淺談石油工程固井外加劑針對性選擇

張璞喬

摘要：隨著石油開采技術的不斷發展，傳統水泥固井已經無法滿足需求，越來越多的固井外加劑應用在水泥固井之中。本文主要介紹幾種常用固井外加劑的針對性選擇和應用，并對未來固井外加劑的發展進行了展望。

關鍵詞：石油工程; 固井;油井;外加劑

0引言

在鉆井行業，水泥大量應用在各類固井作業中，石油固井也不例外，而傳統的水泥固井在面臨復雜的海洋和地質環境時，已經不能滿足使用要求，因此各類外加劑應運而生。外加劑是加入量小于或等于水泥重量的5%的添加劑，它可以通過與水泥間的理化作用，使水泥達到所需的某種性能。目前業界認為，外加劑的重要性可能已經超過了水泥本身。而根據固井作業目的的不同，針對性地選用固井外加劑，成為固井作業的重要一環。

目前常用的固井外加劑主要分為六類，下面對其類別與應用場合分別介紹。

1促凝劑

用于加速水泥硬化和凝結，縮短稠化時間的場合。還可以用作因其他外加劑引起過緩凝時的促凝作用。常用的促凝劑分為無機、有機以及復合促凝劑三類。

1.1無機促凝劑

CaCl2是最常用的無機促凝劑之一，添加量通常為水泥重量的2%～4%。需要注意的是，有研究指出，添加量大于3%時容易出現閃凝并堵塞油氣通道。由于CaCl2還有提升水泥早起強度的作用，因此也常被用作早強劑。

此外，其他無機鹽如硅酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、硝酸鹽等也可作為水泥促凝劑。

1.2有機促凝劑

常見的有三乙醇胺（TEA）、甲酸鈣、草酸和甲酰胺等，其中以TEA應用最為廣泛。TEA通過加速C3A水化并加速鈣礬石的形成，從而表現出緩凝后的促凝作用。因此，TEA往往不單獨作用，而是與其他外加劑共同使用，主要用來緩解其他外加劑帶來的過緩凝現象。

1.3復合促凝劑

常見的有硅藻土-微硅復合減輕劑、NaNO2+CaSO4+TEA復合外加劑等。復合促凝劑作為一種新型材料，在發揮促凝作用的同時，還可兼顧早強作用。與使用單一促凝劑相比，復合促凝劑不僅使形成的水泥體系性能和結構更優越，還有避免閃凝、施工方便、套管防銹等積極作用。復合促凝劑的開發有著繁多的可能性，依然還等待著我們的研究與探索。

2緩凝劑

用于延長水泥凝結時間，降低水泥黏度，延長水泥安全泵送時間。在深井和超深井中，緩凝劑已經成為不可或缺的一部分。緩凝劑種類繁多，主要有有機酸、有機磷化物、纖維素類、木質素磺酸鹽類、糖化合物、硼酸鹽、有機聚合物等。

以目前常用的木質素磺酸鹽緩凝劑為例，它可以用于3000米以上的深井中，可以單獨使用，也可以加入硼酸鹽復合使用。通過吸附與成核兩種效應綜合作用，有效減緩水泥冷卻。羥基羧酸同樣應用廣泛，其應用溫度低于木質素磺酸鹽，但價格更低，綜合效果更強。其主要通過羥基羧基團鰲合陽離子，形成高度穩定的圓環結構，阻礙核生長，抑制水化過程。而含有五圓環結構的糖類化合物也能達到類似的效果，但是它對濃度變化太過敏感，在使用上受到一定限制。其他還有纖維素、有機磷酸鹽、鉻酸鹽等常用混凝劑，篇幅所限就不再一一介紹。

3.充填劑

充填劑又叫減輕劑，是用來降低固井水泥漿體系整體密度，使水泥漿柱的靜壓力下降。在薄弱底層中，需要采用充填劑來防范地層破裂導致的井漏，保證石油固井質量。常見充填劑分為三類：膨潤土類、微珠類、泡沫水泥類。

3.1膨潤土類

膨潤土是以蒙脫石為主，添加粘土和其他材料制成的高吸水性充填劑。加入水泥漿體系后，可以通過強吸附能力，提高造漿率，從而提高水灰比，降低水泥漿密度。除膨潤土外，硅酸鈉、粉煤灰等材料也能夠達到類似效果。

