黃范勇，張　麗，段云星

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司，天津300280；2.長(zhǎng)慶油田分公司礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部，陜西西安710018；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)<北京>，北京100083）

干熱巖地?zé)峋叹夹g(shù)研究綜述

黃范勇*1，張麗2，段云星3

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司，天津300280；
2.長(zhǎng)慶油田分公司礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部，陜西西安710018；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)<北京>，北京100083）

我國(guó)大陸干熱巖資源在3.0～10.0km深處總計(jì)為2.5×1025J，按2%的可開采資源量計(jì)算，相當(dāng)于目前能源消耗總量的5200倍，具有很大開發(fā)潛力和前景。國(guó)內(nèi)外在干熱巖地?zé)峋叹に?、水泥漿體系和外加劑方面進(jìn)行了諸多研究。目前開發(fā)出的內(nèi)插法、免鉆法等固井工藝及其配套技術(shù)措施已經(jīng)運(yùn)用在地?zé)峋叹┕ぶ?；多?shù)水泥漿體系耐溫低于200℃，但已有室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足API標(biāo)準(zhǔn)的220℃的體系；水泥外加劑多通過復(fù)配來改善因單獨(dú)性能存在缺陷而影響使用的情況，從而擴(kuò)大適用溫度范圍、提高綜合性能。

干熱巖；高溫；固井；水泥漿；外加劑

干熱巖是一種沒有水或蒸汽的熱巖體，埋藏于距地表2～10km的深處，溫度大約150℃～650℃。我國(guó)大陸3.5～7.5km深處、150℃～250℃的干熱巖儲(chǔ)量巨大，約為6.3×106EJ，按2%的可開采儲(chǔ)量計(jì)算，可獲得126000EJ的熱能，相當(dāng)于2010年我國(guó)能源消費(fèi)總量的1320倍，開發(fā)利用前景巨大［1-2］。本文從固井工藝、水泥漿體系、水泥外加劑方面總結(jié)了國(guó)內(nèi)外在干熱巖地?zé)峋叹夹g(shù)方面的研究。

1　高溫固井工藝

高溫固井要點(diǎn)：

（1）溫度引起的軸向載荷以及形成的彎曲破壞時(shí)管柱方面的主要問題。在套管選擇方面，應(yīng)該考慮使用具有較大抗拉強(qiáng)度的螺紋類型，一般選擇梯形螺紋以及抗拉強(qiáng)度更大的其他特殊螺紋，抗拉安全系數(shù)在2.0～3.0為宜。盡可能使水泥全部封固套管柱。

（2）水泥中必須加入硅粉熱穩(wěn)定劑，加入量控制在水泥質(zhì)量的35%～40%。

（3）加密使用套管扶正器，盡量提高頂替效率。當(dāng)設(shè)計(jì)水泥漿返出地面時(shí)，要保證一定量的水泥漿返出地面（10m3），保證上部水泥環(huán)質(zhì)量。

川東北地區(qū)井深、溫度高，地層壓力大，富含酸性或腐蝕性氣體。在川東北地區(qū)作業(yè)過程中，吳建忠［3］、龍嗣源［4］研發(fā)的固井新工藝為內(nèi)插法固井工藝技術(shù)、分級(jí)固井工藝、尾管及回接固井工藝、平衡壓力固井工藝、反擠水泥固井工藝；提高頂替效率的技術(shù)措施為優(yōu)選前置液體系、保證套管居中度；配套的固井用工具和附件的選用以中國(guó)石化德州大陸架油氣高科技分公司產(chǎn)品為主；國(guó)外有Petro-King、Weatherford、Baker公司，主要提供的是尾管掛和分級(jí)箍。

張軒［5］針對(duì)分級(jí)箍完井和篩管完井后期必須下小鉆桿通井，磨掉分級(jí)箍和盲板耗費(fèi)時(shí)間，影響鉆井時(shí)效這一實(shí)際情況采取了針對(duì)性的技術(shù)措施，開發(fā)出了免鉆分級(jí)箍和免鉆盲板等井下固井工具，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況開發(fā)出了一整套免鉆固井工藝和配套技術(shù)措施，提高了固井時(shí)效，節(jié)約了鉆井成本。

