油井水泥中低温早强剂BZC-1S的室内研究

齐奔，付家文，刘文明，于倩倩（渤海钻探第二固井公司，天津　300280）

油井水泥中低温早强剂BZC-1S的室内研究

齐奔，付家文，刘文明，于倩倩
（渤海钻探第二固井公司，天津300280）

由于在低温条件下，水泥浆因水化速度慢，候凝时间长，极易造成油、气、水浸，导致水泥环不致密、固井质量差等问题。本文研制了油井水泥中低温早强剂BZC-1S，它是由无机盐、有机盐和有机酸复合而成。低温早强促凝剂可在低温30℃的情况下，常压养护8 h抗压强度超过4.5 MPa，24 h抗压强度超过15 MPa；在低温60℃的情况下常压养护8 h抗压强度超过17 MPa，24 h抗压强度超过25 MPa；而且不影响体系综合性能，具有显著的早期促强效果，可应用于多种水泥浆体系。

有机-无机复合；中低温；早强剂；固井；水泥浆

在许多油区的勘探开发和以往的油井表层和技术套管的固井作业中发现，中低温固井越来越多。在低温条件下，水泥浆水化速度慢、侯凝时间长，侯凝过程中易发生油气水窜，而且水泥石早期强度低［1-4］。目前使用的水溶类低温早强促凝剂主要为CaCl2，但存在加量超过4％时，会引起水泥浆闪凝，增加水泥浆的初始稠度，降低水泥石后期强度、增加水泥石渗透率和腐蚀套管等副作用；非水溶类以铝氧熟料为主，与水泥灰混合不均匀易造成“灌香肠”等作业事故的隐患。具有早强促凝性质的无机盐主要有硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐和硅酸盐等。具有早强促凝性质的有机物主要有胺类、有机盐和有机酸，单独使用这些无机或者有机早强促凝剂，其效果不佳，达不到固井作业的要求。无机盐类和有机类早强促凝剂复配使用，既可以增强其促强效果，而且有利于降低生产成本［5，6］。本文制备了一种无机-有机多元复合的早强促凝剂，其优点是产品中不含氯离子，早强效果好，有一定的促凝作用，生产成本较低，是一类经济环保类固井外加剂材料。

1　作用机理

BZC-1S型早强剂由多种具有早强性能的无机物和有机物复配而成，与单独的无机物或者有机物相比，具有明显的早强作用，是一种灰白色的固体粉末。早强剂BZC-1S中的无机物与油井水泥中在反应过程中产生的Ca（OH）2发生化学反应后，使附着在水泥表面的Ca2+浓度下降而硅酸根离子浓度增加，从而大大加速了C3S矿物的早起水化速度。另一方面，BZC-1S中的有机物与油井水泥中的C3A矿物发生络合，加速其的溶解，进而加速水泥的水化速度，并且改善水泥内部结构，使之更加致密，渗透率降低。在整个水化过程中由于有大量的钙矾石生成，导致水泥石体积发生微膨胀，有利于提高二界面胶结强度，防止水气窜的发生，提高固井质量。

2　实验部分

2.1主要药剂及仪器

主要材料：BZC-1S型早强剂；分散剂GF-1，JS-2为渤海钻探第二固井公司产品、BXF-200L为天津中油渤星工程科技股份有限公司产品；G级水泥为山东华银水泥厂产品。

主要仪器：常压稠化仪、高温高压稠化仪、高温高压失水仪、密度仪、流动度仪和电子压力试验机。

3　结果与讨论

3.1早强剂的制备

首先是早强剂配方的优选，本文选择了三种无机化合物，一种有机盐和一种有机酸，通过调配他们的组分和不同的加量，来获得水泥石的最大抗压强度。从表1中可以看出，单纯的采用三种无机化合物，水泥石抗压强度仅仅为13.5 MPa，当继续引入有机盐和有机酸后，水泥石的抗压强度明显增加，配方5可以取得最大的抗压强度，即加入1％的无机物A，0.75％的无机物B，0.25％的有机盐D和0.1％的有机酸E。在60°C下常压养护8 h后，水泥石的抗压强度达到17.8 MPa。按照早强剂5配方，经过混配、研磨制备的早强剂，命名为BZC-1S。

表1　早强剂成份的优选

表2　不同加量的早强剂BZC-1S抗压强度

3.2早强剂BZC-1S对水泥石抗压强度的影响

将不同加量的BZC-1S加入到水泥浆中，分别在30°C和60°C下养护，测其8 h，24 h的抗压强度。从表2中的数据可以看出，随着BZC-1S加量的增加，水泥石抗压强度逐渐增大。在30°C时，当BZC-1S的含量从0.5％增加到3％，水泥石的抗压强度在8 h抗压强度从2.1 MPa增加到4.7 MPa。在加量为3％时，24 h的抗压强度达到了15.6 MPa。在60°C时，当BZC-1S的含量从0.5％增加到3％，水泥石的抗压强度在8 h抗压强度从14.1 MPa增加到18.2 MPa。在加量为3％时，24 h的抗压强度达到了26.9 MPa。从表2中的数据可知，添加BZC-1S早强剂后，水泥石的抗压强度较水泥原浆有较明显的增加，现场应用时，可以根据井底温度选择合适的早强剂加量。

