摻生物膠固井水泥漿性能研究

孫洪波+馬春旭+劉孟慧+段志偉

【摘 要】分別使用黃原膠和溫倫膠兩種生物膠作為固井水泥漿的懸浮穩定劑，對配制的水泥漿進行了性能評價和研究。結果表明：隨著生物膠加量增加，水泥漿均出現下灰時間增加、YP值增大、強度降低、稠化時間延長，但是黃原膠水泥漿變化顯著，而溫倫膠水泥漿變化較小；黃原膠束縛自由水和抑制水泥漿沉降的能力較低，不適用于固井水泥漿的懸浮穩定劑；溫倫膠可以有效的束縛自由水和抑制水泥漿沉降，是比較理想的懸浮穩定劑。

【關鍵詞】固井；黃原膠；溫倫膠；水泥漿；懸浮穩定劑

【Abstract】Two kinds of biological adhesives， xanthan gum and welan gum， were used as suspension stabilizers of cementing slurry， and the performance of the cement slurry was evaluated and studied. The results show that： as well as the biological adhesives is increased in cement slurry， the mixing time increases， the YP value raises and the strength decreases， the thickening time increases， the slurry with xanthan gum has a significant change， and the slurry with welan gum changes a little. The capacity of xanthan gum to bind free water and prevent cement slurry sedimentation is low， it is not suitable for the suspension stabilizer of cement slurry. Welan gum can effectively bind free water and prevent cement slurry sedimentation， is an ideal suspension stabilizer.

【Key words】Well cementing； Xanthan gum； Welan gum； Suspension stabilizer； Cement slurry

懸浮穩定性是配制固井水泥漿的一個重要指標，可以有效保證水泥漿的層間穩定，從而保證水泥漿的稠化、失水、強度等基本性能的一致，進而保證固井施工質量。水泥漿不穩定往往造成水泥漿自由液過大（超過1%）或出現固體材料顯著沉降造成密度差，為了提高配制的水泥漿穩定性，一般加入懸浮穩定材料進行控制[1-2]。

生物膠可以通過自身在水泥漿中形成網絡結構，吸附周圍的水泥漿顆粒，控制顆粒運移，達到維持體系穩定的目的，其中最常用的生物膠是黃原膠和溫倫膠。黃原膠是由黃單胞菌產生的一種胞外多糖，其分子量在2×106～2×107之間，可大幅提高水的粘度，并且在強堿和多種鹽分環境下仍可保持粘度不變，廣泛應用于食品、石油、印染、紡織等領域。溫倫膠是由產堿桿菌發酵產生的胞外多糖，具有優良的觸變性、懸浮性、水溶性等流變性能，且具有卓越的穩定性，在食品、混凝土、石油等行業的應用前景廣泛[3-5]。

使用黃原膠和溫倫膠作為固井水泥漿的懸浮穩定劑，對配制的水泥漿進行性能測定與分析。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

油井“G”級水泥，由山東中昌水泥廠提供；降失水劑、消泡劑等固井添加劑以及黃原膠、溫倫膠，由天津中海油服化學有限公司提供。

1.2 實驗儀器

OWC-9360型水泥漿恒速攪拌器（沈陽航空航天大學應用技術研究院）；YYM型壓力密度計；OWC-9350型常壓稠化儀（沈陽航空航天大學應用技術研究院）；3530型自動粘度計（美國CHANDLER公司）；OWC-9710型失水儀（沈陽航空航天大學應用技術研究院）；8140D10型增壓稠化儀（美國CHANDLER公司）； OWC-118型常壓養護箱（沈陽航空航天大學應用技術研究院）；M5500型運動粘度測定儀（美國Grace公司）；BP沉降管（沈陽航空航天大學應用技術研究院）。

1.3 實驗方法

水泥漿按照API 10B-2“Recommended Practice for Testing Well Cements”的規定進行配制與測試[6]。

水泥漿基礎配方為：

2 實驗結果與討論

2.1 生物膠水泥漿下灰速度測定

按照表1比例進行水泥漿的配制，淡水、消泡劑、聚合物降失水劑混合均勻后，使混合液保持2000r/min，緩慢加入定量生物膠，加入完畢后，保持攪拌20min，再將攪拌速度提高至4000r/min，按照API 10B-2規范加入油井水泥進行攪拌。從水泥下灰開始計時，到全部攪拌完成至漿體中心呈現旋渦狀的時間，為下灰時間。分別對不同加量生物膠的下灰時間進行記錄：

由下灰時間可以看出，0.05%加量時，黃原膠與溫倫膠的下灰時間相差不多；溫倫膠隨加量增大下灰時間有規律的增加，均維持在60s之內，可以保證現場施工混漿的順利完成；黃原膠隨加量增大，下灰時間增大很快，加量大于0.15%已經很難混漿。

2.2 生物膠水泥漿流變性測定

按照表1進行水泥漿的配制，使用自動粘度計進行水泥漿流變的測定。分別記錄不同水泥漿配方的流變讀數，并進行動切力YP值計算。endprint

由表2可以看出，加量0.05%時，黃原膠水泥漿比溫倫膠水泥漿YP小；隨著溫倫膠加量增大YP值有規律的增加，具有良好的流動性；隨著黃原膠加量增大，YP變化較明顯，增稠顯著。

并且，黃原膠配制的水泥漿經過20min養護后，可以看到顯著的結渣現象，如圖2所示，表明黃原膠在配制過程中，水泥顆粒吸附在其表面，形成的更大的顆粒，不利于固井水泥漿的性能發展。與此對應，溫倫膠配制的水泥漿表觀流動狀態良好，沒有出現聚集成碎渣的情況。

2.3 生物膠水泥漿強度性能測定

按照表1進行水泥漿的配制，在70℃條件下使用常壓養護箱養護24h，養護完畢后進行強度測定。分別記錄不同水泥漿配方的強度數據。

由表3可以看出，黃原膠配制的水泥漿強度均低于溫倫膠配制的水泥漿強度；水泥漿強度隨黃原膠加量增大下降很快，0.2%時已經顯示沒有強度；水泥漿強度隨溫倫膠加量增大稍有下降，但下降不大，仍可大于7MPa，可以滿足固井的需求。

2.4 生物膠水泥漿稠化性能測定

按照表1進行水泥漿的配制，在50℃條件下使用增壓養護釜進行稠化時間的測定。分別記錄不同水泥漿配方的稠化數據。

由圖3可以看出，黃原膠配制的水泥漿稠化時間顯著高于溫倫膠配制的水泥漿；水泥漿稠化時間隨黃原膠加量增大而增加明顯；水泥漿稠化時間隨溫倫膠加量增大稍有增加，但增加不多，表明溫倫膠對水泥漿的稠化時間影響不大。圖4是0.1%加量溫倫膠配制的水泥漿的稠化曲線，稠化性能良好。

2.5 生物膠水泥漿懸浮穩定性能測定

按照表1進行水泥漿配制，在50℃條件下使用250mL量筒進行自由液測定，使用BP沉降管進行穩定性的測定。分別記錄不同水泥漿配方的自由液數據及BP水泥石的上下密度差。

由表4可以看出，黃原膠配制的水泥漿自由液顯著，并且隨著黃原膠加量增大，并未顯著降低，結合2.1中下灰速度等，再進行加量增大已經沒有意義，同時由于自由水過多，造成BP沉降管制成的水泥石出現嚴重的分層，頂部沒有強度，因此無法進行密度差的計算；而溫倫膠配制的水泥漿自由液很少，隨著加量增大，自由液逐步減少0，在上述水泥漿中，加量大于0.1%可以將自由液控制在1.5%以下，可以用于固井作業，且BP沉降管制成的水泥石上下密度差小，可以保證水泥漿的穩定性。

3 結論

1）隨著生物膠加量增大，水泥漿下灰時間增加、YP值增大、強度降低、稠化時間延長，黃原膠的變化明顯，而溫倫膠的變化不顯著，表明溫倫膠更適用于固井水泥漿的配制。

2）黃原膠在水泥漿中束縛自由水的能力較低，也無法有效抑制水泥漿的沉降，不適用于固井水泥漿的懸浮穩定劑。

3）溫倫膠可以有效的控制自由水，抑制水泥漿沉降，具有良好的懸浮穩定性，可以用作固井水泥漿的懸浮穩定劑。

【參考文獻】

[1]張清，徐明，鐘福海，等.高溫懸浮穩定劑DRY-S2的研究及應用[J].鉆井液與完井液.2013（03）.

[2]張浩，李厚銘，符軍放，等.固井用懸浮穩定劑SS-10L的研究應用[J].科學技術與工程，2012，15（3）：212-214.

[3]蘇勝，左彥峰，王棟民.摻生物膠自密實混凝土強度的試驗研究[J].混凝土， 2091（7）：15-16.

[4]吉武科，趙雙枝，嚴希海，等.韋蘭膠與黃原膠流變性比較研究[J].化學與生物工程，2011，28（10）：50-56.

[5]郭建軍，李建科，陳芳，等.黃原膠和韋蘭膠混膠黏度的影響因素研究[J].食品科學.2007，28（10）：96-99.

[責任編輯：朱麗娜]endprint