油井水泥中低溫早強劑BZC-1S的室內研究

齊奔，付家文，劉文明，于倩倩（渤海鉆探第二固井公司，天津　300280）

油井水泥中低溫早強劑BZC-1S的室內研究

齊奔，付家文，劉文明，于倩倩
（渤海鉆探第二固井公司，天津300280）

由于在低溫條件下，水泥漿因水化速度慢，候凝時間長，極易造成油、氣、水浸，導致水泥環不致密、固井質量差等問題。本文研制了油井水泥中低溫早強劑BZC-1S，它是由無機鹽、有機鹽和有機酸復合而成。低溫早強促凝劑可在低溫30℃的情況下，常壓養護8 h抗壓強度超過4.5 MPa，24 h抗壓強度超過15 MPa；在低溫60℃的情況下常壓養護8 h抗壓強度超過17 MPa，24 h抗壓強度超過25 MPa；而且不影響體系綜合性能，具有顯著的早期促強效果，可應用于多種水泥漿體系。

有機-無機復合；中低溫；早強劑；固井；水泥漿

在許多油區的勘探開發和以往的油井表層和技術套管的固井作業中發現，中低溫固井越來越多。在低溫條件下，水泥漿水化速度慢、侯凝時間長，侯凝過程中易發生油氣水竄，而且水泥石早期強度低［1-4］。目前使用的水溶類低溫早強促凝劑主要為CaCl2，但存在加量超過4％時，會引起水泥漿閃凝，增加水泥漿的初始稠度，降低水泥石后期強度、增加水泥石滲透率和腐蝕套管等副作用；非水溶類以鋁氧熟料為主，與水泥灰混合不均勻易造成“灌香腸”等作業事故的隱患。具有早強促凝性質的無機鹽主要有硫酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽和硅酸鹽等。具有早強促凝性質的有機物主要有胺類、有機鹽和有機酸，單獨使用這些無機或者有機早強促凝劑，其效果不佳，達不到固井作業的要求。無機鹽類和有機類早強促凝劑復配使用，既可以增強其促強效果，而且有利于降低生產成本［5，6］。本文制備了一種無機-有機多元復合的早強促凝劑，其優點是產品中不含氯離子，早強效果好，有一定的促凝作用，生產成本較低，是一類經濟環保類固井外加劑材料。

1　作用機理

BZC-1S型早強劑由多種具有早強性能的無機物和有機物復配而成，與單獨的無機物或者有機物相比，具有明顯的早強作用，是一種灰白色的固體粉末。早強劑BZC-1S中的無機物與油井水泥中在反應過程中產生的Ca（OH）2發生化學反應后，使附著在水泥表面的Ca2+濃度下降而硅酸根離子濃度增加，從而大大加速了C3S礦物的早起水化速度。另一方面，BZC-1S中的有機物與油井水泥中的C3A礦物發生絡合，加速其的溶解，進而加速水泥的水化速度，并且改善水泥內部結構，使之更加致密，滲透率降低。在整個水化過程中由于有大量的鈣礬石生成，導致水泥石體積發生微膨脹，有利于提高二界面膠結強度，防止水氣竄的發生，提高固井質量。

2　實驗部分

2.1主要藥劑及儀器

主要材料：BZC-1S型早強劑；分散劑GF-1，JS-2為渤海鉆探第二固井公司產品、BXF-200L為天津中油渤星工程科技股份有限公司產品；G級水泥為山東華銀水泥廠產品。

主要儀器：常壓稠化儀、高溫高壓稠化儀、高溫高壓失水儀、密度儀、流動度儀和電子壓力試驗機。

3　結果與討論

3.1早強劑的制備

首先是早強劑配方的優選，本文選擇了三種無機化合物，一種有機鹽和一種有機酸，通過調配他們的組分和不同的加量，來獲得水泥石的最大抗壓強度。從表1中可以看出，單純的采用三種無機化合物，水泥石抗壓強度僅僅為13.5 MPa，當繼續引入有機鹽和有機酸后，水泥石的抗壓強度明顯增加，配方5可以取得最大的抗壓強度，即加入1％的無機物A，0.75％的無機物B，0.25％的有機鹽D和0.1％的有機酸E。在60°C下常壓養護8 h后，水泥石的抗壓強度達到17.8 MPa。按照早強劑5配方，經過混配、研磨制備的早強劑，命名為BZC-1S。

表1　早強劑成份的優選

表2　不同加量的早強劑BZC-1S抗壓強度

3.2早強劑BZC-1S對水泥石抗壓強度的影響

將不同加量的BZC-1S加入到水泥漿中，分別在30°C和60°C下養護，測其8 h，24 h的抗壓強度。從表2中的數據可以看出，隨著BZC-1S加量的增加，水泥石抗壓強度逐漸增大。在30°C時，當BZC-1S的含量從0.5％增加到3％，水泥石的抗壓強度在8 h抗壓強度從2.1 MPa增加到4.7 MPa。在加量為3％時，24 h的抗壓強度達到了15.6 MPa。在60°C時，當BZC-1S的含量從0.5％增加到3％，水泥石的抗壓強度在8 h抗壓強度從14.1 MPa增加到18.2 MPa。在加量為3％時，24 h的抗壓強度達到了26.9 MPa。從表2中的數據可知，添加BZC-1S早強劑后，水泥石的抗壓強度較水泥原漿有較明顯的增加，現場應用時，可以根據井底溫度選擇合適的早強劑加量。

