油井水泥中低溫早強(qiáng)劑BZC-1S的室內(nèi)研究

齊奔，付家文，劉文明，于倩倩（渤海鉆探第二固井公司，天津　300280）

油井水泥中低溫早強(qiáng)劑BZC-1S的室內(nèi)研究

齊奔，付家文，劉文明，于倩倩
（渤海鉆探第二固井公司，天津300280）

由于在低溫條件下，水泥漿因水化速度慢，候凝時(shí)間長，極易造成油、氣、水浸，導(dǎo)致水泥環(huán)不致密、固井質(zhì)量差等問題。本文研制了油井水泥中低溫早強(qiáng)劑BZC-1S，它是由無機(jī)鹽、有機(jī)鹽和有機(jī)酸復(fù)合而成。低溫早強(qiáng)促凝劑可在低溫30℃的情況下，常壓養(yǎng)護(hù)8 h抗壓強(qiáng)度超過4.5 MPa，24 h抗壓強(qiáng)度超過15 MPa；在低溫60℃的情況下常壓養(yǎng)護(hù)8 h抗壓強(qiáng)度超過17 MPa，24 h抗壓強(qiáng)度超過25 MPa；而且不影響體系綜合性能，具有顯著的早期促強(qiáng)效果，可應(yīng)用于多種水泥漿體系。

有機(jī)-無機(jī)復(fù)合；中低溫；早強(qiáng)劑；固井；水泥漿

在許多油區(qū)的勘探開發(fā)和以往的油井表層和技術(shù)套管的固井作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，中低溫固井越來越多。在低溫條件下，水泥漿水化速度慢、侯凝時(shí)間長，侯凝過程中易發(fā)生油氣水竄，而且水泥石早期強(qiáng)度低［1-4］。目前使用的水溶類低溫早強(qiáng)促凝劑主要為CaCl2，但存在加量超過4％時(shí)，會(huì)引起水泥漿閃凝，增加水泥漿的初始稠度，降低水泥石后期強(qiáng)度、增加水泥石滲透率和腐蝕套管等副作用；非水溶類以鋁氧熟料為主，與水泥灰混合不均勻易造成“灌香腸”等作業(yè)事故的隱患。具有早強(qiáng)促凝性質(zhì)的無機(jī)鹽主要有硫酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽和硅酸鹽等。具有早強(qiáng)促凝性質(zhì)的有機(jī)物主要有胺類、有機(jī)鹽和有機(jī)酸，單獨(dú)使用這些無機(jī)或者有機(jī)早強(qiáng)促凝劑，其效果不佳，達(dá)不到固井作業(yè)的要求。無機(jī)鹽類和有機(jī)類早強(qiáng)促凝劑復(fù)配使用，既可以增強(qiáng)其促強(qiáng)效果，而且有利于降低生產(chǎn)成本［5，6］。本文制備了一種無機(jī)-有機(jī)多元復(fù)合的早強(qiáng)促凝劑，其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品中不含氯離子，早強(qiáng)效果好，有一定的促凝作用，生產(chǎn)成本較低，是一類經(jīng)濟(jì)環(huán)保類固井外加劑材料。

1　作用機(jī)理

BZC-1S型早強(qiáng)劑由多種具有早強(qiáng)性能的無機(jī)物和有機(jī)物復(fù)配而成，與單獨(dú)的無機(jī)物或者有機(jī)物相比，具有明顯的早強(qiáng)作用，是一種灰白色的固體粉末。早強(qiáng)劑BZC-1S中的無機(jī)物與油井水泥中在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，使附著在水泥表面的Ca2+濃度下降而硅酸根離子濃度增加，從而大大加速了C3S礦物的早起水化速度。另一方面，BZC-1S中的有機(jī)物與油井水泥中的C3A礦物發(fā)生絡(luò)合，加速其的溶解，進(jìn)而加速水泥的水化速度，并且改善水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使之更加致密，滲透率降低。在整個(gè)水化過程中由于有大量的鈣礬石生成，導(dǎo)致水泥石體積發(fā)生微膨脹，有利于提高二界面膠結(jié)強(qiáng)度，防止水氣竄的發(fā)生，提高固井質(zhì)量。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1主要藥劑及儀器

