张浩　马小康　冯颖韬

【摘 要】触变水泥常用在油气井固井防止气窜、堵漏和挤水泥的作业中。通过有机、无机触变组分的研选复配，得到了一种适用于固井低密度水泥浆体系的触变剂TA，分析讨论了所得触变剂TA的触变性能，以及对低密度水泥浆体系的主要性能，如稠化时间、抗压强度的影响，结果表明，加入触变剂TA的低密度水泥浆性能可满足固井施工需求，并具备较好的触变性能。

【关键词】固井;触变水泥;低密度水泥浆

中图分类号： TE256.6文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）28-0194-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.089

【Abstract】Thixotropic cement system was commonly used in oil and gas well cementing to prevent gas migration， circulation lost and squeeze cementing. According the combination of organic and inorganic thixotropic components， a thixotropic agent TA suitable for low-density cement slurry was obtained. The thixotropic properties of the obtained thixotropic agent TA were analyzed， besides， the properties of the low cement slurry with TA， such as the thickening time and compressive strength were also investigated. The results show that the slurry properties with TA can meet the field cementing requirements and exhibit good thixotropic properties.

【Key words】Cementing; Thixotropic cement system; Low density cement slurry

0 引言

触变性是指流体受到剪切时粘度变小，停止剪切时稠度又增加的性质。触变性是一种可逆的溶胶现象，代表流体粘度对时间的依赖性[1]。在普通硅酸盐水泥中加入触变剂，可使水泥浆具有触变性：在混合和顶替过程中，水泥浆较稀，流变性较好，泵送停止后，迅速形成具有刚性，能自身支撑的刚性结构，水泥浆迅速增稠。触变水泥是解决井漏、气窜的重要手段之一[2-4]，已在全世界范围内获得广泛应用。目前大部份对触变剂的研究均在常规密度（1.90S.G）水泥浆中进行，但水泥浆密度对流变性及触变性影响较大，很多触变剂在低密度水泥浆中的性能表现不佳。本文通过对有机、无机触变組分的研选复配，得到一种适用于低密度水泥浆的触变剂TA，具有触变性强、过渡时间短、相容性好的特点。

1 实验材料、仪器及方法

1.1 实验材料

山东G级油井水泥、油井水泥降失水剂FLZ（改性纤维素）、液体减轻剂PC-P81L、缓凝剂PC-H21L、消泡剂PC-X60L、触变组分 A（无机类）、触变组分B（无机类）、触变组分C（有机类）、触变组分D（有机类）;

1.2 实验仪器

OWC-9360搅拌器、Chandler 3500旋转粘度计、OWC-9350A常压稠化仪、OWC-9710H高温高压失水仪、OWC-118D循环水养护箱、YJ-2001型抗压强度试验机、OWC-9480D高温高压稠化仪、Chandler 5265U水泥静胶凝强度测试仪。

1.3 水泥浆测试方法

水泥浆的制备及性能测试按API 10B RP中的相关规定进行。

1.4 水泥浆触变性评价方法

用于评价水泥浆触变性的方法主要有静切力法、滞后能评价法及滞后环法[5-7]。其中，静切力法在实验过程中需使用特殊刀片，对静置10min后的水泥浆静切力是否能够代表其最终切力尚存在一定争议。滞后能评价法操作步骤复杂，使用较为不便;滞后环法在理论上有较好的精确性，通过计算滞后环面积的大小，便可以知道触变性的好坏。因此，本文选用滞后环法来评价水泥浆的触变性。具体流程如下。

用旋转粘度计（Chandler 3500型），按照API 10B RP中的相关规定进行水泥浆流变的测定，依次记录不同剪切速率下的剪切应力，以剪切速率为横坐标，剪切应力为纵坐标作图，即可得到滞后环，滞后环的面积实际上反映了触变能的存储大小，即水泥浆刚性结构拆散和 形成所需能量之差，存储能可用下式表达：

2 触变剂TA的实验研究

在四种触变组分中进行优选复配来得到适用于低密度水泥浆的触变剂，触变剂加入水泥浆中，应使水泥浆具备较好的触变性能，同时保证水泥浆具备满足现场施工要求的流变、稠化、强度等性能。配制密度为1.50S.G的低密度水泥浆，分别在室温、50℃、75℃下测试水泥浆的流变性及触变性。

