卢海川 ， 燕平 ， 刘刚 ， 王春才 ，霍明江， 王海平， 艾尔肯·阿布力米提

（1.中国石油海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451；2.大港油田井下作业公司，天津 300283；3. 中石油新疆油田分公司井控培训中心，新疆克拉玛依834000）

使用触变水泥浆固井被认为是解决油气井固井漏失和流体窜流难题的有效手段，触变水泥浆还适用于薄弱地层固井、补救挤水泥以及修补破裂或被腐蚀的套管等方面，具有广阔的应用前景[1-5]。触变水泥浆制备的关键是油井水泥触变剂的开发，油井水泥触变剂是专门用在水泥浆中增加体系触变性的一种外加剂。目前国内外研究的触变剂主要包括无机类和有机类[2]，无机类常见的有膨润土、硫酸盐、混合金属氢氧化物等[6-7]，有机类常见的是以锆等过渡金属作交联剂和用钛螯合物作交联剂的改性纤维素体系和合成聚合物类[8-10]。这些触变剂常存在如下问题：触变性不够强，从而不能有效地发挥其效果；触变结构强停泵容易影响施工安全；对温度敏感，常温下触变性较好，但随着温度升高触变性明显下降；综合性能欠佳，常会影响水泥浆的失水、强度等性能[2,6,11]。由于以上问题，限制了触变剂的应用，大部分触变剂只是处于室内研究阶段，未能得到良好应用，因此，研究综合性能良好的新型油井水泥触变剂具有重要意义。根据目前触变剂存在的问题，采用新的设计思路，开发出了一种性能优异的新型触变剂，对其现场适应性进行了研究，并完成了现场应用。

1 新型触变剂的开发

针对常规触变剂存在的问题，从微观结构设计出发[11]，通过大量的合成、筛选，得到了2种性能优良的触变剂原材料有机聚合物X和无机物Y，并对其进行了复配研究。实验考察了不同比例复配下水泥浆的流变情况和触变性能，并对不同配比下水泥石的抗压强度进行了测试。实验结果见表1。由表1可以看出，随着无机超细材料Y的比例逐渐增加，水泥浆的触变性呈现先增强后减小的趋势，水泥石的抗压强度则逐渐升高。这说明无机超细材料Y可提高水泥石的强度，而由于2种材料之间可形成网状结构从而起到协同和增加触变性的作用，所以从触变性角度出发，2者之间存在最佳配比。结合以上数据，考虑到成本和综合性能，确定共聚物X和无机超细材料Y的最佳配比为2∶3，此配比下水泥浆触变性强且形成的水泥石具有较高的强度。将此配比下形成的触变材料的代号定为BCJ-200S。

表1 加有不同配比触变材料的水泥浆性能对比

2 新型触变剂的应用性能

2.1 触变性

触变水泥浆良好的触变性能是指触变结构容易被破坏且能快速恢复。实验采用六速旋转黏度计对触变水泥浆样品触变结构的可逆性进行了评价。实验首先测试了刚配制的触变水泥浆在300 r/min下的读数，然后静置10 min测试其胶凝强度，然后用300 r/min的转速搅拌1 min破坏其胶凝结构并记录搅拌30 s时的读数，再重新静置10 min测试其胶凝强度，结果见表2。

表2 加有BCJ-200S的水泥浆触变结构可逆性的评价

由表2可以看出，加有BCJ-200S的水泥浆触变结构具有良好的可逆性，触变结构响应快，胶凝结构容易被破坏，静置后能较快地恢复到原来的状态，且浆体较稀的情况下可保持较大的触变性。这就可使水泥浆在发挥其触变作用的同时，降低施工作业的风险。另外，由实验可知，随着BCJ-200S加量的增加，水泥浆的触变性明显增强，且触变性对温度不敏感，在较高温度下，体系仍可保持良好的触变性，现场可根据触变性要求来选择触变剂的用量。

由于静切力法和滞后环法不能准确地反映胶凝强度随时间的变化情况，针对此问题探索了新的评价方法[12]，该方法在极低转速下（0.01 r/min）测量可避免转速对胶凝强度的破坏，且可通过电脑采集连续测量胶凝强度发展情况。实验采取此方法对开发的触变剂进行了评价，结果见图1。实验所用水泥浆基础配方如下。

胜潍G级水泥+4.0%降失水剂+BCJ-200S+0.2%缓凝剂+42%水

图1 采用新方法评价水泥浆的胶凝强度发展情况（75 ℃）

该方法进一步证明，加有触变剂BCJ-200S的水泥浆胶凝强度发展速率和胶凝强度最大值都远大于常规水泥浆，表现出明显的触变性。

2.2 稠化性能

常规触变剂常会由于促凝或过渡交联影响水泥浆稠化时间，甚至使水泥浆明显增稠，影响注水泥施工作业。实验通过改变触变剂BCJ-200S加量，考察了不同触变剂加量对水泥浆稠化性能的影响，见表3。由表3可以看出，触变剂BCJ-200S对水泥浆稠化时间几乎无影响，触变剂不同加量下初始稠度不大于30 Bc，可保证水泥浆在具备较高触变性的同时保持较低的稠度，从而保证注水泥施工的顺利进行。

