新型油井水泥觸變劑的研究與應(yīng)用

盧海川 ， 燕平 ， 劉剛 ， 王春才 ，霍明江， 王海平， 艾爾肯·阿布力米提

（1.中國石油海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451；2.大港油田井下作業(yè)公司，天津 300283；3. 中石油新疆油田分公司井控培訓(xùn)中心，新疆克拉瑪依834000）

使用觸變水泥漿固井被認為是解決油氣井固井漏失和流體竄流難題的有效手段，觸變水泥漿還適用于薄弱地層固井、補救擠水泥以及修補破裂或被腐蝕的套管等方面，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-5]。觸變水泥漿制備的關(guān)鍵是油井水泥觸變劑的開發(fā)，油井水泥觸變劑是專門用在水泥漿中增加體系觸變性的一種外加劑。目前國內(nèi)外研究的觸變劑主要包括無機類和有機類[2]，無機類常見的有膨潤土、硫酸鹽、混合金屬氫氧化物等[6-7]，有機類常見的是以鋯等過渡金屬作交聯(lián)劑和用鈦螯合物作交聯(lián)劑的改性纖維素體系和合成聚合物類[8-10]。這些觸變劑常存在如下問題：觸變性不夠強，從而不能有效地發(fā)揮其效果；觸變結(jié)構(gòu)強停泵容易影響施工安全；對溫度敏感，常溫下觸變性較好，但隨著溫度升高觸變性明顯下降；綜合性能欠佳，常會影響水泥漿的失水、強度等性能[2,6,11]。由于以上問題，限制了觸變劑的應(yīng)用，大部分觸變劑只是處于室內(nèi)研究階段，未能得到良好應(yīng)用，因此，研究綜合性能良好的新型油井水泥觸變劑具有重要意義。根據(jù)目前觸變劑存在的問題，采用新的設(shè)計思路，開發(fā)出了一種性能優(yōu)異的新型觸變劑，對其現(xiàn)場適應(yīng)性進行了研究，并完成了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 新型觸變劑的開發(fā)

針對常規(guī)觸變劑存在的問題，從微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)[11]，通過大量的合成、篩選，得到了2種性能優(yōu)良的觸變劑原材料有機聚合物X和無機物Y，并對其進行了復(fù)配研究。實驗考察了不同比例復(fù)配下水泥漿的流變情況和觸變性能，并對不同配比下水泥石的抗壓強度進行了測試。實驗結(jié)果見表1。由表1可以看出，隨著無機超細材料Y的比例逐漸增加，水泥漿的觸變性呈現(xiàn)先增強后減小的趨勢，水泥石的抗壓強度則逐漸升高。這說明無機超細材料Y可提高水泥石的強度，而由于2種材料之間可形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)從而起到協(xié)同和增加觸變性的作用，所以從觸變性角度出發(fā)，2者之間存在最佳配比。結(jié)合以上數(shù)據(jù)，考慮到成本和綜合性能，確定共聚物X和無機超細材料Y的最佳配比為2∶3，此配比下水泥漿觸變性強且形成的水泥石具有較高的強度。將此配比下形成的觸變材料的代號定為BCJ-200S。

表1 加有不同配比觸變材料的水泥漿性能對比

2 新型觸變劑的應(yīng)用性能

2.1 觸變性

觸變水泥漿良好的觸變性能是指觸變結(jié)構(gòu)容易被破壞且能快速恢復(fù)。實驗采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計對觸變水泥漿樣品觸變結(jié)構(gòu)的可逆性進行了評價。實驗首先測試了剛配制的觸變水泥漿在300 r/min下的讀數(shù)，然后靜置10 min測試其膠凝強度，然后用300 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌1 min破壞其膠凝結(jié)構(gòu)并記錄攪拌30 s時的讀數(shù)，再重新靜置10 min測試其膠凝強度，結(jié)果見表2。

表2 加有BCJ-200S的水泥漿觸變結(jié)構(gòu)可逆性的評價

由表2可以看出，加有BCJ-200S的水泥漿觸變結(jié)構(gòu)具有良好的可逆性，觸變結(jié)構(gòu)響應(yīng)快，膠凝結(jié)構(gòu)容易被破壞，靜置后能較快地恢復(fù)到原來的狀態(tài)，且漿體較稀的情況下可保持較大的觸變性。這就可使水泥漿在發(fā)揮其觸變作用的同時，降低施工作業(yè)的風(fēng)險。另外，由實驗可知，隨著BCJ-200S加量的增加，水泥漿的觸變性明顯增強，且觸變性對溫度不敏感，在較高溫度下，體系仍可保持良好的觸變性，現(xiàn)場可根據(jù)觸變性要求來選擇觸變劑的用量。

