超緩凝水泥漿體系研究與應(yīng)用

曹會蓮 齊志剛

（勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

膨脹管固井作業(yè)流程不同于常規(guī)注水泥施工，其施工過程是首先將膨脹套管和膨脹工具下至設(shè)計位置，然后注入水泥漿并頂替到位，最后進(jìn)行膨脹施工作業(yè)，整個施工過程通常長達(dá)8 h 以上。在井下溫度和壓力條件下，常規(guī)水泥漿處于靜止?fàn)顟B(tài)會很快發(fā)生水泥顆粒間的絮凝（膠凝）、沉降等現(xiàn)象，失去流動性。一旦水泥漿稠化，將不可能再進(jìn)行膨脹管的膨脹施工，從而造成整個施工作業(yè)失敗，甚至導(dǎo)致井眼報廢。為保證膨脹管完井施工的安全，使用的水泥漿體系必須具有水泥漿稠化時間長、直角稠化特征明顯、沉降穩(wěn)定性良好、失水低、流動性好等特點。針對膨脹管固井的要求，研發(fā)了一種新型超緩凝水泥漿體系，并對其穩(wěn)定性、流變性、稠化特性及綜合性能進(jìn)行了評價。

1 配方優(yōu)選

1.1 緩凝劑

體系采用自主研制的新型緩凝劑（CH88），該緩凝劑的核心組分為丙烯酸羥乙酯、乙烯基磺酸鹽和丙烯酸亞磷酸酯，通過單體及配比的優(yōu)選，合成的溫度、時間條件、引發(fā)劑加量的優(yōu)化，合成了高分子緩凝劑，其分子中含有多種易被水泥顆粒吸附、抑制水泥水化能力強(qiáng)的基團(tuán)（羥基、羧基和磷），分子與水泥顆粒之間的作用力大。新型緩凝劑（CH88）外觀為白色顆粒或粉末，無毒、無味、無腐蝕性，密度為1.05 g/cm3，性能穩(wěn)定，對水泥漿無增稠作用，干混、濕混均可，最高耐溫達(dá)170 ℃，與其他外加劑相容良好。

1.2 緩凝機(jī)理分析

新型緩凝劑CH88 含有羧基的聚合物，可通過化學(xué)吸附和螯合的協(xié)同作用機(jī)理起到緩凝作用。由于二元共聚物的吸附，使水泥顆粒表面的正常水化狀態(tài)受到干擾（畸變），抑制或部分抑制了水泥水化時氫氧化鈣的生成及晶核發(fā)育，使水泥的水化誘導(dǎo)期延長，達(dá)到緩凝目的；另外共聚物在水泥顆粒表面吸附，形成擴(kuò)散雙電層，使水泥顆粒表面帶電，抑制了水泥顆粒間的聚結(jié)，從而使那些不能相互聚結(jié)的水泥顆粒不能在水化反應(yīng)產(chǎn)物表面沉積，達(dá)到緩凝的目的；同時由于共聚物分子中含有較多的羧基，具有較強(qiáng)的金屬螯合能力，通過反應(yīng)和螯合作用產(chǎn)生穩(wěn)定的水溶性環(huán)狀結(jié)構(gòu)，包裹水泥顆粒，阻止或延緩水泥進(jìn)一步水化，延長水泥漿稠化時間。

1.3 其他外加劑的優(yōu)選

經(jīng)過大量實驗和科學(xué)論證，優(yōu)選出如下超緩凝水泥漿外加劑：新型水泥漿降失水劑WJ60S 為一種新型的高分子水解聚合物，可控制水泥漿的交聯(lián)形態(tài)和聚合分子量，能夠通過提高水相黏度和降低濾餅滲透率的雙重作用達(dá)到防沉降目的，使水泥漿的游離水接近于0，WJ60S 不參與水泥水化反應(yīng)，對水泥漿和水泥石沒有不良影響，具有很好的操作穩(wěn)定性；減阻劑CUSZ 是磺化醛酮縮合物，分散效果好，性能穩(wěn)定；消泡劑CX601 對各類水泥漿泡沫有良好的消泡和抑泡作用。

1.4 水泥漿體系配方設(shè)計

用勝濰G 級油井水泥、新型水泥漿降失水劑WJ60S、分散劑CUSZ、超緩凝劑CH88、消泡劑CX601 等，分別配制出密度1.6～1.9 g/cm3的超緩凝水泥漿（表1）。

表1 水泥漿配方

2 超緩凝水泥漿體系的性能評價

2.1 沉降穩(wěn)定性

沉降穩(wěn)定性是超緩凝水泥漿必須具備的性能。膨脹管固井施工過程中，水泥漿長時間靜止，尤其是在井底高溫高壓條件下，容易產(chǎn)生沉降，從而影響水泥環(huán)的封固質(zhì)量，甚至導(dǎo)致膨脹套管固井作業(yè)的失敗。提高漿體的穩(wěn)定性就是提高水泥漿的靜切力，同時保持一定的觸變性。

按照 API 標(biāo)準(zhǔn)，分別制備表1 中4 種水泥漿，在常壓稠化儀中攪拌 20 min 倒入 BP 穩(wěn)定性模具養(yǎng)護(hù)成型，脫模后切割成 6 塊，稱重計算各塊的密度。表2 為4 種配方水泥石養(yǎng)護(hù)后頂部到底部的密度，可以看出，各配方水泥漿的上下密度差均低于 0.05 g/cm3，水泥漿凝結(jié)過程中無游離液析出，說明水泥漿的沉降穩(wěn)定性良好，能夠滿足施工要求。