主要材料：BZC-1S型早強(qiáng)劑；分散劑GF-1，JS-2為渤海鉆探第二固井公司產(chǎn)品、BXF-200L為天津中油渤星工程科技股份有限公司產(chǎn)品；G級(jí)水泥為山東華銀水泥廠產(chǎn)品。

主要儀器：常壓稠化儀、高溫高壓稠化儀、高溫高壓失水儀、密度儀、流動(dòng)度儀和電子壓力試驗(yàn)機(jī)。

3　結(jié)果與討論

3.1早強(qiáng)劑的制備

首先是早強(qiáng)劑配方的優(yōu)選，本文選擇了三種無機(jī)化合物，一種有機(jī)鹽和一種有機(jī)酸，通過調(diào)配他們的組分和不同的加量，來獲得水泥石的最大抗壓強(qiáng)度。從表1中可以看出，單純的采用三種無機(jī)化合物，水泥石抗壓強(qiáng)度僅僅為13.5 MPa，當(dāng)繼續(xù)引入有機(jī)鹽和有機(jī)酸后，水泥石的抗壓強(qiáng)度明顯增加，配方5可以取得最大的抗壓強(qiáng)度，即加入1％的無機(jī)物A，0.75％的無機(jī)物B，0.25％的有機(jī)鹽D和0.1％的有機(jī)酸E。在60°C下常壓養(yǎng)護(hù)8 h后，水泥石的抗壓強(qiáng)度達(dá)到17.8 MPa。按照早強(qiáng)劑5配方，經(jīng)過混配、研磨制備的早強(qiáng)劑，命名為BZC-1S。

表1　早強(qiáng)劑成份的優(yōu)選

表2　不同加量的早強(qiáng)劑BZC-1S抗壓強(qiáng)度

3.2早強(qiáng)劑BZC-1S對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響

將不同加量的BZC-1S加入到水泥漿中，分別在30°C和60°C下養(yǎng)護(hù)，測(cè)其8 h，24 h的抗壓強(qiáng)度。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著BZC-1S加量的增加，水泥石抗壓強(qiáng)度逐漸增大。在30°C時(shí)，當(dāng)BZC-1S的含量從0.5％增加到3％，水泥石的抗壓強(qiáng)度在8 h抗壓強(qiáng)度從2.1 MPa增加到4.7 MPa。在加量為3％時(shí)，24 h的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了15.6 MPa。在60°C時(shí)，當(dāng)BZC-1S的含量從0.5％增加到3％，水泥石的抗壓強(qiáng)度在8 h抗壓強(qiáng)度從14.1 MPa增加到18.2 MPa。在加量為3％時(shí)，24 h的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了26.9 MPa。從表2中的數(shù)據(jù)可知，添加BZC-1S早強(qiáng)劑后，水泥石的抗壓強(qiáng)度較水泥原漿有較明顯的增加，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)井底溫度選擇合適的早強(qiáng)劑加量。

3.3BZC-1S對(duì)水泥漿流動(dòng)度的影響

水泥漿流動(dòng)度是表示水泥漿體流動(dòng)性的一種重要參數(shù)，可以直觀的反映出水泥漿泵送的難易程度，對(duì)于不同加量的BZC-1S對(duì)水泥漿流動(dòng)度的影響（見圖1）。由圖1可知，隨著BZC-1S加量的增加，水泥漿的流動(dòng)性逐漸變差，這說明BZC-1S對(duì)水泥漿有一定的增稠作用。當(dāng)BZC-1S的加量為2％時(shí)，水泥漿的流動(dòng)度為21.5 cm，當(dāng)繼續(xù)增加BZC-1S的量至3％時(shí)，水泥漿的流動(dòng)度為19 cm。

3.4BZC-1S對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

圖1　不同含量的BZC-1S早強(qiáng)劑對(duì)水泥漿流動(dòng)性的影響

BZC-1S型早強(qiáng)劑在水泥漿稠化過程中具有縮短稠化時(shí)間的功能。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量在52°C條件下，不同加量的BZC-1S對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖2）。由圖2可以看出，水泥原漿的稠化時(shí)間為105 min，當(dāng)加入0.5％的BZC-1S后，水泥漿的稠化時(shí)間縮短到92 min，繼續(xù)增加BZC-1S的量到2％，水泥漿的稠化時(shí)間進(jìn)一步縮短到77 min。

