许明标 熊 敏，于连方，刘玉杰，刘富芳 王晓亮

(长江大学石油工程学院，湖北 荆州 434023)(中海油田服务股份有限公司，天津 300450)(长江大学石油工程学院，湖北 荆州 434023)

一种可用于寒冷地区固井作业的抗冻胶乳水泥浆性能研究

许明标 熊 敏，于连方，刘玉杰，刘富芳 王晓亮

(长江大学石油工程学院，湖北 荆州 434023)(中海油田服务股份有限公司，天津 300450)(长江大学石油工程学院，湖北 荆州 434023)

对一种可以在寒冷地区进行固井作业的胶乳水泥浆体系进行了详细的性能研究。研究显示，该抗冻胶乳水泥浆具有较好的强度和滤失性能，较短的稠化转化时间，较好的壁面胶结性能，渗透率低，凝胶强度发展快，顶底温差强度高，其水泥浆外加剂具有较低的倾倒点，在温度达到零下15℃情况下，仍然具有较好的流动性，便于油田冬季固井作业。

固井; 抗冻胶乳; 胶乳水泥浆

海上油田进行固井作业时，采用吹灰的方式将水泥从水泥运输船上吹到钻井平台上，由于外加剂一般为液体，采用平台湿混的方式加入到配浆水中。在北方冬季作业时，外加剂在运输、仓储和使用过程中，易于结冻凝固成块，这不仅严重影响外加剂的使用，而且可能由于结冻凝固而使其失效。因此，对于以胶乳为主剂的胶乳水泥浆来说，胶乳及配套外加剂都需要具有抗冻性能，以解决冬季固井作业的施工困难。为了使冻胶乳水泥浆具有抗冻性能，需要对各种外加剂的组成和制备进行改进以满足低温环境作业的要求。外加剂的改变，可能对水泥浆体系的性能产生较大的影响。为此，笔者在室内对加有胶乳稳定剂和聚合物的抗冻胶乳水泥浆的失水、稠化性能、养护强度以及胶乳水泥石的渗透率和抗隔离液侵污等性能进行了测试，发现抗冻胶乳水泥浆的各项性能均能满足现场施工要求。

1 试验部分

1.1试验配方

1)循环温度小于90℃低温配方 100%JHG水泥+31.3%淡水+12% CGR66L抗冻胶乳+2%CJ51L胶乳稳定剂+3% CG88L降滤失剂+1.2%CF44L-M分散剂+0.9% H21L-M缓凝剂+ 0.5% CX66L-M消泡剂。

2)循环温度大于90℃高温配方 100%JHG水泥+40%淡水+35%SSA300硅粉+15%CGR66L抗冻胶乳+3%的CJ56L胶乳稳定剂+3%CG88L降滤失剂+1.5%CF44L-M分散剂+0.5%～2% H63L-M缓凝剂+ 0.5%CX66L-M消泡剂。

3) 隔离液配方 淡水+6%DISPACER隔离剂。

以上所用产品均为中海油田服务股份有限公司提供。

1.2试验方法

1)水泥浆评价试验 按照API SPEC 10A标准进行。

2)渗透性能评价方法 制备胶乳水泥石岩新芯后，依据SY/T 5843-1997渗透率测试标准进行试验测试与计算。

2 试验结果及分析

2.1抗冻胶乳水泥浆外加剂液体材料的抗冻性能评价

在冬季低温下使用的水泥浆外加剂，要求具有一定抗冻性能以方便现场使用。室内通过测定材料在低温下经过48h存放后是否能够流动的温度(即倾倒点)来进行评价。对抗冻胶乳水泥浆外加剂材料的倾倒点的测定结果如表1所示。

表1 抗冻胶乳水泥浆外加剂材料的倾倒点的测定结果

从表1可以看出，抗冻胶乳水泥浆外加剂的倾倒点都低于-15℃，能保证在低温配制胶乳水泥浆时,外加剂材料能够被方便的倾倒并与配浆水混合，方便冬季现场施工。

2.2抗冻胶乳水泥浆体系性能评价

1)常规性能 水泥浆的稠化性能、强度性能、流变性能以及滤失性能等是保证水泥浆满足施工安全和作业质量要求的常规性能。胶乳水泥浆在不同温度下的常规性能如表2所示。

表2 抗冻胶乳水泥浆在不同温度下的常规性能

140℃API失水条件：正压为7.5MPa，回压为0.6MPa。

从表2可以看出，在不同的温度条件和稠化时间下，抗冻胶乳水泥浆具有较低的滤失性能和较高的强度，具有满足固井作业要求的体系流变性和浆体稳定性。

2)稠化性能 水泥浆的稠化性能是水泥浆最重要的性能之一，通过对水泥浆稠化过程的分析，可以对水泥浆在固井作业中的风险、作业效果及封固封隔能力进行初步判断。保证安全的稠化时间、泵送过程中的水泥浆稠度、水泥浆升温过程中的浆体变化以及水泥浆的稠化转化时间的长短等都是研究水泥浆稠化性能的重要内容。在室内分别于35℃和140℃下对抗冻胶乳水泥浆的稠化性能进行了试验。

图1为35℃的低温稠化曲线图。从图1可以看出，稠化过程开始后，温度从30℃开始上升，24min后，温度开始下降，然后回复到设定的35℃，在35℃温度下持续稠化至结束，稠化转化时间从366min到388min，转化时间为22min，稠化曲线平稳，并具有较短的稠化转化时间。

