聚合物膠乳水泥漿體系鼓包現象的室內研究

李望軍　周成裕　陸永偉　廖易波　黃強

摘????? 要：隨著海洋石油開采逐步向深海挺進，深井數量不斷增加，深井油氣層具有埋藏深、井溫高、封固段長等復雜情況，對聚合物膠乳水泥漿體系的性能提出了耐高溫、防氣竄、稠化時間可調、稠化曲線平緩無鼓包、過渡時間短等要求。而聚合物膠乳水泥漿體系在110～130 ℃左右存在“鼓包”、“臺階”等突變現象，難以滿足復雜地質條件下安全施工的需求。研究了突變現象的原因，通過實驗和分析，優選鋁酸三鈣含量大于2%的水泥能夠有效抑制聚合物膠乳水泥漿突變現象。聚合物膠乳水泥漿體系已經多次成功應用于南海東部海域深水井，現場應用表明：聚合物膠乳水泥漿體系現場易配漿，漿體流動性良好，水泥漿氣泡少，現場操作方便，水泥漿密度控制均勻，未發現竄漏，現場固井質量優良。

關? 鍵? 詞：深井;耐高溫;防氣竄;鼓包;水泥漿體系

中圖分類號：TQ 016.1?????? 文獻標識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）07-1290-04

Laboratory Study on Bulking Phenomenon of

Polymer Latex Cement Slurry System

LI Wang-jun1， ZHOU Cheng-yu2， LU Yong-wei1， LIAO Yi-bo1， HUANG Qiang2

（1. China Oilfield Services Co.， Ltd.，Oilfield Chemistry Division Shenzhen Operations Company，

Shenzhen Guangdong 518000， China;

2. Chongqing College of Science & Technology， Chongqing 401331， China）

Abstract： As offshore oil exploration gradually advances to the deep sea， the number of deep wells continues to increase， the deep well reservoir has complicated conditions， such as high temperature and long sealing section， new requirements for the performance of polymer latex cement slurry system have been proposed， such as anti-gas channeling， high temperature resistance， adjustable thickening time and so on. There are the mutation phenomena of “bulging” and “step” in polymer latex cement slurry system at 110 ～ 130 ℃， it is difficult to meet the needs of safe construction under complicated geological conditions. In this paper， the reason of the mutation phenomena of the polymer latex cement slurry system was studied. Through the experiment and analysis， it was pointed out that the polymer latex cement slurry system whose tricalcium aluminate content is greater than 2% can effectively inhibit the mutation phenomena. The polymer latex cement slurry system has successfully applied many times in deep water wells in the eastern part of the South China Sea， field application shows that the polymer latex cement slurry system has many advantages， such as easy on-site mixing， good slurry mobility and so on.

Key words： Deep well; High temperature resistant; Gas channeling prevention; Bulge; Cement slurry system

隨著海洋石油開采逐步向深海挺進，深井數量不斷增加，深井油氣層具有埋藏深、井溫高、封固段長等復雜情況，對聚合物膠乳水泥漿體系^[1]的性能提出了耐高溫^[2]、防氣竄^[3]、稠化時間可調、稠化曲線平緩無鼓包、過渡時間短等要求。而聚合物膠乳水泥漿體系在110～130 ℃左右存在“鼓包”、“臺階”等突變現象，難以滿足復雜地質條件下安全施工的需求。本文研究了聚合物膠乳水泥漿體系發生“鼓包”、“臺階”等突變現象的原因^[4-7]，并通過實驗和分析，通過優選鋁酸三鈣含量大于2%的山東水泥能夠有效抑制聚合物膠乳水泥漿在110～130

℃左右發生“鼓包”、“臺階”等突變現象。聚合物膠乳水泥漿體系使用已經日臻成熟，多次成功應用于南海東部區域，在油井、氣井、高溫高壓井固井效果較為明顯。現場應用表明：聚合物膠乳水泥漿體系現場易配漿，漿體流動性良好^[8-9]，水泥漿氣泡少，現場操作方便，水泥漿密度控制均勻^[10-12]，未發現竄漏，現場固井質量優良。

1? 實驗部分

1.1 ?設備和材料

主要設備：增壓稠化儀;靜膠凝強度分析儀;增壓養護釜;高溫高壓靜失水儀;旋轉粘度計;恒速攪拌器;電子天平;加壓密度計。

材料：山東水泥;嘉華水泥;葛洲壩水泥;復合硅粉;消泡劑;分散劑;降失水劑;膠乳;防氣竄劑;高溫緩凝劑;鉆井水。

1.2? 水泥漿體系配制

聚合物膠乳水泥漿體系以膠乳為主劑，輔以相配伍的降失水劑、防氣竄劑以及其他外加劑配制而成。水泥漿體系配制采用G級油井水泥，試驗條件：井底循環溫度（BHCT）為160 ℃，井底靜止壓力（BHP）為80 MPa。聚合物膠乳水泥漿體系配方如下∶水泥∶硅粉∶水∶消泡劑∶分散劑∶降失水劑∶膠乳∶防氣竄劑∶高溫緩凝劑=100%∶50%∶41.37%∶1%∶1%∶6%∶10%∶2%∶2%。

1.3? 水泥的優選

根據GB19139-2012相關章節要求，保持混合水不變，改變油井水泥種類，分別用山東水泥、嘉華水泥、葛洲壩水泥配制聚合物膠乳水泥漿，以此來研究不同廠家的油井水泥的稠化曲線“鼓包”、“臺階”現象，優選出一種最佳的油井水泥。

