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功能性固井工作液研究進(jìn)展

文檔作者：于永金靳建洲齊奉忠文檔來(lái)源：中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月27日
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第33卷第4期
2016年7月
鉆井液與完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETl0N FLUID
V01．33 NO．4
July 2016
doi：10．3696／j．issn．1001—5620．2016．04．001
功能性固井工作液研究進(jìn)展
于永金， 靳建洲， 齊奉忠
(中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京102206)
于永金等．功能性固井工作液研究進(jìn)展[J]．鉆井液與完井液，2016，33(4)：1—7．
摘要隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)工作的逐步深入以及向深層、復(fù)雜地層、非常規(guī)儲(chǔ)層、海洋等領(lǐng)域的拓展，油氣井固井難度
顯著增加，對(duì)固井后水泥環(huán)長(zhǎng)期密封性能要求越來(lái)越高，固井工作液體系的研發(fā)及應(yīng)用面臨新的挑戰(zhàn)。從長(zhǎng)封固段大溫差
水泥漿體系、韌性水泥漿體系、防腐蝕水泥漿體系、稠油熱采井固井水泥漿體系、自修復(fù)(自愈合)水泥漿體系、深水固
井水泥漿體系及功能性前置液體系，總結(jié)了近年來(lái)固井工作液體系的技術(shù)進(jìn)展。根據(jù)復(fù)雜井固并作業(yè)面臨的挑戰(zhàn)．從固井
新材料及功能性水泥漿體系兩方面提出了今后的攻關(guān)方向。
關(guān)鍵詞固井；水泥漿；前置液；水泥外加劑；固井材料
中圖分類(lèi)號(hào)：TE256．6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001．5620(2016)04—0001—07
Progress of Study on Functional Cementing Fluids
YU Yongiin，JIN Jianzhou，QI Fengzhong
(CNPCDrilling Research Institute,Beo'ing 1 02206)
AbstractAs the petroleum exploration and development are proceeding and extending to deeper,complex formations，nonconventional
reservoirs and offshore exploration and development，the well cementing is becoming more and more difficult．More and more rigorous
requirements are imposed on the long time airtightuess of cement sheath，and the development ofnew cementing fluids is facing new
challenges．This paper discusses the progress made in recent years about the functional cementing fluids，such as cement slurries
for long intervals with large temperatures differences，cementing slurries with good toughness，corrosion inhibitive cement slurries，
cement slurries for heavy oil thermal recovery wells，self-healing cement slurries，cement slurries for wells in deep water area，and the
