一种新型纳米早强剂在深水低温固井中的应用

2023-03-10逄淑华杜庆杰张伟国李波

化工管理 2023年5期

逄淑华，杜庆杰，张伟国，李波

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳 518054)

0 引言

在深水低温的恶劣环境下，固井作业面临极大挑战。当水深达到800～1 200 m时，泥线温度仅有10 ℃左右，而当水深达到1 500～2 000 m时，泥线温度只有3 ℃左右，在如此低温的条件下，油井水泥几乎停止了水化凝结反应，严重影响固井质量[1]。

近年来，针对深水低温环境下固井水泥浆体系强度发展缓慢、流动性差、稠化时间长、窄压力窗口等难题[2-3]，石油工作者们从不同方面进行了研究，除改善水泥本身性能外[4-8]，在水泥浆中添加早强剂已成为解决深水低温固井难题的一大方向[8-15]，常使用无机盐类化合物和有机化合物来改善水泥浆难以凝结、早期强度低的问题，氯化钙是最初使用的一种高效经济的无机盐类早强剂[14]，但氯离子对金属套管腐蚀严重，容易导致套管损坏，并会引发水泥浆触变，有其局限性。三乙醇胺类有机化合物早强剂能加速铝酸三钙的水化，从而对水泥浆有促凝作用，增强其早强性能，但在深水低温环境下，三乙醇胺会使硅酸三钙的水化诱导期延长，从而表现出缓凝或先缓凝后促凝的作用，不易控制。

近年来，纳米材料受到广泛关注，研究发现纳米二氧化硅对水泥浆具有低温促凝作用，但会影响其流变性能[15]。

鉴于此，研究一种在低温环境下提高水泥早期强度，缩短稠化时间，并对浆体流变性能没有影响的早强剂迫在眉睫。本文基于纳米硅酸钙子晶能在低温作用下明显缩短硅酸三钙的水化诱导期，提升水泥早期强度而不影响流变性能的原理[16-17]，研制出一种新型纳米早强剂。下面将详述该新型纳米早强剂的性能、作用机理以及现场应用情况。

1 实验部分

1.1 实验材料

油井水泥(G级，山东水泥)；海水(中国南海)；消泡剂(自制)；新型纳米早强剂(自制)；氯化钙(分析纯，aladdin)；普通早强剂(自制)。

1.2 实验仪器

OWC-9360型恒速搅拌器(沈阳航空航天大学应用技术研究所)；ZNN-D6型六速旋转黏度计(青岛创梦仪器有限公司)；OWC-9480D型稠化仪(沈阳航空航天大学应用技术研究所)；YJ-2001型匀加荷压力试验机(沈阳金欧科石油仪器技术开发有限公司)；5265型静胶凝/抗压强度测定仪(Chandler Engineering)。

1.3 实验方法

油井水泥取样按GB 10238进行，固体油井水泥外加剂的取样按GB 6679进行，液体油井水泥外加剂的取样按GB 6680进行，水泥浆性能按API规范10“油井水泥材料和试验规范”的规定测试。

2 结果与讨论

2.1 新型纳米早强剂的制备及其性能特点

新型纳米早强剂采用沉淀法制备水化硅酸钙晶种，通过大量室内小试及性能优化，最终筛选出一种混合材料的复配成品，其主要成分为纳米级的硅酸钙子晶或其悬浮液。该种纳米早强剂有液体、固体两种状态。液体为白色无味悬浊液，密度为1.1 g/cm3，加量一般为3%～12%(BWOC)。固体为白色粉末状，密度为1.8 g/cm3，推荐加量为0.5%～3%(BWOC)。

新型纳米早强剂具有低温早强的特点，适用温度为4～40 ℃，在8 ℃下养护8 h，水泥石抗压强度即可高于3.445 MPa，满足低温深水固井施工作业要求。该新型纳米早强剂性能稳定，长期放置不会产生沉降，可根据施工作业要求灵活选择固体或液体添加剂。

2.2 新型纳米早强剂对水泥浆性能的影响

深水低温固井所用水泥浆需满足在低温条件下，低密度、过渡时间短、水泥石具有良好的抗压强度等条件。本文针对这些必要条件，开展新型纳米早强剂对水泥石抗压强度、水泥浆流变及稠化时间的实验影响研究，并比较了添加不同类型早强剂的水泥浆性能。

2.2.1 早强剂类型对水泥石抗压强度的影响

在海水水泥浆体系中引入早强剂，其根本目在于提高水泥石早期抗压强度，因此，研究不同类型早强剂的加入对水泥石早期抗压强度影响是不可或缺的。使用水泥浆配方：100%“G”级山东水泥+2%早强剂+0.3%消泡剂+海水，水泥浆密度为1.9 g/cm3，在8 ℃下对不同水泥石进行抗压强度测试，研究不同类型早强剂对水泥石抗压强度的影响。实验结果如图1所示。

图1 抗压强度实验结果

从图1(a)中可以看出在早强剂加量相同的情况下，普通早强剂不能使水泥石在6 h内产生抗压强度，而新型纳米早强剂的加入可以使其抗压强度在6 h达到0.000 5 MPa。普通早强剂能使水泥石在24 h达到4.795 MPa的抗压强度，而新型纳米早强剂能使水泥石在24 h达到5.898 MPa的抗压强度。由此可见，普通早强剂的早强效果不如新型纳米早强剂，新型纳米早强剂达到了低温提高早强的作用，早强效果优于已有产品。通过图1(b)静胶凝强度测试可以发现，新型纳米早强剂在163 min时便起强度，而普通早强剂需要258 min才能起强度。

