适用于硅质材料减轻水泥浆的缓凝剂研究

2021-05-11温达洋冯颖韬

石油化工应用 2021年4期

张浩，崔策，龚勇，温达洋，冯颖韬，陈宇，汪蕾

（1.中海油服油田化学研究院，河北三河 065201；2.中海油服油田化学事业部深圳作业公司，广东深圳 518000）

在油田固井施工中，为应对易漏失地层和低压力梯度地层，常使用低密度水泥浆体系，以降低水泥浆静液柱压力，防止水泥浆漏失和储层污染，保护油气层，并在较低的泵压下获得较好的固井质量[1]。用以构建低密度水泥浆的方式有两种，一种为在水泥浆中加入低密度减轻剂，如漂珠、人造空心玻璃微珠等，但这种构建方式成本昂贵，在表层固井等替浆量大的场合，常以另一种大水灰比的方式成浆[2]，并加入膨润土、水玻璃、微硅、纳米硅等材料作为悬浮剂保证水泥浆稳定[1-3]。在固井实践中发现，此类水泥浆常出现稠化“包心”、“鼓包”、“台阶”等异常胶凝现象[4]。尤其是在以水玻璃、纳米硅等硅质材料为减轻剂时，当温度大于50 ℃，由于大水灰比水泥浆本身稳定性较差，加之温度升高引起的水泥颗粒热运动加剧，此类异常胶凝现象更是频繁发生，严重制约了此类水泥浆体系的使用。本文以小分子羧酸盐为缓凝组分，研发了一种适用于以硅质材料为减轻剂的低密度水泥浆缓凝剂C-R23L，可以较好地解决上述问题，且水泥浆综合性能良好。

1 实验部分

1.1 实验材料

山东G级油井水泥，其组成（见表1），物理性能指标（见表2）、油井水泥降失水剂C-FL86L（AMPS聚合物类）、液体减轻剂C-P81L（硅质材料减轻剂）、CP70L（硅质材料减轻剂）、缓凝剂C-R23L（自制）、缓凝剂C-R21L（有机膦酸盐类）、缓凝剂C-R42L（聚合物类）、硅粉C-C83、防窜增强剂C-GS12L、消泡剂C-DF60L，以上外加剂均产自天津中海油服化学有限公司。

表1 G级高抗硫酸盐油井水泥的化学及矿物组成单位：%

表2 G级高抗硫酸盐油井水泥的物理性能指标

1.2 实验仪器

OWC-9360搅拌器、Chandler 3500旋转黏度计、OWC-9350A常压稠化仪、OWC-9710H高温高压失水仪、OWC-118D循环水养护箱、YJ-2001型抗压强度试验机、OWC-9480D高温高压稠化仪、Chandler 5265U水泥静胶凝强度测试仪。

1.3 缓凝剂C-R23L的制备

称取9 g的小分子羧酸盐A和85 g去离子水置于带有机械搅拌、温度计的四口烧瓶中，升温至60 ℃，搅拌30 min，待其完全溶解后，再称取3 g的小分子羧酸盐B，加至四口烧瓶中，维持温度在60 ℃，继续搅拌30 min，待其完全溶解后，继续恒温搅拌反应2 h，随后加入15 g乙二醇，继续搅拌30 min，所得溶液即为缓凝剂C-R23L样品。所述样品用于后续实验性能评价。

1.4 测试方法

水泥浆的制备及性能测试按API 10B RP中的相关规定进行。

2 结果与讨论

2.1 缓凝剂的缓凝性能

在使用硅质材料为减轻剂时的低密度水泥浆中，采用现有的有机膦酸盐或聚合物类缓凝剂（C-R21L或C-R42L），在温度大于50 ℃时，常出现“包心”、“鼓包”、“台阶”等异常胶凝现象，实验结果（见图1）。由于固井水泥浆是一个复杂的多元体系，而大水灰比的低密度水泥浆本身稳定性较差，温度的上升又引起了水泥颗粒热运动的加剧，同时，不同外加剂分子在水泥颗粒上的吸附能力不同，这些都可能是造成目前现有缓凝剂在以硅质材料为减轻剂的低密度水泥浆中难以使用的原因[3]。因此，有必要研究与此类水泥浆配伍性良好的缓凝剂，避免此类现象的发生。

以小分子羧酸盐为主要成分的缓凝剂C-R23L，在以硅质材料为减轻剂的低密度水泥浆中可以较好地解决上述异常胶凝问题。在30～130 ℃进行不同温度下的稠化实验，水泥浆配方及实验结果如下：

图1 缓凝剂不配伍时水泥浆稠化性能实验中产生的异常胶凝现象

水泥浆配方：山东G级油井水泥100%+C-FL86L 6%+C-P81L 15%+C-DF60L 0.5%+C-R23L x%+自配海水，1.5 g/cm3（30～90 ℃）；

山东G级油井水泥100%+C-C83 35%+C-FL86L 10%+C-P81L 20%+C-DF60L 0.7%+C-R23L x%+自配海水，1.5 g/cm3（110～130 ℃）。