functional pre pad fluids．Based on the challenges encountered in cementing wells with complex problems，the studies to be performed
on new cementing materials and functional cementing fluids in the future are presented in the paper．
Key words Well cementing；Cement slurry；Pre pad fluid；Cement additive；Cementing material
隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，逐漸轉(zhuǎn)向深層、
復(fù)雜氣藏、海洋以及非常規(guī)油氣的開(kāi)采利用，地質(zhì)
條件越來(lái)越復(fù)雜。自2010年美國(guó)墨西哥灣越洋鉆
探公司“深水地平線(xiàn)”鉆井平臺(tái)發(fā)生井噴爆炸著火
事故后，固井的特殊性及重要性越來(lái)越受到重視?。
為了滿(mǎn)足復(fù)雜深層油氣藏、高酸陛油氣藏、稠油油
藏、海洋深水油藏、非常規(guī)油氣藏等開(kāi)發(fā)需要，以
及儲(chǔ)氣庫(kù)(枯竭氣藏、鹽穴)建設(shè)、老油藏挖潛等
的需要，國(guó)內(nèi)外在固井水泥漿及前置液體系等方面
開(kāi)展了持續(xù)深入的研究，在長(zhǎng)封固段大溫差水泥漿
體系、韌性水泥漿體系、防腐蝕水泥漿體系、自修
復(fù)水泥漿體系、深水固井水泥漿體系及功能性前置
液體系等方面均取得了進(jìn)展，固井也由滿(mǎn)足短期測(cè)
井質(zhì)量要求，向保證長(zhǎng)期井筒密封的方向發(fā)展。
1 功能性水泥漿體系研究進(jìn)展
1．1 長(zhǎng)封固段大溫差固井水泥漿體系
國(guó)外斯倫貝謝公司開(kāi)發(fā)了AccuSET*智能緩凝
劑，形成了大溫差水泥漿體系，其對(duì)溫度變化的敏
基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目2l課題4“復(fù)雜地質(zhì)條件下深井鉆井液與高溫高壓固井技術(shù)研究”
(201 1ZX05021．004 o
第一作者簡(jiǎn)介：于永金，高級(jí)工程師，碩士，1982年生，畢業(yè)于天津大學(xué)材料學(xué)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)在從事固井、水泥漿及外
加劑的研究工作。電話(huà)(010)80162259；E-mail：yuyongjindri@cnpc．com．cn。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2 鉆井液與完井液2016年7月
感性低，降低了井底循環(huán)溫度不確定性帶來(lái)的風(fēng)
險(xiǎn)，適用于淡水或半飽和鹽水，溫度適用范圍為
49～121℃，可滿(mǎn)足水泥底部與頂部溫差50℃以上
條件固井，低溫下水泥頂面強(qiáng)度發(fā)展快[2-3]o該緩凝
劑配制的水泥漿在中東2口井的西177．8 mill生產(chǎn)套
管固井中進(jìn)行了應(yīng)用。這2口井測(cè)深分別為3 007
和3 225 m，水泥封固段長(zhǎng)為1 000 m和1 300 m，
井底靜止溫度分別為122和130 oC，溫差分別為
32和46℃。通過(guò)采用該大溫差水泥漿體系固井，
2口井固井質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，且水泥漿頂面膠結(jié)顯示良好。
中國(guó)近年來(lái)開(kāi)始加強(qiáng)大溫差緩凝劑及水泥漿體
系的研究工作，中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院
通過(guò)分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出了適用于中溫大溫
差及高溫大溫差的緩凝劑DRH一200L等，解決了緩
凝劑適應(yīng)溫差范圍窄、高溫條件下漿體穩(wěn)定性差等
難題。并通過(guò)緊密堆積理論優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成了3套
適用于不同循環(huán)溫度段(30～120 oC、70～180℃、
