新型油井水泥促凝剂LT－A及其性能

彭志刚 王成文

1.中国石化胜利油田钻井工艺研究院 2.中国石油大学（华东）石油工程学院

新型油井水泥促凝剂LT－A及其性能

彭志刚1王成文2

1.中国石化胜利油田钻井工艺研究院 2.中国石油大学（华东）石油工程学院

针对低温或表层段固井候凝时间长的问题，采用价格低廉、早强作用强且性能稳定的促凝剂有利于缩短固井时间和提高固井质量。为此，研制了过渡金属复合盐类促凝剂LT－A并系统评价了该促凝剂不同加量（1%、2%和3%）情况下的油井水泥浆性能，得到了促凝剂LT－A对油井水泥的影响规律：促凝剂LT－A能促进油井水泥的水化能力，缩短水泥浆稠化时间，显著提高水泥石早期抗压强度，加入促凝剂LT－A的水泥浆稠化时间与原浆稠化时间之比小于等于0.5、水泥石6 h抗压强度（39℃、常压）大于等于4.0 MPa，完全满足促凝剂评价标准SY／T 5504.4—2008的相关要求。实验还进一步证实：LT－A对水泥浆流变参数和初始稠度基本无影响，是一种性能优于CaCl2的新型促凝剂。

新型促凝剂 LT－A 油井水泥 固井 低温早强 稠化时间 抗压强度

温度是影响水泥水化反应速率的主要因素。常用油井水泥的主要矿物熟料为硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S），其在低温条件下的水化反应速率较慢，水泥石的早期抗压强度低，使固井候凝时间延长，无法满足低温或表层段等固井要求［1－4］。针对低温或表层段固井候凝时间长的问题，常采用氯化钙（CaCl2）作为促凝剂。CaCl2促凝剂具有价格低廉、早强作用强等优点，但会使水泥浆流变性变差、水泥初始水化放热很大、水泥浆增稠、甚至出现“闪凝”现象，严重危及注水泥作业安全，并且后期会使水泥石渗透率增大、抗盐腐蚀能力下降等［5－6］。开展副作用小、低温早强作用强的新型促凝剂研制具有十分重要的现实意义和应用前景，国外从2002年就开始了多羟基胺类、碱土金属氮化物类等新型促凝剂的研究工作［7－8］，目前国内也在积极开展这方面的研究工作［9－12］。在此，笔者依据不同离子对硅酸钙矿物熟料水化速率的影响规律，研制出过渡金属复合盐类新型低温促凝剂LT－A，系统测试了LT－A对油井G级水泥浆的流变性、稠化时间和抗压强度性能的影响，并与CaCl2促凝剂进行比较，分析说明新型促凝剂LT－A的低温促凝效果。

1 实验原料与方法

1.1 实验原料

嘉华G级水泥（四川嘉华企业股份有限公司），促凝剂LT－A（实验室自制），氯化钙（化学纯，中国医药集团上海试剂分公司），消泡剂SWX－1（胜利黄河固井公司提供）。

1.2 实验方法

按标准GB／T 19139—2003“油井水泥试验方法”制备水泥浆，参考石油天然气行业标准SY／T 5504.4—2008“油井水泥外加剂评价方法第4部分：促凝剂”评价促凝剂对水泥浆的初始稠度、稠化时间和抗压强度的影响。实验装置为：OWC—2000A增压稠化仪（沈阳固测井石油仪器研究所）、ZNN－D6型旋转黏度计（青岛海通达仪器厂）、SL－B型多功能养护釜（工作温度－10～90℃，工作压力小于等于30 MPa，自制），NYL－300型压力试验机（无锡建材仪器厂）。

1.3 水泥浆流变参数计算

参照标准SY／T 5480—2007“固井设计规范”测定水泥浆在旋转黏度计以300、200、100、6 r／min和3 r／min转速条件下对应格数值，按下述公式分别计算水泥浆的流性指数和稠度系数：

n＝2.092 lg（θ300／θ100） K＝0.511θ300／511n

式中n代表流性指数，n值越大水泥浆流动性能越好；K为稠度系数，K值越大表明水泥浆越稠。

2 结果与讨论

2.1 LT－A对水泥浆流变性能的影响

为评价LT－A促凝剂对水泥浆流变性能的影响规律，分别测试了嘉华G级水泥中加入1%、2%和3% LT－A促凝剂（水灰比0.44）体系在室温（25℃）条件下的流变参数，并与嘉华G级水泥原浆（水灰比0.44）、嘉华G级水泥加CaCl2促凝剂（水灰比0.44）体系进行对比，结果如图1和表1所示。测试结果表明，加CaCl2的水泥浆体系随着CaCl2加量增加，水泥浆稠度系数K不断增大，当加量达到3%时，稠度系数K高达31.231 6，此时水泥浆难以流动，这充分说明CaCl2对水泥浆的流动性影响很大，具有明显的增稠副作用。而加LT－A促凝剂的水泥浆体系，虽然随着LT－A加量增加，水泥浆在不同旋转黏度计转数下的值都比G级水泥原浆大幅度增加，但水泥浆的流性指数n和稠度系数K都变化很小，水泥浆仍保持非常好的流动性，说明LT－A对水泥浆的流变性能影响很微小。

