抗冻胶乳水泥浆室内研究

房恩楼，熊 敏，刘玉杰，霍洪山，刘富芳（中海油田服务有限公司，北京101149）

抗冻胶乳水泥浆室内研究

房恩楼，熊 敏，刘玉杰，霍洪山，刘富芳（中海油田服务有限公司，北京101149）

研制出一种在－15℃的环境下仍能保持良好流动性的抗冻丁苯胶乳PC－CGR66L－T。室内研究发现，用PC－CGR66L－T配制的胶乳水泥浆具有较好的强度和滤失性能，较短的稠化转化时间，较好的抗海水侵污能力，渗透率低，凝胶强度发展快，抗窜能力强，适合于寒冷地域油田或冬季固井作业。

水泥浆；抗冻丁苯胶乳；抗侵污；抗窜能力

海上油田的固井作业，水泥浆外加剂一般为液体，采用平台湿混的方式加入到配浆水中。在寒冷地域油田或冬季固井作业时，其水溶液在运输、仓储和平台的放置和使用过程中，易于结冻凝固成块，这不仅严重影响外加剂的使用而且可能由于结冻凝固而使这些外加剂失效。因此，对于以胶乳为主剂的胶乳水泥浆来说，胶乳及配套外加剂都需要具有抗冻性能。为了全面了解抗冻丁苯胶乳对水泥浆性能的影响，室内对抗冻丁苯胶乳水泥浆的性能进行了失水、稠化性能、养护强度以及胶乳水泥石的渗透率和抗海水侵污等性能进行了研究评价，发现抗冻胶乳水泥浆的各项性能均能满足现场施工要求［1，2］。

1 试验部分

1.1 试验材料

所用试验材料如下：PC－CGR66L－T抗冻丁苯胶乳胶乳（－15℃、24h未结冰）；PC－H21L－M 缓凝剂（－15℃、24h未结冰）；PC－CJ52L胶乳稳定剂（－15℃、24h未结冰）；PC－CG88L聚合物降失水剂（－15℃、24h未结冰）；G级水泥（四川嘉华水泥厂）；淡水（实验室自来水）；海水（渤海海水）。

1.2 试验设备

试验所用设备如下：高温高压稠化仪器（美国千德乐石油工程公司）；常压稠化仪（沈阳航空工业学院）；高温高压水泥浆失水仪（沈阳航空工业学院）；高温高压养护釜（美国千德乐石油工程公司）；压力试验机（美国千德乐石油工程公司）；速冻电冰箱（美的电器集团）；岩心渗透率测试装置（江汉石油学院）。

水泥石渗透率测试标准参照SY/T 5843－1997渗透率测试标准进行试验测试与计算。

1.3 试验的基本配方

抗冻胶乳水泥浆的试验配方为：100%G级水泥＋37.8% 淡水＋3%CG88L－T降失水剂＋5%PCCGR66L－T抗冻胶乳 ＋0.8%PC－H21L－M缓凝剂＋1%CJ52L胶乳稳定剂。

1.4 试验方法

水泥浆评价试验按照API SPEC 10A标准进行。

渗透性能评价方法：制备胶乳水泥石岩心后，依据SY/T5843－1997渗透率测试标准进行试验测试与计算［3］。

2 抗冻胶乳水泥浆体系性能研究

2.1 水泥浆体系常规性能

水泥浆良好的常规性能是保证安全施工和作业质量的基础。为充分了解抗冻胶乳水泥浆的性能，室内在30～105℃温度范围内，在不同缓凝剂加量条件下，对水泥浆常规性能进行了试验研究。试验结果（表1）表明，在不同的温度条件下，水泥浆具备控制较好的滤失性能；水泥浆的抗压强度随养护温度的升高而呈现逐渐增大，高温有利于水泥石强度的发展，但也相应缩短稠化时间，给现场安全施工带来隐患，室内通过增加PC－H21L－M用量来适当延长水泥浆稠化时间，以满足固井作业需求。

表1 温度和缓凝剂加量对体系常规性能的影响

2.2 水泥浆抗海水侵污性能

由于受海上作业环境和条件的限制，为了尽可能减少配浆水所占平台空间，会向配浆淡水中混入一定量海水，这对水泥浆的性能可能会造成一定的影响。为保证固井作业安全顺利进行，室内对抗冻胶乳水泥浆的抗海水侵入能力进行了试验评价。具体试验方案为：①向淡水胶乳水泥浆中与混入20%海水；②在配浆淡水中混入20%的海水制成混合水，使用混合水配制了胶乳水泥浆。