3.3BZC-1S對水泥漿流動度的影響

水泥漿流動度是表示水泥漿體流動性的一種重要參數，可以直觀的反映出水泥漿泵送的難易程度，對于不同加量的BZC-1S對水泥漿流動度的影響（見圖1）。由圖1可知，隨著BZC-1S加量的增加，水泥漿的流動性逐漸變差，這說明BZC-1S對水泥漿有一定的增稠作用。當BZC-1S的加量為2％時，水泥漿的流動度為21.5 cm，當繼續增加BZC-1S的量至3％時，水泥漿的流動度為19 cm。

3.4BZC-1S對水泥漿稠化時間的影響

圖1　不同含量的BZC-1S早強劑對水泥漿流動性的影響

BZC-1S型早強劑在水泥漿稠化過程中具有縮短稠化時間的功能。通過實驗測量在52°C條件下，不同加量的BZC-1S對水泥漿稠化時間的影響，實驗結果（見圖2）。由圖2可以看出，水泥原漿的稠化時間為105 min，當加入0.5％的BZC-1S后，水泥漿的稠化時間縮短到92 min，繼續增加BZC-1S的量到2％，水泥漿的稠化時間進一步縮短到77 min。

圖2　不同含量的BZC-1S早強劑對水泥漿稠化時間的影響

從BZC-1S對水泥漿的抗壓強度、流動性和水泥漿稠化時間的影響，以及經濟的方面考慮，加入2％的BZC-1S效果最佳。

3.5BZC-1S在水泥漿體系中的性能

為了提高低溫條件下的固井質量，縮短建井周期，不僅要求固井水泥漿在低溫條件下具有短候凝時間和較高的水泥石強度，而且水泥漿的綜合性能要較好。配方1#到配方4#分別為常規密度固體降失水劑和液體降失水劑體系以及低密度水泥漿體系，其綜合性能（見表3）。從表3中可以看到，BZC-1S對這些水泥漿體系均具有較好的綜合性能協調性，如對穩定性、流變性及降失水量等無不良影響，而且可以提高水泥石的早期強度。

同時考察了BZC-1S在膠乳水泥漿體系中的應用，水泥漿的初始稠度低于20Bc，稠化曲線較直，水泥漿體系無觸變性，而且可以實現直角稠化。水泥漿的稠化時間較不加膠乳會延長，膠乳也具有一定的緩凝作用。

表3 水泥漿的綜合性能

表4　膠乳水泥漿的綜合性能

膠乳水泥體系的綜合性能（見表4），從表4中看到，水泥漿的密度差和游離液均為0，而且水泥漿的失水較少。常規密度和低密度水泥石的抗壓強度為25.3 MPa和16.2 MPa。

4　結論

（1）BZC-1S是由無機鹽、有機鹽和有機酸復合而成的一種灰白色固體粉末早強劑，是一種具有低溫增強促凝、無氯的經濟環保型的早強劑。在水泥漿中加入0.5％～2.0％的BZC-1S，基本不影響漿體的流變性能，而且可以改善水泥石的內部結構，使水泥石更加致密。

（2）BZC-1S與其他添加劑配伍性好，在常規密度水泥漿和低密度水泥漿體系中加入BZC-1S，不影響體系的綜合性能，均具有顯著的早期促強效果。BZC-1S可以適用于固體降失水劑體系、液體降失水劑體系和膠乳體系水泥漿中。

［1］李澤林，王秀玲，王艷鋒，等.低溫促凝劑CN-2的研究與應用［J］.斷塊油氣田，2003，10（3）：81-83.

［2］韓衛華，佟剛，楊紅歧，等.一種新型油井水泥低溫早強劑［J］.鉆井液與完井液，2006，23（3）：31-33.

［3］魏霞，王松.低密度水泥漿體系的制備和室內性能評價［J］.精細石油化工進展，2011，12（12）：19-21.

［4］劉慶旺，徐衛強，高亭松，等.新型油井水泥低溫早強劑QZ-1性能評價［J］.科學技術與工程，2010，10（34）：8521-8523.

［5］牟忠信，張明昌，李萍.復合型早強劑水泥漿體系研究［J］.西部探礦工程，2005，（S1）：135-137.

［6］楊遠光，張繼尹，楊思平.油井水泥低溫早強劑室內研究［J］.西南石油大學學報（自然科學版），2009，31（1）：141-144.

Laboratory investigation of low and medium temperature early strength agent BZC-1S for oil well cement slurry

QI Ben，FU Jiawen，LIU Wenming，YU Qianqian
（No.2 Cement Company BHDC，Tianjin 300280，China）

As the cement slurry hydration speed was slow and setting time was relatively longer under low temperature，it was probably to result in oil，gas and water invasion，which result in bad annular cement bonding and poor cementing quality.In order to solve this problem，a new kind of low and medium temperature early strength agent BZC-1S was developed，which consist of inorganic salts，organic salts and organic acids.When BZC-1S addition amount is 2％，the strength of cementstones could added to more than 4.5 MPa in 8 h and 15 MPa in 24 h under 30℃under atmospheric pressure.Moreover，the strength of cementstones could added to more than 17 MPa in 8 h and 25 MPa in 24 h under 60℃.Low and medium temperature early strength agent BZC-1S is a kind of high-performance compound early strength agent，which can be used in general density and low density cement slurry and exhibited of excellent compatibility with other cement additives.

composites of organic and inorganic compounds；low and medium temperature；early strength agent；cementing；oil well cement slurry

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.01.017

TE256.6

A

1673-5285（2015）01-0062-04

2014－11－24

齊奔（1986-），工程師，博士，畢業于南開大學材料物理與化學專業，現在從事固井技術研究工作，郵箱：benqi2007@163.com。