图1 促凝剂加量对水泥浆流变性能的影响图

表1 促凝剂对水泥浆流变参数的影响表

2.2 LT－A对水泥石抗压强度发展的影响

为评价促凝剂LT－A对油井水泥石抗压强度发展的影响，在嘉华G级水泥原浆（水灰比0.44）中分别加入（占水泥质量）1%、2%和3%LT－A促凝剂，测试水泥石在39℃、常压条件下养护6 h、24 h的抗压强度，并与嘉华G级水泥原浆的抗压强度进行对比，结果如图2所示。测试结果表明，G级水泥原浆养护6 h的抗压强度值很小，当LT－A加量达到2%时，其水泥石强度达到5.51 MPa，满足标准SY／T 5504.4—2008中要求促凝剂6 h抗压强度（39℃、常压）大于等于4.0 MPa的技术指标，表现出优异的低温早强效果；G级水泥原浆中加入促凝剂LT－A后，水泥石养护24 h抗压强度之比大于1.0，满足标准SY／T 5504.4—2008中要求促凝剂24 h抗压强度之比（39℃、常压）大于等于1.0的技术指标。结果证实，LT－A当加量达到2%时，就具有较好的早强作用，能显著提高水泥石早期抗压强度，其最优加量（占水泥质量）为2%～3%。

图2 LT－A对G级水泥浆抗压强度的影响图

2.3 LT－A对水泥浆稠化性能的影响

为评价促凝剂LT－A对油井水泥浆稠化时间的影响，选择LT－A加量（占水泥质量）3%进行实验。分别测试了嘉华G级水泥原浆（水灰比0.44）、嘉华G级水泥＋3%CaCl2促凝剂（水灰比0.44）体系和嘉华G级水泥＋3%LT－A促凝剂（水灰比0.44）体系在32℃、8.3 MPa条件下稠化曲线图，结果如图3、4、5所示。

结果表明，嘉华G级水泥＋3%CaCl2体系的初始稠度却达到26 Bc，并且水泥浆稠度不断升高，在稠化约18 min时稠度骤增至48 Bc，31 min时稠度又逐渐降至38 Bc左右，发生严重的“闪凝”现象。对比图3、4、5可知，LT－A和CaCl2促凝剂都能显著缩短水泥浆稠化时间，加有LT－A和CaCl2促凝剂的水泥浆稠化时间与水泥原浆稠化时间之比（32℃、8.3 MPa）分别为0.434和0.397，满足标准SY／T 5504.4—2008中要求稠化时间之比（32℃、8.3 MPa）小于等于0.5的技术指标。综上所述，说明LT－A具有非常好的促凝作用，并且对水泥浆初始稠度基本无影响，是一种综合性能优异的新型促凝剂。

图3 G级水泥原浆的稠化时间图

图4 氯化钙促凝剂对G级水泥浆稠化时间的影响图

图5 LT－A促凝剂对G级水泥浆稠化时间的影响图

3 结论

1）促凝剂LT－A对水泥浆流变参数的影响很微小，水泥浆仍保持非常好的流动性。

2）促凝剂LT－A能显著地缩短水泥浆的稠化时间，并且对水泥浆初始稠度基本无影响，表现出较优的促凝作用。

3）促凝剂LT－A能显著提高水泥石早期抗压强度，完全满足6 h抗压强度（39℃、常压）大于等于4.0 MPa、24 h的抗压强度与G级水泥原浆抗压强度之比大于1.0的技术指标，表现出优异的低温早强效果。

4）促凝剂LT－A的最优加量（占水泥质量）为2%～3%，具有优异的低温早强和促凝作用，并且对水泥浆流变参数和初始稠度基本无影响，过渡金属复合盐类促凝剂LT－A是一种性能优秀的新型促凝剂。

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Performance of a new accelerator LT－A for oil－well cement

Peng Zhigang1，Wang Chengwen2
（1.Drilling Technology Research Institute，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying，Shandong 257017，China；2.Petroleum Engineering College，China University of Petroleum，Dongying，Shandong 257017，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 4，pp.63－65，4／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

For solving such problems as low temperature and long WOC time in the cementing of surface casing，studies have been conducted to develop a kind of cost－effective，early－strength and stable accelerator to shorten cementing time and improve cementing quality.Therefore，this paper introduces a new transition－metal salts accelerator LT－A，and also systematically evaluates the effects of LT－A doses（1%，2%and 3%）on oil－well cement performance.It is concluded that the accelerator LT－A can enhance the hydration of oil－well cement，shorten the cement thickening time，and significantly improve the early compression strength of cement stones.The ratio between the thickening time of cement to which LT－A is added and that of the original cement slurry is≤0.5，the 6 h compression strength of final cement stones（39℃，normal pressure）≥4.0 MPa，which all agree with the accelerator criteria listed in the industrial standard SY／T 5504.4－2008.The experiment further proves that LT－A as a new accelerator with performance superior to CaCl2has no effect on the cement rheology and initial cement consistency.

new accelerator，LT－A，oil－well cement，well cementing，high early strength at low temperature，thickening time，compression strength

彭志刚等.新型油井水泥促凝剂LT－A及其性能.天然气工业，2012，32（4）：63－65.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.015

教育部博士点基金项目（编号：20100133120004）和国家高技术研究发展计划（863计划）（编号：2006AA09Z340）部分研究成果。

彭志刚，1976年生，高级工程师，博士；2004年毕业于原西南石油学院油气井工程专业并获博士学位；现从事油气田化学处理剂研究工作。地址：（257017）山东省东营市北一路827号。电话：（0546）8554640。E－mail：slof＿pzg＠sina.com

（修改回稿日期 2012－02－16 编辑 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.015

Peng Zhigang，senior engineer，born in 1976，holds a Ph.D degree and is doing research of oil／gas field chemicals.

Add：No.827，Beiyi Rd.，Dongying，Shandong 257017，P.R.China

Tel：＋86－546－8554 640 E－mail：slof＿pzg＠sina.com