適用于硅質(zhì)材料減輕水泥漿的緩凝劑研究

張 浩，崔 策，龔 勇，溫達(dá)洋，馮穎韜，陳 宇，汪 蕾

（1.中海油服油田化學(xué)研究院，河北三河 065201；2.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部深圳作業(yè)公司，廣東深圳 518000）

在油田固井施工中，為應(yīng)對(duì)易漏失地層和低壓力梯度地層，常使用低密度水泥漿體系，以降低水泥漿靜液柱壓力，防止水泥漿漏失和儲(chǔ)層污染，保護(hù)油氣層，并在較低的泵壓下獲得較好的固井質(zhì)量[1]。用以構(gòu)建低密度水泥漿的方式有兩種，一種為在水泥漿中加入低密度減輕劑，如漂珠、人造空心玻璃微珠等，但這種構(gòu)建方式成本昂貴，在表層固井等替漿量大的場(chǎng)合，常以另一種大水灰比的方式成漿[2]，并加入膨潤(rùn)土、水玻璃、微硅、納米硅等材料作為懸浮劑保證水泥漿穩(wěn)定[1-3]。在固井實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)水泥漿常出現(xiàn)稠化“包心”、“鼓包”、“臺(tái)階”等異常膠凝現(xiàn)象[4]。尤其是在以水玻璃、納米硅等硅質(zhì)材料為減輕劑時(shí)，當(dāng)溫度大于50 ℃，由于大水灰比水泥漿本身穩(wěn)定性較差，加之溫度升高引起的水泥顆粒熱運(yùn)動(dòng)加劇，此類(lèi)異常膠凝現(xiàn)象更是頻繁發(fā)生，嚴(yán)重制約了此類(lèi)水泥漿體系的使用。本文以小分子羧酸鹽為緩凝組分，研發(fā)了一種適用于以硅質(zhì)材料為減輕劑的低密度水泥漿緩凝劑C-R23L，可以較好地解決上述問(wèn)題，且水泥漿綜合性能良好。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

山東G級(jí)油井水泥，其組成（見(jiàn)表1），物理性能指標(biāo)（見(jiàn)表2）、油井水泥降失水劑C-FL86L（AMPS聚合物類(lèi)）、液體減輕劑C-P81L（硅質(zhì)材料減輕劑）、CP70L（硅質(zhì)材料減輕劑）、緩凝劑C-R23L（自制）、緩凝劑C-R21L（有機(jī)膦酸鹽類(lèi)）、緩凝劑C-R42L（聚合物類(lèi)）、硅粉C-C83、防竄增強(qiáng)劑C-GS12L、消泡劑C-DF60L，以上外加劑均產(chǎn)自天津中海油服化學(xué)有限公司。

表1 G級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥的化學(xué)及礦物組成 單位：%

表2 G級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥的物理性能指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

OWC-9360攪拌器、Chandler 3500旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、OWC-9350A常壓稠化儀、OWC-9710H高溫高壓失水儀、OWC-118D循環(huán)水養(yǎng)護(hù)箱、YJ-2001型抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、OWC-9480D高溫高壓稠化儀、Chandler 5265U水泥靜膠凝強(qiáng)度測(cè)試儀。

1.3 緩凝劑C-R23L的制備

稱(chēng)取9 g的小分子羧酸鹽A和85 g去離子水置于帶有機(jī)械攪拌、溫度計(jì)的四口燒瓶中，升溫至60 ℃，攪拌30 min，待其完全溶解后，再稱(chēng)取3 g的小分子羧酸鹽B，加至四口燒瓶中，維持溫度在60 ℃，繼續(xù)攪拌30 min，待其完全溶解后，繼續(xù)恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)2 h，隨后加入15 g乙二醇，繼續(xù)攪拌30 min，所得溶液即為緩凝劑C-R23L樣品。所述樣品用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)性能評(píng)價(jià)。

1.4 測(cè)試方法

水泥漿的制備及性能測(cè)試按API 10B RP中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩凝劑的緩凝性能