将表3中实验结果按照缓凝剂加量与稠化时间的相关性作图（见图2）。

从表3及图2中的实验结果可以看出，在以硅质材料为减轻剂的大水灰比低密度水泥浆中，采用缓凝剂C-R23L，在30～130 ℃温度范围内，水泥浆稠化时间随着缓凝剂加量增大而延长，水泥浆稠化规律良好，同一加量下，随温度升高，稠化时间缩短，未出现稠化时间随温度升高而发生的反转现象。其中，50～130 ℃的典型稠化曲线（见图3）。

表3 采用C-R23L作为缓凝剂时的水泥浆稠化时间

图2 采用C-R23L作为缓凝剂时的水泥浆稠化时间

从图3可以看出，当温度大于50 ℃时，水泥浆稠化曲线平稳正常，未发生“包心”、“鼓包”、“台阶”等异常胶凝现象。说明C-R23L在以硅质材料为减轻剂的大水灰比低密度水泥浆中性能良好，在延长稠化时间的同时，有效避免了稠化曲线“包心”、“鼓包”、“台阶”等异常现象的发生。

2.2 流变性能

缓凝剂通常具有一定的分散作用，对于保持低密度水泥浆的稳定性不利，为此，在不同温度下考察了加入新型缓凝剂前后的水泥浆流变性能及沉降稳定性，水泥浆配方及实验结果（见表4）。

图3 采用C-R23L作为缓凝剂时的水泥浆稠化曲线

表4 采用C-R23L为缓凝剂时的水泥浆流变性能

水泥浆配方：山东G级油井水泥100%+C-FL86L 6%+C-P81L 15%+C-DF60L 0.5%+C-R23L x%+自配海水，1.5 g/cm3。

从表4实验结果可以看出，在25 ℃、90 ℃时，加入缓凝剂前后，水泥浆的流变变化不大，水泥浆沉降稳定性良好，上下密度差为0.01，说明缓凝剂对水泥浆的流变性能及稳定性影响不大。

2.3 其他常规性能

分别考察了加入缓凝剂后，不同温度下的水泥石强度发展、失水等性能，水泥浆配方及结果（见表5）。

水泥浆配方1：山东G级油井水泥100%+CFL86L 6%+C-P81L 15%+C-DF60L 0.5%+C-R23L 1.75%+自配海水，1.5 g/cm3（30 ℃、50 ℃）；

水泥浆配方2：山东G级油井水泥100%+C-FL86L 6%+C-P81L 15%+C-DF60L 0.5%+C-R23L 1.75%+CGS12L 8%+自配海水，1.5 g/cm3（70 ℃、90 ℃）；

水泥浆配方3：山东G级油井水泥100 %+C-C83 35%+C-FL86L 10%+C-P81L 20%+C-DF60L 0.7%+CR23L 2%+C-GS12L 8%+自配海水，1.5 g/cm3（110 ℃、130 ℃）。

从表5可以看出，加入缓凝剂C-R23L所配制的水泥浆各项性能指标良好，随温度上升，水泥石抗压强度增加，在70 ℃、90 ℃时略有下降，在110 ℃、130 ℃时有所上升，各实验温度下水泥石强度均大于3.5 MPa。同时，水泥浆降失水作用良好，各温度下的水泥浆失水均小于100 mL。

表5 采用C-R23L为缓凝剂时的水泥浆性能

2.4 缓凝机理初探

C-R23L中的小分子羧酸含有大量的羧基，具有极强的电负性，同时，小分子羧酸的空间结构较为简单，具备较小的空间位阻，与有机膦酸盐或羧酸盐类缓凝剂相比，可更为有效的提高与水泥颗粒的配位性，通过与钙离子（Ca2+）的结合抑制Ca（OH）2的结晶和晶核的生长，以此来有效延缓水泥水化的进程，延缓水泥水化的诱导期、减少以硅质材料为减轻剂时的低密度水泥浆稠度异常上升造成的“包心”、“鼓包”、“台阶”等异常胶凝现象，并有效延长水泥浆稠化时间。

3 现场应用

C-R23L在南海东部某区块进行了现场应用。所用水泥浆体系为含硅质材料减轻剂的大水灰比低密度水泥浆，密度为1.55 g/cm3，应用于某大位移井的技术套管首浆施工，施工段井底静止温度为96 ℃、循环温度为78 ℃，井底压力为25.4 MPa。水泥浆初始稠度为15 Bc，稠化时间为156 min，稠化曲线正常，无异常胶凝现象发生，所使用的水泥浆配方如下：

水泥浆配方：山东G级油井水泥100%+C-FL86L 6%+C-P81L 8%+C-DF60L 0.5%+C-R23L 1.75%+CGS12L 8%+C-GS13L 6 %+海水。

施工过程中，水泥浆下灰顺利，可泵性好，密度控制较均匀，达到设计要求，无漏失现象。72 h声波变密度测井固井质量为良好。说明C-R23L满足现场施工的需要，可以适用于以硅质材料为减轻剂的大水灰比水泥浆体系温度大于50 ℃时的施工。