90～190 oC)的大溫差水泥漿體系，研發(fā)的大溫差
水泥漿體系適用中溫溫差超過(guò)100 oC，高溫溫差
超過(guò)80℃，體系適用溫度范圍寬，適用溫差范圍
廣，水泥漿柱頂部強(qiáng)度發(fā)展快，有利于保證深井長(zhǎng)
封固段大溫差固井質(zhì)量，目前已成功應(yīng)用50多口
井，應(yīng)用效果良好[4-7]o天津中油渤星工程科技股
份有限公司開(kāi)發(fā)出了適用于高溫大溫差的緩凝劑
BCR一260L，適用循環(huán)溫度為70～180℃，并形成
了高溫大溫差水泥漿體系，在50℃、高溫大溫差
條件下水泥頂面48 h抗壓強(qiáng)度高于3．5 MPa，現(xiàn)
場(chǎng)應(yīng)用效果良好[8-9]o川慶鉆探井下作業(yè)公司研發(fā)
了新型寬溫帶緩凝劑SD210L，適用溫度范圍為
90～160℃，抗鹽可達(dá)半飽和鹽水，適用高溫溫差
超過(guò)50℃，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好[1 01。
長(zhǎng)封固段大溫差固井水泥漿體系對(duì)于簡(jiǎn)化井
身結(jié)構(gòu)、降低固井成本、解決大溫差條件下水泥漿
超緩凝難題、保證水泥環(huán)密封完整性等均具有重要
意義，近年來(lái)中國(guó)石油共推廣應(yīng)用大溫差水泥漿
體系超過(guò)1 000口井，最長(zhǎng)一次水泥封固段長(zhǎng)超過(guò)
7 000 rn，最大溫差超過(guò)100 oC。因此在長(zhǎng)封固段大
溫差固井水泥漿技術(shù)水平方面中國(guó)已經(jīng)領(lǐng)先國(guó)外。
1．2韌性水泥漿體系
隨著中國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)大規(guī)模建設(shè)及天然氣的快速發(fā)
展，對(duì)水泥環(huán)的密封完整性要求越來(lái)越高。在注采
過(guò)程中井筒內(nèi)溫度及壓力周期性地變化，頁(yè)巖氣及
致密油氣后期儲(chǔ)層改造，要經(jīng)受大型體積壓裂，高
壓天然氣井鉆井及生產(chǎn)過(guò)程中井筒內(nèi)溫度及壓力大
幅變化等，容易導(dǎo)致水泥環(huán)密封完整性受到破壞，
韌性水泥漿技術(shù)是有效提高水泥環(huán)密封完整性的關(guān)
鍵技術(shù)之一?J。
國(guó)外斯倫貝謝公司為防止井下熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)
力等導(dǎo)致產(chǎn)生微環(huán)隙，開(kāi)發(fā)了FlexStone柔性水泥
漿體系，該體系根據(jù)固相顆粒級(jí)配原理，并配合柔
性顆粒及膨脹劑等，楊氏模量可降低至1．38 GPa，
線(xiàn)性膨脹率可達(dá)2％，適用溫度范圍為40～150 oC，
密度范圍為1．2～2．2 g／cm3，該體系在國(guó)外地下儲(chǔ)
氣庫(kù)、多層次射孑L及壓裂增產(chǎn)井、蒸汽驅(qū)稠油熱采
井應(yīng)用效果良好[12-13]。BJ公司開(kāi)發(fā)了DuraSetTM柔
性水泥漿體系，該體系是一個(gè)涵蓋多種抗應(yīng)力變化
的水泥漿體系系列，設(shè)計(jì)目的是提高水泥環(huán)的機(jī)械
性能和抗拉強(qiáng)度，從而提高水泥石柔性，可適用于
高抗拉強(qiáng)度固井應(yīng)用，該體系在美國(guó)德州東部高溫
高壓固井進(jìn)行了應(yīng)用，該體系應(yīng)用前的155井次中
58口井出現(xiàn)套管變形，失敗率為37．4％，使用該
體系后的100井次，17井次出現(xiàn)套管變形，失敗
率為17％，變形率降低了54％。哈里伯頓公司開(kāi)
發(fā)的ElastiCem7M彈性水泥漿體系，含有特殊的彈
性材料和纖維，降低了脆性，提高了水泥石韌性，
不會(huì)在作業(yè)過(guò)程中失效【1 41。
中國(guó)近年來(lái)在水泥環(huán)完整性理論模型、增韌
機(jī)理、增韌材料、韌性水泥漿體系等方面均開(kāi)展了
大量研究工作。中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院
開(kāi)發(fā)了4種水泥石增韌材料，分別為DRT-100L、
DRE．100S、DRE一200S、DRE一300S，形成了中溫
