水不分散水泥浆的机理探讨与性能评价

王建瑶，涂思琪，梅明佳，辛海鹏，孙富全，邹双

（1.天津中油渤星工程科技有限公司，天津 300451；2.中国石油集团钻井工程重点实验室固井技术研究室，天津 300451；3.油气钻井技术国家工程实验室固井技术研究室，天津 30045；4.川庆钻探长庆固井公司，西安 710000）

高含水油气井固井中，水层封固是目前中国急需解决的固井技术难题之一[1-5]，尤其是油水层间距离小，下部水体活跃的油藏，固井质量难以保证，试油出水率高，严重影响油井产能。例如中国塔里木油田碎屑岩油藏，其整体主要为受构造控制的层状边水、块状底水油藏，油水层间距小，下部水体能量强，影响隔层封隔质量提高，油井见水后，产量递减迅速，极大地影响着碎屑岩油藏的经济效益。开发了一种适用于油井水泥的抗分散絮凝剂BCY-100S[6]，加入该絮凝剂形成的水不分散水泥浆具备一定絮凝性，受到水的冲刷作用而不离析、不分散，具有显著的抗水冲刷性能，此外还能满足油井水泥各项性能要求。探讨了水不分散水泥浆的作用机理，并对其失水量、流动度、稳定性、水泥石力学性能等进行评价研究。

1 水不分散水泥浆的作用机理探讨

水不分散水泥浆的作用机理主要基于胶体稳定理论，通过双电层压缩和吸附架桥2 种作用，使水泥颗粒达到一定程度的絮凝作用，减小水泥颗粒间排斥力，并使其包裹于高分子链缠联的网络结构中，使水泥浆具备抗水冲刷的能力。

1.1 胶体的稳定性理论-DLVO理论[7]

两个胶体颗粒间相互作用的位能变化如图1 所示。在短距离内，由于引力VA大于斥力VR，势能V迅速下降达到一极小值，即第一极小值。但当胶体颗粒间距接近到一极限值时，双电层作用强烈，VR远大于VA，V急剧上升。随胶体颗粒的间距增大，在较远间距处产生另一极小值，即第二极小值。

图1 胶体颗粒间的位能曲线图

在强絮凝作用下，水泥颗粒会快速形成强絮凝体，导致配浆时，剪切力难以破坏絮凝结构，使得水泥浆难以配制或配浆时间过长，水泥浆的流变性能受到极大影响。因此使水泥颗粒间达到一种微絮凝（即第二极小值）的状态才能符合水泥浆的施工性能要求，这种微絮凝既可以减小水泥颗粒间的斥力，又不会过度聚集，破坏水泥浆流变性，并使水泥浆具备显著的剪切稀释性能，不影响现场配浆。

Zeta 电位的变化能够反应出聚合物对于水泥颗粒絮凝强度的强弱，从抗分散絮凝剂BCY-100S浓度与水泥浆Zeta 电位的关系[6]可知，可以通过BCY-100S 加量的大小，调节水泥浆的絮凝强度，从而控制水泥浆达到微絮凝状态。

1.2 双电层压缩理论

通过双电层压缩作用使得颗粒间达到微絮凝作用，图2（a）为斯特恩（Stern）双电层模型，一部分反离子紧紧吸附在固体表面，约有1～2 个分子层的厚度，被称为斯特恩层，另一部分离子按照一定浓度梯度扩散，形成扩散层。比较薄的双电层能够降低排斥能，当扩散层厚度压缩时，Zeta 电位减小，颗粒相互接近形成絮凝体。

为了达到较好的电中和和压缩双电层作用，抗分散絮凝剂的电荷密度不易过高且分子链要达到一定长度，由图2（b）可知，当电荷密度较高时，抗分散絮凝剂与颗粒接触点多，延伸至双电层外的部分少，不能很好地桥连。电荷密度和分子链长度适中的抗分散絮凝剂，可延伸至双电层外，提高了双电层压缩和桥连的效率，容易形成有效絮凝体。

图2 斯特恩双电层模型

1.3 吸附架桥作用理论

吸附作用是聚合物通过长碳链上的活性基团吸附在水泥浆体系颗粒上的过程，见图3（a），分子量小的聚合物吸附在颗粒表面，桥连少，无法形成絮凝体。因此研发了抗分散聚合物为较长的线状结构，能够在同一分子链上吸附多个颗粒，如图3（b）所示，使抗分散絮凝剂在颗粒之间起到架桥作用。

由上所述，要达到有效的双电层压缩和吸附架桥作用，絮凝剂的分子量必须满足一定大小，从图4 可以看出，加入的抗分散聚合物表观黏度越大，水泥浆的抗分散效果越好，这是因为聚合物分子量越大，分子链越长，有利于双电层压缩和分子间搭桥，从而形成稳定的絮凝体。因此，最终选择表观黏度大于150 mPa·s 的聚合物作为抗分散絮凝剂。

图3 吸附桥连分子结构

图4 抗分散聚合物的表观黏度对抗分散效果的影响

抗分散絮凝剂分子链上带有的羟基与拌合水分子形成氢键，与水分子亲和力增加，随着抗分散絮凝剂掺量的加大，长分子链间相互缠联形成网状结构，将水泥颗粒包裹起来，使之不易受到外界水分子的冲洗而分散，如图5 所示。

图5 水不分散水泥浆的网状结构图

1.4 扫描电镜分析

图6（A1，A2）和图7(B1，B2)分别为普通水泥石断面和加入BCY-100S 水泥石断面的SEM 图。

图6 普通水泥石断面SEM 图

图7 加入BCY-100S 水泥石断面SEM 图

从图6、图7 可以看出，普通水泥石表面为松散颗粒结构，颗粒间的空隙较大，在加入BCY-100S后，水泥石表面结构发生了明显变化，颗粒间由聚合物胶体链接凝聚，使得颗粒更为密实，进一步证明了BCY-100S 的抗分散絮凝作用。

