中低溫緩凝劑的研究與應用

安 娜，魏周勝，周興春，李 鵬

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶固井公司，陜西西安 710018）

長慶油田致密油開發大量采用水平井鉆井，隨著技術進步，水平段不斷在增長。目前水平段長集中在1500 m～3000 m。此類工藝井表現為埋深淺、含水高、溫度低，固井要求低溫下水泥漿具有較長的稠化時間、水泥漿體系穩定且水泥石早期強度高。傳統的油井水泥緩凝劑易出現加量大、熱穩定性差、對水泥石強度發展影響較大等問題[1]。無機緩凝劑使用溫度范圍＜60℃，且只在低溫下緩凝效果明顯，但水泥石強度損失大?，F普遍采用淀粉類緩凝劑，其使用溫度范圍＜90℃，在70℃～80℃使用效果最好。在低溫時緩凝效果不明顯，加量大、水泥漿增稠明顯、對水泥石強度影響巨大。聚合物類緩凝劑使用溫度范圍＜240℃，高溫度下緩凝效果良好。但在低溫下會引起水泥過緩凝現象。為了克服上述缺點，在中低溫下獲得最佳緩凝效果，需要研發新型復配緩凝劑，對其性能進行評價和分析，并對現場應用情況進行探討。

1 中低溫緩凝劑的研究

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）是連接羧酸、膦酸等起緩凝作用的活性很高的共聚單體，具有高活性和耐溫耐鹽性能好的特點[2]，起骨架作用。羥基羧酸鹽分子能在堿性環境中形成不穩定的絡合物。水解后的α-羧基（H3C-CO-）與水泥水化的水溶液中鈣離子生成絡合物'降低了水泥水化誘導期的鈣離子濃度，阻止Ca（OH）2和鈣鹽晶體的生成、析出，而延緩水泥水化的進程。

技術思路：單一緩凝劑加量大，對強度影響大。優選AMPS和羥基羧酸鹽復合作為單體。二組分互補，緩凝時間明顯延長、擴大溫度使用范圍，對強度影響小。引入聚合物分散劑使二組分間發揮更好的協同作用。其不僅能延長稠化時間，還可作為分散劑改善流動性，降低稠度。為消除緩凝劑在固井現場加量相對較少，混配難度高、混配不均勻影響施工安全的弊端，特引入無機鹽B增強穩定性、增大加量以降低敏感性、便于混配操作。

合成的寬溫度帶緩凝劑：AMPS+羥基羧酸鹽+聚合物分散劑+無機鹽，施工安全性高，可顯著提高水泥漿各項綜合性能。

2 GJ-H性能評價

2.1 稠化時間可調性

試驗條件：G級水泥+緩凝劑，水灰比為0.44，做稠化試驗（見表1、圖1）。

圖1 不同溫度不同加量下的稠化時間

從圖1看出，在40℃～90℃范圍內，緩凝劑都能發揮良好作用。在適宜稠化時間范圍內，同等溫度下稠化時間隨著加量的增加而增加，呈很好的線性關系，判定其稠化時間可調；同等加量下，稠化時間隨著溫度的升高而減少。

