新型油井水泥促凝劑LT－A及其性能

彭志剛 王成文

1.中國石化勝利油田鉆井工藝研究院 2.中國石油大學（華東）石油工程學院

新型油井水泥促凝劑LT－A及其性能

彭志剛1王成文2

1.中國石化勝利油田鉆井工藝研究院 2.中國石油大學（華東）石油工程學院

針對低溫或表層段固井候凝時間長的問題，采用價格低廉、早強作用強且性能穩定的促凝劑有利于縮短固井時間和提高固井質量。為此，研制了過渡金屬復合鹽類促凝劑LT－A并系統評價了該促凝劑不同加量（1%、2%和3%）情況下的油井水泥漿性能，得到了促凝劑LT－A對油井水泥的影響規律：促凝劑LT－A能促進油井水泥的水化能力，縮短水泥漿稠化時間，顯著提高水泥石早期抗壓強度，加入促凝劑LT－A的水泥漿稠化時間與原漿稠化時間之比小于等于0.5、水泥石6 h抗壓強度（39℃、常壓）大于等于4.0 MPa，完全滿足促凝劑評價標準SY／T 5504.4—2008的相關要求。實驗還進一步證實：LT－A對水泥漿流變參數和初始稠度基本無影響，是一種性能優于CaCl2的新型促凝劑。

新型促凝劑 LT－A 油井水泥 固井 低溫早強 稠化時間 抗壓強度

溫度是影響水泥水化反應速率的主要因素。常用油井水泥的主要礦物熟料為硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S），其在低溫條件下的水化反應速率較慢，水泥石的早期抗壓強度低，使固井候凝時間延長，無法滿足低溫或表層段等固井要求［1－4］。針對低溫或表層段固井候凝時間長的問題，常采用氯化鈣（CaCl2）作為促凝劑。CaCl2促凝劑具有價格低廉、早強作用強等優點，但會使水泥漿流變性變差、水泥初始水化放熱很大、水泥漿增稠、甚至出現“閃凝”現象，嚴重危及注水泥作業安全，并且后期會使水泥石滲透率增大、抗鹽腐蝕能力下降等［5－6］。開展副作用小、低溫早強作用強的新型促凝劑研制具有十分重要的現實意義和應用前景，國外從2002年就開始了多羥基胺類、堿土金屬氮化物類等新型促凝劑的研究工作［7－8］，目前國內也在積極開展這方面的研究工作［9－12］。在此，筆者依據不同離子對硅酸鈣礦物熟料水化速率的影響規律，研制出過渡金屬復合鹽類新型低溫促凝劑LT－A，系統測試了LT－A對油井G級水泥漿的流變性、稠化時間和抗壓強度性能的影響，并與CaCl2促凝劑進行比較，分析說明新型促凝劑LT－A的低溫促凝效果。

1 實驗原料與方法

1.1 實驗原料

嘉華G級水泥（四川嘉華企業股份有限公司），促凝劑LT－A（實驗室自制），氯化鈣（化學純，中國醫藥集團上海試劑分公司），消泡劑SWX－1（勝利黃河固井公司提供）。

1.2 實驗方法

按標準GB／T 19139—2003“油井水泥試驗方法”制備水泥漿，參考石油天然氣行業標準SY／T 5504.4—2008“油井水泥外加劑評價方法第4部分：促凝劑”評價促凝劑對水泥漿的初始稠度、稠化時間和抗壓強度的影響。實驗裝置為：OWC—2000A增壓稠化儀（沈陽固測井石油儀器研究所）、ZNN－D6型旋轉黏度計（青島海通達儀器廠）、SL－B型多功能養護釜（工作溫度－10～90℃，工作壓力小于等于30 MPa，自制），NYL－300型壓力試驗機（無錫建材儀器廠）。