在使用硅質(zhì)材料為減輕劑時(shí)的低密度水泥漿中，采用現(xiàn)有的有機(jī)膦酸鹽或聚合物類(lèi)緩凝劑（C-R21L或C-R42L），在溫度大于50 ℃時(shí)，常出現(xiàn)“包心”、“鼓包”、“臺(tái)階”等異常膠凝現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖1）。由于固井水泥漿是一個(gè)復(fù)雜的多元體系，而大水灰比的低密度水泥漿本身穩(wěn)定性較差，溫度的上升又引起了水泥顆粒熱運(yùn)動(dòng)的加劇，同時(shí)，不同外加劑分子在水泥顆粒上的吸附能力不同，這些都可能是造成目前現(xiàn)有緩凝劑在以硅質(zhì)材料為減輕劑的低密度水泥漿中難以使用的原因[3]。因此，有必要研究與此類(lèi)水泥漿配伍性良好的緩凝劑，避免此類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生。

以小分子羧酸鹽為主要成分的緩凝劑C-R23L，在以硅質(zhì)材料為減輕劑的低密度水泥漿中可以較好地解決上述異常膠凝問(wèn)題。在30～130 ℃進(jìn)行不同溫度下的稠化實(shí)驗(yàn)，水泥漿配方及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

圖1 緩凝劑不配伍時(shí)水泥漿稠化性能實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的異常膠凝現(xiàn)象

水泥漿配方：山東G級(jí)油井水泥100%+C-FL86L 6%+C-P81L 15%+C-DF60L 0.5%+C-R23L x%+自配海水，1.5 g/cm3（30～90 ℃）；

山東G級(jí)油井水泥100%+C-C83 35%+C-FL86L 10%+C-P81L 20%+C-DF60L 0.7%+C-R23L x%+自配海水，1.5 g/cm3（110～130 ℃）。

將表3中實(shí)驗(yàn)結(jié)果按照緩凝劑加量與稠化時(shí)間的相關(guān)性作圖（見(jiàn)圖2）。

從表3及圖2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在以硅質(zhì)材料為減輕劑的大水灰比低密度水泥漿中，采用緩凝劑C-R23L，在30～130 ℃溫度范圍內(nèi)，水泥漿稠化時(shí)間隨著緩凝劑加量增大而延長(zhǎng)，水泥漿稠化規(guī)律良好，同一加量下，隨溫度升高，稠化時(shí)間縮短，未出現(xiàn)稠化時(shí)間隨溫度升高而發(fā)生的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。其中，50～130 ℃的典型稠化曲線(xiàn)（見(jiàn)圖3）。

表3 采用C-R23L作為緩凝劑時(shí)的水泥漿稠化時(shí)間

圖2 采用C-R23L作為緩凝劑時(shí)的水泥漿稠化時(shí)間

從圖3可以看出，當(dāng)溫度大于50 ℃時(shí)，水泥漿稠化曲線(xiàn)平穩(wěn)正常，未發(fā)生“包心”、“鼓包”、“臺(tái)階”等異常膠凝現(xiàn)象。說(shuō)明C-R23L在以硅質(zhì)材料為減輕劑的大水灰比低密度水泥漿中性能良好，在延長(zhǎng)稠化時(shí)間的同時(shí)，有效避免了稠化曲線(xiàn)“包心”、“鼓包”、“臺(tái)階”等異?，F(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 流變性能

緩凝劑通常具有一定的分散作用，對(duì)于保持低密度水泥漿的穩(wěn)定性不利，為此，在不同溫度下考察了加入新型緩凝劑前后的水泥漿流變性能及沉降穩(wěn)定性，水泥漿配方及實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表4）。

圖3 采用C-R23L作為緩凝劑時(shí)的水泥漿稠化曲線(xiàn)

表4 采用C-R23L為緩凝劑時(shí)的水泥漿流變性能

水泥漿配方：山東G級(jí)油井水泥100%+C-FL86L 6%+C-P81L 15%+C-DF60L 0.5%+C-R23L x%+自配海水，1.5 g/cm3。

從表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在25 ℃、90 ℃時(shí)，加入緩凝劑前后，水泥漿的流變變化不大，水泥漿沉降穩(wěn)定性良好，上下密度差為0.01，說(shuō)明緩凝劑對(duì)水泥漿的流變性能及穩(wěn)定性影響不大。

2.3 其他常規(guī)性能

分別考察了加入緩凝劑后，不同溫度下的水泥石強(qiáng)度發(fā)展、失水等性能，水泥漿配方及結(jié)果（見(jiàn)表5）。

水泥漿配方1：山東G級(jí)油井水泥100%+CFL86L 6%+C-P81L 15%+C-DF60L 0.5%+C-R23L 1.75%+自配海水，1.5 g/cm3（30 ℃、50 ℃）；