(30～100 oC)及高溫(100～200 oC)2套DRE韌
性膨脹水泥漿體系，水泥石在具有相對(duì)較高抗壓強(qiáng)
度的同時(shí)，楊氏模量可以降低30％以上，水泥漿
密度適用范圍為1．30---2．60 g／cm3，該體系已在儲(chǔ)
氣庫(kù)、頁(yè)巖氣水平井、高壓天然氣井等應(yīng)用50多
井次，效果良好，有效提高了水泥環(huán)承受交變應(yīng)
力條件下的密封完整性。天津中油渤星工程科技
股份有限公司開(kāi)發(fā)了BCE．310S彈性水泥漿體系，
BCE．3 10S增韌劑通過(guò)顆粒級(jí)配得到，對(duì)控制水泥
漿失水具有輔助作用，并且水泥漿稠化時(shí)間易調(diào)，
水泥石具有低楊氏模量、高泊松比的特點(diǎn)，水泥石
變形能力強(qiáng)，在圍壓條件下水泥石表現(xiàn)出理想彈塑
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第33卷第4期于永金等：功能性固井工作液研究進(jìn)展3
性，受套管膨脹擠壓時(shí)不易破裂，有利于保持水泥
環(huán)長(zhǎng)期密封性能，用其配制的水泥漿體系密度為
1．7～1．8 g／em3時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度為22～30 MPa，
抗拉強(qiáng)度為1．8～2．2 MPa，楊氏模量為5．0～6．0
GPa，泊松比為0．18"-'0．20。川慶鉆探井下作業(yè)公
司針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)固井開(kāi)發(fā)了柔性自應(yīng)力水泥漿體系，
該體系由SD77柔性防竄材料、SD66纖維材料及
多種常規(guī)外加劑組成，該體系適用溫度為50"--
150℃，密度為1．20～1．95 g／cm3，在90℃養(yǎng)護(hù)條
件下常規(guī)密度柔性自應(yīng)力水泥石7 d楊氏模量較凈
漿水泥石降低20％左右，抗壓強(qiáng)度降低20％左右，
且界面膠結(jié)強(qiáng)度能得到顯著提高，該體系在相國(guó)寺
儲(chǔ)氣庫(kù)的應(yīng)用效果良好，后期已推廣至頁(yè)巖氣水平
井及高壓天然氣井固井[I引。中石化石油工程技術(shù)
研究院開(kāi)發(fā)了SFP彈韌性水泥漿體系，該體系具
有良好的流變性、較高的抗壓強(qiáng)度、較低的失水量、
良好的體系穩(wěn)定性、良好的稠化線(xiàn)型，同時(shí)，SFP
彈韌性水泥石與水泥基漿形成的水泥石相比，抗折
強(qiáng)度可提高40％以上，彎曲韌性提高90％以上。
該體系目前已在涪陵頁(yè)巖氣水平井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用100多
口井，效果良好u酬。
1．3 防CO：腐蝕水泥漿體系
井下酸性氣體在潮濕環(huán)境下會(huì)對(duì)水泥環(huán)產(chǎn)生腐
蝕，使水泥石抗壓強(qiáng)度降低，滲透率增加，從而縮
短天然氣井的生產(chǎn)壽命。針對(duì)高含CO：氣田的固
井問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了抗CO，腐蝕水泥漿體系研
究。國(guó)外，斯倫貝謝公司開(kāi)發(fā)的EverCRETE*抗
CO：腐蝕水泥漿，采用優(yōu)化的顆粒級(jí)配技術(shù)降低水
泥石孑L隙率及滲透率，減少常規(guī)波特蘭水泥用量，
并且不含氫氧化鈣，與常規(guī)水泥漿相比，在CO：
環(huán)境下，能夠提供更長(zhǎng)久的層間封隔，適用的溫度
范圍為40～110℃，密度范圍為1．50～1．92 edcm3，
與常規(guī)水泥兼容性好117-211。BJt221公司開(kāi)發(fā)的
PermaSetTM抗酸防氣竄水泥漿體系，適用于CO：
環(huán)境，同時(shí)對(duì)H'S等其他腐蝕性氣體具有很好的
防腐蝕性能，在腐蝕環(huán)境下水泥石滲透率低，提高
了水泥石抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度，適用溫度范圍為
4～232 oC，密度范圍為1．65～2．16 g／em3。
天津中油渤星工程科技股份有限公司開(kāi)發(fā)的
BCE．750S抗CO，腐蝕水泥漿體系是以抗腐蝕材料
