李曉驍，王 宇

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山 063009）

不同類型固井水泥緩凝劑的作用特點(diǎn)對(duì)比

李曉驍1，王 宇2

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山 063009）

針對(duì)高溫固井和水平井固井中易發(fā)生“氣竄”的現(xiàn)象，選出AMPS/SSS/IA、SN-3和BH三種緩凝劑，采用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)比三種緩凝劑對(duì)水泥石性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:三種緩凝劑中，AMPS/SSS/IA具有耐高溫的特性，易于控制稠化時(shí)間，抗壓強(qiáng)度影響較??；SN-3在低于100℃的條件下具有良好的稠化性能，加量對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度影響最小。但在超過100℃后緩凝性能受到一定的波動(dòng)，稠化時(shí)間變得不穩(wěn)定；緩凝劑BH在80℃～160℃范圍內(nèi)具有良好的緩凝性能，易于控制稠化時(shí)間。但是緩凝劑BH對(duì)水泥石早期強(qiáng)度影響較大，施工過程中水泥漿強(qiáng)度的穩(wěn)定性較差。

固井；緩凝劑；稠化時(shí)間；抗壓強(qiáng)度

緩凝劑是水泥漿最重要的三大外加劑之一，被用來延緩油井水泥的水化反應(yīng)、延長(zhǎng)稠化時(shí)間來達(dá)到固井預(yù)期效果的通用“法寶”。目前，從化學(xué)成分上分析，國(guó)內(nèi)外緩凝劑主要分為以下三類:木質(zhì)素磺酸鹽、合成類緩凝劑和智能緩凝劑。目前，國(guó)外七大油服公司所用的緩凝劑大多數(shù)屬于木質(zhì)素磺酸鹽及其衍生物，如哈里伯頓公司的HR-4、HR-5（L）、HR-6（L）、HR-7（L）便是木質(zhì)素磺酸鹽和其衍生物產(chǎn)物[1]；高分子合成緩凝劑具有耐高溫、抗鹽性的性能，更加符合了現(xiàn)實(shí)工作中的需求，如國(guó)外Brothers等[2]研發(fā)出一種AMPS/AA（丙烯酸）二元共聚物用作緩凝劑可滿足120℃的施工環(huán)境，Casabonne等[3]按硼砂（0.025～0.2）和甲撐膦酸衍生物和硼砂（0.025～0.2）質(zhì)量比復(fù)配后制得耐高溫緩凝劑可適用于121℃～260℃，適用于具備大溫差特點(diǎn)的長(zhǎng)封固段深井固井，國(guó)內(nèi)李真祥等[4]研發(fā)出的寬溫帶緩凝劑AS是由AMPS和ASES共聚而成，它適合大溫差固井，尤其滿足長(zhǎng)封固段固井的特別要求；智能緩凝劑是專門研發(fā)的稠化時(shí)間與溫度變化無關(guān)的一類緩凝劑，目前僅適用于低于90℃的溫度，否則水泥漿“倒掛”現(xiàn)象則會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)[5，6]。

結(jié)合國(guó)內(nèi)緩凝劑的應(yīng)用現(xiàn)狀，初步選取了適合溫度高、適應(yīng)溫差大的三種緩凝劑AMPS/SSS/IA共聚物、緩凝劑SN-3和緩凝劑BH，采取正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)和早期抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。優(yōu)選出的緩凝劑對(duì)高溫固井和水平井水泥漿體系具有重要的意義。

1 三種緩凝劑的緩凝機(jī)理

1.1 AMPS/SSS/IA共聚物的緩凝機(jī)理

AMPS/SSS/IA能夠延長(zhǎng)水泥漿的稠化時(shí)間的原因是由于分子中磺酸基團(tuán)和羧酸基團(tuán)中的氧原子具有很強(qiáng)的配位作用，與水泥漿中游離的Ca2+反應(yīng)生成復(fù)雜的七元螯合體，抑制Ca（OH）2晶體發(fā)育；其次，AMPS/ SSS/IA會(huì)加快C3S的初期水化作用，增厚C3S水化過程形成的水化硅酸鈣（C－S－H）凝膠包覆層，進(jìn)而延長(zhǎng)了稠化時(shí)間[7-9]。

1.2 緩凝劑SN-3的作用機(jī)理

緩凝劑SN-3的主要成分是羥基羧酸鹽和葡萄糖酸鹽。羥基羧酸鹽存在的α或β羥基羧酸基團(tuán)與游離的Ca2+形成復(fù)雜的螯合體來抑制Ca（OH）2晶體的發(fā)育；以及，葡萄糖酸鹽在堿性環(huán)境下可以轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸，其含有α羥羰基會(huì)附著在水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠表面，延長(zhǎng)水泥稠化時(shí)間[4，10]。

