超緩凝水泥漿體系研究與應(yīng)用

曹會蓮 齊志剛

（勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

膨脹管固井作業(yè)流程不同于常規(guī)注水泥施工，其施工過程是首先將膨脹套管和膨脹工具下至設(shè)計位置，然后注入水泥漿并頂替到位，最后進行膨脹施工作業(yè)，整個施工過程通常長達8 h 以上。在井下溫度和壓力條件下，常規(guī)水泥漿處于靜止?fàn)顟B(tài)會很快發(fā)生水泥顆粒間的絮凝（膠凝）、沉降等現(xiàn)象，失去流動性。一旦水泥漿稠化，將不可能再進行膨脹管的膨脹施工，從而造成整個施工作業(yè)失敗，甚至導(dǎo)致井眼報廢。為保證膨脹管完井施工的安全，使用的水泥漿體系必須具有水泥漿稠化時間長、直角稠化特征明顯、沉降穩(wěn)定性良好、失水低、流動性好等特點。針對膨脹管固井的要求，研發(fā)了一種新型超緩凝水泥漿體系，并對其穩(wěn)定性、流變性、稠化特性及綜合性能進行了評價。

1 配方優(yōu)選

1.1 緩凝劑

體系采用自主研制的新型緩凝劑（CH88），該緩凝劑的核心組分為丙烯酸羥乙酯、乙烯基磺酸鹽和丙烯酸亞磷酸酯，通過單體及配比的優(yōu)選，合成的溫度、時間條件、引發(fā)劑加量的優(yōu)化，合成了高分子緩凝劑，其分子中含有多種易被水泥顆粒吸附、抑制水泥水化能力強的基團（羥基、羧基和磷），分子與水泥顆粒之間的作用力大。新型緩凝劑（CH88）外觀為白色顆粒或粉末，無毒、無味、無腐蝕性，密度為1.05 g/cm3，性能穩(wěn)定，對水泥漿無增稠作用，干混、濕混均可，最高耐溫達170 ℃，與其他外加劑相容良好。

1.2 緩凝機理分析

新型緩凝劑CH88 含有羧基的聚合物，可通過化學(xué)吸附和螯合的協(xié)同作用機理起到緩凝作用。由于二元共聚物的吸附，使水泥顆粒表面的正常水化狀態(tài)受到干擾（畸變），抑制或部分抑制了水泥水化時氫氧化鈣的生成及晶核發(fā)育，使水泥的水化誘導(dǎo)期延長，達到緩凝目的；另外共聚物在水泥顆粒表面吸附，形成擴散雙電層，使水泥顆粒表面帶電，抑制了水泥顆粒間的聚結(jié)，從而使那些不能相互聚結(jié)的水泥顆粒不能在水化反應(yīng)產(chǎn)物表面沉積，達到緩凝的目的；同時由于共聚物分子中含有較多的羧基，具有較強的金屬螯合能力，通過反應(yīng)和螯合作用產(chǎn)生穩(wěn)定的水溶性環(huán)狀結(jié)構(gòu)，包裹水泥顆粒，阻止或延緩水泥進一步水化，延長水泥漿稠化時間。

1.3 其他外加劑的優(yōu)選

經(jīng)過大量實驗和科學(xué)論證，優(yōu)選出如下超緩凝水泥漿外加劑：新型水泥漿降失水劑WJ60S 為一種新型的高分子水解聚合物，可控制水泥漿的交聯(lián)形態(tài)和聚合分子量，能夠通過提高水相黏度和降低濾餅滲透率的雙重作用達到防沉降目的，使水泥漿的游離水接近于0，WJ60S 不參與水泥水化反應(yīng)，對水泥漿和水泥石沒有不良影響，具有很好的操作穩(wěn)定性；減阻劑CUSZ 是磺化醛酮縮合物，分散效果好，性能穩(wěn)定；消泡劑CX601 對各類水泥漿泡沫有良好的消泡和抑泡作用。

1.4 水泥漿體系配方設(shè)計

用勝濰G 級油井水泥、新型水泥漿降失水劑WJ60S、分散劑CUSZ、超緩凝劑CH88、消泡劑CX601 等，分別配制出密度1.6～1.9 g/cm3的超緩凝水泥漿（表1）。

表1 水泥漿配方

2 超緩凝水泥漿體系的性能評價

2.1 沉降穩(wěn)定性

沉降穩(wěn)定性是超緩凝水泥漿必須具備的性能。膨脹管固井施工過程中，水泥漿長時間靜止，尤其是在井底高溫高壓條件下，容易產(chǎn)生沉降，從而影響水泥環(huán)的封固質(zhì)量，甚至導(dǎo)致膨脹套管固井作業(yè)的失敗。提高漿體的穩(wěn)定性就是提高水泥漿的靜切力，同時保持一定的觸變性。