BCE．750S為主的硅酸鹽水泥體系，在150 oC、壓
力為5 MPa條件下，60 d的腐蝕深度可以控制在l
mm以?xún)?nèi)，因此，該體系完全可用于含CO：井的固
井施工[211。吉林油田開(kāi)發(fā)了FllF抗C02腐蝕水泥
漿體系，該體系具有微膨脹、低失水、低滲透、短
過(guò)渡、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，在150 cc，壓力為4 MPa條
件下，F(xiàn)llF抗CO，腐蝕水泥漿體系28 d水泥石抗
壓強(qiáng)度為27．6 MPa，滲透率為O．83×10。pm2，90
d抗壓強(qiáng)度為50．2 MPa，滲透率為0．12×10～岬2，
其綜合性能滿(mǎn)足富含CO：氣井固井防竄技術(shù)要求。
中石化石油工程技術(shù)研究院研制了抗酸性氣體腐
蝕外加劑DC206，形成了膠乳防氣竄防腐水泥漿
體系，腐蝕后較腐蝕前水泥石抗壓強(qiáng)度提高36％，
水泥石滲透率降低46％，該體系在伊朗雅達(dá)油田
50多口井固井取得了良好的效果。
1．4稠油熱采井固井水泥漿體系
稠油熱采井在蒸汽高溫吞吐過(guò)程中對(duì)水泥環(huán)
完整性提出了更高的要求，要求水泥環(huán)在低溫及高
溫條件下保持高強(qiáng)度低滲透性以及高溫下強(qiáng)度不衰
退，同時(shí)，井筒內(nèi)溫度及壓力周期性變化要求水泥
環(huán)在高溫條件下具備較好的韌性。國(guó)外，斯倫貝謝
公司開(kāi)發(fā)了針對(duì)熱采井固井的ThermaSTONE熱響
應(yīng)水泥漿，該體系主要由G級(jí)水泥、硅粉及抗高
溫材料通過(guò)優(yōu)化顆粒匹配而成，該體系低溫下凝固
快，高溫下強(qiáng)度不衰退，密度為1．4～1．70 g／cm3，
膨脹率最高可達(dá)2％，楊氏模量低于4．5 GPa，適
用注采溫度區(qū)間為250～350 oC，該體系在加拿大
及巴林等地區(qū)熱采井應(yīng)用效果良好。哈里伯頓公司
開(kāi)發(fā)了ThermaLock磷酸鹽水泥漿，該體系不含氫
氧化鈣、水化硅酸鈣等介質(zhì)，抗溫可達(dá)370℃，在
260℃下，7周后ThermaLock磷酸鹽水泥漿的滲
透性仍保持在0．1×10。3岬2。ThermaLock磷酸鹽
水泥漿在地?zé)峋?、熱采井、酸|生氣體注射井和海上
油田固井方面應(yīng)用效果良好。
天津中油渤星工程科技股份有限公司自主研發(fā)
出了BCM磷酸鹽水泥體系，該磷酸鹽水泥是通過(guò)
酸堿反應(yīng)合成，其水化產(chǎn)物為NaCaP04·xH20和
AI，O，·yH，O，在高溫高壓下轉(zhuǎn)變?yōu)榱u基磷灰石和
y一勃母石，常規(guī)密度水泥石在320℃高溫下強(qiáng)度穩(wěn)
定，30 d抗壓強(qiáng)度達(dá)25．4 MPa，密度為1．50 g／cm3
水泥石在320 oC高溫下強(qiáng)度穩(wěn)定，30 d抗壓強(qiáng)度達(dá)
到16．9 MPa，且低密度與常規(guī)密度水泥石在600 oC
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
4 鉆井液與完井液2016年7月
養(yǎng)護(hù)下30 d強(qiáng)度無(wú)衰退趨勢(shì)，配套的降失水劑
BCF一600L及緩凝劑BCR．600S實(shí)現(xiàn)了150℃以?xún)?nèi)
調(diào)凝，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平【221；西南石油大學(xué)開(kāi)發(fā)
出了一套適用密度范圍為1．70～1．90 g／cm3，溫度
區(qū)間為30～80℃的新型鋁酸鹽水泥漿體系，該水
泥漿體系具有優(yōu)良的工程性能，水泥漿上下密度差
小于0．02 g／cm3，失水量小于50 mL，稠化時(shí)間在
60～300 min范圍內(nèi)可調(diào)，24 h抗壓強(qiáng)度可達(dá)14
MPa，且經(jīng)過(guò)2輪高溫后水泥石抗壓強(qiáng)度仍能達(dá)到
25 MPa，該體系在遼河油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，效
果良好[23]o南京工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種礦物聚合物，