水泥漿配方2：山東G級(jí)油井水泥100%+C-FL86L 6%+C-P81L 15%+C-DF60L 0.5%+C-R23L 1.75%+CGS12L 8%+自配海水，1.5 g/cm3（70 ℃、90 ℃）；

水泥漿配方3：山東G級(jí)油井水泥100 %+C-C83 35%+C-FL86L 10%+C-P81L 20%+C-DF60L 0.7%+CR23L 2%+C-GS12L 8%+自配海水，1.5 g/cm3（110 ℃、130 ℃）。

從表5可以看出，加入緩凝劑C-R23L所配制的水泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，隨溫度上升，水泥石抗壓強(qiáng)度增加，在70 ℃、90 ℃時(shí)略有下降，在110 ℃、130 ℃時(shí)有所上升，各實(shí)驗(yàn)溫度下水泥石強(qiáng)度均大于3.5 MPa。同時(shí)，水泥漿降失水作用良好，各溫度下的水泥漿失水均小于100 mL。

表5 采用C-R23L為緩凝劑時(shí)的水泥漿性能

2.4 緩凝機(jī)理初探

C-R23L中的小分子羧酸含有大量的羧基，具有極強(qiáng)的電負(fù)性，同時(shí)，小分子羧酸的空間結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，具備較小的空間位阻，與有機(jī)膦酸鹽或羧酸鹽類(lèi)緩凝劑相比，可更為有效的提高與水泥顆粒的配位性，通過(guò)與鈣離子（Ca2+）的結(jié)合抑制Ca（OH）2的結(jié)晶和晶核的生長(zhǎng)，以此來(lái)有效延緩水泥水化的進(jìn)程，延緩水泥水化的誘導(dǎo)期、減少以硅質(zhì)材料為減輕劑時(shí)的低密度水泥漿稠度異常上升造成的“包心”、“鼓包”、“臺(tái)階”等異常膠凝現(xiàn)象，并有效延長(zhǎng)水泥漿稠化時(shí)間。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

C-R23L在南海東部某區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。所用水泥漿體系為含硅質(zhì)材料減輕劑的大水灰比低密度水泥漿，密度為1.55 g/cm3，應(yīng)用于某大位移井的技術(shù)套管首漿施工，施工段井底靜止溫度為96 ℃、循環(huán)溫度為78 ℃，井底壓力為25.4 MPa。水泥漿初始稠度為15 Bc，稠化時(shí)間為156 min，稠化曲線(xiàn)正常，無(wú)異常膠凝現(xiàn)象發(fā)生，所使用的水泥漿配方如下：

水泥漿配方：山東G級(jí)油井水泥100%+C-FL86L 6%+C-P81L 8%+C-DF60L 0.5%+C-R23L 1.75%+CGS12L 8%+C-GS13L 6 %+海水。

施工過(guò)程中，水泥漿下灰順利，可泵性好，密度控制較均勻，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，無(wú)漏失現(xiàn)象。72 h聲波變密度測(cè)井固井質(zhì)量為良好。說(shuō)明C-R23L滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工的需要，可以適用于以硅質(zhì)材料為減輕劑的大水灰比水泥漿體系溫度大于50 ℃時(shí)的施工。

4 結(jié)論

（1）研制了一種適用于以硅質(zhì)材料為減輕劑的低密度水泥漿緩凝劑C-R23L，在溫度大于50 ℃時(shí)，可有效避免產(chǎn)生此類(lèi)水泥漿發(fā)生的“包心”、“鼓包”、“臺(tái)階”等異常膠凝現(xiàn)象，極大拓寬此類(lèi)水泥漿的溫度應(yīng)用范圍。

（2）相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在溫度30～130 ℃范圍內(nèi)，采用C-R23L所配制的此類(lèi)低密度水泥漿，稠化時(shí)間規(guī)律性?xún)?yōu)良，無(wú)稠化時(shí)間反轉(zhuǎn)等現(xiàn)象出現(xiàn)。加量與稠化時(shí)間有較好的線(xiàn)性關(guān)系，稠化時(shí)間容易調(diào)節(jié)，水泥漿流變、失水、強(qiáng)度各項(xiàng)性能指標(biāo)良好?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)結(jié)果說(shuō)明可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)固井施工需求。