AMPS 水泥漿體系低溫促凝劑的研究

孫曉杰， 余綱， 鄭會鍇， 朱海金， 湯少兵， 馬永樂（.天津中油渤星工程科技有限公司，天津30045；.中石油塔里木油田公司開發事業部，新疆庫爾勒84000）

孫曉杰等.AMPS水泥漿體系低溫促凝劑的研究[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：84-87.

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AMPS 水泥漿體系低溫促凝劑的研究

孫曉杰1， 余綱2， 鄭會鍇1， 朱海金1， 湯少兵1， 馬永樂1
（1.天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451；2.中石油塔里木油田公司開發事業部，新疆庫爾勒841000）

孫曉杰等.AMPS水泥漿體系低溫促凝劑的研究[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：84-87.

摘要為了研究一種對AMPS水泥漿體系有效的低溫促凝劑，對不同組分促凝材料促凝效果進行了研究。采用正交實驗，優選出了一種可以在AMPS水泥漿體系中起到良好促凝效果的促凝劑BCA-210S。結果表明，該促凝劑能促進AMPS油井水泥低溫水化能力，縮短其在低溫下的稠化時間，能將稠化時間控制在60 min左右；使靜膠凝強度過渡時間降低到10 min；在30 ℃、8 h條件下抗壓強度可達到5.3 MPa。結論認為，該促凝劑能顯著提高水泥石早期抗壓強度，表現出優異的低溫早強、防竄性能，有助于解決低溫井、調整井固井面臨的問題，是一種新型多功能促凝劑。

關鍵詞AMPS體系；低溫早強促凝劑；靜膠凝強度；防氣竄

Study on Low Temperature Accelerator for Cement Slurry

SUN Xiaojie1, YU Gang2, ZHENG Huikai1, ZHU Haijin1, TANG Shaobing1, MA Yongle1
(1. Tianjin CNPC Boxing Engineering ScienTec Company Ltd, Tianjin 300451, China; 2. Department of Development, CNPC Tarim Oilfield Company, Korla Xinjiang 841000, China)

Abstract A study on the acceleration performance of different accelerators was conducted to try to find an effective low temperature accelerator for the AMPS cement slurry. A high performance accelerator BCA-210S that can be used in AMPS cement slurry was selected using orthogonal experiment method. BCA-210S has the ability to promote the hydration of AMPS cement and to shorten the time for cement slurry to thicken at low temperatures. Using BCA-210S, time required for cement slurry to thicken at low temperatures can be controlled to about 60 min, transit time required for the gel strength of cement slurry reduced to 10 min, and compressive strength of set cement under 30 ℃ increased to 5.3 MPa after 8 h. It is concluded that BCA-210S increases the early compressive strength of set cement, which in turn exhibits excellent low temperature early strength and anti-channeling performances. As a new multi-function accelerator, BCA-210S is beneficial to solving problems encountered in cementing low temperature wells and adjustment wells.

Key words AMPS cement slurry; Low temperature early strength accelerator; Gel strength; Anti-channeling

AMPS類降失水劑性能優良，對不同水泥漿體系的適應性強，還能應對井下含鹽流體等復雜井況。因此目前越來越多的鉆探公司把AMPS類降失水劑作為其首選降失水劑，并在調整井固井中應用。但是這一類降失水劑水解后會產生一定量的羧基，高羧基化的聚合物會造成水泥漿稠化時間過長，早期強度偏低[1-3]。目前常用的促凝早強劑包括BAS-1、CA系列的促凝早強劑都不能對AMPS類水泥漿體系具有良好的促凝效果。針對以上問題，需要開發一種合適的低溫促凝劑，以滿足目前低溫以及調整井固井的需要[4-6]。

1　低溫促凝劑BCA-210S的研制

1.1 單組分促凝效果研究

實驗選材為無機特種促凝材料A，有機鹽B，無機鹽C以及AMPS類降失水劑BXF-200L，分別研究其對純水泥漿以及摻有BXF-200L水泥漿的促凝效果，結果見表1。由表1可知，組分A，B，C在摻有BXF-200L的水泥漿中比在純水泥漿的促凝效果要好，組分B的促凝效果最好，能使稠化時間縮短到92 min。這可能是組分A、B、C可與降失水劑BXF-200L協同作用產生可促進水泥漿水化的物質，縮短水泥漿稠化時間。

