聚合物胶乳水泥浆体系鼓包现象的室内研究

2020-08-23李望军周成裕陆永伟廖易波黄强

当代化工 2020年7期

李望军　周成裕　陆永伟　廖易波　黄强

摘要：随着海洋石油开采逐步向深海挺进，深井数量不断增加，深井油气层具有埋藏深、井温高、封固段长等复杂情况，对聚合物胶乳水泥浆体系的性能提出了耐高温、防气窜、稠化时间可调、稠化曲线平缓无鼓包、过渡时间短等要求。而聚合物胶乳水泥浆体系在110～130 ℃左右存在“鼓包”、“台阶”等突变现象，难以满足复杂地质条件下安全施工的需求。研究了突变现象的原因，通过实验和分析，优选铝酸三钙含量大于2%的水泥能够有效抑制聚合物胶乳水泥浆突变现象。聚合物胶乳水泥浆体系已经多次成功应用于南海东部海域深水井，现场应用表明：聚合物胶乳水泥浆体系現场易配浆，浆体流动性良好，水泥浆气泡少，现场操作方便，水泥浆密度控制均匀，未发现窜漏，现场固井质量优良。

关键词：深井;耐高温;防气窜;鼓包;水泥浆体系

中图分类号：TQ 016.1 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2020）07-1290-04

Laboratory Study on Bulking Phenomenon of

Polymer Latex Cement Slurry System

LI Wang-jun1， ZHOU Cheng-yu2， LU Yong-wei1， LIAO Yi-bo1， HUANG Qiang2

（1. China Oilfield Services Co.， Ltd.，Oilfield Chemistry Division Shenzhen Operations Company，

Shenzhen Guangdong 518000， China;

2. Chongqing College of Science & Technology， Chongqing 401331， China）

Abstract： As offshore oil exploration gradually advances to the deep sea， the number of deep wells continues to increase， the deep well reservoir has complicated conditions， such as high temperature and long sealing section， new requirements for the performance of polymer latex cement slurry system have been proposed， such as anti-gas channeling， high temperature resistance， adjustable thickening time and so on. There are the mutation phenomena of “bulging” and “step” in polymer latex cement slurry system at 110 ～ 130 ℃， it is difficult to meet the needs of safe construction under complicated geological conditions. In this paper， the reason of the mutation phenomena of the polymer latex cement slurry system was studied. Through the experiment and analysis， it was pointed out that the polymer latex cement slurry system whose tricalcium aluminate content is greater than 2% can effectively inhibit the mutation phenomena. The polymer latex cement slurry system has successfully applied many times in deep water wells in the eastern part of the South China Sea， field application shows that the polymer latex cement slurry system has many advantages， such as easy on-site mixing， good slurry mobility and so on.

Key words： Deep well; High temperature resistant; Gas channeling prevention; Bulge; Cement slurry system

随着海洋石油开采逐步向深海挺进，深井数量不断增加，深井油气层具有埋藏深、井温高、封固段长等复杂情况，对聚合物胶乳水泥浆体系^[1]的性能提出了耐高温^[2]、防气窜^[3]、稠化时间可调、稠化曲线平缓无鼓包、过渡时间短等要求。而聚合物胶乳水泥浆体系在110～130 ℃左右存在“鼓包”、“台阶”等突变现象，难以满足复杂地质条件下安全施工的需求。本文研究了聚合物胶乳水泥浆体系发生“鼓包”、“台阶”等突变现象的原因^[4-7]，并通过实验和分析，通过优选铝酸三钙含量大于2%的山东水泥能够有效抑制聚合物胶乳水泥浆在110～130

℃左右发生“鼓包”、“台阶”等突变现象。聚合物胶乳水泥浆体系使用已经日臻成熟，多次成功应用于南海东部区域，在油井、气井、高温高压井固井效果较为明显。现场应用表明：聚合物胶乳水泥浆体系现场易配浆，浆体流动性良好^[8-9]，水泥浆气泡少，现场操作方便，水泥浆密度控制均匀^[10-12]，未发现窜漏，现场固井质量优良。

1 实验部分

1.1 设备和材料

主要设备：增压稠化仪;静胶凝强度分析仪;增压养护釜;高温高压静失水仪;旋转粘度计;恒速搅拌器;电子天平;加压密度计。

材料：山东水泥;嘉华水泥;葛洲坝水泥;复合硅粉;消泡剂;分散剂;降失水剂;胶乳;防气窜剂;高温缓凝剂;钻井水。

1.2 水泥浆体系配制

聚合物胶乳水泥浆体系以胶乳为主剂，辅以相配伍的降失水剂、防气窜剂以及其他外加剂配制而成。水泥浆体系配制采用G级油井水泥，试验条件：井底循环温度（BHCT）为160 ℃，井底静止压力（BHP）为80 MPa。聚合物胶乳水泥浆体系配方如下∶水泥∶硅粉∶水∶消泡剂∶分散剂∶降失水剂∶胶乳∶防气窜剂∶高温缓凝剂=100%∶50%∶41.37%∶1%∶1%∶6%∶10%∶2%∶2%。

