超缓凝水泥浆体系研究与应用

2013-12-23曹会莲齐志刚

石油钻采工艺 2013年2期

曹会莲齐志刚

（胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营 257017）

膨胀管固井作业流程不同于常规注水泥施工，其施工过程是首先将膨胀套管和膨胀工具下至设计位置，然后注入水泥浆并顶替到位，最后进行膨胀施工作业，整个施工过程通常长达8 h 以上。在井下温度和压力条件下，常规水泥浆处于静止状态会很快发生水泥颗粒间的絮凝（胶凝）、沉降等现象，失去流动性。一旦水泥浆稠化，将不可能再进行膨胀管的膨胀施工，从而造成整个施工作业失败，甚至导致井眼报废。为保证膨胀管完井施工的安全，使用的水泥浆体系必须具有水泥浆稠化时间长、直角稠化特征明显、沉降稳定性良好、失水低、流动性好等特点。针对膨胀管固井的要求，研发了一种新型超缓凝水泥浆体系，并对其稳定性、流变性、稠化特性及综合性能进行了评价。

1 配方优选

1.1 缓凝剂

体系采用自主研制的新型缓凝剂（CH88），该缓凝剂的核心组分为丙烯酸羟乙酯、乙烯基磺酸盐和丙烯酸亚磷酸酯，通过单体及配比的优选，合成的温度、时间条件、引发剂加量的优化，合成了高分子缓凝剂，其分子中含有多种易被水泥颗粒吸附、抑制水泥水化能力强的基团（羟基、羧基和磷），分子与水泥颗粒之间的作用力大。新型缓凝剂（CH88）外观为白色颗粒或粉末，无毒、无味、无腐蚀性，密度为1.05 g/cm3，性能稳定，对水泥浆无增稠作用，干混、湿混均可，最高耐温达170 ℃，与其他外加剂相容良好。

1.2 缓凝机理分析

新型缓凝剂CH88 含有羧基的聚合物，可通过化学吸附和螯合的协同作用机理起到缓凝作用。由于二元共聚物的吸附，使水泥颗粒表面的正常水化状态受到干扰（畸变），抑制或部分抑制了水泥水化时氢氧化钙的生成及晶核发育，使水泥的水化诱导期延长，达到缓凝目的；另外共聚物在水泥颗粒表面吸附，形成扩散双电层，使水泥颗粒表面带电，抑制了水泥颗粒间的聚结，从而使那些不能相互聚结的水泥颗粒不能在水化反应产物表面沉积，达到缓凝的目的；同时由于共聚物分子中含有较多的羧基，具有较强的金属螯合能力，通过反应和螯合作用产生稳定的水溶性环状结构，包裹水泥颗粒，阻止或延缓水泥进一步水化，延长水泥浆稠化时间。

1.3 其他外加剂的优选

经过大量实验和科学论证，优选出如下超缓凝水泥浆外加剂：新型水泥浆降失水剂WJ60S 为一种新型的高分子水解聚合物，可控制水泥浆的交联形态和聚合分子量，能够通过提高水相黏度和降低滤饼渗透率的双重作用达到防沉降目的，使水泥浆的游离水接近于0，WJ60S 不参与水泥水化反应，对水泥浆和水泥石没有不良影响，具有很好的操作稳定性；减阻剂CUSZ 是磺化醛酮缩合物，分散效果好，性能稳定；消泡剂CX601 对各类水泥浆泡沫有良好的消泡和抑泡作用。

1.4 水泥浆体系配方设计

用胜潍G 级油井水泥、新型水泥浆降失水剂WJ60S、分散剂CUSZ、超缓凝剂CH88、消泡剂CX601 等，分别配制出密度1.6～1.9 g/cm3的超缓凝水泥浆（表1）。

表1 水泥浆配方

2 超缓凝水泥浆体系的性能评价

2.1 沉降稳定性

沉降稳定性是超缓凝水泥浆必须具备的性能。膨胀管固井施工过程中，水泥浆长时间静止，尤其是在井底高温高压条件下，容易产生沉降，从而影响水泥环的封固质量，甚至导致膨胀套管固井作业的失败。提高浆体的稳定性就是提高水泥浆的静切力，同时保持一定的触变性。

按照 API 标准，分别制备表1 中4 种水泥浆，在常压稠化仪中搅拌 20 min 倒入 BP 稳定性模具养护成型，脱模后切割成 6 块，称重计算各块的密度。表2 为4 种配方水泥石养护后顶部到底部的密度，可以看出，各配方水泥浆的上下密度差均低于 0.05 g/cm3，水泥浆凝结过程中无游离液析出，说明水泥浆的沉降稳定性良好，能够满足施工要求。

表2 4 种配方水泥石养护后密度

2.2 流变性

实验选取的分散剂CUSZ 能解离出带电的离子并吸附在水泥胶粒表面，使水泥浆体系的ξ 电位增加，稳定时间延长。此外，阴离子吸附膜及氢键缔合作用产生的水膜会阻碍水泥颗粒与水接触，延缓水泥浆凝结。

利用旋转黏度计测量水泥浆流变性，通过调整减阻剂CUSZ 的加量，改善水泥浆的流变性，判断相应的流变模型，确定流变参数（见表3）。

表3 水泥浆性能

由表3 可看出，各配方的流性指数、稠度系数均较低，能够实现低排量紊流顶替，有利于提高顶替效率，降低替浆泵压，满足固井施工的安全要求。

2.3 稠化特性

稠化时间直接关系到膨胀套管固井工艺的成败，理想的稠化时间应大于10 h。如果施工过程中水泥提前稠化，内管工具和膨胀套管极有可能被固结在井下，导致油井报废。因此，为了确保水泥浆达到理想的超缓凝性能，必须添加特殊的缓凝剂。图1为75 ℃条件下2 种密度的超缓凝水泥浆稠化曲线，可以看出，2 种水泥浆稠化时间均超过10 h，完全能够满足膨胀管固井施工要求；在整个稠化过程中，超缓凝水泥浆体系稠度值比较低，稠度变化平稳，后期呈现非常明显的直角稠化特性，说明该体系不仅能保证膨胀管固井施工的安全顺利，而且能有效防止施工过程中的气窜现象，提高固井质量。

图1 不同密度超缓凝水泥浆稠化曲线

2.4 抗压强度

在保证水泥浆稠化时间在10 h 以上，满足膨胀作业有足够的操作时间情况下，对水泥石的强度进行了考察。按API 标准制作水泥试块并测试其在不同养护时间下的水泥石强度，水泥石的养护条件为75 ℃、常压。从表4 可以看出，4 种配方水泥石48 h 抗压强度均在14 MPa 以上，满足现场固井施工要求。

表4 水泥石抗压强度实验结果

3 现场应用

超缓凝水泥浆体系已在胜利油田的林3 侧更11、商23-侧27 等多口井进行了现场应用。以林3 侧更11 井为例，该井最大井斜23°，锻铣井段878～903 m，完钻井深1 083 m。该井采用G 级水泥，水泥浆密度为1.82 g/cm3，流动度23 cm，稠化时间620 min（50 ℃、20 MPa），游离水为0。固井施工使用1.6 m3前置液，1.8 m3超缓凝水泥浆，0.3 m3压塞液，排量350 L/min，施工顺利。候凝48 h 测井，固井质量优良，表明该水泥浆体系能够满足膨胀管固井施工要求。