摻生物膠固井水泥漿性能研究

孫洪波+馬春旭+劉孟慧+段志偉

【摘 要】分別使用黃原膠和溫倫膠兩種生物膠作為固井水泥漿的懸浮穩(wěn)定劑，對(duì)配制的水泥漿進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)和研究。結(jié)果表明：隨著生物膠加量增加，水泥漿均出現(xiàn)下灰時(shí)間增加、YP值增大、強(qiáng)度降低、稠化時(shí)間延長(zhǎng)，但是黃原膠水泥漿變化顯著，而溫倫膠水泥漿變化較小；黃原膠束縛自由水和抑制水泥漿沉降的能力較低，不適用于固井水泥漿的懸浮穩(wěn)定劑；溫倫膠可以有效的束縛自由水和抑制水泥漿沉降，是比較理想的懸浮穩(wěn)定劑。

【關(guān)鍵詞】固井；黃原膠；溫倫膠；水泥漿；懸浮穩(wěn)定劑

【Abstract】Two kinds of biological adhesives， xanthan gum and welan gum， were used as suspension stabilizers of cementing slurry， and the performance of the cement slurry was evaluated and studied. The results show that： as well as the biological adhesives is increased in cement slurry， the mixing time increases， the YP value raises and the strength decreases， the thickening time increases， the slurry with xanthan gum has a significant change， and the slurry with welan gum changes a little. The capacity of xanthan gum to bind free water and prevent cement slurry sedimentation is low， it is not suitable for the suspension stabilizer of cement slurry. Welan gum can effectively bind free water and prevent cement slurry sedimentation， is an ideal suspension stabilizer.

【Key words】Well cementing； Xanthan gum； Welan gum； Suspension stabilizer； Cement slurry

懸浮穩(wěn)定性是配制固井水泥漿的一個(gè)重要指標(biāo)，可以有效保證水泥漿的層間穩(wěn)定，從而保證水泥漿的稠化、失水、強(qiáng)度等基本性能的一致，進(jìn)而保證固井施工質(zhì)量。水泥漿不穩(wěn)定往往造成水泥漿自由液過大（超過1%）或出現(xiàn)固體材料顯著沉降造成密度差，為了提高配制的水泥漿穩(wěn)定性，一般加入懸浮穩(wěn)定材料進(jìn)行控制[1-2]。

生物膠可以通過自身在水泥漿中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，吸附周圍的水泥漿顆粒，控制顆粒運(yùn)移，達(dá)到維持體系穩(wěn)定的目的，其中最常用的生物膠是黃原膠和溫倫膠。黃原膠是由黃單胞菌產(chǎn)生的一種胞外多糖，其分子量在2×106～2×107之間，可大幅提高水的粘度，并且在強(qiáng)堿和多種鹽分環(huán)境下仍可保持粘度不變，廣泛應(yīng)用于食品、石油、印染、紡織等領(lǐng)域。溫倫膠是由產(chǎn)堿桿菌發(fā)酵產(chǎn)生的胞外多糖，具有優(yōu)良的觸變性、懸浮性、水溶性等流變性能，且具有卓越的穩(wěn)定性，在食品、混凝土、石油等行業(yè)的應(yīng)用前景廣泛[3-5]。

使用黃原膠和溫倫膠作為固井水泥漿的懸浮穩(wěn)定劑，對(duì)配制的水泥漿進(jìn)行性能測(cè)定與分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

油井“G”級(jí)水泥，由山東中昌水泥廠提供；降失水劑、消泡劑等固井添加劑以及黃原膠、溫倫膠，由天津中海油服化學(xué)有限公司提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

OWC-9360型水泥漿恒速攪拌器（沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用技術(shù)研究院）；YYM型壓力密度計(jì)；OWC-9350型常壓稠化儀（沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用技術(shù)研究院）；3530型自動(dòng)粘度計(jì)（美國(guó)CHANDLER公司）；OWC-9710型失水儀（沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用技術(shù)研究院）；8140D10型增壓稠化儀（美國(guó)CHANDLER公司）； OWC-118型常壓養(yǎng)護(hù)箱（沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用技術(shù)研究院）；M5500型運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定儀（美國(guó)Grace公司）；BP沉降管（沈陽航空航天大學(xué)應(yīng)用技術(shù)研究院）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

水泥漿按照API 10B-2“Recommended Practice for Testing Well Cements”的規(guī)定進(jìn)行配制與測(cè)試[6]。

水泥漿基礎(chǔ)配方為：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 生物膠水泥漿下灰速度測(cè)定

按照表1比例進(jìn)行水泥漿的配制，淡水、消泡劑、聚合物降失水劑混合均勻后，使混合液保持2000r/min，緩慢加入定量生物膠，加入完畢后，保持?jǐn)嚢?0min，再將攪拌速度提高至4000r/min，按照API 10B-2規(guī)范加入油井水泥進(jìn)行攪拌。從水泥下灰開始計(jì)時(shí)，到全部攪拌完成至漿體中心呈現(xiàn)旋渦狀的時(shí)間，為下灰時(shí)間。分別對(duì)不同加量生物膠的下灰時(shí)間進(jìn)行記錄：