主要由富硅高鋁礦物聚合反應(yīng)生成，產(chǎn)物為類(lèi)沸石
結(jié)構(gòu)，硬化體可以在一20～600℃溫度范圍內(nèi)使用，
工程應(yīng)用溫度可達(dá)80 oC【24】。勝利油田開(kāi)發(fā)了抗高
溫高強(qiáng)度水泥漿體系，該體系根據(jù)顆粒級(jí)配原理，
由低溫活性材料、抗高溫增強(qiáng)材料等復(fù)合而成，鈣
硅比約為1．0，水泥石在300 oC養(yǎng)護(hù)12 d抗壓強(qiáng)度
在30 MPa以上，具有良好的抗高溫強(qiáng)度衰退性能，
保證后期高溫注蒸汽或高溫吞吐過(guò)程中水泥環(huán)的封
隔效果，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。
1．5 自修復(fù)(自愈合)水泥漿體系
為解決氣井固井后的竄氣或環(huán)空帶壓?jiǎn)栴}，近
年來(lái)國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了自修復(fù)(自愈合)水泥漿體系
研究。國(guó)外，斯倫貝謝公司針對(duì)固井結(jié)束及水泥
硬化后出現(xiàn)微裂縫及微環(huán)隙而導(dǎo)致發(fā)生油氣竄的
問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了FUTUR自愈合水泥，其溫度適用范
圍為20～138℃，密度為1．44～1．92 g／cm3，能夠
與油類(lèi)及濃度低于95％的甲烷反應(yīng)，修復(fù)微裂縫
及微環(huán)隙，達(dá)到阻止油氣上竄的目的125]。哈里伯
頓公司開(kāi)發(fā)的LifeCemTM水泥漿體系中含有烴類(lèi)激
活成分，能夠與地層中的碳?xì)浠衔锪黧w進(jìn)行反
應(yīng)，自身具有1％～2％的自膨脹能力，能夠修復(fù)
100～250 gm的微裂縫及微環(huán)隙。哈里伯頓公司開(kāi)
發(fā)的LifeSeal自密封水泥漿體系，當(dāng)水泥環(huán)膠結(jié)失
效時(shí)，在沒(méi)有地面干預(yù)的情況下，水泥環(huán)能自動(dòng)封
閉竄流通道，水泥環(huán)的這種自動(dòng)密封特性，是通過(guò)
在水泥漿中加入特種外加劑來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存在烴類(lèi)竄
流時(shí)，水泥環(huán)能進(jìn)行膨脹，修復(fù)竄流通道[261。
天津中油渤星工程科技股份有限公司自主研發(fā)
出了針對(duì)油類(lèi)物質(zhì)可自行修復(fù)微裂縫的修復(fù)劑，并
形成了自愈合水泥漿體系，修復(fù)劑在正己烷及二甲
苯等油類(lèi)溶劑中有明顯的膨脹現(xiàn)象，并在原油中可
以明顯修復(fù)微裂縫，摻有5％修復(fù)劑的水泥石中裂
縫在12 min內(nèi)封閉，阻止原油繼續(xù)滲流，且修復(fù)
劑對(duì)水泥漿失水量具有一定的控制作用，隨著修復(fù)
劑加量增加，水泥石抗壓強(qiáng)度逐漸降低，水泥石
韌性得到提升，該體系適用溫度為30～150 oC 1271。
中石化石油工程技術(shù)研究院研發(fā)了新型自愈合乳液
水泥漿體系，該體系水泥石靜態(tài)滲流修復(fù)評(píng)價(jià)2 h
內(nèi)速度下降明顯，27 h后滲流量為0，裂縫愈合效
果明顯，且能夠提高水泥漿的防竄性能，降低水泥
石的彈性模量與滲透率，自愈合水泥石的滲透率為
0．01 X 10。gm2，彈性模量小于6 GPa。
1．6深水固井水泥漿體系
海洋深水固井難點(diǎn)主要表現(xiàn)為表層低溫、安全
密度窗口窄，地層易壓漏，存在潛在的淺層水竄或
氣竄問(wèn)題，對(duì)環(huán)空的短期及長(zhǎng)期封固質(zhì)量要求高。
低溫深水固井水泥漿體系需滿(mǎn)足密度低、過(guò)渡時(shí)間
短、抗壓強(qiáng)度發(fā)展快，泥線(xiàn)環(huán)境下固井低水化熱等
要求。海洋油氣資源豐富，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外均加強(qiáng)了
對(duì)深水固井水泥漿體系的研究工作。
斯倫貝謝公司DeepCRETE水泥漿的水化熱
低，對(duì)存在氣層的固井是一個(gè)很好的選擇，水泥一