2.1 不同触变组分对水泥浆触变性的影响

将不同量的触变组分分别将入水泥浆中，按照1.4中所描述的方法进行水泥浆触变性的测试，所得结果见图1。

由实验结果可知，在室温时，组分A对水泥浆触变性影响较小，触变能在400-500J/m3·s之间变化。温度升高，随着组分A加量增加，触变能也随之增大，在加量3%时，触变能达到最大值，50、70℃的触变能分别为1572、1890J/m3·s。继续加大组分A的加量，触变能变化不大甚至有所降低。组分B在低密度水泥浆中的触变性能不佳，即使加大加量，触变能变化也不大，室温时触变能在100-200J/m3·s之间变化，50℃、70℃时时触变能在500-800J/m3·s之间变化。组分C与组分A类似，随着加量增加，触变能也随之增加，室温时触变能在700-1100J/m3·s之间变化，50、70℃时可以有效增加水泥浆触变性，加量0.6%时，50、70℃下的触变能分别为3314J/m3·S、3516J/m3·s，继续加大组分C加量，触变能增加不明显，且水泥浆开始出现自由液，稳定性受到影响。组分D对低密度水泥浆触变能的提升作用不明显，随着加量增加，50、70℃时的触变能最高分别为1016J/m3·s，808J/m3·s。将组分A与组分C复配，并辅以适当的辅料，即得到适用于低密度水泥浆的触变剂TX。

2.2 触变剂TX在低密度水泥浆中的触变性能

将不同量的触变剂TX加入低密度水泥浆中，按照1.4中所描述的方法进行水泥浆触变性的测试，所得结果见下图：

由实验结果可知，触变剂TX在低密度水泥浆中有较好的触变性能，在不同触变剂TX加量下，在室温时水泥浆的触变性都较弱，触变能在500-800J/m3·s之间变化。50℃、70℃下，随着触变剂TX加量的增加，触变能持续增加，加量4%时，50℃的触变能达到4095J/m3·s，70℃下触变能达到4169J/m3·s，继续加大加量，触变能升高不明显。加量6%时，水泥浆开始出现自由液。因此，触变剂TX的最佳加量为3-5%，在此加量范围内，水泥浆触变性较好，且对水泥浆的流变性影响不大，流型指数变化范围为0.6-0.72。

2.3 与缓凝剂PC-H21L的配伍性

由于组分A为无机盐类物质，组分C中含有大量羧基，可能会对水泥浆稠化时间有不良影响，因此需考察触变剂TX与缓凝剂的配伍性。在4%TX加量下，分别加入不同量的缓凝剂，进行水泥漿稠化时间测试。实验结果见图3。

从实验结果可以看出，随着缓凝剂加量增加，50℃、70℃下水泥浆稠化时间均呈规律性上升，稠化时间在4-8小时内可调，这说明触变剂TX不影响水泥浆稠化时间，与缓凝剂PC-H21L的配伍性良好。

2.4 加入TX后的低密度水泥浆性能

在低密度水泥浆中加入4%TX，测试水泥浆的整体性能，实验结果见表1。

从实验结果可以看出，在低密度水泥浆中加入触变剂TX，水泥浆失水<50ml、自由液少，稠化时间可调、抗压强度较高，静胶凝强度发展迅速，水泥浆整体性能较好。同时，触变能为4095J/m3·s，水泥浆具有较好的触变性。

3 触变机理浅析

触变剂TX采用无机触变组分与有机触变组分复配而成，使用TX配制的水泥浆，其结构的形成和发展与触变剂TX和水泥组分的物理化学反应相关。TX中的无机组分可迅速与铝酸三钙反应生成硫代铝酸钙，形成不牢固的网状凝胶结构。搅拌时，网状结构很容易破坏，水泥浆又转变为流变状态;有机组分可通过交联形成网状结构，当水泥浆静止时，网状结构迅速生成，使水泥浆具有触变性。

4 结论

（1）触变剂TX具有较好的触变性能，在低密度水泥浆中能够有效增加水泥浆触变能，使水泥浆具有触变性。同时，对水泥浆流变影响不大。与常用缓凝剂具备较好的配伍性。

（2）触变剂TX加入低密度水泥浆中，水泥浆失水、自由液、稠化时间等性能良好，抗压强度较高，静胶凝强度发展迅速，水泥浆综合性能好。

【参考文献】

[1]姚晓，王华，冯玉军.触变水泥的研究和应用[J].天然气工业，1995，15（3）：53-55.

[2]刘崇建，刘孝良.触变性水泥的评价方法及其应用[J].天然气工业，2001，21（2）：56-60.

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[4]刘大为，田锡君，廖润康.译.道威尔斯伦贝谢公司.现代固井技术[M].辽宁沈阳：辽宁科学技术出版社，1994：172-173.

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