表3 不同BCJ-200S加量下水泥浆稠化性能

2.3 力学性能

目前虽有些油井水泥触变剂触变能力强，但常会严重影响水泥石的抗压强度。针对以上问题，考察了触变剂BCJ-200S对抗压强度的影响，另外还从水泥环完整性出发采用巴西劈裂实验、TAW-2000岩石三轴试验机、冲击试验机等对加有BCJ-200S的水泥石其他力学性能进行了研究，实验结果见表4。由表4可知，随着BCJ-200S加量增加，水泥石抗压强度、抗拉强度、抗冲击能力都明显增加，但杨氏模量却逐渐降低，说明BCJ-200S具有明显的增强增韧作用；杨氏模量与抗拉强度之比被认为是表征水泥石抗破坏的重要参数[12]，其比值越小则其抗破坏能力越强；加入BCJ-200S后水泥石抗破坏能力明显提高。BCJ-200S不仅克服常见触变剂和增韧材料的不足，在提高水泥石强度的同时，还具有显著的增韧作用，可改善水泥石力学性能。

表4 不同BCJ-200S加量下水泥石的力学性能测试结果

2.4 配伍性

2.4.1 与降失水剂的配伍性

实验分别选用常规降失水剂BXF-200L（AF）、BCG-200L、G60S，与开发的触变剂进行了配伍性研究，见表5。由表5可知，触变剂BCJ-200S与合成AMPS类聚合物降失水剂BXF-200L（AF）、BCG-200L配伍可使水泥浆获得相对较好的触变性，其中和BCG-200L配伍触变性能最佳。合成聚合物类由于自身的链状结构， 可与触变剂起到协同作用，形成更密集的网状结构， 从而表现出更优的触变性。

表5 不同降失水剂对加入BCJ-200S的水泥浆触变性的影响

2.4.2 与缓凝剂的配伍性

实验分别选用了2种缓凝剂BXR-200L、BCR-210S，考察了缓凝剂对触变性的影响，并通过改变缓凝剂加量，考察了水泥浆稠化时间的可调性，结果见表6。由表6可知，加入缓凝剂BXR-200L、BCR-210S对水泥浆触变性几乎无影响，稠化时间可调性良好。可见，开发的触变剂与缓凝剂BXR-200L、BCR-210S都具有良好的配伍性能。

表6 BCJ-200S与缓凝剂的配伍性实验（70 ℃）

2.4.3 与水泥的配伍性

水泥成分相对复杂，常会因为某些物质含量的变化使水泥浆的性质发生较大变化。实验考察了不同种类、不同批次的水泥对触变性的影响（见表7）。可以看出，不同厂家、不同批次的水泥会对水泥浆触变性产生很大影响。C厂家2#水泥制备的水泥浆触变性明显较差，但随着加量的增加也可获得很强的触变性。这说明触变剂BCJ-200S和不同水泥配伍性良好，具有良好的现场适应性，现场可根据实际水泥情况改变触变剂加量获得相应的触变性。

表7 不同种类、不同批次的水泥对触变性的影响

分析了水泥中触变性的影响因素，对C厂家1#、2#批次的水泥成分进行了分析，实验结果见表8。由表8可知，C厂家1#水泥中C3A明显高于1#水泥，C3S较少，C4AF+2C3A较多，其余差别不大，由此推测，引起不同批次水泥触变性差别较大可能是水泥中铝、 铁等金属元素含量差别较大造成的。因此生产水泥时， 可通过严格控制水泥中铝、 铁等金属元素的含量来使水泥保持相对稳定的触变性。

表8 不同批次的水泥成分分析 %

3 现场应用

大港油田采油三厂地区油井常存在套漏问题，有时出水严重，地层承压能力低，封堵困难。采用常规的封堵剂存在堵剂用量大、一次成功率较低、作业成本高等问题。针对以上问题，采用了以触变剂BCJ-200S形成的触变水泥浆进行封堵。根据上述对触变剂应用性能的研究，通过实验确定触变水泥浆配方为：G级水泥+1.5%BCJ-200S+4.0%BXF-200L（AF）+43.0%水。目前该触变水泥浆已完成多口井的成功应用，取得了良好效果。

官38-22井是王官屯油田的一口油井，地质要求封堵Ng2井段1 426.8～1 427.8 m，分析认为该井段出水严重，导致该井含水量上升。对该井测吸收量：4 MPa，150 L/min，压力不涨；综合考虑封堵层的深度、地质情况及吸收量数据，分析认为封堵难度大。该井采用上述触变水泥浆12 m3进行封堵，施工过程顺利，一次封堵成功，最高挤注压力达到16 MPa，钻塞后对封堵层试压8 MPa合格。

此外，该触变水泥浆体系还在大港油田多口存在套漏问题的井中进行了应用，得到成功封堵，解决了套漏问题，大大降低了作业成本。

枣1303-5井是枣园油田的一口注水井，地质发现该井721～730 m井段有套漏，对套漏井段测吸收量：3 MPa，200 L/min，压力不涨；综合考虑套漏井段的深度、地质情况及吸收量数据，封堵存在一定难度。该井同样采用触变水泥浆进行封堵，注浆18 m3，整个施工过程顺利，最高挤注压力达到12 MPa，钻塞后对封堵层试压7 MPa合格。

4 结论

1.通过将合成有机聚合物与无机超细材料复配， 开发出了性能优异的新型油井水泥触变剂BCJ-200S。该触变剂可显著提高水泥浆不同温度下的触变性， 形成的触变结构可逆性好， 对水泥浆其他性能无不良影响， 且具有改善水泥石韧性， 增加抗破坏能力的作用， 克服了常规触变剂存在的不足。

2.触变剂BCJ-200S与常规外加剂和水泥配伍性良好，具有良好的现场适应性。该触变剂在大港油田油井封堵中得到成功应用，封堵效果良好，成功解决了套漏、出水等难题。

参 考 文 献

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