旦凝固，和常規(guī)水泥漿相比，水泥石滲透率低，能
保護(hù)套管免受鹽水的腐蝕，DeepCRETE水泥漿密
度為1．50 g／cm3，溫度為4℃時(shí)，水泥石24 h抗壓
強(qiáng)度達(dá)到5．6 MPa，滿(mǎn)足開(kāi)鉆要求。該體系在西非、
南非、墨西哥灣等深水固井中應(yīng)用效果良好[28-29]。
BJ公司開(kāi)發(fā)的DeepSet System深水固井水泥漿體
系，具有在深水固井環(huán)境中用于控制淺層水流／氣
流、低溫下較快凝固、低失水、零自由水等特點(diǎn)128]。
哈里伯頓公司的FlowStop。M水泥漿為預(yù)防深水固
井淺層水竄的泡沫水泥漿體系，該體系在深水低溫
下膠凝強(qiáng)度及水泥石抗壓強(qiáng)度均可以快速發(fā)展。
中國(guó)，天津中油渤星工程科技股份有限公司
針對(duì)海洋深水固井開(kāi)發(fā)出了低溫低水化熱固井材料
BXLC．A，該材料水化熱低，低溫條件下早期強(qiáng)度
高，絕熱溫升小，并依托該低水化熱固井材料，設(shè)
計(jì)出了密度為1．25～1．70 g／cm3的低溫低水化熱水
泥漿配方，在4～25℃下，密度為1．25～1．70∥
cm3水泥漿的綜合性能良好，體系稠化時(shí)間可調(diào)，
失水控制良好，強(qiáng)度發(fā)展較快，水化熱低，可以滿(mǎn)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第33卷第4期于永金等：功能性固井工作液研究進(jìn)展5
足海洋深水固井需求。中海油服開(kāi)發(fā)出了適用于深
水固井的PC—LoCEM防漏防淺層流水泥漿體系及
PC—LoLET低溫防漏防竄水泥漿體系。PC．LoLET
低密度低水化熱水泥漿封固水合物層、傳遞靜液柱
壓力。PC．LoCEM水泥漿體系是針對(duì)深水淺層水
(氣)流的特點(diǎn)以及結(jié)合深水低溫、壓力窗口窄的
特點(diǎn)研發(fā)的，該體系主要由2種低溫早強(qiáng)添加劑組
成，在保證稠化時(shí)間的條件下，在10℃低溫情況
下14h形成支撐套管的3．5 MPa強(qiáng)度，24 h達(dá)到6．9
MPa，72 h水泥石抗壓強(qiáng)度達(dá)到19．6 MPa，甚至在
低溫3℃時(shí)也表現(xiàn)出較好的早強(qiáng)效果【301。
1．7其他功能性固井水泥漿體系
斯倫貝謝公司開(kāi)發(fā)出DuraStone金屬微條帶水
泥漿體系，該體系中加入了一種特制的金屬條帶，
當(dāng)水泥漿凝固后就會(huì)形成耐鉆能力好及承載能力強(qiáng)
的水泥石，這種水泥石還具有較高的抗沖擊能力和
抗裂縫延伸能力，適用于固井側(cè)鉆，可將側(cè)鉆時(shí)間
降低50％以上【3¨。
哈里伯頓公司開(kāi)發(fā)出ChannelSealⅢ竄槽封固
水泥漿體系，該水泥漿體系在下套管前注入，容易
驅(qū)替，即便竄槽也能夠有效封固，適用溫度范圍為
10～175 oC，且在固井時(shí)不需采用前置液，該體系
具有更好的流變性能，固井過(guò)程中頂替效率高。
BJ公司開(kāi)發(fā)出了一種交聯(lián)水泥漿體系，該體
系是把水泥和壓裂液混合在一起作為水泥漿，在井
下條件下，交聯(lián)水泥具有壓裂液的特性，被替人井
下后可以迅速凝固，從而達(dá)到堵漏的效果，交聯(lián)水
泥分為2種類(lèi)型，一種是鎂氧交聯(lián)水泥，另一種是
常規(guī)交聯(lián)水泥【321。
BJ公司研制了Liquid Stone液態(tài)可存儲(chǔ)水
泥漿，該水泥漿可儲(chǔ)存較長(zhǎng)時(shí)間，密度范圍為
0．97～2．52∥cm3。該體系特點(diǎn)：水泥漿可在基地
混配好，不用在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行混配，漿體配好后性能被
“鎖定”，長(zhǎng)期儲(chǔ)存無(wú)沉淀、無(wú)密度變化，會(huì)一直保
持設(shè)計(jì)的性能，當(dāng)水泥漿泵人井下后，才被激活，
而后固化，可滿(mǎn)足路途遙遠(yuǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工極端困難(極
地)條件下的固井需求【331。
2 功能性前置液體系研究進(jìn)展
BJ公司研制了SealBond堵漏型前置液，其含
