增压稠化仪的固井水泥浆触变性能评价方法

2020-07-06步玉环沈晟达郭胜来

实验室研究与探索 2020年4期

步玉环，王强，蔡壮，沈晟达，赵旗，郭胜来

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580）

0 引言

随着油气田勘探开发的快速发展，高温高压油气藏开发成为目前开发的热点［1-3］。固井漏失与气窜是目前国内外高温高压气藏开发普遍存在的技术难题，而触变水泥浆具有静止时其浆体内部胶凝强度快速发展的特性成为解决此类问题的有效措施［4-5］，因此触变水泥浆的研究具有重要意义。但对触变水泥浆体系的研究须对水泥浆触变性能进行合理准确的评价，而现有水泥浆触变性能评价方法大多只适用于常温以及中温条件下的水泥浆触变性能评价，一旦温度超过100℃则难以进行触变性能评价，更没有办法进行定量化。本文对现有的触变性能评价方法进行分析，以此为基础进行高温条件下的水泥浆触变性能评价方法的研究，以期建立一种便于操作、具有半定量化的评价高温水泥浆触变性的评价方法，为高温触变剂、高温堵漏钻井液、高温防漏防窜水泥浆体系的开发奠定基础。

1 触变性评价方法的对比分析

目前有多种触变性能评价方法，其中常用的有触变指数法［6］、静切力法［7］、滞后环法［8］、滞后环总能量法［9］、薄刀片水平切割法［10］、稠度增值法［11］。现将现有触变性能评价方法的优缺点汇总在表1中。

表1 触变性能评价方法比较

通过对比上述6种水泥浆触变评价方法，可以得出，以上方法均是通过测试水泥浆剪切应力或是通过剪切应力来计算触变指数进而评价水泥浆触变性能［12-13］。前5种触变评价方法测试所用仪器均为常温以及中温条件下使用，不适用于高温条件（超过100℃）下水泥浆触变性能评价，因此其测试温度方面均存在不足。由于触变剂在浆体内部形成网络结构有时间要求［14-15］，现有稠度增值法的停机时间较短且多次停机，同时未考虑水泥浆自身水化对稠度增加的影响且未依据稠度差值对水泥浆触变性能优劣进行划分，不能直观地评价水泥浆触变性能。

2 增压稠化仪稠度测定的高温稠度差值法

张政［11］提出的稠度增值法认为水泥浆稠度是指水泥浆在桨叶的剪切作用下表现出的阻抗力，表征水泥浆抵抗剪切作用所引起变形或破坏的能力。在静止条件下，触变水泥浆体系内部网络结构形成，宏观表现为浆体增稠，那么稠度必然增大，利用稠度差值来评价水泥浆触变性能是合理的。但张政提出的稠度增值法的停机时间较短且多次停机，并且评价中未考虑水泥浆自身水化对稠度增加的影响，另外此方法没有给出具体对水泥浆触变性能优劣进行划分。为此本文提出基于增压稠化仪的稠度差值法，利用增压稠化仪在不同停机时间前后稠度值的差值，即利用停机后与停机前稠度值增加量的大小作为衡量触变性强弱的标准，进行水泥浆触变性的评价。

通过大量实验以及结合现场施工过程中一旦停机处理故障需要的时间，将停机时间确定为10、20、30 min。采用此种方法进行水泥浆触变性能评价的前提在于，在水泥浆达到目标温度以及水泥浆稠化过程的平稳段需保持在60 min以上。水泥浆触变性能评价须在水泥浆稠化过程的平稳段进行，以保证水泥浆触变性能测试的准确性和可操作性。

3 高温稠度差值法的可行性验证

3.1 滞后环法与稠度差值法进行触变性评价对应性

（1）几种触变作用水泥浆体系的稠化。对加有不同触变剂的水泥浆进行稠化实验，结果见图1。基础配方为：阿克苏G级水泥+0.5%分散剂SCD+44%水，测试温度为70℃。