图1 35℃稠化曲线图 图2 140℃稠化曲线图

图2为140℃的高温稠化曲线图。从图2可以看出，在高温下，稠化过程极为稳定，其稠化转化时间小于5min。

比较上述试验可以知道，试验温度上升，水泥浆稠化转化时间缩短。

3)流体阻隔性能 水泥浆的流体阻隔性能是保证水泥浆免受地层流体腐蚀，改善水泥浆层间封隔效果的重要指标，室内通过对水泥浆的第一界面和第二界面的壁面胶结强度以及水泥石可渗透性能的测定，以考察水泥浆的流体阻隔性能[1]。对水泥浆的第一界面和第二界面的壁面胶结强度的测定结果如表3所示。

由表3可以看出，抗冻胶乳水泥浆与地层和套管均具有较高的胶结强度，且80℃水浴养护较60℃水浴养护测得的第一界面和第二界面的胶结强度都要高一些。

胶乳可以提高水泥石抗地层流体以及注入流体腐蚀的性能，在室内对抗冻胶乳水泥石和其他体系水泥石渗透性能进行测试，测试结果如表4所示。

表3 抗冻胶乳水泥浆壁面胶结性能

表4 抗冻胶乳水泥石与其他水泥石渗透性能比较

从表4可以看出，与常规水泥浆比较,抗冻胶乳水泥石中流体流动的突破压力更高，其水泥石的渗透性能有所改善，有利于水泥石在高CO2和H2S地层以及注CO2驱的油井固井中使用。

4)凝胶强度发展 水泥浆的静胶凝强度发展速度和凝胶强度大小是水泥浆防止地层流体侵入能力大小的重要评价指标[2]。静胶凝强度从100lb/100ft2～500lb/100ft2之间的发展速度越快，水泥浆的防窜能力越强。室内采用超声波无损试验仪对水泥浆在35℃稠化过程中的静胶凝强度的测试结果如图3所示。

从图3可以看出，35℃时水泥浆的静胶凝强度迅速发展，从100lb/100ft2～500lb/100ft2的过渡时间仅为19min，在更高的温度下，其静胶凝强度发展更快。

图3 35℃水泥浆静凝胶强度曲线图 图4 胶乳水泥浆静胶凝强度发展曲线图

由图4可知，胶乳水泥浆的静胶凝强度从100lb/100ft2发展至500lb/100ft2仅用了8min时间。快速发展的静胶凝强度能够在一定程度上防止油井气水上窜的现象发生。

5)高顶底温差下水泥石强度 胶乳的加入，改善了水泥浆在不同温度条件下的水化性能，也改善了水泥浆的胶凝强度发展，水泥浆一旦开始凝固，其强度迅速发展。这种强度的发展趋势不仅使得胶乳水泥浆显示了较好的抑制流体上窜的能力，而且能促使不同温度养护下的水泥浆的强度快速发展，使得在高顶底温差情况下，胶乳水泥浆的强度受温度变化的影响相对较小[3,4]。高顶底温差情况下水泥浆的强度比较如表5。

由表5可看出，在低温下，水泥石的强度比高温下的强度相对要低，但是仍然达到16.4MPa以上。在65℃以上，水泥石的强度均大于20MPa以上，表明在高顶底温差下该水泥浆体系可以达到较好的封固套管和封隔地层效果[5]。

6)水泥浆与隔离液的配伍性 提高水泥浆与隔离液的配伍性是改善顶替隔离效果，保证固井质量的重要措施之一。在各种的混合比例下，隔离液与水泥浆良好的配伍性应该满足其流变性平稳变化且有规律。室内一般通过对隔离液和水泥浆混合液的稠化、强度性能进行评价来判定隔离液水泥浆的配伍性。测试数据如表6所示。

从测试结果可以看出，隔离液侵入水泥浆后，虽然对水泥浆的性能有所影响，稠化时间延长，强度下降，但其影响有限。即使隔离液的侵入量达到50%，其强度仍然可以达到 6.98MPa左右，证明隔离液侵入水泥浆后，在稠化、强度以及泵送过程中的稠度变化方面都显示较好的配伍性。

表5 高顶底温差情况下水泥浆的强度比较

表6 隔离液侵入对水泥浆性能影响

3 结 论

1)抗冻胶乳水泥浆外加剂具有较低的倾倒点，在温度达到零下15℃以下时，仍然具有较好的流动性，便于油田冬季固井施工作业。

2)抗冻胶乳水泥浆具有良好的强度和滤失性能，即使在较低温度下，仍具有较短的稠化转化时间，较高的壁面胶结性能和低渗透率；该水泥浆体系在低温下的凝胶强度发展快，在高顶底温差下仍然具有高的顶底强度，水泥浆与隔离液的配伍性好，能够满足固井作业施工要求。

[1]许明标，彭雷，张春阳，等.聚合物胶乳水泥浆的流体阻隔性能研究[J].油田化学，2009，3(1)：15～16.

[2]Abdul-Rahman R，Chong A.Cementing Multilateral Well With Latex Cement[J]. SPE/IADC37623,1997.

[3]Lv Guangming, Jin Jianzhou.Application and Research of Latex Tenacity Cement Slurry SystemSun Fuquan[J].SPE104434,2006.

[4]Gopalkrishnan，Sridhar.Additive composition for oil well cementin formulations[P].US：5401786,1995-03-28.

[5]Chatterji，Jiten, Cromwell,etal.Stable well cementing methods and compositions[P].US:6641660,2003-11-4.

[编辑] 李启栋

TE256.7

A

1673-1409(2009)03-N052-04

2009-06-07

许明标(1962-)，男，1983年大学毕业，博士，副教授，现主要从事井下流体方面的研究工作。