1.2 多組分復配促凝效果

為了研究A、B、C這3種組分復配后的促凝效果以及最優配比，實驗設計A因素的3個水平為：1、 1.5、 2，B因素的3個水平為0.5、 1、 1.5，C因素的3個水平為：0.5、1、1.5。根據正交實驗設計原則，設計3因素3水平正交實驗，在基礎配方上添加2%促凝劑，以稠化時間作為實驗結果評價指標，實驗方案及結果見表2。由表2可知，通過正交實驗和方差分析，因素A極差R最大，B次之，C的影響效果最小，因素A列中K3最小，所以A為主要因素并以水平因子2為最好，因素B列中K2最小，B為次要因素并以水平因子1為最好，因素C列中K1最小，C的影響作用最小，以水平因子0.5為最好。綜合來看3種組分復配后的促凝效果要優于單組份的促凝效果，并且最佳復配比例為A∶B∶C=2∶1∶0.5。將其命名為BCA-210S。

1.3 X射線衍射分析

基礎配方加入2%促凝劑BCA-210S水泥漿的XRD譜圖見圖1。由圖1可知，不同配方水泥漿的水化產物基本相同，主要為氫氧化鈣、水化硅酸鈣凝膠和鈣礬石[9-14]，但添加有BCA-210S的水泥漿中氫氧化鈣等的衍射峰明顯比基礎配方強，說明BCA-210S對水泥的水化過程有明顯的促進作用，可加速水泥水化產物的生成。

表2　實驗方案設計以及實驗結果分析表

圖1　不同配方水泥漿水化2 d后的XRD譜圖

2　BCA-210S綜合性能評價

2.1 不同溫度下的促凝效果

考察了BCA-210S在不同溫度下的促凝效果，研究水泥漿的稠化性能，實驗結果見表3。由表3可知，BCA-210S在40～60 ℃之間，加量小于2%促凝效果好，且隨著BCA-210S加量的增加，稠化時間縮短。

為了進一步研究BCA-210S低溫促凝效果，考察了低溫下水泥漿的稠化性能，結果見表4。由表4可以看出，BCA-210S在25和30 ℃下，有比較好的促凝效果，能把水泥漿的稠化時間控制在60 min左右，滿足低溫固井和調整井固井的需要。

表3　不同加量BCA-210S在不同溫度下促凝效果

表4　低溫下BCA-210S對不同水泥漿配方的促凝效果

2.2 靜膠凝實驗

水泥漿在環空頂替到位后，環空氣竄大多發生在靜膠凝強度為48～240 Pa的區間內。其主要原因是靜膠凝強度小于48 Pa時，水泥漿能夠傳遞液柱壓力，在過平衡壓力的條件下氣竄不會發生；而當靜膠凝強度大于240 Pa時，水泥漿的強度已能抵御氣體的入侵。因此，水泥漿的靜膠凝強度由48 Pa發展到240 Pa的時間越短，氣竄的機會就越小[15-18]。因此，考察了加入BCA-210S的水泥漿在30和40 ℃下的靜膠凝強度，結果見圖2和圖3。由圖2和圖3可知，在40 ℃下靜膠凝過渡時間為10 min，30 ℃靜膠凝過渡時間為9 min，同時研究了40、30 ℃下強度發展情況，采用單軸壓力機測定試塊強度，40 ℃下4 h強度為3.4 MPa，6 h強度為7.7 MPa，30 ℃下8 h強度為5.3 MPa，與靜膠凝強度發展曲線基本是吻合的。由此可知，在30和40 ℃時，BCA-210S水泥漿體系的靜膠凝過渡時間都在15 min以內，對防氣竄是非常有利。

1#100 g SWG+3 g BXF-200L+2 g BCA-210S+ 42 g水（40 ℃）

2#100 g SWG+3 g BXF-200L+3 g BCA-210S+ 42 g水（30 ℃）

圖2　在40 ℃下水泥漿靜膠凝發展情況

圖3　在30 ℃下水泥漿靜膠凝強度發展情況

3　結論

1.考察了組分A、B和組分C分別在純水泥和BXF-200L水泥漿中的促凝效果，并研究了各組分復配后的促凝效果，最終選定A、B、C三組分的最佳復配比例為2∶1∶0.5。

2.在不同溫度下考察了BCA-210S在AMPS類水泥漿體系中的促凝效果。結果表明，在25、30、40、50及60 ℃下，通過改變BCA-210S的加量可以將水泥漿的稠化時間控制在60 min左右。

3.考察了30和40 ℃下BCA-210S對水泥漿靜膠凝強度的影響。結果表明，BCA-210S能促進水泥漿靜膠凝強度的發展，并明顯縮短水泥漿靜膠凝強度的過渡時間，具有較好的防竄作用；加入BCA-210S的水泥漿早期強度發展快，具有優異的低溫早強效果。

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收稿日期（2015-12-01；HGF=1601C1；編輯 王超）

作者簡介：第一孫曉杰，男，工程師，碩士，1986年生，主要從事油井水泥外加劑的研究工作。電話 （022）66310331；E-mail：sxjbz2008@163.com。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.017

中圖分類號：TE256.3

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）01-0084-04