一種酸溶水泥溶解促進劑

李秀妹，王野，任強，王綺，羅文麗，馬駿，楊豫杭，余大洲

（1.渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，河北任丘 062552；2.渤海鉆探第四鉆井工程分公司，河北任丘 062552）

在鉆完井及修井作業過程中，儲層易發生漏失。在處理發生在目的層的漏失時，采用可酸溶凝固型堵漏材料是一種很好的解決辦法[1-5]。當目的層發生裂縫及溶洞型嚴重漏失時，通常采用酸溶水泥堵漏，該水泥像普通水泥一樣，在一定的溫度下可以凝結，對漏層形成有效封隔，并且在后期作業中可以酸化解除，不會對產層造成污染。隋躍華[6]等人將該技術應用于勝利油田CB244井，解決了該井嚴重的裂縫性漏失，并獲得了700 t/d的高產油流，成效顯著。目前的酸溶水泥技術還不太成熟，以水泥等膠凝材料附加碳酸鹽為主，有的酸溶率較低，不足90%[7-8]，有的酸溶率可達95%以上，但酸溶所需時間較長，室內評價溶解時間大于1.5 h[10]，不能很好地滿足現場需要。此外，鎂氧水泥由于其高酸溶的特性，在油水井堵漏中也有應用，但由于鎂氧水泥屬氣硬性材料，在水熱環境中隨溫度的增加，抗壓強度有明顯衰減，致使其應用受到限制[11]。通過對影響酸溶率的主要因素碳酸鹽加量及細度的分析發現，酸溶率達到90%以后，很難進一步得到提升。針對這一問題，研發了一種溶解促進劑，在水泥石形成初期，預留下溶蝕孔洞，加快酸液侵入試塊的速度[10-12]。

1 實驗材料和儀器

實驗材料為G級油井水泥，325目（0.043 mm）、600目（0.025 mm）、1200目（5 μm）碳酸鹽（市售），溶解促進劑（自制），15%鹽酸。

實驗儀器為瓦楞攪拌器、雙溫強度養護箱；德國Toni的抗壓強度試驗機；日本HORIBA-920C型激光粒度儀。

2 室內研究

2.1 碳酸鹽加量對酸溶率及酸溶速率的影響

G級水泥為水化凝結類無機物，凝結后為堵漏漿體提供足夠的強度，具有85%以上的酸溶率，但凝結物經酸溶解后表面易形成鈍化膜，阻礙酸液進一步溶蝕，酸溶速率較低。碳酸鹽在酸液中溶解速度快，對酸溶水泥的溶解起到決定性作用，考察了碳酸鹽加量對酸溶率的影響。將G級水泥和600目的碳酸鹽在不同加量下與水充分混合，倒入強度養護模塊中，在60 ℃、0.1 MPa下養護24 h，養護完畢后進行酸溶率測試，將試塊制成2 cm×1 cm×1 cm的長方體，稱重，然后放入15%的鹽酸中溶解，將未溶解的固體用濾紙過濾，烘干并稱重，2次質量差與初始小長方體質量之比即為酸溶率，實驗結果見圖1。

圖1 酸溶材料加量對酸溶率的影響

由圖1可知，前10 min試塊的酸溶速率較快，酸溶率比較接近，反應10 min以后，酸溶率出現了差異化，碳酸鹽加量越多酸溶率越大，加量達到60%，酸溶率接近80%，需進一步提高加量，才能得到更好的酸溶效果。

2.2 碳酸鹽細度對酸溶率及酸溶速率的影響

碳酸鹽加量直接影響水泥石的酸溶率，而細度會影響到水泥石的致密性，也會對酸溶率產生影響。G級水泥和不同粒徑碳酸鹽粒徑分布見表1，碳酸鹽細度對酸溶率的影響見圖2。

表1 不同材料粒徑分布表

圖2 碳酸鹽粒徑對酸溶率的影響

由圖2可知，碳酸鹽粒徑為325目時，水泥石的酸溶率和酸溶速率都最大。與G級水泥相比，600目和1200目碳酸鹽粒徑較小，形成了致密的水泥石結構，酸液侵蝕速度慢；325目碳酸鹽與G級水泥粒徑較接近，且粒徑分布較寬，甚至有部分粒徑超過了G級水泥顆粒的大小，形成的水泥石結構松散，孔隙較大，利于酸液的侵蝕，由此可知，粒度較大的碳酸鹽有利于提高酸溶率。

進一步提高碳酸鹽加量及粒徑，在60 ℃、0.1 MPa下養護24 h，進行了酸溶率和抗壓強度的測定，見表2。從表2數據可知，200～325目碳酸鹽用量增大，酸溶率提高到90%以上，但增長不大，加量超過80%，強度有下降趨勢；加有粒徑為100目碳酸鹽的水泥石，酸溶率達到93%以上，但酸溶率很難達到95%，且抗壓強度較前兩者下降明顯。通過這一系列的分析得到，在保證抗壓強度的前提下，碳酸鹽加量應小于80%，粒徑以200～325目適宜。

表2 碳酸鹽加量對水泥漿的酸溶率和抗壓強度

2.3 溶解促進劑的研究

為了進一步提高水泥石的酸溶率，研發了一種外加劑，在堿性條件及一定溫度下能夠自身分解，在水泥水化過程中，能夠緩慢、穩定地產生細小均勻的氣泡，在水泥基體上預留下溶蝕孔洞，增大酸液與水泥接觸面積，促進水泥石溶解。