图1 加不同添加剂的水泥浆稠化曲线

由图1可知，不同加量的纳米SiO2与改性膨润土对水泥浆的稠化时间没有太大影响。5种配方稠度开始升高的时间点分别为175、168、155、183、165 min，且上述5组实验稠度开始升高的时间点之前稠度为平稳状态，未发生鼓包现象，且平稳时间大于60 min。因此上述5种配方稠化平稳段符合稠度增值实验的要求。

（2）滞后环法触变性评价实验结果及分析。对加有不同触变剂的水泥浆进行滞后环法触变性能评价，实验结果见图2。基础配方为：阿克苏G级水泥+0.5%分散剂SCD+44%水，测试温度为70℃。

图2中滞后环面积依次分别为2 510、11 601、16 449、9 361、13 216。通过基础配方与加入纳米SiO2的水泥浆实验结果对比可以得出，纳米SiO2的添加，使得滞后环的面积增大，而基础配方的滞后环的面积相对较小，表明基础配方的触变性能较差，同时随着纳米SiO2的加量增加，滞后环面积呈现增大的趋势；这一实验规律在基础配方与加入改性膨润土的水泥浆实验结果对比中也得到体现。对比分别加入纳米SiO2与改性膨润土水泥浆的滞后环法实验结果可以得到，在这4组实验中，加量为0.5%的纳米SiO2的滞后环面积最大，水泥浆触变性能最好；加量为3%的改性膨润土滞后环面积最小，水泥浆触变性能最差。实验结果表明，5种水泥浆配方的触变性能优劣顺序为：0.5%纳米SiO2＞5%改性膨润土＞0.3%纳米SiO2＞3%改性膨润土＞基础配方。

图2 加不同触变剂的水泥浆滞后环曲线

（3）稠度差值法触变性评价实验结果及分析。对5个配方的水泥浆进行稠度差值法触变性能评价，实验结果见表2。基础配方为：阿克苏G级水泥+0.5%分散剂SCD+44%水，测试温度为70℃。

表2 加不同触变剂的稠度增值实验结果

对比基础配方与加入不同触变剂的水泥浆稠度增值实验结果可以得出，随着停机时间的增加，各个配方的稠度差值呈增大的趋势，且加有触变剂的水泥浆稠度差值随着触变剂加量的增加而增大。说明稠度差值的大小取决于水泥浆停机时间和添加的触变剂种类以及加量。同时基础配方最大稠度差值仅为4.9 Bc，远小于其他4组水泥浆的最大稠度差值，说明基础配方触变性能较弱，其稠度差值主要是水泥浆静置后水泥自身水化导致。而加有触变剂的水泥浆依靠触变剂在水泥浆体内部形成网络结构获得良好的触变性能，宏观上表现为水泥浆稠度增大，进而所得稠度差值增大。依据各组水泥浆最大稠度差值可以得出这5种水泥浆配方触变性能优劣顺序为：0.5%纳米SiO2＞5%改性膨润土＞0.3%纳米SiO2＞3%改性膨润土＞基础配方。

（4）滞后环法与稠度差值法进行触变性评价对比分析。将5种水泥浆配方的滞后环法评价结果与稠度差值法实验结果进行对比，具体见表3。由表3可以得出2种方法都能通过相应的指标来判断水泥浆触变性能的优劣，并且两种方法对上述5种水泥浆配方的触变性能评价优劣结果一致。其各组水泥浆触变性能优劣顺序为：0.5%纳米SiO2＞5%改性膨润土＞0.3%纳米SiO2＞3%改性膨润土＞基础配方。同时研究还发现，对于基础配方来说，停机一段时间后再开启，也存在稠度增值的现象，本实验中基础配方最大稠度差值为4.9 Bc，说明水泥浆在停机开启后自身也会导致稠度的增加，不过相对于添加触变剂的水泥浆增值相对较小。滞后环法通过测试水泥浆升速以及降速的剪切应力，进而计算滞后环面积的大小，以此来表征水泥浆触变性能的优劣，滞后环面积表示破坏触变剂在浆体内部形成的网络结构所需要的能［16］。稠度是表征水泥浆抵抗外力引起破坏的能力，触变剂在水泥浆静置时在浆体内部形成网络结构，宏观上表现为稠度增大，当浆体受到剪切破坏时，浆体内部网络结构遭到破坏，变现为稠度下降，直至稠度恢复稳定。因此，可以采用稠度差值法来表征水泥浆触变性性能的优劣。结合表2、3的实验数据及对比，表明稠度差值法评价水泥触变性能是可行的。