2　高溫水泥漿體系

張清玉［6］、郭進(jìn)忠［7］介紹了幾種高溫深井固井用新型水泥漿體系：超高密水泥漿體系、防竄水泥漿體系、柔性水泥漿體系和特種水泥漿體系。

超高密度水泥漿體系：超高密度水泥漿的實(shí)現(xiàn)通過減少水灰比、提高固體材料的堆積密度、提高配漿水的密度和外摻加重材料來完成。在水泥漿密度要求很高時(shí)，可能同時(shí)采用這4種方法或其中的幾種。這樣便在深井注水泥時(shí)保持了井眼壓力平衡，井內(nèi)液柱壓力與地層壓力保持平衡或略高于地層壓力。

防氣竄水泥漿體系：目前國(guó)內(nèi)外用到的防氣竄劑有：觸變類外加劑（半水石膏、交聯(lián)或復(fù)合聚合物材料等），延遲膠凝材料，鋁粉混合物，基質(zhì)流動(dòng)阻力劑或阻塞劑（膠乳、硅灰等）。一般使用膠乳水泥漿來滿足深井氣井固井施工安全系數(shù)要求大、水泥漿密度控制嚴(yán)格的要求。國(guó)內(nèi)近年來從膠乳的作用機(jī)理、研制、開發(fā)及應(yīng)用等方面研究了丁苯膠乳水泥漿體系。

柔性水泥漿體系：防止形成微環(huán)空的技術(shù)除了采用特殊的固井方法外，另一技術(shù)是用不收縮的柔性水泥漿，甚至是膨脹水泥。柔性水泥漿通常是在水泥漿中加入柔性外加劑（如硫化像膠）、膨脹劑，該體系的特點(diǎn)是有彈性、沒有收縮、滲透率極低，可以避免由于井眼壓力增加或溫度升高引起的應(yīng)力損壞水泥環(huán)，防止形成微環(huán)空。可將彈性粒子，如橡膠粒子，加入水泥中提高水泥的柔韌性。但是一般的韌性材料如聚丙烯、聚乙始等在比較低的溫度就熔化或者降解，另外一些材料如高性能熱塑料等適用于高溫堿性環(huán)境。

特種水泥漿體系：常用的波特蘭水泥是硅酸鈣礦物，其主要組分是硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S），大約占到75%～80%。在水泥中添加35%～40%的細(xì)硅砂或硅粉，將C/S比調(diào)到1.0～1.2時(shí)，形成雪硅鈣石（C5Si6H5），當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度高于170℃時(shí)，雪硅鈣石通常又會(huì)轉(zhuǎn)化為硬硅鈣石（C6Si6H）；有一種適用高溫氣井的新型磷酸鈣水泥材料，體系中粉煤灰與鋁酸鈣反應(yīng)生成硅鋁酸鈣CaO·A12O3·2SiO2，粉煤灰中的鐵與石英也和鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣鐵榴石（Ca3Fe2SiO4），反應(yīng)后的水泥石抗壓強(qiáng)度大大提高；還一種特種高溫低密水泥漿：硅酸鈣15%～40%、多磷酸鈉5%～20%、粉煤灰25%～45%、足夠的水、a-烯烴磺酸鹽1%～3%（發(fā)泡劑）、三甲銨乙內(nèi)酯0.5%～1.5%（泡沫穩(wěn)定劑）。

高溫深井固井是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須根據(jù)油田實(shí)際靈活運(yùn)用合適的固井技術(shù)，必須仔細(xì)評(píng)估固井作業(yè)的所有方面，必須不斷發(fā)展新的設(shè)備、工藝和材料。新型固井材料的開發(fā)對(duì)提高固井質(zhì)量起著十分重要的作用，目前國(guó)內(nèi)在高溫外加劑、高溫特種水泥等方面的研究還很不夠，需要加強(qiáng)這方面的研究，需要固井界、材料界的廣大科學(xué)工作者付出更多艱苦的努力。