1.4? 鋁酸三鈣最佳含量的確定

使用不同鋁酸三鈣含量的油井水泥進行“鼓包”、“臺階”現象對比分析，確定油井水泥中最佳鋁酸三鈣含量范圍。

1.5? 常規性能評價

根據GB19139-2012相關章節要求完成水泥漿失水、游離液、抗壓強度、靜膠凝強度、稠化時間等常規性能的評價。

1.6? 稠化時間可調性

根據GB19139-2012中的實驗方法，保持水泥漿其他添加劑加量不變的情況下，通過調整高溫緩凝劑的加量，研究高溫緩凝劑加量變化對水泥漿稠化時間可調性影響。

1.7? 溫度敏感性

根據GB19139-2012中的實驗方法，保持水泥漿各添加劑加量不變的情況下，在實驗循環溫度的基礎上，通過升10 ℃以及降10 ℃，分別研究溫度變化對水泥漿稠化時間的影響。

2? 結果與討論

2.1? 聚合物膠乳水泥漿體系水泥的優選

根據表1配方，保持混合水不變，分別用山東水泥GGS1、嘉華水泥GD003、葛洲壩水泥GZB1配制聚合物膠乳水泥漿做稠化試驗，稠化試驗曲線見圖1—3。

從圖1可以看出，山東水泥GGS1稠化曲線在升溫過程中幾乎無“鼓包”、“臺階”現象;從圖2可以看出，嘉華水泥GD003稠化曲線在升溫過程中有較為明顯的“鼓包”、“臺階”現象;從圖3可以看出，葛洲壩水泥GZB1稠化曲線在升溫過程中有最為嚴重的“鼓包”、“臺階”現象。綜合圖1—3，優選出三個水泥廠家中的山東水泥GGS1滿足要求。

2.2? 鋁酸三鈣最佳含量的確定

結合廠家檢驗報告中的成分分析，對三個批號的山東水泥GGS1、嘉華水泥GD003、葛洲壩水泥GZB1進行性能對比分析，見表1。

通過表1可以看出，GGS1的C₃A的含量明顯高于GD003、GZB1，而恰恰僅有GGS1的稠化曲線沒有出現“鼓包”、“臺階”現象。而這說明C₃A的加量可能對水泥漿稠化曲線的“鼓包”、“臺階”現象有特殊關聯，于是筆者團隊使用了3個不同C₃A含量的山東水泥進行了進一步的稠化曲線對比，見表2，稠化試驗曲線見圖4—5。

由圖1、圖4、圖5可以看出，C₃A含量對稠化曲線的“鼓包”、“臺階”現象有密切關聯。當C₃A含量小于2%時，圖4、圖5的稠化曲線在升溫過程中均出現了不同程度的“鼓包”、“臺階”現象，此種現象在現場固井過程當中，極容易發生安全與質量事故;圖1的稠化曲線平穩，無“鼓包”、“臺階”現象，因此，油井水泥中C₃A含量的最佳含量范圍在2%～3%之間。在水泥生產過程中，用戶可以根據現場井況的需求向廠家要求嚴格控制C₃A的含量。

2.3? 聚合物膠乳水泥漿體系的常規性能

由表3可以看出，GGS1配制的聚合物膠乳水泥漿體系具有良好的流變性能;良好的失水性能;良好的沉降穩定性;且稠化過渡時間短，接近直角稠化;在180 ℃高溫條件下依然具有高的抗壓強度;靜膠凝過渡時間為7 min，表明該聚合物膠乳水泥漿體系具有優良的防氣竄性能。

2.4? 聚合物膠乳水泥漿體系的稠化時間可調性

在其他添加劑加量不變的情況下，改變高溫緩凝劑的加量至1%和3%。水泥漿稠化曲線見圖6—8。

根據圖6—8稠化曲線，可以得出表4。

從表4可以看出，聚合物膠乳水泥漿體系配方中隨著高溫緩凝劑的減少，水泥漿的稠化時間縮短;聚合物膠乳水泥漿體系配方中隨著高溫緩凝劑的加量的增加，水泥漿的稠化時間增加;由此可以得出聚合物膠乳水泥漿體系的稠化時間可通過改變高溫緩凝劑的加量來實現稠化時間的線性可調。

2.5 ?聚合物膠乳水泥漿體系的溫敏性

為了研究聚合物膠乳水泥漿體系對溫度的敏感性，以山東水泥GGS1配制的聚合物膠乳水泥漿在160 ℃條件下為基準，對聚合物膠乳水泥漿體系進行降10 ℃（150 ℃）、升10 ℃（170 ℃）的溫度敏感性稠化實驗，具體實驗結果如圖9-圖10。

根據圖9、圖10稠化曲線，得到表5結果。

從表5可以看出，實驗溫度降低，水泥漿稠化時間增加;實驗溫度，水泥漿稠化時間縮短;上下10 ℃稠化復查，水泥漿沒有出現稠化時間突變，說明聚合物膠乳水泥漿體系具有良好的溫度敏感性。

3? 結論

通過優選出鋁酸三鈣含量大于2%的山東水泥，有效抑制了聚合物膠乳水泥漿在110～130 ℃左右發生“鼓包”、“臺階”等突變現象。

后續使用聚合物膠乳水泥漿體系固井的時候，建議從水泥出廠檢驗報告中優選出鋁酸三鈣含量大于2%的水泥使用。

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基金項目：重慶市自然科學基金項目資助（項目編號：cstc2019jcyj-msxm1677）。

收稿日期：2019-11-20

作者簡介：李望軍（1986-），男，工程師，2010年畢業于重慶科技學院應用化學專業，研究方向：固井化驗技術。E-mail：liwj19@cosl.com.cn。