表3 滞后环法与稠度差值法实验结果对比

3.2 110℃下稠度差值法水泥浆触变性测试

（1）稠化实验结果及分析。对不同加量的黄原胶进行稠化实验，实验结果见图3。基础配方为：阿克苏G级水泥+0.5%分散剂SCD+1.5%缓凝剂+44%水，测试温度为110℃。

图3 不同加量的黄原胶水泥浆稠化曲线

由图3可得基础配方以及不同加量的黄原胶稠化时间，表明黄原胶的添加对缓凝剂的缓凝效果没有影响。同时发现加有黄原胶的水泥浆初始稠度较大，这是由于浆体制备完成到开始实验有一定时间，而触变水泥浆体具有静止后短时间胶凝强度增大的特性，宏观上表现为稠度增大，后经剪切后恢复。同时各配方的稠度上升时间点分别为300、305、280、310 min，在此稠度上升时间点之前水泥浆稠度处于平稳状态，为发生鼓包现象且稠度平稳状态时间大于60 min，满足稠度增值实验对稠化曲线的要求。

（2）稠度差值实验结果及分析。对基础配方以及不同黄原胶加量的水泥浆进行稠度差值法触变性能评价，实验结果见表4。基础配方为：阿克苏G级水泥+0.5%分散剂SCD+1.5%缓凝剂DZH-3+44%水，测试温度为110℃。

表4 不同加量的黄原胶稠度差值实验数据

由表4可知，随着停机时间的增加以及黄原胶加量的增加，稠度差值增大。对比基础配方与不同加量的黄原胶稠度增值实验结果可以发现，不加触变剂停机开启稠度也会增加，这主要是高温条件下水泥水化导致，而不同加量的黄原胶稠度差值远比基础配方稠度差值大，除去水泥自身水化影响，主要是由于黄原胶分子在浆体静止是在浆体内部形成网络结构，导致水泥浆停机开启后稠度增大。重新开启一段时间稠度值又出现稳定状态，此时的稠度值与停机前稠度值大小相差较小，表明浆体经过剪切，内部结构遭到破坏，水泥浆重新恢复流动性。依据稠度差值也能够区分不同加量的黄原胶触变性能的优劣。同时这也说明稠度差值法在高温条件下触变性能评价是可行的。

4 高温稠度差值法的水泥浆触变性评价标准划分

为了将依据稠度差值以及实验现象对水泥浆触变性能的优劣进行划分，需要进一步完善稠度差值法，给出触变性评价的差值标准。

基础配方停机后开启因自身水化开启稠度也会增加，不过差值相对较小，因此将差值0～10 Bc范围归为水泥浆自身导致差值增加。实验过程中发现，当稠度差值为10～20 Bc时，开启后稠度很快恢复，表明水泥浆触变性能较差；当稠度差值为20～35 Bc时，开启剪切后稠度恢复时间为1 min作用，表明触变剂在浆体形成一定的网络结构，水泥浆触变性能一般。当稠度差值为35～50 Bc时，稠度恢复时间为2～3 min，表明触变剂在浆体形成了较强的网络结构，水泥浆触变性能良好。当稠度差值大于50 Bc时，开启后需要剪切4～5 min稠度才保持稳定，甚至出现稠度过大，传递扭矩的零件损坏情况，说明触变剂在浆体形成很强的网络结构，不易破坏，因此水泥浆触变性能强。基于此，对水泥浆触变性能做出了具体划分，见表5。