3　高溫水泥外加劑

耐高溫固井水泥由基本油井水泥H級(jí)、G級(jí)，外加一定量的外摻料（硅粉、密度調(diào)節(jié)劑等）及水泥外加劑來構(gòu)成，其性能主要靠外摻料和外加劑［8］進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了提高固井質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外固井工作者研制出了上百種油井水泥外加劑［9］，這些外加劑的應(yīng)用改善了水泥漿及水泥石的性能，從而提高了固井質(zhì)量。

油井水泥外加劑用量最大的主要有3類：降失水劑、調(diào)凝劑和分散劑，稱“油井水泥三大劑”，幾乎所有優(yōu)質(zhì)水泥漿體系中都包括這3大組分，應(yīng)該說明的是這些外加劑一般都是復(fù)合使用的，單一使用難以獲得綜合性能優(yōu)良的水泥漿。

3.1調(diào)凝劑

促凝劑：常規(guī)促凝劑有氯鹽、碳酸鹽、堿和有機(jī)化合物等，典型的代表產(chǎn)品有氯化鈣、氯化鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉、氯化鐵、氯化鋁、甲酞胺和三乙醇胺。氯離子對(duì)套管有一定的腐蝕作用，但仍是目前使用最多的。高溫高壓井固井時(shí)，一般不會(huì)用到促凝劑，但有時(shí)為了提高水泥漿的早期強(qiáng)度或是縮短候凝時(shí)間，會(huì)引入少量促凝劑。

緩凝劑及高溫緩凝劑：油井水泥緩凝劑有木質(zhì)素磺酸鹽及其異構(gòu)體或衍生物；單寧、磺化單寧及其衍生物；酸、羥基羧酸、異構(gòu)體或衍生物及其鹽類；葡糖酸及其衍生物的鈉鹽或鈣鹽；相對(duì)低分子質(zhì)量的纖維素及其衍生物；有機(jī)或無機(jī)磷酸鹽；硼酸及其鹽類等。緩凝劑大多數(shù)是復(fù)合物，即使是木質(zhì)素磺酸鹽也要復(fù)配上一定量的無機(jī)酸、有機(jī)酸或它們的鹽類，彌補(bǔ)各自性能的不足，使緩凝組分之間具有互補(bǔ)性，以擴(kuò)大使用范圍、稠化時(shí)間與加量成線性關(guān)系，也想消除單一緩凝劑低溫時(shí)加量小、過于靈敏、而高溫時(shí)加量過多等弊病。

3.2降失水劑

從降失水機(jī)理來劃分，水泥漿降失水劑有2大類：顆粒材料，包括膨潤(rùn)土、石灰石粉、聚合物微粒（膠乳體系）；水溶性聚合物，包括纖維素衍生物（CMC、HEC、CMHEC）、非離子型聚合物（如聚乙烯毗咯烷酮復(fù)合體系，聚乙烯醇類）、陰離子型聚合物［（如N、N—二甲基丙烯酞胺類聚合物、磺化苯乙烯聚合物或其共聚物、陽離子型聚合物（聚乙烯胺類）］。典型代表有低粘CMC、CMHEC、HEC、丙烯酸類聚合物和共聚物等，國(guó)內(nèi)常用水泥漿降失水劑產(chǎn)品有S24、S27、LW-1、LW-2、MS-88、PA等。

目前高溫降失水劑發(fā)展方向主要是線性高分子聚合物和膠乳型聚合物，如N、N—二甲基丙烯酞胺—AMPS共聚物，AA/AMPS共聚物和CMHEC高溫（204℃）耐鹽（10%）降失水體系；AMPS-VP-AM-AA四元共聚物（26℃～232℃）；聚乙烯亞胺及聚乙烯多胺（亞胺）與磺化苯乙烯反應(yīng)的產(chǎn)物和苯乙烯—丁二烯膠乳（以非離子表而活性劑或其它類型的表面活性劑為膠乳穩(wěn)定劑）等。道威爾-SCHLUMBERGER公司研制開發(fā)了UNFLAC通用型降失水劑，適應(yīng)溫度10℃～232℃，適應(yīng)密度為1.2～2.9g/cm3，適應(yīng)淡水至飽和鹽水配漿；國(guó)產(chǎn)膠乳由于性能不穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的報(bào)道不多，現(xiàn)正在進(jìn)行這方而的攻關(guān)。