圖2　不同含量的BZC-1S早強(qiáng)劑對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

從BZC-1S對(duì)水泥漿的抗壓強(qiáng)度、流動(dòng)性和水泥漿稠化時(shí)間的影響，以及經(jīng)濟(jì)的方面考慮，加入2％的BZC-1S效果最佳。

3.5BZC-1S在水泥漿體系中的性能

為了提高低溫條件下的固井質(zhì)量，縮短建井周期，不僅要求固井水泥漿在低溫條件下具有短候凝時(shí)間和較高的水泥石強(qiáng)度，而且水泥漿的綜合性能要較好。配方1#到配方4#分別為常規(guī)密度固體降失水劑和液體降失水劑體系以及低密度水泥漿體系，其綜合性能（見表3）。從表3中可以看到，BZC-1S對(duì)這些水泥漿體系均具有較好的綜合性能協(xié)調(diào)性，如對(duì)穩(wěn)定性、流變性及降失水量等無不良影響，而且可以提高水泥石的早期強(qiáng)度。

同時(shí)考察了BZC-1S在膠乳水泥漿體系中的應(yīng)用，水泥漿的初始稠度低于20Bc，稠化曲線較直，水泥漿體系無觸變性，而且可以實(shí)現(xiàn)直角稠化。水泥漿的稠化時(shí)間較不加膠乳會(huì)延長，膠乳也具有一定的緩凝作用。

表3 水泥漿的綜合性能

表4　膠乳水泥漿的綜合性能

膠乳水泥體系的綜合性能（見表4），從表4中看到，水泥漿的密度差和游離液均為0，而且水泥漿的失水較少。常規(guī)密度和低密度水泥石的抗壓強(qiáng)度為25.3 MPa和16.2 MPa。

4　結(jié)論

（1）BZC-1S是由無機(jī)鹽、有機(jī)鹽和有機(jī)酸復(fù)合而成的一種灰白色固體粉末早強(qiáng)劑，是一種具有低溫增強(qiáng)促凝、無氯的經(jīng)濟(jì)環(huán)保型的早強(qiáng)劑。在水泥漿中加入0.5％～2.0％的BZC-1S，基本不影響漿體的流變性能，而且可以改善水泥石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使水泥石更加致密。

（2）BZC-1S與其他添加劑配伍性好，在常規(guī)密度水泥漿和低密度水泥漿體系中加入BZC-1S，不影響體系的綜合性能，均具有顯著的早期促強(qiáng)效果。BZC-1S可以適用于固體降失水劑體系、液體降失水劑體系和膠乳體系水泥漿中。

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［3］魏霞，王松.低密度水泥漿體系的制備和室內(nèi)性能評(píng)價(jià)［J］.精細(xì)石油化工進(jìn)展，2011，12（12）：19-21.

［4］劉慶旺，徐衛(wèi)強(qiáng)，高亭松，等.新型油井水泥低溫早強(qiáng)劑QZ-1性能評(píng)價(jià)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（34）：8521-8523.

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Laboratory investigation of low and medium temperature early strength agent BZC-1S for oil well cement slurry

QI Ben，F(xiàn)U Jiawen，LIU Wenming，YU Qianqian
（No.2 Cement Company BHDC，Tianjin 300280，China）

As the cement slurry hydration speed was slow and setting time was relatively longer under low temperature，it was probably to result in oil，gas and water invasion，which result in bad annular cement bonding and poor cementing quality.In order to solve this problem，a new kind of low and medium temperature early strength agent BZC-1S was developed，which consist of inorganic salts，organic salts and organic acids.When BZC-1S addition amount is 2％，the strength of cementstones could added to more than 4.5 MPa in 8 h and 15 MPa in 24 h under 30℃under atmospheric pressure.Moreover，the strength of cementstones could added to more than 17 MPa in 8 h and 25 MPa in 24 h under 60℃.Low and medium temperature early strength agent BZC-1S is a kind of high-performance compound early strength agent，which can be used in general density and low density cement slurry and exhibited of excellent compatibility with other cement additives.

composites of organic and inorganic compounds；low and medium temperature；early strength agent；cementing；oil well cement slurry

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.01.017

TE256.6

A

1673-5285（2015）01-0062-04

2014－11－24

齊奔（1986-），工程師，博士，畢業(yè)于南開大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)在從事固井技術(shù)研究工作，郵箱：benqi2007@163.com。