固井用低密度水泥漿觸變劑TA的實驗研究

張浩　馬小康　馮穎韜

【摘 要】觸變水泥常用在油氣井固井防止氣竄、堵漏和擠水泥的作業中。通過有機、無機觸變組分的研選復配，得到了一種適用于固井低密度水泥漿體系的觸變劑TA，分析討論了所得觸變劑TA的觸變性能，以及對低密度水泥漿體系的主要性能，如稠化時間、抗壓強度的影響，結果表明，加入觸變劑TA的低密度水泥漿性能可滿足固井施工需求，并具備較好的觸變性能。

【關鍵詞】固井;觸變水泥;低密度水泥漿

中圖分類號： TE256.6文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）28-0194-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.089

【Abstract】Thixotropic cement system was commonly used in oil and gas well cementing to prevent gas migration， circulation lost and squeeze cementing. According the combination of organic and inorganic thixotropic components， a thixotropic agent TA suitable for low-density cement slurry was obtained. The thixotropic properties of the obtained thixotropic agent TA were analyzed， besides， the properties of the low cement slurry with TA， such as the thickening time and compressive strength were also investigated. The results show that the slurry properties with TA can meet the field cementing requirements and exhibit good thixotropic properties.

【Key words】Cementing; Thixotropic cement system; Low density cement slurry

0 引言

觸變性是指流體受到剪切時粘度變小，停止剪切時稠度又增加的性質。觸變性是一種可逆的溶膠現象，代表流體粘度對時間的依賴性[1]。在普通硅酸鹽水泥中加入觸變劑，可使水泥漿具有觸變性：在混合和頂替過程中，水泥漿較稀，流變性較好，泵送停止后，迅速形成具有剛性，能自身支撐的剛性結構，水泥漿迅速增稠。觸變水泥是解決井漏、氣竄的重要手段之一[2-4]，已在全世界范圍內獲得廣泛應用。目前大部份對觸變劑的研究均在常規密度（1.90S.G）水泥漿中進行，但水泥漿密度對流變性及觸變性影響較大，很多觸變劑在低密度水泥漿中的性能表現不佳。本文通過對有機、無機觸變組分的研選復配，得到一種適用于低密度水泥漿的觸變劑TA，具有觸變性強、過渡時間短、相容性好的特點。

1 實驗材料、儀器及方法

1.1 實驗材料

山東G級油井水泥、油井水泥降失水劑FLZ（改性纖維素）、液體減輕劑PC-P81L、緩凝劑PC-H21L、消泡劑PC-X60L、觸變組分 A（無機類）、觸變組分B（無機類）、觸變組分C（有機類）、觸變組分D（有機類）;

1.2 實驗儀器

OWC-9360攪拌器、Chandler 3500旋轉粘度計、OWC-9350A常壓稠化儀、OWC-9710H高溫高壓失水儀、OWC-118D循環水養護箱、YJ-2001型抗壓強度試驗機、OWC-9480D高溫高壓稠化儀、Chandler 5265U水泥靜膠凝強度測試儀。

1.3 水泥漿測試方法

水泥漿的制備及性能測試按API 10B RP中的相關規定進行。

1.4 水泥漿觸變性評價方法

用于評價水泥漿觸變性的方法主要有靜切力法、滯后能評價法及滯后環法[5-7]。其中，靜切力法在實驗過程中需使用特殊刀片，對靜置10min后的水泥漿靜切力是否能夠代表其最終切力尚存在一定爭議。滯后能評價法操作步驟復雜，使用較為不便;滯后環法在理論上有較好的精確性，通過計算滯后環面積的大小，便可以知道觸變性的好壞。因此，本文選用滯后環法來評價水泥漿的觸變性。具體流程如下。

用旋轉粘度計（Chandler 3500型），按照API 10B RP中的相關規定進行水泥漿流變的測定，依次記錄不同剪切速率下的剪切應力，以剪切速率為橫坐標，剪切應力為縱坐標作圖，即可得到滯后環，滯后環的面積實際上反映了觸變能的存儲大小，即水泥漿剛性結構拆散和 形成所需能量之差，存儲能可用下式表達：

2 觸變劑TA的實驗研究

在四種觸變組分中進行優選復配來得到適用于低密度水泥漿的觸變劑，觸變劑加入水泥漿中，應使水泥漿具備較好的觸變性能，同時保證水泥漿具備滿足現場施工要求的流變、稠化、強度等性能。配制密度為1.50S.G的低密度水泥漿，分別在室溫、50℃、75℃下測試水泥漿的流變性及觸變性。