2.3.1 主原料的選擇

選用可以發氣的產品作為促進劑的主原料，對常用的幾類發氣劑進行了考察，見表3。由表3可以看出，表面活性劑類發泡劑產生的氣泡大、穩定性差，無機發泡劑一般需要在較高的溫度下才能發泡，都不適合作為酸溶促進劑使用，最終選擇有機類發泡劑。

表3 常見發氣劑性能分析

有機大分子中C原子的數量直接影響到促進劑在水泥漿中分解的溫度與速度。以加入發泡劑后水泥石的線性增長率作為發氣的評價依據進行實驗，結果見表4。可以看出，C原子數在12～18之間的化合物在水泥漿中的發氣性能較好，溫度高于40 ℃開始發氣，高于70 ℃發氣量趨于穩定，發氣量大，基本可以滿足要求。

表4 促進劑主原料的選擇

2.3.2 穩定劑的選擇

在實驗過程中發現，加入發氣劑后，水泥石抗壓強度隨著溫度的升高而降低，在脫模的試塊中可以看到溫度高于70 ℃后，試塊中氣泡大且較為密集（見圖3）。這可能是因為溫度升高后，氣體產生的速度較快，部分氣體在水泥漿中聚集，使氣泡不均勻，從而使強度降低。為了抑制氣體的聚集，需要加入一種穩定劑，使氣體在水泥漿中均勻分散，不對強度產生太大的影響。優選了含有磺酸根的飽和烷烴作為穩定劑。從表5中使用穩定劑前后的抗壓強度對比結果可以看出，加入穩定劑后，氣體對強度的影響較小，隨著溫度升高，強度增大。從圖3中也可以看出，使用穩定劑后產生的氣泡細小、均勻，不再存在氣泡聚集的現象。

表5 穩定劑使用前后抗壓強度的對比

圖3 加入穩定劑前（左）后（右）的強度試塊

2.3.3 溶解促進劑對酸溶水泥性能的影響

在碳酸鹽加量為80%的條件下，測定了促進劑對水泥石強度及酸溶率的影響，結果見表6。對加有促進劑的酸溶水泥在不同時間下的酸溶率進行了測定，見圖4。

表6 溶解促進劑加量對酸溶水泥性能的影響（70 ℃、24 h）

圖4 溶解促進劑加量對酸溶率的影響

由表6可知，促進劑對提高水泥石的酸溶率效果明顯，隨著用量增大，酸溶率明顯增大，可以提高到95%以上，但由于水泥中酸不溶物的存在，無法達到100%。促進劑用量過大，會使水泥石抗壓強度降低，建議加量不超過0.3%。從圖4反應初期曲線的斜率可以看出，酸溶反應速度快，30 min時酸溶率約96%，基本接近溶解終點，促進作用明顯。

3 現場應用

蘇1K-1X井是華北油田蘇橋儲氣庫群蘇1儲氣庫的一口注采井，設計井深為4094.98 m。鉆進至井深3977 m發現鉆時加快，觀察液面發生井漏，漏速為4.2 m3/h，繼續鉆進至井深3981 m漏速加大至11.4 m3/h，共漏失鉆井液22.8 m3。后鉆進至井深3987.58 m，快鉆0.4 m，突然放空0.3 m，至井深3988.28 m，井下再次出現漏失，井口失返。多次采用酸溶水泥漿堵漏均告失敗。根據漏失情況判斷井下為大裂縫或溶洞漏失，為了解決這一問題，同時減小對儲層的污染，決定采用酸溶水泥堵漏。

為了保證堵漏漿能夠準確地停在洞口，優化堵漏工藝，根據地層平衡壓力精確計算堵漏漿和頂替液的用量，使漿體通過自重漏入地層，形成封隔半徑后，停在洞口；優化漿體性能，計算施工時間約為80 min，通過調節緩凝劑加量，使稠化時間控制在150～200 min，既保證了施工安全，又確保漿體到達漏層后可以快速凝結，形成有效封隔。現場水泥漿配方如下。

酸溶水泥+3% 降失水劑ZJ-5+0.2% 緩凝劑ZH-2+0.3%酸溶促進劑+0.1%消泡劑XP-1，油水比為0.5

水泥漿密度為1.80 g/cm3，稠化時間為182 min，濾失量為68 mL，24 h抗壓強度為6.9 MPa，酸溶率為96.5%。該次堵漏施工一次成功，很好地解決了惡性漏失，同時對儲層起到了很好地保護作用。

4 結論

1.通過對影響酸溶率的主要因素的評價分析發現，優化碳酸鹽加量及細度可以使酸溶率大于90%，但很難提高到95%以上。

2.研發了一種溶解促進劑，可以分解產生細小的氣體，均勻地分散在水泥漿中，增大酸液與水泥石接觸面積，加快水泥石溶解。

3.使用溶解促進劑后，酸溶率及酸溶速率得到了明顯提高，室內評價30 min酸溶率可達96%以上。經現場試驗檢驗，該套水泥漿體系性能易于調節，不僅解決了惡性漏失的難題，又保護了儲層。