2.2 溫度敏感性試驗

溫度敏感性:試驗溫度增加5℃條件下的稠化時間變化率?？疾鞙囟茸兓瘜λ酀{稠化時間的影響程度，值越小固井作業安全性較好[3]。

TTCR=（TTT+5-TTT）/TTT（溫度敏感性指標＜20%）

中低溫緩凝劑在不同溫度條件下每增加5℃的稠化時間變化率＜20%，符合溫度敏感性指標（見表2）。

表2 每增加5℃條件下的水泥漿稠化時間表

2.3 加量敏感性

緩凝劑用量變化對稠化時間的影響程度。系數越小調節越容易、越安全（見表3）。

表3 同一溫度下不同緩凝劑加量的水泥漿稠化時間表

加量敏感系數=T稠化時間增加率/緩凝劑用量增加率（指標 0.1～3.0）

中低溫緩凝劑在不同溫度范圍內加量敏感系數均符合溫度敏感性指標0.1～3.0。

2.4 緩凝劑水泥漿游離液量的測定（見表4、圖2）

表4 不同溫度不同加量下水泥漿游離液值

圖2 不同溫度不同加量時水泥漿游離液值

由圖2可知，該緩凝劑能夠有效地控制水泥漿自由水且隨著加量增加游離液減少。主要是因為其分子鏈上有高活性的磺酸基團（-SO3-）和羧酸基團（-COO-），這些極性基團既能夠束縛住自由水，又能在漿體中互相連接和纏繞，并形成一定的空間網狀結構，阻止了水泥顆粒的沉降作用和自由水析出[4-6]，從而使水泥漿體系具有良好的穩定性。

2.5 緩凝劑對強度發展的影響

圖3 不同溫度下水泥石強度發展曲線圖

結果表明：該水泥漿體系前期抗壓強度發展迅速。40℃8 h時強度達到8.2 MPa，24 h強度19.8 MPa，48 h強度25.1 MPa完全滿足固井施工需求。同一緩凝劑加量下，隨著溫度的升高水泥石強度增加。隨著溫度的升高，水泥漿的早期強度發展越來越快（見圖3、表5）。

同一溫度下，隨著緩凝劑加量的增大水泥石強度降低。但稠化時間與強度均滿足施工性能（見表6）。

2.6 中低溫緩凝劑與淀粉緩凝劑對比

不同溫度下不同緩凝劑的水泥石強度發展趨勢（見圖4、表7）。由圖4可看出：在同等溫度同等加量下，中低溫緩凝劑與淀粉類緩凝劑稠化時間相差不大；但中低溫緩凝劑的強度大于淀粉類緩凝劑。

表5 不同溫度不同時間下水泥石強度值

表6 同一溫度（75℃）不同加量下水泥石強度值

表7 與不同類緩凝劑性能對比

圖4 不同溫度下不同緩凝劑的水泥石強度發展曲線圖

3 水泥漿體系

針對不同區塊特性，通過試驗優選適應水泥漿體系的早強劑、降失水劑、增強劑，提高體系綜合性能，使之滿足相應固井需求。

經過試驗調配，形成基礎配方：G級水泥+降失水劑+早強劑+增強劑+緩凝劑。

數據顯示：低溫緩凝劑與其他外加劑配伍性良好，中低溫稠度系數較小，流動度大于20 cm，說明該水泥漿體系摩阻較小，有利于降低泵注壓力（見表8）。

4 現場應用情況

該水泥漿體系在不同區塊不同溫度范圍共現場應用30口井，油井13口、氣井17口?，F以固平39-X井現場應用為例進行說明（見表9）。

（1）水平井固平39-X位于甘肅省慶陽市，井深4562 m、垂深1810 m、水平段長2524 m，采用一次上返工藝。

表8 水泥漿體系基礎性能

表9 固平39-X井尾漿水泥漿性能

（2）水泥漿體系配方：G級水泥+降失水劑+增強劑+增韌劑+GJ-H。

應用GJ-H現場試驗，固井質量優質、應用效果良好，能夠滿足水平井等特殊工藝井施工需要，水泥漿體系穩定且水泥石早期強度高。該水泥漿體系的推廣運用，為進一步提高固井質量提供了可靠的技術支撐。

5 結論

（1）緩凝劑GJ-H性能穩定，在40℃～90℃的溫度范圍性能優良，可有效延長稠化時間、對強度影響小、各項性能指標均符合中低溫緩凝劑標準。該緩凝劑可降低加量敏感性、便于混配操作、保證施工安全。

（2）加入GJ-H的水泥漿體系具有溫度使用范圍寬、中低溫稠化時間長、強度高、過渡時間短、防竄性能佳等優異的綜合性能。

（3）2017年該水泥漿體系在氣井、油井、水平井開展現場試驗30口井，現場施工正常、固井質量合格。