增壓稠化儀的固井水泥漿觸變性能評價方法

步玉環，王 強，蔡 壯，沈晟達，趙 旗，郭勝來

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580）

0 引 言

隨著油氣田勘探開發的快速發展，高溫高壓油氣藏開發成為目前開發的熱點［1-3］。固井漏失與氣竄是目前國內外高溫高壓氣藏開發普遍存在的技術難題，而觸變水泥漿具有靜止時其漿體內部膠凝強度快速發展的特性成為解決此類問題的有效措施［4-5］，因此觸變水泥漿的研究具有重要意義。但對觸變水泥漿體系的研究須對水泥漿觸變性能進行合理準確的評價，而現有水泥漿觸變性能評價方法大多只適用于常溫以及中溫條件下的水泥漿觸變性能評價，一旦溫度超過100℃則難以進行觸變性能評價，更沒有辦法進行定量化。本文對現有的觸變性能評價方法進行分析，以此為基礎進行高溫條件下的水泥漿觸變性能評價方法的研究，以期建立一種便于操作、具有半定量化的評價高溫水泥漿觸變性的評價方法，為高溫觸變劑、高溫堵漏鉆井液、高溫防漏防竄水泥漿體系的開發奠定基礎。

1 觸變性評價方法的對比分析

目前有多種觸變性能評價方法，其中常用的有觸變指數法［6］、靜切力法［7］、滯后環法［8］、滯后環總能量法［9］、薄刀片水平切割法［10］、稠度增值法［11］。現將現有觸變性能評價方法的優缺點匯總在表1中。

表1 觸變性能評價方法比較

通過對比上述6種水泥漿觸變評價方法，可以得出，以上方法均是通過測試水泥漿剪切應力或是通過剪切應力來計算觸變指數進而評價水泥漿觸變性能［12-13］。前5種觸變評價方法測試所用儀器均為常溫以及中溫條件下使用，不適用于高溫條件（超過100℃）下水泥漿觸變性能評價，因此其測試溫度方面均存在不足。由于觸變劑在漿體內部形成網絡結構有時間要求［14-15］，現有稠度增值法的停機時間較短且多次停機，同時未考慮水泥漿自身水化對稠度增加的影響且未依據稠度差值對水泥漿觸變性能優劣進行劃分，不能直觀地評價水泥漿觸變性能。

2 增壓稠化儀稠度測定的高溫稠度差值法

張政［11］提出的稠度增值法認為水泥漿稠度是指水泥漿在槳葉的剪切作用下表現出的阻抗力，表征水泥漿抵抗剪切作用所引起變形或破壞的能力。在靜止條件下，觸變水泥漿體系內部網絡結構形成，宏觀表現為漿體增稠，那么稠度必然增大，利用稠度差值來評價水泥漿觸變性能是合理的。但張政提出的稠度增值法的停機時間較短且多次停機，并且評價中未考慮水泥漿自身水化對稠度增加的影響，另外此方法沒有給出具體對水泥漿觸變性能優劣進行劃分。為此本文提出基于增壓稠化儀的稠度差值法，利用增壓稠化儀在不同停機時間前后稠度值的差值，即利用停機后與停機前稠度值增加量的大小作為衡量觸變性強弱的標準，進行水泥漿觸變性的評價。

通過大量實驗以及結合現場施工過程中一旦停機處理故障需要的時間，將停機時間確定為10、20、30 min。采用此種方法進行水泥漿觸變性能評價的前提在于，在水泥漿達到目標溫度以及水泥漿稠化過程的平穩段需保持在60 min以上。水泥漿觸變性能評價須在水泥漿稠化過程的平穩段進行，以保證水泥漿觸變性能測試的準確性和可操作性。

3 高溫稠度差值法的可行性驗證

3.1 滯后環法與稠度差值法進行觸變性評價對應性

（1）幾種觸變作用水泥漿體系的稠化。對加有不同觸變劑的水泥漿進行稠化實驗，結果見圖1。基礎配方為：阿克蘇G級水泥+0.5%分散劑SCD+44%水，測試溫度為70℃。

圖1 加不同添加劑的水泥漿稠化曲線

由圖1可知，不同加量的納米SiO2與改性膨潤土對水泥漿的稠化時間沒有太大影響。5種配方稠度開始升高的時間點分別為175、168、155、183、165 min，且上述5組實驗稠度開始升高的時間點之前稠度為平穩狀態，未發生鼓包現象，且平穩時間大于60 min。因此上述5種配方稠化平穩段符合稠度增值實驗的要求。