按照 API 標(biāo)準(zhǔn)，分別制備表1 中4 種水泥漿，在常壓稠化儀中攪拌 20 min 倒入 BP 穩(wěn)定性模具養(yǎng)護成型，脫模后切割成 6 塊，稱重計算各塊的密度。表2 為4 種配方水泥石養(yǎng)護后頂部到底部的密度，可以看出，各配方水泥漿的上下密度差均低于 0.05 g/cm3，水泥漿凝結(jié)過程中無游離液析出，說明水泥漿的沉降穩(wěn)定性良好，能夠滿足施工要求。

表2 4 種配方水泥石養(yǎng)護后密度

2.2 流變性

實驗選取的分散劑CUSZ 能解離出帶電的離子并吸附在水泥膠粒表面，使水泥漿體系的ξ 電位增加，穩(wěn)定時間延長。此外，陰離子吸附膜及氫鍵締合作用產(chǎn)生的水膜會阻礙水泥顆粒與水接觸，延緩水泥漿凝結(jié)。

利用旋轉(zhuǎn)黏度計測量水泥漿流變性，通過調(diào)整減阻劑CUSZ 的加量，改善水泥漿的流變性，判斷相應(yīng)的流變模型，確定流變參數(shù)（見表3）。

表3 水泥漿性能

由表3 可看出，各配方的流性指數(shù)、稠度系數(shù)均較低，能夠?qū)崿F(xiàn)低排量紊流頂替，有利于提高頂替效率，降低替漿泵壓，滿足固井施工的安全要求。

2.3 稠化特性

稠化時間直接關(guān)系到膨脹套管固井工藝的成敗，理想的稠化時間應(yīng)大于10 h。如果施工過程中水泥提前稠化，內(nèi)管工具和膨脹套管極有可能被固結(jié)在井下，導(dǎo)致油井報廢。因此，為了確保水泥漿達到理想的超緩凝性能，必須添加特殊的緩凝劑。圖1為75 ℃條件下2 種密度的超緩凝水泥漿稠化曲線，可以看出，2 種水泥漿稠化時間均超過10 h，完全能夠滿足膨脹管固井施工要求；在整個稠化過程中，超緩凝水泥漿體系稠度值比較低，稠度變化平穩(wěn)，后期呈現(xiàn)非常明顯的直角稠化特性，說明該體系不僅能保證膨脹管固井施工的安全順利，而且能有效防止施工過程中的氣竄現(xiàn)象，提高固井質(zhì)量。

圖1 不同密度超緩凝水泥漿稠化曲線

2.4 抗壓強度

在保證水泥漿稠化時間在10 h 以上，滿足膨脹作業(yè)有足夠的操作時間情況下，對水泥石的強度進行了考察。按API 標(biāo)準(zhǔn)制作水泥試塊并測試其在不同養(yǎng)護時間下的水泥石強度，水泥石的養(yǎng)護條件為75 ℃、常壓。從表4 可以看出，4 種配方水泥石48 h 抗壓強度均在14 MPa 以上，滿足現(xiàn)場固井施工要求。

表4 水泥石抗壓強度實驗結(jié)果

3 現(xiàn)場應(yīng)用

超緩凝水泥漿體系已在勝利油田的林3 側(cè)更11、商23-側(cè)27 等多口井進行了現(xiàn)場應(yīng)用。以林3 側(cè)更11 井為例，該井最大井斜23°，鍛銑井段878～903 m，完鉆井深1 083 m。該井采用G 級水泥，水泥漿密度為1.82 g/cm3，流動度23 cm，稠化時間620 min（50 ℃、20 MPa），游離水為0。固井施工使用1.6 m3前置液，1.8 m3超緩凝水泥漿，0.3 m3壓塞液，排量350 L/min，施工順利。候凝48 h 測井，固井質(zhì)量優(yōu)良，表明該水泥漿體系能夠滿足膨脹管固井施工要求。

4 結(jié)論

（1）自主研制的新型緩凝劑（CH88），分子中含有多種易被水泥顆粒吸附、抑制水泥水化能力強的基團（羥基、羧基、和磷），使水泥漿稠化時間超過10 h，并且具有良好的直角稠化特性，能夠滿足膨脹管固井施工要求。

（2）優(yōu)選的降失水劑WJ60S 能夠使超緩凝水泥漿在長期靜止的條件下，密度差低于 0.05 g/cm3，能夠保持良好的沉降穩(wěn)定性。

（3）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該水泥漿體系的流動性好，固井質(zhì)量優(yōu)良，能夠滿足膨脹管固井施工要求。

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