1.3 緩凝劑BH的作用機(jī)理

緩凝劑BH分子中含有羧酸基團(tuán)、磺酸基團(tuán)及親水性長(zhǎng)鏈。羧酸基團(tuán)可以和水泥漿中游離的Ca2+形成復(fù)雜的螯合體來抑制Ca（OH）2晶體的發(fā)育，并降低溶液中陽離子的濃度；其次，BH分子可以附著在水泥顆粒的表面，減緩水化速度。并且，親水性長(zhǎng)鏈的空間位阻作用會(huì)延緩水泥水化產(chǎn)物的快速膠結(jié)，有利于延緩效果[11，12]。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器和材料

主要實(shí)驗(yàn)儀器有雙缸高溫高壓養(yǎng)護(hù)釜（7375），高溫高壓翻轉(zhuǎn)失水儀（7120），高溫高壓稠化儀（7025），高溫高壓流變儀（7400），千德樂；水泥強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)（LS-C（Ⅲ）），珠海歐美克；BP沉降管等。

主要實(shí)驗(yàn)材料有AMPS/SSS/IA聚合物、緩凝劑SN-3、緩凝劑BH、降失水劑JSS-4、降阻劑SZ-2、嘉華G級(jí)水泥等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文實(shí)驗(yàn)方法按照《GB/T 19139-2003油井水泥試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 稠化性能測(cè)試 采用雙缸高溫高壓稠化儀，模擬條件為70℃和30 MPa壓力下，對(duì)加入加量為0.3%三種緩凝劑的水泥漿進(jìn)行稠化性能測(cè)試，結(jié)果（見表1）。

從表1可以看出:加入AMPS/SSS/IA聚合物的水泥漿可以在60℃~120℃范圍內(nèi)達(dá)到良好的稠化性能，稠化時(shí)間穩(wěn)定且過渡時(shí)間在15 min左右，滿足直角稠化的要求；加入BH的水泥漿適用溫度達(dá)到160℃，并且過渡時(shí)間穩(wěn)定；加入SN-3的水泥漿適應(yīng)溫差最大，但是在100℃~130℃穩(wěn)定性出現(xiàn)波動(dòng)，稠化時(shí)間和過渡時(shí)間變得不可控。為此對(duì)加入0.3%SN-3的水泥漿進(jìn)行不同溫度下的稠化性能測(cè)試，結(jié)果（見圖1）?？梢钥闯鏊酀{在100℃~120℃的兩個(gè)溫度波折點(diǎn)，適應(yīng)溫度的穩(wěn)定性變差。

表1 加入三種緩凝劑的水泥漿稠化性能

圖1 加入0.3%SN-3的稠化時(shí)間變化曲線

表2 不同加量的三種緩凝劑流變性測(cè)試

2.3.2 失水、流變性測(cè)試 水泥漿的失水量和流變性能是水泥漿性能測(cè)試的兩個(gè)重要指標(biāo)，使用的儀器是高溫高壓失水儀和流變儀。將加入0.3%的三種緩凝劑的水泥漿在70℃的恒定溫度下養(yǎng)護(hù)20 min~30 min，測(cè)定條件為70℃、10 MPa條件下30 min的失水量，分別為14 mL、12 mL、14 mL，滿足API標(biāo)準(zhǔn)。流變性能結(jié)果（見表2），顯示三種配方下的水泥漿流變性能良好。

2.3.3 水泥石早期強(qiáng)度測(cè)試 將加入不同含量的三種類型聚合物的水泥漿樣品在90℃和30 MPa條件下在高溫高壓稠化儀中養(yǎng)護(hù)24 h，測(cè)得水泥石的早期抗壓強(qiáng)度結(jié)果（見圖2）。

圖2 三種不同加量的緩凝劑的早期抗壓強(qiáng)度變化曲線

從圖2可以看出:三種水泥漿樣品早期抗壓強(qiáng)度值都超過API標(biāo)準(zhǔn)14 MPa；加入緩凝劑AMPS/SSS/IA得到的水泥石強(qiáng)度隨著緩凝劑加量的增加，其抗壓強(qiáng)度變化相差不大，雖然在加量為0.5%~1%的強(qiáng)度值比沒有添加緩凝劑的水泥石稍微有所降低，但仍滿足API標(biāo)準(zhǔn)；加入SN-3的水泥漿硬化成水泥石的早期強(qiáng)度要比加入另兩種緩凝劑的水泥漿硬化得到的水泥石早期強(qiáng)度低，但隨著加量的增加強(qiáng)度會(huì)線性增長(zhǎng)，加入SN-3使水泥漿性能穩(wěn)定；加入緩凝劑BH水泥漿可以達(dá)到最高的抗壓強(qiáng)度32 MPa，但是穩(wěn)定性不足，比未加入緩凝劑得到的水泥石強(qiáng)度差最大要接近10 MPa。

