浅谈石油工程固井外加剂针对性选择

张璞乔

摘要：随着石油开采技术的不断发展，传统水泥固井已经无法满足需求，越来越多的固井外加剂应用在水泥固井之中。本文主要介绍几种常用固井外加剂的针对性选择和应用，并对未来固井外加剂的发展进行了展望。

关键词：石油工程; 固井;油井;外加剂

0引言

在钻井行业，水泥大量应用在各类固井作业中，石油固井也不例外，而传统的水泥固井在面临复杂的海洋和地质环境时，已经不能满足使用要求，因此各类外加剂应运而生。外加剂是加入量小于或等于水泥重量的5%的添加剂，它可以通过与水泥间的理化作用，使水泥达到所需的某种性能。目前业界认为，外加剂的重要性可能已经超过了水泥本身。而根据固井作业目的的不同，针对性地选用固井外加剂，成为固井作业的重要一环。

目前常用的固井外加剂主要分为六类，下面对其类别与应用场合分别介绍。

1促凝剂

用于加速水泥硬化和凝结，缩短稠化时间的场合。还可以用作因其他外加剂引起过缓凝时的促凝作用。常用的促凝剂分为无机、有机以及复合促凝剂三类。

1.1无机促凝剂

CaCl2是最常用的无机促凝剂之一，添加量通常为水泥重量的2%～4%。需要注意的是，有研究指出，添加量大于3%时容易出现闪凝并堵塞油气通道。由于CaCl2还有提升水泥早起强度的作用，因此也常被用作早强剂。

此外，其他无机盐如硅酸盐、硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐等也可作为水泥促凝剂。

1.2有机促凝剂

常见的有三乙醇胺（TEA）、甲酸钙、草酸和甲酰胺等，其中以TEA应用最为广泛。TEA通过加速C3A水化并加速钙矾石的形成，从而表现出缓凝后的促凝作用。因此，TEA往往不单独作用，而是与其他外加剂共同使用，主要用来缓解其他外加剂带来的过缓凝现象。

1.3复合促凝剂

常见的有硅藻土-微硅复合减轻剂、NaNO2+CaSO4+TEA复合外加剂等。复合促凝剂作为一种新型材料，在发挥促凝作用的同时，还可兼顾早强作用。与使用单一促凝剂相比，复合促凝剂不仅使形成的水泥体系性能和结构更优越，还有避免闪凝、施工方便、套管防锈等积极作用。复合促凝剂的开发有着繁多的可能性，依然还等待着我们的研究与探索。

2缓凝剂

用于延长水泥凝结时间，降低水泥黏度，延长水泥安全泵送时间。在深井和超深井中，缓凝剂已经成为不可或缺的一部分。缓凝剂种类繁多，主要有有机酸、有机磷化物、纤维素类、木质素磺酸盐类、糖化合物、硼酸盐、有机聚合物等。

以目前常用的木质素磺酸盐缓凝剂为例，它可以用于3000米以上的深井中，可以单独使用，也可以加入硼酸盐复合使用。通过吸附与成核两种效应综合作用，有效减缓水泥冷却。羟基羧酸同样应用广泛，其应用温度低于木质素磺酸盐，但价格更低，综合效果更强。其主要通过羟基羧基团鳌合阳离子，形成高度稳定的圆环结构，阻碍核生长，抑制水化过程。而含有五圆环结构的糖类化合物也能达到类似的效果，但是它对浓度变化太过敏感，在使用上受到一定限制。其他还有纤维素、有机磷酸盐、铬酸盐等常用混凝剂，篇幅所限就不再一一介绍。

3.充填剂

充填剂又叫减轻剂，是用来降低固井水泥浆体系整体密度，使水泥浆柱的静压力下降。在薄弱底层中，需要采用充填剂来防范地层破裂导致的井漏，保证石油固井质量。常见充填剂分为三类：膨润土类、微珠类、泡沫水泥类。

3.1膨润土类

膨润土是以蒙脱石为主，添加粘土和其他材料制成的高吸水性充填剂。加入水泥浆体系后，可以通过强吸附能力，提高造浆率，从而提高水灰比，降低水泥浆密度。除膨润土外，硅酸钠、粉煤灰等材料也能够达到类似效果。

