掺生物胶固井水泥浆性能研究

孙洪波+马春旭+刘孟慧+段志伟

【摘 要】分别使用黄原胶和温伦胶两种生物胶作为固井水泥浆的悬浮稳定剂，对配制的水泥浆进行了性能评价和研究。结果表明：随着生物胶加量增加，水泥浆均出现下灰时间增加、YP值增大、强度降低、稠化时间延长，但是黄原胶水泥浆变化显著，而温伦胶水泥浆变化较小；黄原胶束缚自由水和抑制水泥浆沉降的能力较低，不适用于固井水泥浆的悬浮稳定剂；温伦胶可以有效的束缚自由水和抑制水泥浆沉降，是比较理想的悬浮稳定剂。

【关键词】固井；黄原胶；温伦胶；水泥浆；悬浮稳定剂

【Abstract】Two kinds of biological adhesives， xanthan gum and welan gum， were used as suspension stabilizers of cementing slurry， and the performance of the cement slurry was evaluated and studied. The results show that： as well as the biological adhesives is increased in cement slurry， the mixing time increases， the YP value raises and the strength decreases， the thickening time increases， the slurry with xanthan gum has a significant change， and the slurry with welan gum changes a little. The capacity of xanthan gum to bind free water and prevent cement slurry sedimentation is low， it is not suitable for the suspension stabilizer of cement slurry. Welan gum can effectively bind free water and prevent cement slurry sedimentation， is an ideal suspension stabilizer.

【Key words】Well cementing； Xanthan gum； Welan gum； Suspension stabilizer； Cement slurry

悬浮稳定性是配制固井水泥浆的一个重要指标，可以有效保证水泥浆的层间稳定，从而保证水泥浆的稠化、失水、强度等基本性能的一致，进而保证固井施工质量。水泥浆不稳定往往造成水泥浆自由液过大（超过1%）或出现固体材料显著沉降造成密度差，为了提高配制的水泥浆稳定性，一般加入悬浮稳定材料进行控制[1-2]。

生物胶可以通过自身在水泥浆中形成网络结构，吸附周围的水泥浆颗粒，控制颗粒运移，达到维持体系稳定的目的，其中最常用的生物胶是黄原胶和温伦胶。黄原胶是由黄单胞菌产生的一种胞外多糖，其分子量在2×106～2×107之间，可大幅提高水的粘度，并且在强碱和多种盐分环境下仍可保持粘度不变，广泛应用于食品、石油、印染、纺织等领域。温伦胶是由产碱杆菌发酵产生的胞外多糖，具有优良的触变性、悬浮性、水溶性等流变性能，且具有卓越的稳定性，在食品、混凝土、石油等行业的应用前景广泛[3-5]。

使用黄原胶和温伦胶作为固井水泥浆的悬浮稳定剂，对配制的水泥浆进行性能测定与分析。

1 实验部分

1.1 实验原料

油井“G”级水泥，由山东中昌水泥厂提供；降失水剂、消泡剂等固井添加剂以及黄原胶、温伦胶，由天津中海油服化学有限公司提供。

1.2 实验仪器

OWC-9360型水泥浆恒速搅拌器（沈阳航空航天大学应用技术研究院）；YYM型压力密度计；OWC-9350型常压稠化仪（沈阳航空航天大学应用技术研究院）；3530型自动粘度计（美国CHANDLER公司）；OWC-9710型失水仪（沈阳航空航天大学应用技术研究院）；8140D10型增压稠化仪（美国CHANDLER公司）； OWC-118型常压养护箱（沈阳航空航天大学应用技术研究院）；M5500型运动粘度测定仪（美国Grace公司）；BP沉降管（沈阳航空航天大学应用技术研究院）。

1.3 实验方法

水泥浆按照API 10B-2“Recommended Practice for Testing Well Cements”的規定进行配制与测试[6]。

水泥浆基础配方为：

2 实验结果与讨论

2.1 生物胶水泥浆下灰速度测定

按照表1比例进行水泥浆的配制，淡水、消泡剂、聚合物降失水剂混合均匀后，使混合液保持2000r/min，缓慢加入定量生物胶，加入完毕后，保持搅拌20min，再将搅拌速度提高至4000r/min，按照API 10B-2规范加入油井水泥进行搅拌。从水泥下灰开始计时，到全部搅拌完成至浆体中心呈现旋涡状的时间，为下灰时间。分别对不同加量生物胶的下灰时间进行记录：