有特殊高分子材料，可以立即在漏失地層形成密封，
不會(huì)形成永久泥餅，且與鉆井液和水泥漿均具有
良好的相容性，滲透率恢復(fù)率可以達(dá)到95％以上，
對(duì)地層不會(huì)造成傷害，該體系適用溫度可達(dá)204 oC
以上，對(duì)水質(zhì)要求低，在線(xiàn)混配密度可以達(dá)到2．2
g／cm3，該體系目前已在現(xiàn)場(chǎng)大量使用，應(yīng)用效果
良好。
中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院針對(duì)復(fù)雜
井眼條件下沖洗頂替效率低及油基鉆井液條件下界
面清洗等難題，開(kāi)發(fā)了隔離液懸浮穩(wěn)定劑、油基鉆
井液沖洗液、特色加重材料等，形成了DR高效沖
洗隔離液體系(含驅(qū)油型沖洗隔離液)。該體系密
度范圍為1．02～2．45 eCcm3，抗溫能力可達(dá)180℃，
克服了深井、長(zhǎng)封固段、小間隙及油基鉆井液沖洗
頂替效率低的難題，目前已在中國(guó)多個(gè)油田的高溫
深井、復(fù)雜天然氣井、儲(chǔ)氣庫(kù)、致密油氣及頁(yè)巖氣
水平井等成功應(yīng)用300多口井，應(yīng)用效果良好。
西南石油大學(xué)開(kāi)發(fā)出了可固化封堵型隔離液體
系，該體系密度調(diào)節(jié)范圍為1．2～2．5 g／cm3，適用
溫度為30～170℃，流動(dòng)性及高溫穩(wěn)定性好，與
鉆井液及水泥漿具有良好化學(xué)相容性，自身及混合
流體能固化，具有封堵提高地層承壓能力特點(diǎn)。
中海油服針對(duì)深水固井開(kāi)發(fā)了PC．LoS防套管
漲損隔離液體系，該體系在封閉條件下隨著溫度升
高壓力波動(dòng)幅度較小，具有防套管漲損的作用。
3 固井材料發(fā)展趨勢(shì)
在功能性固井工作液研究方面應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)以下
幾方面。①高溫大溫差水泥漿體系：循環(huán)溫度超過(guò)
120℃的高溫大溫差水泥漿體系、廣譜性大溫差緩
凝劑開(kāi)發(fā)及解決高溫水泥漿穩(wěn)定性問(wèn)題。②水泥石
長(zhǎng)期抗高溫問(wèn)題：稠油熱采井、地?zé)峋叹?、煤?
化井固井水泥石強(qiáng)度長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題。③水泥環(huán)彈
塑性改造研究：脆性改造材料、水泥漿評(píng)價(jià)裝置設(shè)
計(jì)與評(píng)價(jià)方法。④緊密堆積優(yōu)化水泥漿設(shè)計(jì)及技術(shù)
應(yīng)用研究：提高水泥石力學(xué)性能及穩(wěn)定性，提高水
泥漿防竄能力。⑤水泥石防收縮問(wèn)題及產(chǎn)生微裂縫
問(wèn)題研究：防止收縮的材料、長(zhǎng)期穩(wěn)定封隔技術(shù)、
自修復(fù)體系研究。⑥抗鹽水泥漿體系深入研究：高
溫抗鹽水泥漿、低溫抗鹽水泥漿。⑦水泥漿體系及
性能完善：AMPS類(lèi)水泥漿、膠乳水泥漿及彈塑性
水泥漿等。⑧超高溫固井前置液體系：重點(diǎn)解決溫
度超過(guò)1 80℃的高溫前置液綜合性能差的難題。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
6 鉆井液與完并液2016年7月
4 結(jié)論
1．近年來(lái)中國(guó)在固井水泥外加劑、外摻料及
固井工作液體系研發(fā)及應(yīng)用方面雖然取得了很大進(jìn)
步，但是在保證“深(深層)、低(低壓、低滲透、
低豐度)、海(海洋)、非(非常規(guī)儲(chǔ)層)”等復(fù)雜
井固井長(zhǎng)期密封性能方面仍有一定距離，與國(guó)外相
比，固井材料精細(xì)化、系列化程度不夠，特色固井
材料及水泥漿體系研究相對(duì)落后于國(guó)外。
2．中國(guó)在固井材料研發(fā)方面應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)水泥石
彈塑性改造功能材料、大溫差水泥漿外加劑、降低
水泥石收縮材料、提高水泥石強(qiáng)度材料、自修復(fù)材
料、非水泥基膠凝材料及防腐蝕材料等的攻關(guān)力度。
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