3.2微珠类

有脲醛树脂和空心玻璃两类。这种材料本身密度较水泥低，强度高，添加在水泥中可以降低密度的同时增加水泥浆体系强度，从而解决薄弱底层易漏问题，以及热采井、地热井的固井施工问题。

3.3泡沫水泥类

通过向水泥浆充气或化学生成气体的方法，使水泥浆发泡，形成密度较低的泡沫水泥。此法可较低成本降低水泥浆密度，但也会一定程度上降低水泥浆体系强度，需校验后使用。

4.加重剂

在钻探高压油气层，或进行老油田调整井固作业时，流体窜流一直是国内外攻坚的技术难题之一。在这种作业中，油田溶解气油比有时过高，使水泥浆体系强度不能阻挡流体进入，最终固井质量遭受破坏。因此，需要加大水泥浆体系的整体密度，防止井喷和气窜，这就是加重剂的作用。加重剂又叫防窜外加剂，作为加重剂的物质往往有以下几个特点：材料本身较重，即分子质量高;能大幅降低水灰比，提升水泥浆强度。

常见的加重剂有重晶石、赤铁矿和石英砂等，成本低见效快，但效果不够理想。新型加重剂如掺CaO、Fe2O3粉末的水泥与CaCl2溶液、密胺树脂、磷酸三丁酯拌合水混合形成的复合加重剂，固井优质率高达90%，在实践中卓有成效。

5.分散劑

水泥浆的注入必须一次作业完成，才能割裂地层，形成顶替效果。而顶替效果最好的灌注方式，称为水泥的紊流灌注。分散剂可以降低水灰比，改善水泥的流体性能，使其可以在低排量、低泵压下实现紊流灌注，因此称为使用最广泛，用量最多的固井外加剂之一。分散剂与缓凝剂种类有一定交叉。常见分散剂有以下几类：

5.1木质素磺酸盐类

木质素磺酸盐类除了缓凝剂的作用，还可以用作分散剂。其优点是成本较低，来源广泛，还有一定的降滤失作用。在建筑行业应用广泛，油井行业也有较多应用。其缺点是分散减阻效率同比较差，易气泡，且它的缓凝作用会对分散效果造成干扰。

5.2水溶性密胺树脂

将三聚氰胺、焦亚硫酸钠、甲醛等原料，经一系列反应加工，形成一种高分子聚合物，称为密胺树脂。密胺树脂是一种良好的分散剂，其分散减阻效果明显，且稳定性和水化作用较强，是良好的分散剂。其缺点是合成工艺复杂，价格较高。

5.3低分子化合物

此类化合物主要有多羟基羧酸、水杨酸、柠檬酸及其盐。对于饱和盐水水泥浆体系，采用此类分散剂，既有分散性强，又有一定的缓凝作用，其中的柠檬酸还有抗盐耐温的性能，因此在盐水底层和高温固井作业中广泛应用。

5.4乙烯单体聚合物

此种分散剂与低分子化合物相似，具有耐高温、耐盐、减阻效果好等特点，而且稳定性更好，不引气，应用范围和低分子化合物相同。缺点是大量使用成本较高。

6.降滤失剂

降滤失剂又叫降失水剂。当水泥浆灌入地层时，在压力下会向地层周围渗漏，这个过程叫做“失水”。如果失水不能控制，将会使水泥浆密度持续增加，水泥的各项性能偏离设计要求，甚至导致固井作业失败。降滤失剂能改善水泥流变，使水泥浆渗漏使，在地层表面形成致密、渗透率低的水泥滤饼;或者增大水泥浆黏度，加大滤失阻力，从而控制失水。

常见降滤失剂有以下两类：

6.1颗粒材料

包含膨润土、粘土、微硅、沥青、热塑性树脂等。降滤失性能好，材料来源广泛，使用方便。

6.2聚合物材料

天然改性高分子改性材料，具有来源丰富，价格便宜，用途广泛等特点。常见的有木质素、改性纤维素、改性淀粉、羟乙基田菁等。这类材料通过增强滤饼质量，改善水泥颗粒级配，控制失水速度。

7.结语

其他固井外加剂还有防窜剂、消泡剂和堵漏剂等。固井外加剂的类型繁多，随着应用场合的多样化，研究的不断深入，以及材料科学的发展，固井外加剂的应用将更加成熟，成本也趋于下降。相信未来会有更多功效更强，成本更低，应用更方便的外加剂投入实践与应用。

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