由下灰时间可以看出，0.05%加量时，黄原胶与温伦胶的下灰时间相差不多；温伦胶随加量增大下灰时间有规律的增加，均维持在60s之内，可以保证现场施工混浆的顺利完成；黄原胶随加量增大，下灰时间增大很快，加量大于0.15%已经很难混浆。

2.2 生物胶水泥浆流变性测定

按照表1进行水泥浆的配制，使用自动粘度计进行水泥浆流变的测定。分别记录不同水泥浆配方的流变读数，并进行动切力YP值计算。endprint

由表2可以看出，加量0.05%时，黄原胶水泥浆比温伦胶水泥浆YP小；随着温伦胶加量增大YP值有规律的增加，具有良好的流动性；随着黄原胶加量增大，YP变化较明显，增稠显著。

并且，黄原胶配制的水泥浆经过20min养护后，可以看到显著的结渣现象，如图2所示，表明黄原胶在配制过程中，水泥颗粒吸附在其表面，形成的更大的颗粒，不利于固井水泥浆的性能发展。与此对应，温伦胶配制的水泥浆表观流动状态良好，没有出现聚集成碎渣的情况。

2.3 生物胶水泥浆强度性能测定

按照表1进行水泥浆的配制，在70℃条件下使用常压养护箱养护24h，养护完毕后进行强度测定。分别记录不同水泥浆配方的强度数据。

由表3可以看出，黄原胶配制的水泥浆强度均低于温伦胶配制的水泥浆强度；水泥浆强度随黄原胶加量增大下降很快，0.2%时已经显示没有强度；水泥浆强度随温伦胶加量增大稍有下降，但下降不大，仍可大于7MPa，可以满足固井的需求。

2.4 生物胶水泥浆稠化性能测定

按照表1进行水泥浆的配制，在50℃条件下使用增压养护釜进行稠化时间的测定。分别记录不同水泥浆配方的稠化数据。

由图3可以看出，黄原胶配制的水泥浆稠化时间显著高于温伦胶配制的水泥浆；水泥浆稠化时间随黄原胶加量增大而增加明显；水泥浆稠化时间随温伦胶加量增大稍有增加，但增加不多，表明温伦胶对水泥浆的稠化时间影响不大。图4是0.1%加量温伦胶配制的水泥浆的稠化曲线，稠化性能良好。

2.5 生物胶水泥浆悬浮稳定性能测定

按照表1进行水泥浆配制，在50℃条件下使用250mL量筒进行自由液测定，使用BP沉降管进行稳定性的测定。分别记录不同水泥浆配方的自由液数据及BP水泥石的上下密度差。

由表4可以看出，黄原胶配制的水泥浆自由液显著，并且随着黄原胶加量增大，并未显著降低，结合2.1中下灰速度等，再进行加量增大已经没有意义，同时由于自由水过多，造成BP沉降管制成的水泥石出现严重的分层，顶部没有强度，因此无法进行密度差的计算；而温伦胶配制的水泥浆自由液很少，随着加量增大，自由液逐步减少0，在上述水泥浆中，加量大于0.1%可以将自由液控制在1.5%以下，可以用于固井作业，且BP沉降管制成的水泥石上下密度差小，可以保证水泥浆的稳定性。

3 结论

1）随着生物胶加量增大，水泥浆下灰时间增加、YP值增大、强度降低、稠化时间延长，黄原胶的变化明显，而温伦胶的变化不显著，表明温伦胶更适用于固井水泥浆的配制。

2）黄原胶在水泥浆中束缚自由水的能力较低，也无法有效抑制水泥浆的沉降，不适用于固井水泥浆的悬浮稳定剂。

3）温伦膠可以有效的控制自由水，抑制水泥浆沉降，具有良好的悬浮稳定性，可以用作固井水泥浆的悬浮稳定剂。

【参考文献】

[1]张清，徐明，钟福海，等.高温悬浮稳定剂DRY-S2的研究及应用[J].钻井液与完井液.2013（03）.

[2]张浩，李厚铭，符军放，等.固井用悬浮稳定剂SS-10L的研究应用[J].科学技术与工程，2012，15（3）：212-214.

[3]苏胜，左彦峰，王栋民.掺生物胶自密实混凝土强度的试验研究[J].混凝土， 2091（7）：15-16.

[4]吉武科，赵双枝，严希海，等.韦兰胶与黄原胶流变性比较研究[J].化学与生物工程，2011，28（10）：50-56.

[5]郭建军，李建科，陈芳，等.黄原胶和韦兰胶混胶黏度的影响因素研究[J].食品科学.2007，28（10）：96-99.

[责任编辑：朱丽娜]endprint