3.2微珠類

有脲醛樹脂和空心玻璃兩類。這種材料本身密度較水泥低，強度高，添加在水泥中可以降低密度的同時增加水泥漿體系強度，從而解決薄弱底層易漏問題，以及熱采井、地熱井的固井施工問題。

3.3泡沫水泥類

通過向水泥漿充氣或化學生成氣體的方法，使水泥漿發泡，形成密度較低的泡沫水泥。此法可較低成本降低水泥漿密度，但也會一定程度上降低水泥漿體系強度，需校驗后使用。

4.加重劑

在鉆探高壓油氣層，或進行老油田調整井固作業時，流體竄流一直是國內外攻堅的技術難題之一。在這種作業中，油田溶解氣油比有時過高，使水泥漿體系強度不能阻擋流體進入，最終固井質量遭受破壞。因此，需要加大水泥漿體系的整體密度，防止井噴和氣竄，這就是加重劑的作用。加重劑又叫防竄外加劑，作為加重劑的物質往往有以下幾個特點：材料本身較重，即分子質量高;能大幅降低水灰比，提升水泥漿強度。

常見的加重劑有重晶石、赤鐵礦和石英砂等，成本低見效快，但效果不夠理想。新型加重劑如摻CaO、Fe2O3粉末的水泥與CaCl2溶液、密胺樹脂、磷酸三丁酯拌合水混合形成的復合加重劑，固井優質率高達90%，在實踐中卓有成效。

5.分散劑

水泥漿的注入必須一次作業完成，才能割裂地層，形成頂替效果。而頂替效果最好的灌注方式，稱為水泥的紊流灌注。分散劑可以降低水灰比，改善水泥的流體性能，使其可以在低排量、低泵壓下實現紊流灌注，因此稱為使用最廣泛，用量最多的固井外加劑之一。分散劑與緩凝劑種類有一定交叉。常見分散劑有以下幾類：

5.1木質素磺酸鹽類

木質素磺酸鹽類除了緩凝劑的作用，還可以用作分散劑。其優點是成本較低，來源廣泛，還有一定的降濾失作用。在建筑行業應用廣泛，油井行業也有較多應用。其缺點是分散減阻效率同比較差，易氣泡，且它的緩凝作用會對分散效果造成干擾。

5.2水溶性密胺樹脂

將三聚氰胺、焦亞硫酸鈉、甲醛等原料，經一系列反應加工，形成一種高分子聚合物，稱為密胺樹脂。密胺樹脂是一種良好的分散劑，其分散減阻效果明顯，且穩定性和水化作用較強，是良好的分散劑。其缺點是合成工藝復雜，價格較高。

5.3低分子化合物

此類化合物主要有多羥基羧酸、水楊酸、檸檬酸及其鹽。對于飽和鹽水水泥漿體系，采用此類分散劑，既有分散性強，又有一定的緩凝作用，其中的檸檬酸還有抗鹽耐溫的性能，因此在鹽水底層和高溫固井作業中廣泛應用。

5.4乙烯單體聚合物

此種分散劑與低分子化合物相似，具有耐高溫、耐鹽、減阻效果好等特點，而且穩定性更好，不引氣，應用范圍和低分子化合物相同。缺點是大量使用成本較高。

6.降濾失劑

降濾失劑又叫降失水劑。當水泥漿灌入地層時，在壓力下會向地層周圍滲漏，這個過程叫做“失水”。如果失水不能控制，將會使水泥漿密度持續增加，水泥的各項性能偏離設計要求，甚至導致固井作業失敗。降濾失劑能改善水泥流變，使水泥漿滲漏使，在地層表面形成致密、滲透率低的水泥濾餅;或者增大水泥漿黏度，加大濾失阻力，從而控制失水。

常見降濾失劑有以下兩類：

6.1顆粒材料

包含膨潤土、粘土、微硅、瀝青、熱塑性樹脂等。降濾失性能好，材料來源廣泛，使用方便。

6.2聚合物材料

天然改性高分子改性材料，具有來源豐富，價格便宜，用途廣泛等特點。常見的有木質素、改性纖維素、改性淀粉、羥乙基田菁等。這類材料通過增強濾餅質量，改善水泥顆粒級配，控制失水速度。

7.結語

其他固井外加劑還有防竄劑、消泡劑和堵漏劑等。固井外加劑的類型繁多，隨著應用場合的多樣化，研究的不斷深入，以及材料科學的發展，固井外加劑的應用將更加成熟，成本也趨于下降。相信未來會有更多功效更強，成本更低，應用更方便的外加劑投入實踐與應用。

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