2.1 不同觸變組分對水泥漿觸變性的影響

將不同量的觸變組分分別將入水泥漿中，按照1.4中所描述的方法進行水泥漿觸變性的測試，所得結果見圖1。

由實驗結果可知，在室溫時，組分A對水泥漿觸變性影響較小，觸變能在400-500J/m3·s之間變化。溫度升高，隨著組分A加量增加，觸變能也隨之增大，在加量3%時，觸變能達到最大值，50、70℃的觸變能分別為1572、1890J/m3·s。繼續加大組分A的加量，觸變能變化不大甚至有所降低。組分B在低密度水泥漿中的觸變性能不佳，即使加大加量，觸變能變化也不大，室溫時觸變能在100-200J/m3·s之間變化，50℃、70℃時時觸變能在500-800J/m3·s之間變化。組分C與組分A類似，隨著加量增加，觸變能也隨之增加，室溫時觸變能在700-1100J/m3·s之間變化，50、70℃時可以有效增加水泥漿觸變性，加量0.6%時，50、70℃下的觸變能分別為3314J/m3·S、3516J/m3·s，繼續加大組分C加量，觸變能增加不明顯，且水泥漿開始出現自由液，穩定性受到影響。組分D對低密度水泥漿觸變能的提升作用不明顯，隨著加量增加，50、70℃時的觸變能最高分別為1016J/m3·s，808J/m3·s。將組分A與組分C復配，并輔以適當的輔料，即得到適用于低密度水泥漿的觸變劑TX。

2.2 觸變劑TX在低密度水泥漿中的觸變性能

將不同量的觸變劑TX加入低密度水泥漿中，按照1.4中所描述的方法進行水泥漿觸變性的測試，所得結果見下圖：

由實驗結果可知，觸變劑TX在低密度水泥漿中有較好的觸變性能，在不同觸變劑TX加量下，在室溫時水泥漿的觸變性都較弱，觸變能在500-800J/m3·s之間變化。50℃、70℃下，隨著觸變劑TX加量的增加，觸變能持續增加，加量4%時，50℃的觸變能達到4095J/m3·s，70℃下觸變能達到4169J/m3·s，繼續加大加量，觸變能升高不明顯。加量6%時，水泥漿開始出現自由液。因此，觸變劑TX的最佳加量為3-5%，在此加量范圍內，水泥漿觸變性較好，且對水泥漿的流變性影響不大，流型指數變化范圍為0.6-0.72。

2.3 與緩凝劑PC-H21L的配伍性

由于組分A為無機鹽類物質，組分C中含有大量羧基，可能會對水泥漿稠化時間有不良影響，因此需考察觸變劑TX與緩凝劑的配伍性。在4%TX加量下，分別加入不同量的緩凝劑，進行水泥漿稠化時間測試。實驗結果見圖3。

從實驗結果可以看出，隨著緩凝劑加量增加，50℃、70℃下水泥漿稠化時間均呈規律性上升，稠化時間在4-8小時內可調，這說明觸變劑TX不影響水泥漿稠化時間，與緩凝劑PC-H21L的配伍性良好。

2.4 加入TX后的低密度水泥漿性能

在低密度水泥漿中加入4%TX，測試水泥漿的整體性能，實驗結果見表1。

從實驗結果可以看出，在低密度水泥漿中加入觸變劑TX，水泥漿失水<50ml、自由液少，稠化時間可調、抗壓強度較高，靜膠凝強度發展迅速，水泥漿整體性能較好。同時，觸變能為4095J/m3·s，水泥漿具有較好的觸變性。

3 觸變機理淺析

觸變劑TX采用無機觸變組分與有機觸變組分復配而成，使用TX配制的水泥漿，其結構的形成和發展與觸變劑TX和水泥組分的物理化學反應相關。TX中的無機組分可迅速與鋁酸三鈣反應生成硫代鋁酸鈣，形成不牢固的網狀凝膠結構。攪拌時，網狀結構很容易破壞，水泥漿又轉變為流變狀態;有機組分可通過交聯形成網狀結構，當水泥漿靜止時，網狀結構迅速生成，使水泥漿具有觸變性。

4 結論

（1）觸變劑TX具有較好的觸變性能，在低密度水泥漿中能夠有效增加水泥漿觸變能，使水泥漿具有觸變性。同時，對水泥漿流變影響不大。與常用緩凝劑具備較好的配伍性。

（2）觸變劑TX加入低密度水泥漿中，水泥漿失水、自由液、稠化時間等性能良好，抗壓強度較高，靜膠凝強度發展迅速，水泥漿綜合性能好。

【參考文獻】

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