1.3 水泥漿流變參數計算

參照標準SY／T 5480—2007“固井設計規范”測定水泥漿在旋轉黏度計以300、200、100、6 r／min和3 r／min轉速條件下對應格數值，按下述公式分別計算水泥漿的流性指數和稠度系數：

n＝2.092 lg（θ300／θ100） K＝0.511θ300／511n

式中n代表流性指數，n值越大水泥漿流動性能越好；K為稠度系數，K值越大表明水泥漿越稠。

2 結果與討論

2.1 LT－A對水泥漿流變性能的影響

為評價LT－A促凝劑對水泥漿流變性能的影響規律，分別測試了嘉華G級水泥中加入1%、2%和3% LT－A促凝劑（水灰比0.44）體系在室溫（25℃）條件下的流變參數，并與嘉華G級水泥原漿（水灰比0.44）、嘉華G級水泥加CaCl2促凝劑（水灰比0.44）體系進行對比，結果如圖1和表1所示。測試結果表明，加CaCl2的水泥漿體系隨著CaCl2加量增加，水泥漿稠度系數K不斷增大，當加量達到3%時，稠度系數K高達31.231 6，此時水泥漿難以流動，這充分說明CaCl2對水泥漿的流動性影響很大，具有明顯的增稠副作用。而加LT－A促凝劑的水泥漿體系，雖然隨著LT－A加量增加，水泥漿在不同旋轉黏度計轉數下的值都比G級水泥原漿大幅度增加，但水泥漿的流性指數n和稠度系數K都變化很小，水泥漿仍保持非常好的流動性，說明LT－A對水泥漿的流變性能影響很微小。

圖1 促凝劑加量對水泥漿流變性能的影響圖

表1 促凝劑對水泥漿流變參數的影響表

2.2 LT－A對水泥石抗壓強度發展的影響

為評價促凝劑LT－A對油井水泥石抗壓強度發展的影響，在嘉華G級水泥原漿（水灰比0.44）中分別加入（占水泥質量）1%、2%和3%LT－A促凝劑，測試水泥石在39℃、常壓條件下養護6 h、24 h的抗壓強度，并與嘉華G級水泥原漿的抗壓強度進行對比，結果如圖2所示。測試結果表明，G級水泥原漿養護6 h的抗壓強度值很小，當LT－A加量達到2%時，其水泥石強度達到5.51 MPa，滿足標準SY／T 5504.4—2008中要求促凝劑6 h抗壓強度（39℃、常壓）大于等于4.0 MPa的技術指標，表現出優異的低溫早強效果；G級水泥原漿中加入促凝劑LT－A后，水泥石養護24 h抗壓強度之比大于1.0，滿足標準SY／T 5504.4—2008中要求促凝劑24 h抗壓強度之比（39℃、常壓）大于等于1.0的技術指標。結果證實，LT－A當加量達到2%時，就具有較好的早強作用，能顯著提高水泥石早期抗壓強度，其最優加量（占水泥質量）為2%～3%。

圖2 LT－A對G級水泥漿抗壓強度的影響圖

2.3 LT－A對水泥漿稠化性能的影響

為評價促凝劑LT－A對油井水泥漿稠化時間的影響，選擇LT－A加量（占水泥質量）3%進行實驗。分別測試了嘉華G級水泥原漿（水灰比0.44）、嘉華G級水泥＋3%CaCl2促凝劑（水灰比0.44）體系和嘉華G級水泥＋3%LT－A促凝劑（水灰比0.44）體系在32℃、8.3 MPa條件下稠化曲線圖，結果如圖3、4、5所示。