表2 4 種配方水泥石養(yǎng)護(hù)后密度

2.2 流變性

實驗選取的分散劑CUSZ 能解離出帶電的離子并吸附在水泥膠粒表面，使水泥漿體系的ξ 電位增加，穩(wěn)定時間延長。此外，陰離子吸附膜及氫鍵締合作用產(chǎn)生的水膜會阻礙水泥顆粒與水接觸，延緩水泥漿凝結(jié)。

利用旋轉(zhuǎn)黏度計測量水泥漿流變性，通過調(diào)整減阻劑CUSZ 的加量，改善水泥漿的流變性，判斷相應(yīng)的流變模型，確定流變參數(shù)（見表3）。

表3 水泥漿性能

由表3 可看出，各配方的流性指數(shù)、稠度系數(shù)均較低，能夠?qū)崿F(xiàn)低排量紊流頂替，有利于提高頂替效率，降低替漿泵壓，滿足固井施工的安全要求。

2.3 稠化特性

稠化時間直接關(guān)系到膨脹套管固井工藝的成敗，理想的稠化時間應(yīng)大于10 h。如果施工過程中水泥提前稠化，內(nèi)管工具和膨脹套管極有可能被固結(jié)在井下，導(dǎo)致油井報廢。因此，為了確保水泥漿達(dá)到理想的超緩凝性能，必須添加特殊的緩凝劑。圖1為75 ℃條件下2 種密度的超緩凝水泥漿稠化曲線，可以看出，2 種水泥漿稠化時間均超過10 h，完全能夠滿足膨脹管固井施工要求；在整個稠化過程中，超緩凝水泥漿體系稠度值比較低，稠度變化平穩(wěn)，后期呈現(xiàn)非常明顯的直角稠化特性，說明該體系不僅能保證膨脹管固井施工的安全順利，而且能有效防止施工過程中的氣竄現(xiàn)象，提高固井質(zhì)量。

圖1 不同密度超緩凝水泥漿稠化曲線

2.4 抗壓強(qiáng)度

在保證水泥漿稠化時間在10 h 以上，滿足膨脹作業(yè)有足夠的操作時間情況下，對水泥石的強(qiáng)度進(jìn)行了考察。按API 標(biāo)準(zhǔn)制作水泥試塊并測試其在不同養(yǎng)護(hù)時間下的水泥石強(qiáng)度，水泥石的養(yǎng)護(hù)條件為75 ℃、常壓。從表4 可以看出，4 種配方水泥石48 h 抗壓強(qiáng)度均在14 MPa 以上，滿足現(xiàn)場固井施工要求。

表4 水泥石抗壓強(qiáng)度實驗結(jié)果

3 現(xiàn)場應(yīng)用

超緩凝水泥漿體系已在勝利油田的林3 側(cè)更11、商23-側(cè)27 等多口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。以林3 側(cè)更11 井為例，該井最大井斜23°，鍛銑井段878～903 m，完鉆井深1 083 m。該井采用G 級水泥，水泥漿密度為1.82 g/cm3，流動度23 cm，稠化時間620 min（50 ℃、20 MPa），游離水為0。固井施工使用1.6 m3前置液，1.8 m3超緩凝水泥漿，0.3 m3壓塞液，排量350 L/min，施工順利。候凝48 h 測井，固井質(zhì)量優(yōu)良，表明該水泥漿體系能夠滿足膨脹管固井施工要求。

4 結(jié)論

（1）自主研制的新型緩凝劑（CH88），分子中含有多種易被水泥顆粒吸附、抑制水泥水化能力強(qiáng)的基團(tuán)（羥基、羧基、和磷），使水泥漿稠化時間超過10 h，并且具有良好的直角稠化特性，能夠滿足膨脹管固井施工要求。

（2）優(yōu)選的降失水劑WJ60S 能夠使超緩凝水泥漿在長期靜止的條件下，密度差低于 0.05 g/cm3，能夠保持良好的沉降穩(wěn)定性。

（3）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該水泥漿體系的流動性好，固井質(zhì)量優(yōu)良，能夠滿足膨脹管固井施工要求。

［1］ 岳家平，徐翔，李早元，等.高溫大溫差固井水泥漿體系研究［J］.鉆井液與完井液，2012，29（2）：59-62.

［1］ 席方柱，屈建省，呂光明，等.深水低溫固井水泥漿的研究［J］.石油鉆采工藝，2010，32（1）：40-44.

［2］ MOORE S, MILLER M, FAUL R, et al. Foam cementing applications on a deepwater subsalt well-case history［R］. SPE 59170, 2000.

［3］ EWERT D P, STETHEN W A. Cementing products and additives［J］. World Oil, 1997, 218（3）∶ 45-51.

［4］ 劉崇建，黃柏宗，徐同臺，等. 油氣井注水泥理論與應(yīng)用［M］. 北京：石油工業(yè)出版社，2001.

［5］ 姚曉.幾種油井水泥外加劑的作用機(jī)理［J］.油田化學(xué)，1993，3（10）：74-79.