3.3BZC-1S对水泥浆流动度的影响

水泥浆流动度是表示水泥浆体流动性的一种重要参数，可以直观的反映出水泥浆泵送的难易程度，对于不同加量的BZC-1S对水泥浆流动度的影响（见图1）。由图1可知，随着BZC-1S加量的增加，水泥浆的流动性逐渐变差，这说明BZC-1S对水泥浆有一定的增稠作用。当BZC-1S的加量为2％时，水泥浆的流动度为21.5 cm，当继续增加BZC-1S的量至3％时，水泥浆的流动度为19 cm。

3.4BZC-1S对水泥浆稠化时间的影响

图1　不同含量的BZC-1S早强剂对水泥浆流动性的影响

BZC-1S型早强剂在水泥浆稠化过程中具有缩短稠化时间的功能。通过实验测量在52°C条件下，不同加量的BZC-1S对水泥浆稠化时间的影响，实验结果（见图2）。由图2可以看出，水泥原浆的稠化时间为105 min，当加入0.5％的BZC-1S后，水泥浆的稠化时间缩短到92 min，继续增加BZC-1S的量到2％，水泥浆的稠化时间进一步缩短到77 min。

图2　不同含量的BZC-1S早强剂对水泥浆稠化时间的影响

从BZC-1S对水泥浆的抗压强度、流动性和水泥浆稠化时间的影响，以及经济的方面考虑，加入2％的BZC-1S效果最佳。

3.5BZC-1S在水泥浆体系中的性能

为了提高低温条件下的固井质量，缩短建井周期，不仅要求固井水泥浆在低温条件下具有短候凝时间和较高的水泥石强度，而且水泥浆的综合性能要较好。配方1#到配方4#分别为常规密度固体降失水剂和液体降失水剂体系以及低密度水泥浆体系，其综合性能（见表3）。从表3中可以看到，BZC-1S对这些水泥浆体系均具有较好的综合性能协调性，如对稳定性、流变性及降失水量等无不良影响，而且可以提高水泥石的早期强度。

同时考察了BZC-1S在胶乳水泥浆体系中的应用，水泥浆的初始稠度低于20Bc，稠化曲线较直，水泥浆体系无触变性，而且可以实现直角稠化。水泥浆的稠化时间较不加胶乳会延长，胶乳也具有一定的缓凝作用。

表3 水泥浆的综合性能

表4　胶乳水泥浆的综合性能

胶乳水泥体系的综合性能（见表4），从表4中看到，水泥浆的密度差和游离液均为0，而且水泥浆的失水较少。常规密度和低密度水泥石的抗压强度为25.3 MPa和16.2 MPa。

4　结论

（1）BZC-1S是由无机盐、有机盐和有机酸复合而成的一种灰白色固体粉末早强剂，是一种具有低温增强促凝、无氯的经济环保型的早强剂。在水泥浆中加入0.5％～2.0％的BZC-1S，基本不影响浆体的流变性能，而且可以改善水泥石的内部结构，使水泥石更加致密。

（2）BZC-1S与其他添加剂配伍性好，在常规密度水泥浆和低密度水泥浆体系中加入BZC-1S，不影响体系的综合性能，均具有显著的早期促强效果。BZC-1S可以适用于固体降失水剂体系、液体降失水剂体系和胶乳体系水泥浆中。

［1］李泽林，王秀玲，王艳锋，等.低温促凝剂CN-2的研究与应用［J］.断块油气田，2003，10（3）：81-83.

［2］韩卫华，佟刚，杨红歧，等.一种新型油井水泥低温早强剂［J］.钻井液与完井液，2006，23（3）：31-33.

［3］魏霞，王松.低密度水泥浆体系的制备和室内性能评价［J］.精细石油化工进展，2011，12（12）：19-21.

［4］刘庆旺，徐卫强，高亭松，等.新型油井水泥低温早强剂QZ-1性能评价［J］.科学技术与工程，2010，10（34）：8521-8523.

［5］牟忠信，张明昌，李萍.复合型早强剂水泥浆体系研究［J］.西部探矿工程，2005，（S1）：135-137.

［6］杨远光，张继尹，杨思平.油井水泥低温早强剂室内研究［J］.西南石油大学学报（自然科学版），2009，31（1）：141-144.

Laboratory investigation of low and medium temperature early strength agent BZC-1S for oil well cement slurry

QI Ben，FU Jiawen，LIU Wenming，YU Qianqian
（No.2 Cement Company BHDC，Tianjin 300280，China）

As the cement slurry hydration speed was slow and setting time was relatively longer under low temperature，it was probably to result in oil，gas and water invasion，which result in bad annular cement bonding and poor cementing quality.In order to solve this problem，a new kind of low and medium temperature early strength agent BZC-1S was developed，which consist of inorganic salts，organic salts and organic acids.When BZC-1S addition amount is 2％，the strength of cementstones could added to more than 4.5 MPa in 8 h and 15 MPa in 24 h under 30℃under atmospheric pressure.Moreover，the strength of cementstones could added to more than 17 MPa in 8 h and 25 MPa in 24 h under 60℃.Low and medium temperature early strength agent BZC-1S is a kind of high-performance compound early strength agent，which can be used in general density and low density cement slurry and exhibited of excellent compatibility with other cement additives.

composites of organic and inorganic compounds；low and medium temperature；early strength agent；cementing；oil well cement slurry

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.01.017

TE256.6

A

1673-5285（2015）01-0062-04

2014－11－24

齐奔（1986-），工程师，博士，毕业于南开大学材料物理与化学专业，现在从事固井技术研究工作，邮箱：benqi2007@163.com。