粒二长花岗岩风化壳中新世咸水河组河湖相沉积上新世临夏组河湖相沉积图9GH-01 井的井身结构图96钻井液与完井液2024年1月声幅，可知，该井高温井段固井质量达到优质。该井截至目前，经过 3 年时间，未发生井筒水泥环密封失效现象。干热岩注采试验井GH-04井采用尾管注水泥固井方式，该井完钻深度4016.00m，井径扩大率为 10.2%，固井前钻井液密度 1.26g/cm3，尾管悬挂器位置 2250.00m，采用领尾浆双凝密度水泥浆结构，均添加 80%超高温增强材料 SCKL，入井水泥浆密度 1.82g/cm3，经测井解释水泥浆返至2180.00m，整体固井质量优质率大于 90%，为后续干热岩井筒成井安全提供了保障。4结论1.通过调整调节水泥中 CaO-SiO2-Al2O3物相比例，形成了水泥石高温强度稳定材料 SCKL，在210 下不仅抑制了水泥石强度衰退，反而促进了水泥石长期强度发育。2.考察了 300、30d 下 SCKL 对水泥石高温力学的影响，添加含 80%SCKL 的水泥石在 300下 48h 抗压强度可达 18.2MPa；含 100%SCKL 的水泥石 30d 强度可达 23.2MPa。3.针对青海共和盆地干热岩井，通过配套高温缓凝剂，开发了耐高温防衰退水泥浆体系。该体系在 180 下的失水量小于 50mL，沉降密度差为0.03g/cm3，流变性能与稠化性能良好。4.耐高温防衰退水泥浆体系在青海共和盆地干热岩 GH-01 与 GH-04等 5 口井进行了试验，固井质量均达到优质，为后期干热岩长效安全开发提供水泥浆体系保障。参考文献李根生，武晓光，宋先知，等.干热岩地热资源开采技术现状与挑战 J.石油科学通报，2022，7（3）：343-364.LI Gensheng,WU Xiaoguang,SONG Xianzhi,et al.StatusandchallengesofhotdryrockgeothermalresourceexploitationJ.Petroleum Science Bulletin,2022,7（3）：343-364.1曾义金.干热岩热能开发技术进展与思考 J.石油钻探技术，2015，43（2）：1-7.ZENG Yijin.Technical progress and thinking fordevelopment of hot dry rock(HDR)geothermalresourcesJ.Petroleum Drilling Techniques,2015,43（2）：1-7.2杨远光，陈大钧.高温水热条件下水泥石强度衰退的研究 J.石油钻采工艺，1992（5）：33-39.3YANGYuanguang,CHENDajun.Researchonstrengthdecayofcementstoneunderhightemperaturehydrothermal conditionsJ.Oil Drilling&ProductionTechnology,1992（5）：33-39.李全双，王治国，邹书强.适用于干热岩固井抗高温高强度水泥浆体系研究 J.中国石油和化工标准与质量，2020，40（10）：164-167,169.LI Quanshuang,WANG Zhiguo,ZOU Shuqiang.Researchonhightemperatureandhighstrengthcementslurry system suitable for dry hot rock cementingJ.China Petroleum and Chemical Standard and Quality,2020,40（10）：164-167,169.4刘会斌，李建华，庞合善，等.青海共和盆地干热岩GR1 井超高温固井水泥浆技术 J.钻井液与完井液，2020，37(2)：202-208.LIUHuibin,LIJianhua,PANGHeshan,etal.Ultra-hightemperature cement slurry for cementing well GR1penetrating hot dry rock formations in Gonghe basin,QinghaiJ.Drilling Fluid&Completion Fluid,2020,37(2):202-208.5ALLAHVIRDIZADEHP.Areviewongeothermalwells:well integrity issuesJ.Journal of Cleaner Production,2020,275：124009.6李宁，庞学玉，艾正青，等.200 加砂硅酸盐水泥配方优化设计及强度衰退机理 J.硅酸盐学报，2020，48（11）：1824-1833.LINing,PANGXueyu,AIZhengqing,etal.Compositionoptimizationandstrengthdeclinemechanismofoilwellcement slurry at 200 J.Journal of the ChineseCeramic Society,2020,48（11）：1824-1833.7耿晨梓，姚晓，代丹，等.SiO2晶态物性对高温水泥石力学性能的影响 J.钻井液与完井液，2020，37（6）：777-783.GENG Chenzi,YAO Xiao,DAI Dan,et al.Effects ofphysicalpropertiesofSiO2crystallinestateonmechanicalproperties of high temperature set cementJ.DrillingFluid&Completion Fluid,2020,37（6）：777-783.8姚晓，葛荘，汪晓静，等.加砂油井水泥石高温力学性能衰退机制研究进展 J.石油钻探技术，2018，46（1）：17-23.YAOXiao,GEZhuang,WANGXiaojing,etal.Researchprogressofdegradationofmechanicalpropertiesofsand-containing cement in high temperature regimesJ.Petroleum Drilling Techniques,2018,46（1）：17-23.9路飞飞，李斐，田娜娟，等.复合加砂抗高温防衰退水泥浆体系 J.钻井液与完井液，2017，34（4）：85-89.LUFeifei,LIFei,TIANNajuan,etal.HightemperatureantistrengthretrogressioncementslurrywithcompoundedsilicapowderJ.Drilling Fluid&Completion Fluid,2017,34（4）：85-89.10周崇峰，费中明，李德伟，等.一种新型超高温固井水泥石抗强度衰退材料 J.钻井液与完井液，2022，39（1）：71-75.ZHOU Chongfeng,FEI Zhongming,LI Dewei,et al.Researchonanewmaterialtopreventthestrengthdeclineof set cement under ultra-high temperatureJ.DrillingFluid&Completion Fluid,2022,39（1）：71-75.11收稿日期 2023-09-21；修回日期 2023-10-23编辑王超第41卷第1期肖京男等：干热岩超高温防衰退水泥浆体系及应用97