2 水不分散水泥浆的性能评价

2.1 抗分散性能

水不分散水泥浆的抗分散性指标主要通过水泥浆在水中浇筑时抵御水流冲洗作用的效果来制定，保证水泥的流失量不会太多，固相颗粒不会离析，不会被水溶解迁移。主要采用pH 值法和称重法[6]来评价其抗分散性。pH 值法和称重法是将680 g水泥浆，倒入装有800 mL 水的烧杯中，然后测定烧杯上层600 mL 水的pH 值以及分散其中的水泥颗粒的重量，常规水泥浆的pH 值不小于13，当水泥颗粒分散于水中时，水的pH 值会迅速升高，水泥浆的抗分散性越好，分散于上层水的水泥颗粒越少，水的pH 值越接近7。

考虑到注水井压力紊乱情况下的水侵可能会引起水泥浆水灰比增大，设计了水灰比分别为0.45、0.47 以及0.50 的3 种水泥浆进行测定，结果表明，随着水灰比增大，普通水泥的损失量逐渐增加，水不分散水泥浆的损失量没有明显改变，这就表明，当水侵入到水不分散水泥中时不会破坏抗分散剂形成的网络结构，水不分散水泥浆依然能保持良好的抗分散性能，保证水泥颗粒不会被溶解迁移，见表1。从表1 可以看出，水不分散水泥浆的抗水冲洗效果十分明显，pH 值不大于8，水泥损失量不大于1%，并且随着水灰比的增大，水不分散水泥浆依然保持着良好的抗分散性。该水泥浆配方如下。

700 g 胜潍G 级水泥+2 g BCD-200S+4.5 g 抗分散絮凝剂 BCY-100S+0.2 g 消泡剂G603+水

表1 水不分散水泥浆抗分散性评价

2.2 流变性能

抗分散絮凝剂的加入，虽然增强了水泥浆的抗分散作用，但由于其通过分子链将水泥颗粒包裹并链接在一起，絮凝作用又进一步减小颗粒之间的电荷排斥作用，从而使颗粒紧密聚集在一起，对水泥浆的流变性能产生了一定影响，因此选用本公司生产的减阻剂BCD-210L、CF40S、BCD-200S 以及BCD-220L 对水不分散水泥浆的流变性能进行改善，表2 为加入0.3%不同减阻剂时，水不分散水泥浆在不同温度下的性能。水泥浆配方为700 g胜潍G 级水泥+2 g 减阻剂+4.5 g BCY-100S+0.2 g G603+330 g 水，水灰比为0.47

表2 加入不同减阻剂的水泥浆的流变性能和抗分散性能

从表2 可以看出，随着不同减阻剂的加入，水不分散水泥浆的流变性都能得到一定改善。但加入减阻剂会影响水泥浆的抗分散效果，只有加入减阻剂BCD-200S 才能同时达到令人满意的结果，这是由于BCD-200S 与其他减阻剂相比，阴离子基团少，电负性较小，不会与抗分散絮凝剂产生较强的竞争吸附以及影响双电层压缩作用。因此，最终选择减阻剂BCD-200S 为水不分散水泥的配套减阻剂。

2.3 力学性能

对水灰比为0.45、0.47 和0.50 的3 种水不分散水泥浆进行了三轴力学性能测试以及抗压强度测试，三轴力学性能测试了50、60 和80 ℃养护箱中分别养护了7 d 的水不分散水泥石各2 组，抗压强度测试了30、50、60、70 和80 ℃养护箱中分别养护8 h 和24 h 的水不分散水泥石各1 组，结果见表3 和表4。从表3 和表4 可以看到，随着水灰比的增大，抗压强度逐渐减小，弹性模量逐渐减小，强度指标满足施工要求。

表3 水不分散水泥石三轴力学性能测试结果

表4 水不分散水泥石抗压强度测试结果

2.4 综合性能

首先考察了不同掺量抗分散絮凝剂下常规密度水泥浆在80 ℃时的失水量，结果如图8 所示。由图8 可以看出，抗分散絮凝剂加量少于0.5%时，水泥浆失水量对其加量的变化比较敏感；而当加量大于0.5%时，水泥浆失水量都可以控制在50 mL以内。

图8 抗分散絮凝剂加量对水不分散水泥浆失水量的影响（80℃）

此外，还考察了不同温度下水灰比为0.45 的水不分散水泥浆的流动度、游离液及沉降稳定性，结果见表5。表5 结果表明，该水泥浆体系在30～80 ℃循环温度下，游离液量为0 mL，沉降稳定性好，上下密度差小于0.03 g/cm3，符合现场施工技术指标。水泥浆配方如下。

700 g 胜潍G 级水泥+2 g BCD-200S+4.5 g BCY-100S+0.2 g G603+315 g 水，水灰比为0.45

表5 水不分散水泥浆的性能

3 结论

1.基于胶体稳定理论和双电层压缩及吸附架桥原理，探讨了水不分散水泥浆体系的作用机理，并采用扫描电镜分析（SEM）进一步证明抗分散絮凝剂BCY-100S 对水泥颗粒的架桥凝聚作用。

2.优选出BCD-200S 作为配套分散剂，在一定加量下，水不分散水泥浆流变性能显著改善且不影响抗分散性能。评价了水灰比分别为0.45、0.47 和0.50 的3 种水不分散水泥在30～80 ℃的抗分散性能、力学性能及其综合性能，结果表明，水灰比增大不影响水不分散水泥浆的抗分散性，水不分散水泥浆的各项性能满足施工要求。