3 結(jié)論

（1）緩凝劑AMPS/SSS/IA在120℃的高溫條件下仍具有良好的稠化性能，具有良好的直角稠化性能，失水和流變性能滿足API標(biāo)準(zhǔn)，并且其加量對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度影響小，適合高溫條件下的水平井固井。

（2）緩凝劑SN-3在低于100℃的條件下性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的流變性能和低失水，加量對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度影響小。但在溫度超過100℃尤其是100℃~130℃內(nèi)，緩凝性能受到較大的波動(dòng)，稠化性能不易控制，適合低于100℃大溫差固井。

（3）緩凝劑BH在80℃～160℃范圍內(nèi)具有良好的稠化性能、流變性能和低失水標(biāo)準(zhǔn)。但是緩凝劑BH對(duì)水泥石早期強(qiáng)度影響較大，保證施工過程中水泥漿強(qiáng)度的穩(wěn)定性較差，適合超高溫固井。

［1］黃柏宗，呂光明，孫富全.世界主要固井公司基本水泥、特種水泥及外加劑產(chǎn)品匯總［J］.鉆井液與完井液，2009，16（6）:30-37.

［2］Brothers L E，Lindsey D W，Terry D T.Set retarded cement compositionsand methodsforwellcementing［P］.US 4941536，2010.

［3］Casabonne J M，Jouve M，Nelson E.High temperature retarders for oil field cements,cement slurries and corresponding cementing processes［P］.US 5503671，2006.

［4］李真祥，劉偉，步玉環(huán).寬溫帶緩凝劑的合成與室內(nèi)評(píng)價(jià)［J］.鉆采工藝，2009，32（5）:73-76.

［5］S.Moradi，P.Zonzee，D.Sandhu.Engineered Cement Set Control Additive-Solution for a Long Standing Cementing Challenge［R］.

［6］E.Sorgard，R.Viali.Solution for a Long-Standing Cementing Challenge-Intelligent Cement Set Control Additive［R］.

［7］董文博，莊稼，馬彥龍，程小偉，郭小陽.高溫油井水泥緩凝劑聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/苯乙烯磺酸鈉/衣康酸的合成及緩凝效果［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2012，40（5）:708-709.

［8］齊志剛，王瑞和，步玉環(huán)，等.衣康酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸二元共聚物油井水泥緩凝劑制備及性能［J］.精細(xì)石油化工，2009，26（2）:47.

［9］盧婭，李明，郭子涵，劉萌，郭小陽.聚合物類油井水泥緩凝劑的研究現(xiàn)狀概述［J］.塑料工業(yè)，2016，44（2）:24-25.

［10］張?jiān)迫A，王樂，萬偉.SN-3水泥漿多功能寬溫帶緩凝劑的評(píng)價(jià)與應(yīng)用［J］.天然氣勘探與開發(fā)，2011，34（4）:81.

［11］嚴(yán)思明，李省吾，高金，王富輝，廖詠梅.AA/SSS/APO三元共聚物緩凝劑的合成及性能研究［J］.鉆井液與完井液，2015，32（1）:83.

［12］嚴(yán)思明，李省吾，高金，王富輝，廖詠梅.油井水泥緩凝劑BH作用機(jī)理研究［J］.鉆井液與完井液，2015，32（2）:63-66.

Study on the property comparison of different kinds of cement retarders

LI Xiaoxiao1，WANG Yu2
（1.College of Petroleum Engineering，Xi＇an Shiyou University，Xi＇an Shanxi 710065，China；2.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063009，China）

In view of the gas channeling on the high temperature cementing and horizontal well cementing,this paper selected three kinds of retarder AMPS/SSS/IA,SN-3 and BH to conduct property comparison experiment on the basis of single factor and orthogonal experiment method.The results showed that AMPS/SSS/IA had stable performance under high temperature,controlled the thickening time very well and affected the compressive strength of cement stone in the smaller degree in the process of cementation.SN-3 had stable performance and affected the compressive strength of cement stone in the smallest degree below the temperature of 100 degrees Celsius.But SN-3 had poor stable performance and couldn't control the thickening time very well over the temperature of 100 degrees Celsius.BH had stable performance and controlled the thickening time very well from 80 degrees to 160 degrees Celsius,but affected the compressive strength of cement stonerelatively in the highest degree and couldn't control the stability.

well cementation；retardant；thickening time；compressive strength

TE256.6

A

1673-5285（2017）04-0014-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.04.004

2017－03-10

唐山市自然科學(xué)基金“仿真水平井固井系統(tǒng)中水泥漿壓力傳遞規(guī)律研究”，項(xiàng)目編號(hào):15130250a。

李曉驍（1994-），西安石油大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛吞锘瘜W(xué)及提高采收率，郵箱:544382061@qq.com。