因此，新型纳米早强剂已能达到深水低温固井对水泥石抗压强度的基本要求，不论是起强度时间还是等时间内的强度值均优于普通早强剂，低温早强效果明显优于普通早强剂。

2.2.2 早强剂类型对水泥浆流变性能的影响

为进一步测试新型纳米早强剂对水泥浆流变性能的影响，使用新型纳米早强剂配制海水水泥浆体系，测其流变数据，并对比了不同类型早强剂对水泥浆流变性能的影响。所选用水泥浆配方为： 100%“G”级山东水泥+2%早强剂+0.3%消泡剂+海水，水泥浆密度为1.9 g/cm3，养护温度为16 ℃，水泥浆流变数据汇总如表1所示。

从表1中的数据可知，新型纳米早强剂的流变性能优异，比添加了其他类型早强剂的水泥浆体系更好，分散性能好，在流变读数低的同时不会引起浆体的沉降。而其他两种早强剂的加入会明显引起水泥浆流变读数升高，并且添加了氯化钙早强剂的水泥浆体系在静置5 min后流动性变差，低搅后无法恢复原有流动性，水泥浆发生不可逆的胶凝现象，这会使固井现场施工面临潜在风险。综合以上实验结果，加入新型纳米早强剂的水泥浆体系更为简单可控，可泵送性好，为现场应用提供了施工便利，达到了降本增效的目的。

表1 添加不同类型早强剂的水泥浆流变性能

2.2.3 早强剂类型对水泥浆稠化时间的影响

水泥浆的稠化时间是指水泥浆在流动过程丧失流动的时间。从施工安全的角度考虑，水泥浆的稠化时间要大于注水泥施工的时间，本文中设计的安全时间为达到50 Bc时的可泵送时间。考虑到一般情况下早强剂在提升水泥石早期抗压强度的同时，会大大缩短水泥浆的稠化时间，具有一定的促凝效果，影响施工方案的设计与实施。因此，对添加新型纳米早强剂的水泥浆体系进行稠化实验，对比添加不同类型早强剂对水泥浆稠化时间及可泵时间的影响。水泥浆配方：100%“G”级山东水泥+2%早强剂+0.3%消泡剂+海水，水泥浆密度为1.9 g/cm3，实验条件为：14 ℃，3 MPa，数据汇总如下表2所示。

表2 添加不同类型早强剂的水泥浆稠化时间及可泵时间

从表2中数据可以看到，加入氯化钙、普通早强剂、新型纳米早强剂的水泥浆稠化时间依次缩短，分别为380 min、367 min和184 min。其中添加新型纳米早强剂的水泥浆稠化时间最短，相应的其可泵送时间也最短，在143 min。因此，新型纳米早强剂的引入对海水水泥浆体系有一定的促凝作用，在施工时应考虑该种情况，当实验要求稠化时间较短时，该体系具有良好的可操作性，且节约成本。

2.3 作用机理分析

新型纳米早强剂通过缩短水泥水化的诱导期，加速水泥水化进程，生成能够起到早强作用的水化硅酸钙凝胶，从而实现即使在深水低温条件下也能够快速稳定地提高水泥石抗压强度的目的。以水溶性羧酸盐和纳米硅酸盐为主要成分的早强剂，在水化过程中，形成凝胶网状结构，由于凝胶体内部存在的凝胶孔更小，凝胶体颗粒间充满水的毛细孔更小，整个水泥石变得更加致密，强度得以提升。在液相水泥浆中，硅酸盐与钙离子反应生成水化硅酸钙凝胶，促使水泥水化诱导期提前结束，从而产生促凝的作用。已有研究表明水化硅酸钙凝胶的加入会使水泥水化诱导期显著缩短，提高了早期水泥水化放热量，并在此期间有效提高水泥石的强度发展，达到早强的效果。新型纳米早强剂的引入促使水泥浆快速形成水化硅酸钙凝胶，并使其比表面积增大，导致水化硅酸钙的结构疏松，渗透率增大，这无疑提高了水和离子的扩散速率，使得水化速率明显增加的同时提高了水泥石强度。

综上所述，新型纳米早强剂的加入加速了水泥的水化放热速度，降低了反应能，使水泥石的结构变的更加均匀密实，并对流变不产生明显影响。

3 现场应用

常规深水低温早强水泥浆体系候凝时间一般为8～10 h，添加了新型纳米早强剂的水泥浆体系密度可从1.90 g/cm3调制2.0 g/cm3，稠化时间可调，浆体稳定，流变性能良好。在泥线温度8 ℃条件下，1.90 g/cm3的水泥浆1.5 h开始起强度，候凝时间2.5～3 h即可倒开井口送入工具，大大缩短了固井工期，实现了降本增效的目标。添加了新型纳米早强剂的水泥浆体系在南海东部某油田群开发井项目应用了25井次，所有作业均安全、顺利，目前已推广应用至普通浅水探井导管固井，均取得良好应用效果。