由下灰時(shí)間可以看出，0.05%加量時(shí)，黃原膠與溫倫膠的下灰時(shí)間相差不多；溫倫膠隨加量增大下灰時(shí)間有規(guī)律的增加，均維持在60s之內(nèi)，可以保證現(xiàn)場(chǎng)施工混漿的順利完成；黃原膠隨加量增大，下灰時(shí)間增大很快，加量大于0.15%已經(jīng)很難混漿。

2.2 生物膠水泥漿流變性測(cè)定

按照表1進(jìn)行水泥漿的配制，使用自動(dòng)粘度計(jì)進(jìn)行水泥漿流變的測(cè)定。分別記錄不同水泥漿配方的流變讀數(shù)，并進(jìn)行動(dòng)切力YP值計(jì)算。endprint

由表2可以看出，加量0.05%時(shí)，黃原膠水泥漿比溫倫膠水泥漿YP小；隨著溫倫膠加量增大YP值有規(guī)律的增加，具有良好的流動(dòng)性；隨著黃原膠加量增大，YP變化較明顯，增稠顯著。

并且，黃原膠配制的水泥漿經(jīng)過20min養(yǎng)護(hù)后，可以看到顯著的結(jié)渣現(xiàn)象，如圖2所示，表明黃原膠在配制過程中，水泥顆粒吸附在其表面，形成的更大的顆粒，不利于固井水泥漿的性能發(fā)展。與此對(duì)應(yīng)，溫倫膠配制的水泥漿表觀流動(dòng)狀態(tài)良好，沒有出現(xiàn)聚集成碎渣的情況。

2.3 生物膠水泥漿強(qiáng)度性能測(cè)定

按照表1進(jìn)行水泥漿的配制，在70℃條件下使用常壓養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24h，養(yǎng)護(hù)完畢后進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定。分別記錄不同水泥漿配方的強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

由表3可以看出，黃原膠配制的水泥漿強(qiáng)度均低于溫倫膠配制的水泥漿強(qiáng)度；水泥漿強(qiáng)度隨黃原膠加量增大下降很快，0.2%時(shí)已經(jīng)顯示沒有強(qiáng)度；水泥漿強(qiáng)度隨溫倫膠加量增大稍有下降，但下降不大，仍可大于7MPa，可以滿足固井的需求。

2.4 生物膠水泥漿稠化性能測(cè)定

按照表1進(jìn)行水泥漿的配制，在50℃條件下使用增壓養(yǎng)護(hù)釜進(jìn)行稠化時(shí)間的測(cè)定。分別記錄不同水泥漿配方的稠化數(shù)據(jù)。

由圖3可以看出，黃原膠配制的水泥漿稠化時(shí)間顯著高于溫倫膠配制的水泥漿；水泥漿稠化時(shí)間隨黃原膠加量增大而增加明顯；水泥漿稠化時(shí)間隨溫倫膠加量增大稍有增加，但增加不多，表明溫倫膠對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間影響不大。圖4是0.1%加量溫倫膠配制的水泥漿的稠化曲線，稠化性能良好。

2.5 生物膠水泥漿懸浮穩(wěn)定性能測(cè)定

按照表1進(jìn)行水泥漿配制，在50℃條件下使用250mL量筒進(jìn)行自由液測(cè)定，使用BP沉降管進(jìn)行穩(wěn)定性的測(cè)定。分別記錄不同水泥漿配方的自由液數(shù)據(jù)及BP水泥石的上下密度差。

由表4可以看出，黃原膠配制的水泥漿自由液顯著，并且隨著黃原膠加量增大，并未顯著降低，結(jié)合2.1中下灰速度等，再進(jìn)行加量增大已經(jīng)沒有意義，同時(shí)由于自由水過多，造成BP沉降管制成的水泥石出現(xiàn)嚴(yán)重的分層，頂部沒有強(qiáng)度，因此無法進(jìn)行密度差的計(jì)算；而溫倫膠配制的水泥漿自由液很少，隨著加量增大，自由液逐步減少0，在上述水泥漿中，加量大于0.1%可以將自由液控制在1.5%以下，可以用于固井作業(yè)，且BP沉降管制成的水泥石上下密度差小，可以保證水泥漿的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

1）隨著生物膠加量增大，水泥漿下灰時(shí)間增加、YP值增大、強(qiáng)度降低、稠化時(shí)間延長(zhǎng)，黃原膠的變化明顯，而溫倫膠的變化不顯著，表明溫倫膠更適用于固井水泥漿的配制。

2）黃原膠在水泥漿中束縛自由水的能力較低，也無法有效抑制水泥漿的沉降，不適用于固井水泥漿的懸浮穩(wěn)定劑。

3）溫倫膠可以有效的控制自由水，抑制水泥漿沉降，具有良好的懸浮穩(wěn)定性，可以用作固井水泥漿的懸浮穩(wěn)定劑。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]張浩，李厚銘，符軍放，等.固井用懸浮穩(wěn)定劑SS-10L的研究應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，15（3）：212-214.

[3]蘇勝，左彥峰，王棟民.摻生物膠自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].混凝土， 2091（7）：15-16.

[4]吉武科，趙雙枝，嚴(yán)希海，等.韋蘭膠與黃原膠流變性比較研究[J].化學(xué)與生物工程，2011，28（10）：50-56.

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint