劉雄,王雪松

(中海油服油田化學(xué)事業(yè)部 海南作業(yè)公司,海南 ?？?570312)

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入,井下環(huán)境愈加苛刻,鉆探難度日漸加深,鉆遇條件逐漸向深水、深海和極地等方向發(fā)展[1-3]。現(xiàn)今低溫淺層氣固井和海洋油氣表層固井對(duì)成本和水泥漿體的早期強(qiáng)度都要求較高,近年來(lái),國(guó)內(nèi)相繼開(kāi)發(fā)出一些早強(qiáng)劑[4-5]。傳統(tǒng)的氯鹽類(lèi)早強(qiáng)劑對(duì)固井套管有很強(qiáng)的腐蝕作用,硫酸鹽類(lèi)早強(qiáng)劑影響水泥石后期強(qiáng)度發(fā)展,其他有機(jī)類(lèi)早強(qiáng)劑(比如三乙醇胺),加量敏感,影響作業(yè)安全。哈里伯頓公司有若干型號(hào)的早強(qiáng)劑產(chǎn)品,如Cal-SealTM60 Accelerator、Enhancer 923TMAgent等,其產(chǎn)品在4～60 ℃具有早強(qiáng)效果;斯倫貝謝公司同樣有多種早強(qiáng)劑產(chǎn)品已在多口油井中得到應(yīng)用,但均未有某款單一的早強(qiáng)劑能夠解決低溫固井難題;國(guó)內(nèi)目前早強(qiáng)劑的產(chǎn)品研發(fā)較多,研發(fā)重點(diǎn)主要集中在無(wú)氯促凝早強(qiáng)劑、鋰鹽早強(qiáng)劑以及復(fù)合類(lèi)早強(qiáng)劑等。張順平等[6]將Na2SO4、NaAlO2、C2H2O4Ca和CaO等比例均勻混配,制備了一種適用于PVA 類(lèi)和AMPS 類(lèi)水泥漿體系的無(wú)氯促凝早強(qiáng)劑,在30 ℃時(shí),能將油井水泥8 h強(qiáng)度提升到3.5 MPa。齊奔等[7]以1%的無(wú)機(jī)鹽A,0.75%的無(wú)機(jī)鹽B,0.25%的有機(jī)鹽D和0.1%的有機(jī)酸E混配研磨制備成油井水泥中低溫早強(qiáng)劑BZC-1S,水泥漿中加入3%BZC-1S,30 ℃養(yǎng)護(hù)8 h抗壓強(qiáng)度≥4.5 MPa,24 h抗壓強(qiáng)度≥15 MPa。劉和興等[8]將Na2SiO3·9H2O和Ca(NO3)2·4H2O配制成早強(qiáng)晶種,將早強(qiáng)晶種與碳酸鋰、硫酸鈉、鋁酸鈉正交混配,優(yōu)選出早強(qiáng)性能最好的低溫油井水泥早強(qiáng)劑ZQ-1。加入5%ZQ-1,在5 ℃時(shí)水泥石的8,12,24 h的抗壓強(qiáng)度為0.6,0.8,1.4 MPa。從產(chǎn)品性能來(lái)看,上述產(chǎn)品均有一定的早強(qiáng)效果,但低溫固井用水泥漿是一個(gè)復(fù)雜的體系,單一的產(chǎn)品在體系中的作用不能在根本上解決固井作業(yè)要求水泥漿體低溫高早強(qiáng)的問(wèn)題。

本文制備了一種低溫油井水泥早強(qiáng)劑BCL-NS,是由鈣、硅質(zhì)材料通過(guò)水溶液聚合方式合成的一種凝膠產(chǎn)物經(jīng)噴霧干燥后制備而成的粉體早強(qiáng)劑。BCL-NS能夠在低溫環(huán)境下大大加速水泥水化速度,縮短水泥漿的稠化侯凝時(shí)間,提高固井效率,節(jié)約鉆井成本。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

1.1.1 主要材料

早強(qiáng)劑:自制低溫油井水泥早強(qiáng)劑BCL-NS;油井水泥:嘉華G級(jí)特種水泥;硅質(zhì)材料:上海九鼎化學(xué)Na2SiO3·5H2O、Na2O·2SiO2、Na2O·2.85SiO2;鈣質(zhì)材料:北京浩克Ca(NO3)2·4H2O;乳化劑:艾迪科反應(yīng)型乳化劑SR-10、深圳祥潤(rùn)新材乳化劑Tween80、德國(guó)漢姆乳化劑NP-10;消泡劑:贏創(chuàng)消泡劑Y793;減水劑:蘇博特萘系減水劑SBTJM?-A、蘇博特聚羧酸減水劑PCA?-10、上海齊碩聚羧酸減水劑QS8020、蘇州興邦聚羧酸減水劑PC1021、自制聚羧酸減水劑J112;保護(hù)膠體:河南匯德化工PVA1788;干燥劑:濟(jì)南諾創(chuàng)化工白炭黑。

1.1.2 主要儀器

上海緒航HH-WO-3L型恒溫油浴鍋;三口圓底燒瓶;常州金壇良友JJ-1A60W型數(shù)顯攪拌器;青島海通達(dá)HTD8040D型高溫高壓稠化儀;青島恒泰達(dá)六HTD-6st型速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì);無(wú)錫東升LGZ-A型噴霧干燥塔;沈陽(yáng)金歐科DFC-2015L型油井水泥石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。

1.2 制備方法

在三口圓底燒瓶中加入一定量的去離子水、乳化劑、減水劑和消泡劑,攪拌均勻,制備成打底液。然后分別在硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料中加入一定量去離子水和減水劑,攪拌溶解均勻。冷卻或升溫至反應(yīng)溫度,同時(shí)分別滴加硅質(zhì)材料和鈣質(zhì)材料溶液,進(jìn)行水溶液聚合反應(yīng)若干小時(shí)后,制備出白色乳液即為凝膠早強(qiáng)劑。在凝膠早強(qiáng)劑乳液中加入一定量保護(hù)膠體,通過(guò)噴霧干燥制備成白色粉狀固體,在粉末中加入一定量抗結(jié)塊劑后,即為最終產(chǎn)品。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 乳液穩(wěn)定性

將100 mL經(jīng)過(guò)水溶液聚合制備的凝膠早強(qiáng)劑加入量筒中,靜置24 h,測(cè)量量筒中乳液分層時(shí)沉淀的刻度,刻度越大說(shuō)明乳液穩(wěn)定性越差。

1.3.2 水泥漿制備

按GB/T 33294—2016《深水油井水泥試驗(yàn)方法》制備水泥漿體系,水泥漿的基礎(chǔ)配方如表1所示。

表1 水泥漿基礎(chǔ)配方組成

1.3.3 抗折抗壓強(qiáng)度測(cè)試

在水泥漿基礎(chǔ)配方中加入一定量的早強(qiáng)劑BCL-NS制備成油井水泥漿,將制備的水泥漿倒入用于主要測(cè)試水泥漿早期強(qiáng)度的50 mm×50 mm×50 mm的模具中,每個(gè)實(shí)驗(yàn)組制作2個(gè)平行試樣;將加入水泥漿的模具放入可控溫度的養(yǎng)護(hù)箱中,分別養(yǎng)護(hù)1和3 d后進(jìn)行水泥石的抗壓和抗折強(qiáng)度測(cè)試。

1.3.4 水泥漿流動(dòng)度測(cè)試

按GB 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》的水泥流動(dòng)度試驗(yàn)方法測(cè)量加入不同量早強(qiáng)劑BCL-NS的油井水泥漿的流動(dòng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 早強(qiáng)劑BCL-NS制備材料優(yōu)選

2.1.1 乳化劑、減水劑

合適的乳化劑和減水劑種類(lèi)與加量能提高制備的凝膠早強(qiáng)劑的穩(wěn)定性能,提升早強(qiáng)劑增強(qiáng)油井水泥漿早期強(qiáng)度的作用[9]。表2為早強(qiáng)劑乳化劑、減水劑篩選實(shí)驗(yàn)。

表2 早強(qiáng)劑乳化劑、減水劑篩選實(shí)驗(yàn)

由表2可以看出,在制備凝膠早強(qiáng)劑過(guò)程中,乳化劑選擇3%SR-10,減水劑選擇2%J112時(shí),早強(qiáng)劑基本無(wú)沉降,而且1 d早期抗壓強(qiáng)度最高,乳化劑和減水劑加量過(guò)多或過(guò)少均會(huì)對(duì)凝膠早強(qiáng)劑的穩(wěn)定性以及水泥漿的1 d抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

2.1.2 硅質(zhì)材料

不同模數(shù)硅酸鈉的溶解性、酸堿性以及鈣硅比均會(huì)對(duì)制備的早強(qiáng)劑的抗壓和抗折強(qiáng)度產(chǎn)生影響[10]。選擇Na2SiO3·5H2O、Na2O·2SiO2、Na2O·2.85SiO2三種硅質(zhì)材料和鈣質(zhì)材料Ca(NO3)2·4H2O制備早強(qiáng)劑,評(píng)價(jià)其在1 d和3 d后的抗折抗壓強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出,Na2SiO3·5H2O作為硅質(zhì)材料制備的早強(qiáng)劑的1和3 d抗折和抗壓強(qiáng)度明顯高于不加早強(qiáng)劑的凈漿和加入其他2種硅質(zhì)材料的早強(qiáng)劑,選擇Na2SiO3·5H2O作為硅質(zhì)材料。

表3 硅質(zhì)材料對(duì)抗折抗壓強(qiáng)度影響實(shí)驗(yàn)

2.2 早強(qiáng)劑BCL-NS制備條件優(yōu)選

2.2.1 反應(yīng)溫度

反應(yīng)溫度不同也會(huì)對(duì)制備早強(qiáng)劑的性能產(chǎn)生影響,評(píng)價(jià)反應(yīng)溫度在5～40 ℃時(shí)加入早強(qiáng)劑的油井水泥漿與凈漿抗折抗壓強(qiáng)度提升幅度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 反應(yīng)溫度對(duì)早強(qiáng)劑性能影響實(shí)驗(yàn)

由圖1可以看出,反應(yīng)溫度為20 ℃時(shí),早強(qiáng)劑的1 d抗壓強(qiáng)度最高,1 d抗折強(qiáng)度、3 d抗壓和抗折強(qiáng)度也相對(duì)較高,所以選擇反應(yīng)溫度為20 ℃。

2.2.2 滴加時(shí)間

不同的鈣質(zhì)和硅質(zhì)材料滴加時(shí)間會(huì)影響生成早強(qiáng)劑的晶核形態(tài),進(jìn)而影響其早強(qiáng)性能,評(píng)價(jià)2,4,6,8 h條件下2%早強(qiáng)劑加量,20 ℃條件下養(yǎng)護(hù)1,3 d后水泥漿模塊的抗折抗壓強(qiáng)度如表4所示。

由表4可以看出,滴加時(shí)間超過(guò)4 h,加入早強(qiáng)劑的水泥漿抗折和抗壓強(qiáng)度變化相對(duì)較小,所以選擇滴加時(shí)間為4 h。

表4 材料滴加時(shí)間對(duì)早強(qiáng)劑性能影響實(shí)驗(yàn)

2.2.3 噴霧干燥條件

考慮到運(yùn)輸和儲(chǔ)存等影響,需要在不影響早強(qiáng)劑性能的情況下對(duì)水溶液合成的凝膠早強(qiáng)劑進(jìn)行噴霧干燥。噴霧干燥前需要加入膠體保護(hù)劑防止早強(qiáng)劑高溫下失效,噴霧干燥后需要加入抗結(jié)塊劑防止粉體吸潮降低性能。表5是不同加量的保護(hù)膠體PVA1788和抗結(jié)塊劑白炭黑制備的早強(qiáng)劑對(duì)水泥漿強(qiáng)度影響。

由表5可以看出,噴霧干燥時(shí)加入3%PVA1788作為保護(hù)膠體,0.5%白炭黑作為抗結(jié)塊劑,對(duì)最后制備的粉體早強(qiáng)劑BCL-NS的早強(qiáng)性能影響較小。

表5 保護(hù)膠體和抗結(jié)塊劑加量對(duì)早強(qiáng)劑性能影響實(shí)驗(yàn)

2.2.4 養(yǎng)護(hù)溫度

油井水泥漿固井時(shí)地層溫度也會(huì)對(duì)水泥的強(qiáng)度產(chǎn)生影響,室內(nèi)評(píng)價(jià)2% BCL-NS加量,20～80 ℃條件下養(yǎng)護(hù)1,3 d后水泥漿模塊的抗折抗壓強(qiáng)度相對(duì)凈漿幅度如圖2所示。

圖2 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)早強(qiáng)劑性能影響實(shí)驗(yàn)

由圖2可以看出,養(yǎng)護(hù)溫度在20 ℃時(shí),加入2%早強(qiáng)劑的油井水泥漿1 d抗壓強(qiáng)度最大,相對(duì)于凈漿提升96%,1 d抗折強(qiáng)度和3 d抗折抗壓強(qiáng)度也相對(duì)較高。所以,早強(qiáng)劑最佳養(yǎng)護(hù)和應(yīng)用溫度為20 ℃。

2.3 早強(qiáng)劑BCL-NS性能評(píng)價(jià)

2.3.1 早強(qiáng)劑加量

測(cè)量在油井水泥中加入不同量的早強(qiáng)劑BCL-NS后,20 ℃養(yǎng)護(hù)1,3 d后的抗折和抗壓強(qiáng)度,結(jié)果如表6。

由表6可以看出,在油井水泥漿中加入2%早強(qiáng)劑BCL-NS后,1 d抗壓強(qiáng)度提高82%,1 d抗折強(qiáng)度提高15.2%,3 d抗折和抗壓強(qiáng)度也增加超過(guò)15%。BCL-NS在油井水泥漿體系中的1 d 早強(qiáng)效果明顯,3 d后抗折和抗壓強(qiáng)度也有所提高。

2.3.2 水泥漿流動(dòng)度

水泥漿的流動(dòng)度體現(xiàn)了油井水泥漿在固井時(shí)泵送的難易程度,圖3是不同BCL-NS加量油井水泥漿的流動(dòng)度大小。

圖3 不同早強(qiáng)劑加量下油井水泥漿流動(dòng)度

由圖3可以看出,提高BCL-NS的加量,油井水泥漿的流動(dòng)度有所降低,但加入2% BCL-NS,水泥漿的流動(dòng)度為22.0 cm;加入3% BCL-NS,水泥漿的流動(dòng)度為20.2 cm,都能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)泵送的需求。

2.3.3 水泥漿稠化時(shí)間

油井水泥漿中加入早強(qiáng)BCL-NS能在可泵送的前提下,縮短稠化時(shí)間,提高水泥石的早期強(qiáng)度。圖4是在20 ℃條件下,不同低溫早強(qiáng)劑BCL-NS對(duì)油井時(shí)泥漿稠化時(shí)間的影響。

由圖4可以看出,20 ℃條件下,油井水泥漿原始稠化時(shí)間為185 min,提高BCL-NS加量能明顯降低水泥漿的稠化時(shí)間,加入2% BCL-NS時(shí),水泥漿稠化時(shí)間縮短為123 min,能大幅縮短固井的侯凝時(shí)間,提高早期強(qiáng)度。

圖4 不同早強(qiáng)劑加量下油井水泥漿稠化時(shí)間

3 結(jié)論

1)選取3% SR-10為乳化劑,2% J112為減水劑總加量,Na2SiO3·5H2O為硅質(zhì)材料,Ca(NO3)2·4H2O為硅質(zhì)材料,20 ℃反應(yīng)4 h后制成凝膠早強(qiáng)劑,在凝膠早強(qiáng)劑中加入3% PVA1788作為保護(hù)膠體,噴霧干燥后加入0.5%白炭黑作為抗結(jié)塊劑制備低溫油井水泥早強(qiáng)劑BCL-NS。

2)油井水泥漿中加入2%低溫早強(qiáng)劑BCL-NS,1 d抗壓強(qiáng)度提高82%,1 d抗折強(qiáng)度提高15.2%,3 d抗折強(qiáng)度提高18.4%,3 d抗壓強(qiáng)度提高23.3%,早強(qiáng)劑BCL-NS低溫早強(qiáng)效果明顯。油井水泥漿中加入低溫早強(qiáng)劑BCL-NS不會(huì)對(duì)其流動(dòng)性產(chǎn)生較大影響,還能縮短稠化,提高早期強(qiáng)度。