试验结果（表2）表明，两种方式侵污后的胶乳水泥性能差异不大，均具备较好的滤失性能和强度性能。值得注意的是，配浆淡水中混入一定量的海水对水泥浆性能影响不大。

表2 抗冻胶乳水泥浆抗海水侵污性能

2.3 水泥浆稠化性能

油井注水泥后，由于环形空间液柱压力与地层压力不平衡关系的变化，使地层中的流体进入环形空间，产生纵向流动，而发生层间窜流。水泥浆在稠化过程中，其稠化转化时间越长，窜流的可能性就越大，造成的破坏也就越大。基于此，室内对不同温度下抗冻胶乳水泥浆的稠化性能进行了评价，结果见表3。

表3 抗冻胶乳水泥浆稠化性能评价

试验结果表明，抗冻胶乳水泥浆稠化转化阶段时间均能够控制在10min以内。水泥浆迅速稠化，浅层气向井眼环空的时间变短，浅层气的集聚强度和急剧趋势变缓，产生的危害变小，从而极大降低油气水上窜的可能。

2.4 水泥浆凝胶强度发展

水泥浆的凝胶强度发展速度和凝胶强度大小是水泥浆防止地层流体侵入环空的能力大小的另一个主要评价指标。凝胶强度从100lb/100ft2至500lb/100ft2之间的发展速度越快，水泥浆的防窜能力越强。室内采用超声波试验仪对水泥浆在35℃稠化过程中的凝胶强度发展，试验结果如图1所示。

由图1可见，水泥浆的静胶凝强度发展迅速，胶凝强度由75lb/100ft2至500lb/100ft2的过渡时间仅为20min，胶凝强度由500lb/100ft2发展至1200lb/100ft2的时间为9min。抗冻胶乳水泥浆快速发展的静胶凝强度能够有效地防止油气井气窜现象的发生，提高水泥石的致密性与抗腐蚀能力，有效的保证固井质量。

图1 水泥浆的静胶凝强度发展情况（养护条件35℃，21MPa）

2.5 抗冻胶乳水泥石渗透性能

在胶乳水泥浆水化过程中，随着水化的不断进行，胶乳颗粒将从水中分离出来而相互聚集连接，并在水泥水化物表面形成一层连续薄膜。这些胶乳丝状膜层覆盖了水泥浆硬化体的缺陷和微裂缝，封堵孔隙［4］，从而分散了水泥浆的应力集中并增加了水泥石的变形性的同时，提高了流体在水泥石中的流动阻力，降低了流体在水泥石中的穿透能力［5］。

试验温度25℃；气体粘0.01834mPa·s；水粘度0.894mPa·s；油 粘 度 2.210mPa·s； 泵 流 量0.5ml/min；最大压力 0.0155MPa。由表3可以看出，水泥浆中胶乳的加入，有利于降低水泥石的孔隙率，提高水泥石的致密性，随着胶乳含量的增加，气体渗透率和水相渗透率、油相渗透率都有所下降，而从不同的流体的渗透率比较看油相渗透率最低。综合成本和现场作业需求考虑，推荐抗冻胶乳加量为14%。

表4 不同流体在胶乳含量变化时的水泥石渗透率

3 结 论

1）采用抗冻丁苯胶乳配制的胶乳水泥浆具有较好的强度和滤失性能，稠化转化时间短，失水量低，稠化时间可调，各项性能满足现场施工作业要求。

2）抗冻胶乳水泥浆具有较好的抗海水侵入能力，一定量的海水侵入不会对水泥浆性能造成影响。

3）抗冻胶乳水泥浆的稠化转化时间较短，一般能控制在10min以内，静胶凝强度发展迅速，能够有效控制油气水窜。

4）水泥浆中胶乳的加入，有利于降低水泥石的孔隙率，提高水泥石的致密性，随着胶乳含量的增加，水泥石的渗透率相应下降，此外，综合成本和现场作业需求考虑，推荐抗冻丁苯胶乳加量为14%。

［1］许明标，彭雷，张春阳，等.聚合物胶乳水泥浆的流体阻隔性能研究［J］.油田化学，2009，3（1）：15～16.

［2］许明标，熊敏，于连方，等.一种可用于寒冷地区固井作业的抗冻胶乳水泥浆性能研究［J］.长江大学学报（自科版）理工卷，2009，9（3）：52～55.

［3］Miranda C R，Gold J S.Study of cement resistance to the attack of acid solutions［J］.SPE37225，1997.

［4］Ashok Santra，Reddy B R，Mfon Antia.Designing cement slurries for preventing formation fluid influx after placement［J］.SPE106006，2007.

［5］SUN Fu－quan，LV Guang－ming ，JIN Jian－zhou.Application and research of latex tenacity cement slurry system［J］.SPE104434，2006.

TE256.7

A

1000－9752（2010）04－0278－03

2010－05－02

房恩楼（1971－），男，2006年大学毕业，工程师，现主要从事固井设计与施工工作。

［编辑］ 萧 雨