（2）滯后環法觸變性評價實驗結果及分析。對加有不同觸變劑的水泥漿進行滯后環法觸變性能評價，實驗結果見圖2。基礎配方為：阿克蘇G級水泥+0.5%分散劑SCD+44%水，測試溫度為70℃。

圖2中滯后環面積依次分別為2 510、11 601、16 449、9 361、13 216。通過基礎配方與加入納米SiO2的水泥漿實驗結果對比可以得出，納米SiO2的添加，使得滯后環的面積增大，而基礎配方的滯后環的面積相對較小，表明基礎配方的觸變性能較差，同時隨著納米SiO2的加量增加，滯后環面積呈現增大的趨勢；這一實驗規律在基礎配方與加入改性膨潤土的水泥漿實驗結果對比中也得到體現。對比分別加入納米SiO2與改性膨潤土水泥漿的滯后環法實驗結果可以得到，在這4組實驗中，加量為0.5%的納米SiO2的滯后環面積最大，水泥漿觸變性能最好；加量為3%的改性膨潤土滯后環面積最小，水泥漿觸變性能最差。實驗結果表明，5種水泥漿配方的觸變性能優劣順序為：0.5%納米SiO2＞5%改性膨潤土＞0.3%納米SiO2＞3%改性膨潤土＞基礎配方。

圖2 加不同觸變劑的水泥漿滯后環曲線

（3）稠度差值法觸變性評價實驗結果及分析。對5個配方的水泥漿進行稠度差值法觸變性能評價，實驗結果見表2。基礎配方為：阿克蘇G級水泥+0.5%分散劑SCD+44%水，測試溫度為70℃。

表2 加不同觸變劑的稠度增值實驗結果

對比基礎配方與加入不同觸變劑的水泥漿稠度增值實驗結果可以得出，隨著停機時間的增加，各個配方的稠度差值呈增大的趨勢，且加有觸變劑的水泥漿稠度差值隨著觸變劑加量的增加而增大。說明稠度差值的大小取決于水泥漿停機時間和添加的觸變劑種類以及加量。同時基礎配方最大稠度差值僅為4.9 Bc，遠小于其他4組水泥漿的最大稠度差值，說明基礎配方觸變性能較弱，其稠度差值主要是水泥漿靜置后水泥自身水化導致。而加有觸變劑的水泥漿依靠觸變劑在水泥漿體內部形成網絡結構獲得良好的觸變性能，宏觀上表現為水泥漿稠度增大，進而所得稠度差值增大。依據各組水泥漿最大稠度差值可以得出這5種水泥漿配方觸變性能優劣順序為：0.5%納米SiO2＞5%改性膨潤土＞0.3%納米SiO2＞3%改性膨潤土＞基礎配方。

（4）滯后環法與稠度差值法進行觸變性評價對比分析。將5種水泥漿配方的滯后環法評價結果與稠度差值法實驗結果進行對比，具體見表3。由表3可以得出2種方法都能通過相應的指標來判斷水泥漿觸變性能的優劣，并且兩種方法對上述5種水泥漿配方的觸變性能評價優劣結果一致。其各組水泥漿觸變性能優劣順序為：0.5%納米SiO2＞5%改性膨潤土＞0.3%納米SiO2＞3%改性膨潤土＞基礎配方。同時研究還發現，對于基礎配方來說，停機一段時間后再開啟，也存在稠度增值的現象，本實驗中基礎配方最大稠度差值為4.9 Bc，說明水泥漿在停機開啟后自身也會導致稠度的增加，不過相對于添加觸變劑的水泥漿增值相對較小。滯后環法通過測試水泥漿升速以及降速的剪切應力，進而計算滯后環面積的大小，以此來表征水泥漿觸變性能的優劣，滯后環面積表示破壞觸變劑在漿體內部形成的網絡結構所需要的能［16］。稠度是表征水泥漿抵抗外力引起破壞的能力，觸變劑在水泥漿靜置時在漿體內部形成網絡結構，宏觀上表現為稠度增大，當漿體受到剪切破壞時，漿體內部網絡結構遭到破壞，變現為稠度下降，直至稠度恢復穩定。因此，可以采用稠度差值法來表征水泥漿觸變性性能的優劣。結合表2、3的實驗數據及對比，表明稠度差值法評價水泥觸變性能是可行的。