1.3 水泥的优选

根据GB19139-2012相关章节要求，保持混合水不变，改变油井水泥种类，分别用山东水泥、嘉华水泥、葛洲坝水泥配制聚合物胶乳水泥浆，以此来研究不同厂家的油井水泥的稠化曲线“鼓包”、“台阶”现象，优选出一种最佳的油井水泥。

1.4 鋁酸三钙最佳含量的确定

使用不同铝酸三钙含量的油井水泥进行“鼓包”、“台阶”现象对比分析，确定油井水泥中最佳铝酸三钙含量范围。

1.5 常规性能评价

根据GB19139-2012相关章节要求完成水泥浆失水、游离液、抗压强度、静胶凝强度、稠化时间等常规性能的评价。

1.6 稠化时间可调性

根据GB19139-2012中的实验方法，保持水泥浆其他添加剂加量不变的情况下，通过调整高温缓凝剂的加量，研究高温缓凝剂加量变化对水泥浆稠化时间可调性影响。

1.7 温度敏感性

根据GB19139-2012中的实验方法，保持水泥浆各添加剂加量不变的情况下，在实验循环温度的基础上，通过升10 ℃以及降10 ℃，分别研究温度变化对水泥浆稠化时间的影响。

2 结果与讨论

2.1 聚合物胶乳水泥浆体系水泥的优选

根据表1配方，保持混合水不变，分别用山东水泥GGS1、嘉华水泥GD003、葛洲坝水泥GZB1配制聚合物胶乳水泥浆做稠化试验，稠化试验曲线见图1—3。

从图1可以看出，山东水泥GGS1稠化曲线在升温过程中几乎无“鼓包”、“台阶”现象;从图2可以看出，嘉华水泥GD003稠化曲线在升温过程中有较为明显的“鼓包”、“台阶”现象;从图3可以看出，葛洲坝水泥GZB1稠化曲线在升温过程中有最为严重的“鼓包”、“台阶”现象。综合图1—3，优选出三个水泥厂家中的山东水泥GGS1满足要求。

2.2 铝酸三钙最佳含量的确定

结合厂家检验报告中的成分分析，对三个批号的山东水泥GGS1、嘉华水泥GD003、葛洲坝水泥GZB1进行性能对比分析，见表1。

通过表1可以看出，GGS1的C₃A的含量明显高于GD003、GZB1，而恰恰仅有GGS1的稠化曲线没有出现“鼓包”、“台阶”现象。而这说明C₃A的加量可能对水泥浆稠化曲线的“鼓包”、“台阶”现象有特殊关联，于是笔者团队使用了3个不同C₃A含量的山东水泥进行了进一步的稠化曲线对比，见表2，稠化试验曲线见图4—5。

由图1、图4、图5可以看出，C₃A含量对稠化曲线的“鼓包”、“台阶”现象有密切关联。当C₃A含量小于2%时，图4、图5的稠化曲线在升温过程中均出现了不同程度的“鼓包”、“台阶”现象，此种现象在现场固井过程当中，极容易发生安全与质量事故;图1的稠化曲线平稳，无“鼓包”、“台阶”现象，因此，油井水泥中C₃A含量的最佳含量范围在2%～3%之间。在水泥生产过程中，用户可以根据现场井况的需求向厂家要求严格控制C₃A的含量。

2.3 聚合物胶乳水泥浆体系的常规性能

由表3可以看出，GGS1配制的聚合物胶乳水泥浆体系具有良好的流变性能;良好的失水性能;良好的沉降稳定性;且稠化过渡时间短，接近直角稠化;在180 ℃高温条件下依然具有高的抗压强度;静胶凝过渡时间为7 min，表明该聚合物胶乳水泥浆体系具有优良的防气窜性能。

2.4 聚合物胶乳水泥浆体系的稠化时间可调性

在其他添加剂加量不变的情况下，改变高温缓凝剂的加量至1%和3%。水泥浆稠化曲线见图6—8。

根据图6—8稠化曲线，可以得出表4。

从表4可以看出，聚合物胶乳水泥浆体系配方中随着高温缓凝剂的减少，水泥浆的稠化时间缩短;聚合物胶乳水泥浆体系配方中随着高温缓凝剂的加量的增加，水泥浆的稠化时间增加;由此可以得出聚合物胶乳水泥浆体系的稠化时间可通过改变高温缓凝剂的加量来实现稠化时间的线性可调。

2.5 聚合物胶乳水泥浆体系的温敏性

为了研究聚合物胶乳水泥浆体系对温度的敏感性，以山东水泥GGS1配制的聚合物胶乳水泥浆在160 ℃条件下为基准，对聚合物胶乳水泥浆体系进行降10 ℃（150 ℃）、升10 ℃（170 ℃）的温度敏感性稠化实验，具体实验结果如图9-图10。

根据图9、图10稠化曲线，得到表5结果。

从表5可以看出，实验温度降低，水泥浆稠化时间增加;实验温度，水泥浆稠化时间缩短;上下10 ℃稠化复查，水泥浆没有出现稠化时间突变，说明聚合物胶乳水泥浆体系具有良好的温度敏感性。

3 结论

通过优选出铝酸三钙含量大于2%的山东水泥，有效抑制了聚合物胶乳水泥浆在110～130 ℃左右发生“鼓包”、“台阶”等突变现象。