結果表明，嘉華G級水泥＋3%CaCl2體系的初始稠度卻達到26 Bc，并且水泥漿稠度不斷升高，在稠化約18 min時稠度驟增至48 Bc，31 min時稠度又逐漸降至38 Bc左右，發生嚴重的“閃凝”現象。對比圖3、4、5可知，LT－A和CaCl2促凝劑都能顯著縮短水泥漿稠化時間，加有LT－A和CaCl2促凝劑的水泥漿稠化時間與水泥原漿稠化時間之比（32℃、8.3 MPa）分別為0.434和0.397，滿足標準SY／T 5504.4—2008中要求稠化時間之比（32℃、8.3 MPa）小于等于0.5的技術指標。綜上所述，說明LT－A具有非常好的促凝作用，并且對水泥漿初始稠度基本無影響，是一種綜合性能優異的新型促凝劑。

圖3 G級水泥原漿的稠化時間圖

圖4 氯化鈣促凝劑對G級水泥漿稠化時間的影響圖

圖5 LT－A促凝劑對G級水泥漿稠化時間的影響圖

3 結論

1）促凝劑LT－A對水泥漿流變參數的影響很微小，水泥漿仍保持非常好的流動性。

2）促凝劑LT－A能顯著地縮短水泥漿的稠化時間，并且對水泥漿初始稠度基本無影響，表現出較優的促凝作用。

3）促凝劑LT－A能顯著提高水泥石早期抗壓強度，完全滿足6 h抗壓強度（39℃、常壓）大于等于4.0 MPa、24 h的抗壓強度與G級水泥原漿抗壓強度之比大于1.0的技術指標，表現出優異的低溫早強效果。

4）促凝劑LT－A的最優加量（占水泥質量）為2%～3%，具有優異的低溫早強和促凝作用，并且對水泥漿流變參數和初始稠度基本無影響，過渡金屬復合鹽類促凝劑LT－A是一種性能優秀的新型促凝劑。

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Performance of a new accelerator LT－A for oil－well cement

Peng Zhigang1，Wang Chengwen2
（1.Drilling Technology Research Institute，Shengli Oilfield Company，Sinopec，Dongying，Shandong 257017，China；2.Petroleum Engineering College，China University of Petroleum，Dongying，Shandong 257017，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 4，pp.63－65，4／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

For solving such problems as low temperature and long WOC time in the cementing of surface casing，studies have been conducted to develop a kind of cost－effective，early－strength and stable accelerator to shorten cementing time and improve cementing quality.Therefore，this paper introduces a new transition－metal salts accelerator LT－A，and also systematically evaluates the effects of LT－A doses（1%，2%and 3%）on oil－well cement performance.It is concluded that the accelerator LT－A can enhance the hydration of oil－well cement，shorten the cement thickening time，and significantly improve the early compression strength of cement stones.The ratio between the thickening time of cement to which LT－A is added and that of the original cement slurry is≤0.5，the 6 h compression strength of final cement stones（39℃，normal pressure）≥4.0 MPa，which all agree with the accelerator criteria listed in the industrial standard SY／T 5504.4－2008.The experiment further proves that LT－A as a new accelerator with performance superior to CaCl2has no effect on the cement rheology and initial cement consistency.

new accelerator，LT－A，oil－well cement，well cementing，high early strength at low temperature，thickening time，compression strength

彭志剛等.新型油井水泥促凝劑LT－A及其性能.天然氣工業，2012，32（4）：63－65.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.015

教育部博士點基金項目（編號：20100133120004）和國家高技術研究發展計劃（863計劃）（編號：2006AA09Z340）部分研究成果。

彭志剛，1976年生，高級工程師，博士；2004年畢業于原西南石油學院油氣井工程專業并獲博士學位；現從事油氣田化學處理劑研究工作。地址：（257017）山東省東營市北一路827號。電話：（0546）8554640。E－mail：slof＿pzg＠sina.com

（修改回稿日期 2012－02－16 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.015

Peng Zhigang，senior engineer，born in 1976，holds a Ph.D degree and is doing research of oil／gas field chemicals.

Add：No.827，Beiyi Rd.，Dongying，Shandong 257017，P.R.China

Tel：＋86－546－8554 640 E－mail：slof＿pzg＠sina.com