表3 滯后環法與稠度差值法實驗結果對比

3.2 110℃下稠度差值法水泥漿觸變性測試

（1）稠化實驗結果及分析。對不同加量的黃原膠進行稠化實驗，實驗結果見圖3。基礎配方為：阿克蘇G級水泥+0.5%分散劑SCD+1.5%緩凝劑+44%水，測試溫度為110℃。

圖3 不同加量的黃原膠水泥漿稠化曲線

由圖3可得基礎配方以及不同加量的黃原膠稠化時間，表明黃原膠的添加對緩凝劑的緩凝效果沒有影響。同時發現加有黃原膠的水泥漿初始稠度較大，這是由于漿體制備完成到開始實驗有一定時間，而觸變水泥漿體具有靜止后短時間膠凝強度增大的特性，宏觀上表現為稠度增大，后經剪切后恢復。同時各配方的稠度上升時間點分別為300、305、280、310 min，在此稠度上升時間點之前水泥漿稠度處于平穩狀態，為發生鼓包現象且稠度平穩狀態時間大于60 min，滿足稠度增值實驗對稠化曲線的要求。

（2）稠度差值實驗結果及分析。對基礎配方以及不同黃原膠加量的水泥漿進行稠度差值法觸變性能評價，實驗結果見表4。基礎配方為：阿克蘇G級水泥+0.5%分散劑SCD+1.5%緩凝劑DZH-3+44%水，測試溫度為110℃。

表4 不同加量的黃原膠稠度差值實驗數據

由表4可知，隨著停機時間的增加以及黃原膠加量的增加，稠度差值增大。對比基礎配方與不同加量的黃原膠稠度增值實驗結果可以發現，不加觸變劑停機開啟稠度也會增加，這主要是高溫條件下水泥水化導致，而不同加量的黃原膠稠度差值遠比基礎配方稠度差值大，除去水泥自身水化影響，主要是由于黃原膠分子在漿體靜止是在漿體內部形成網絡結構，導致水泥漿停機開啟后稠度增大。重新開啟一段時間稠度值又出現穩定狀態，此時的稠度值與停機前稠度值大小相差較小，表明漿體經過剪切，內部結構遭到破壞，水泥漿重新恢復流動性。依據稠度差值也能夠區分不同加量的黃原膠觸變性能的優劣。同時這也說明稠度差值法在高溫條件下觸變性能評價是可行的。

4 高溫稠度差值法的水泥漿觸變性評價標準劃分

為了將依據稠度差值以及實驗現象對水泥漿觸變性能的優劣進行劃分，需要進一步完善稠度差值法，給出觸變性評價的差值標準。

基礎配方停機后開啟因自身水化開啟稠度也會增加，不過差值相對較小，因此將差值0～10 Bc范圍歸為水泥漿自身導致差值增加。實驗過程中發現，當稠度差值為10～20 Bc時，開啟后稠度很快恢復，表明水泥漿觸變性能較差；當稠度差值為20～35 Bc時，開啟剪切后稠度恢復時間為1 min作用，表明觸變劑在漿體形成一定的網絡結構，水泥漿觸變性能一般。當稠度差值為35～50 Bc時，稠度恢復時間為2～3 min，表明觸變劑在漿體形成了較強的網絡結構，水泥漿觸變性能良好。當稠度差值大于50 Bc時，開啟后需要剪切4～5 min稠度才保持穩定，甚至出現稠度過大，傳遞扭矩的零件損壞情況，說明觸變劑在漿體形成很強的網絡結構，不易破壞，因此水泥漿觸變性能強。基于此，對水泥漿觸變性能做出了具體劃分，見表5。

表5 水泥漿觸變性能優劣劃分

綜上，通過滯后環法與稠度差值法對應性研究以及高溫條件下評價水泥漿觸變性能實驗，證明了稠度差值法評價中高溫條件下水泥漿觸變性能的合理性與可行性，同時這也有助于中高溫觸變劑及觸變水泥漿體系的開發。

5 結 語

提出了基于增壓稠化儀稠化實驗的稠度差值法評價水泥漿觸變性的方法，并通過滯后環法觸變性評價與稠度差值法的對應性研究及高溫條件下稠度差值實驗，驗證了稠度差值法評價水泥漿中高溫觸變性能的合理性與可行性。

對停機時間進行了合理界定，同時考慮到水泥自身水化對稠度的影響，以稠度差值為依據，對水泥漿觸變性能的優劣進行了具體劃分。

稠度增值法能夠體現水泥漿靜止后剪切應力隨時間的變化，且便于操作以及測量，有利于中高溫觸變水泥漿體系的開發。