3.3水泥漿分散劑和消泡劑

分散劑主要有：木質(zhì)素磺酸鹽及其衍生物；聚奈磺酸鹽類；磺化醛酮縮合物；磺化乙烯基聚合物及其衍生物；檸檬酸類；AMPS聚合物類；其它，如多糖、羥基羧酸類。國(guó)內(nèi)的抗高溫分散劑較少，能在150℃以上效果依然優(yōu)良更少；國(guó)外主要發(fā)展乙烯基單體聚合物及其衍生物，這類油井水泥分散劑穩(wěn)定性好、抗高溫、不引氣、減阻效果好、耐鹽。

油井水泥消泡劑是有起泡趨勢(shì)的水泥漿體系中的重要組成部分。其消泡機(jī)理主要是改變體系的表而張力，適合各種水泥漿體系而消泡能力強(qiáng)的消泡劑是很難得到的；配漿水的消泡和水泥漿的消泡是2個(gè)概念，同時(shí)解決這2個(gè)問題的消泡劑更是難得。目前最為常用的是消泡劑有機(jī)硅類、脂類消泡劑。

3.4膠乳

早期用于油井水泥固井的膠乳是聚二氯乙烯、聚醋酸乙烯酯體系，效果較好，限于50℃以下使用；20世紀(jì)80年代開發(fā)的苯乙烯—丁二烯及其衍生物的共聚物膠乳可用于176℃，國(guó)內(nèi)外類似的產(chǎn)品有DOW465、LATEX2000等。固井用膠乳還有聚苯乙烯、氯苯乙烯、氯乙烯共聚物、氯丁二烯—苯乙烯共聚物及樹脂膠乳等幾類。

到目前為比，國(guó)內(nèi)在油井水泥外加劑方而，已形成11大類100多個(gè)品種，在分散劑、低溫防氣竄劑、常規(guī)性能降失水劑等方而，其性能已接近或超過國(guó)外同類產(chǎn)品的性能；與國(guó)外抗鹽、抗高溫外加劑相比，國(guó)內(nèi)這類外加劑在溫度低于120℃時(shí)使用具有良好的性能，能在溫度高于120℃使用而性能優(yōu)異的外加劑種類較少且性能不穩(wěn)定，尤其是高溫降失水劑、高溫防氣竄劑和高溫緩凝劑這三類產(chǎn)品問題更嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)抗高溫外加劑的抗鹽性能普遍不理想。另外，對(duì)減少和防止高溫強(qiáng)度衰退的硅質(zhì)材料研究不多且性能不穩(wěn)定。還有一個(gè)最普遍的問題就是國(guó)內(nèi)油井水泥外加劑各自為政，相互間配伍性較差。

4　結(jié)論與建議

（1）固井水泥漿體系要根據(jù)地層特性，配合固井技術(shù)和工具，才能實(shí)現(xiàn)固井施工的高效、安全、長(zhǎng)期。目前，高溫地層固井的大多數(shù)的水泥漿體系耐溫低于200℃，但已有達(dá)到220℃的水泥漿體系，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示性能滿足API標(biāo)準(zhǔn)。

（2）復(fù)配可改善外加劑因單獨(dú)使用性能存在缺陷而影響使用的情況，應(yīng)對(duì)已有外加劑和新研發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)配應(yīng)用研究，擴(kuò)大適用溫度范圍，提高其綜合性能。

［1］徐巍.世界干熱巖發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［C］//中國(guó)地?zé)豳Y源開發(fā)與保護(hù)——全國(guó)地?zé)豳Y源開發(fā)利用與保護(hù)考察研討會(huì)論文集，2007：51-55.

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1004-5716（2016）04-0090-03

2015-04-20

2015-04-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高溫高壓低彈性模量復(fù)合固井材料形成機(jī)理研究”，編號(hào)51474192；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)，編號(hào)2012098。

黃范勇（1980-），男（漢族），江蘇鹽城人，工程師，現(xiàn)從事石油鉆井技術(shù)工作。