由于靜切力法和滯后環(huán)法不能準確地反映膠凝強度隨時間的變化情況，針對此問題探索了新的評價方法[12]，該方法在極低轉(zhuǎn)速下（0.01 r/min）測量可避免轉(zhuǎn)速對膠凝強度的破壞，且可通過電腦采集連續(xù)測量膠凝強度發(fā)展情況。實驗采取此方法對開發(fā)的觸變劑進行了評價，結(jié)果見圖1。實驗所用水泥漿基礎(chǔ)配方如下。

勝濰G級水泥+4.0%降失水劑+BCJ-200S+0.2%緩凝劑+42%水

圖1 采用新方法評價水泥漿的膠凝強度發(fā)展情況（75 ℃）

該方法進一步證明，加有觸變劑BCJ-200S的水泥漿膠凝強度發(fā)展速率和膠凝強度最大值都遠大于常規(guī)水泥漿，表現(xiàn)出明顯的觸變性。

2.2 稠化性能

常規(guī)觸變劑常會由于促凝或過渡交聯(lián)影響水泥漿稠化時間，甚至使水泥漿明顯增稠，影響注水泥施工作業(yè)。實驗通過改變觸變劑BCJ-200S加量，考察了不同觸變劑加量對水泥漿稠化性能的影響，見表3。由表3可以看出，觸變劑BCJ-200S對水泥漿稠化時間幾乎無影響，觸變劑不同加量下初始稠度不大于30 Bc，可保證水泥漿在具備較高觸變性的同時保持較低的稠度，從而保證注水泥施工的順利進行。

表3 不同BCJ-200S加量下水泥漿稠化性能

2.3 力學(xué)性能

目前雖有些油井水泥觸變劑觸變能力強，但常會嚴重影響水泥石的抗壓強度。針對以上問題，考察了觸變劑BCJ-200S對抗壓強度的影響，另外還從水泥環(huán)完整性出發(fā)采用巴西劈裂實驗、TAW-2000巖石三軸試驗機、沖擊試驗機等對加有BCJ-200S的水泥石其他力學(xué)性能進行了研究，實驗結(jié)果見表4。由表4可知，隨著BCJ-200S加量增加，水泥石抗壓強度、抗拉強度、抗沖擊能力都明顯增加，但楊氏模量卻逐漸降低，說明BCJ-200S具有明顯的增強增韌作用；楊氏模量與抗拉強度之比被認為是表征水泥石抗破壞的重要參數(shù)[12]，其比值越小則其抗破壞能力越強；加入BCJ-200S后水泥石抗破壞能力明顯提高。BCJ-200S不僅克服常見觸變劑和增韌材料的不足，在提高水泥石強度的同時，還具有顯著的增韌作用，可改善水泥石力學(xué)性能。

表4 不同BCJ-200S加量下水泥石的力學(xué)性能測試結(jié)果

2.4 配伍性

2.4.1 與降失水劑的配伍性

實驗分別選用常規(guī)降失水劑BXF-200L（AF）、BCG-200L、G60S，與開發(fā)的觸變劑進行了配伍性研究，見表5。由表5可知，觸變劑BCJ-200S與合成AMPS類聚合物降失水劑BXF-200L（AF）、BCG-200L配伍可使水泥漿獲得相對較好的觸變性，其中和BCG-200L配伍觸變性能最佳。合成聚合物類由于自身的鏈狀結(jié)構(gòu)， 可與觸變劑起到協(xié)同作用，形成更密集的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 從而表現(xiàn)出更優(yōu)的觸變性。

表5 不同降失水劑對加入BCJ-200S的水泥漿觸變性的影響

2.4.2 與緩凝劑的配伍性

實驗分別選用了2種緩凝劑BXR-200L、BCR-210S，考察了緩凝劑對觸變性的影響，并通過改變緩凝劑加量，考察了水泥漿稠化時間的可調(diào)性，結(jié)果見表6。由表6可知，加入緩凝劑BXR-200L、BCR-210S對水泥漿觸變性幾乎無影響，稠化時間可調(diào)性良好?？梢?，開發(fā)的觸變劑與緩凝劑BXR-200L、BCR-210S都具有良好的配伍性能。

表6 BCJ-200S與緩凝劑的配伍性實驗（70 ℃）

2.4.3 與水泥的配伍性

水泥成分相對復(fù)雜，常會因為某些物質(zhì)含量的變化使水泥漿的性質(zhì)發(fā)生較大變化。實驗考察了不同種類、不同批次的水泥對觸變性的影響（見表7）。可以看出，不同廠家、不同批次的水泥會對水泥漿觸變性產(chǎn)生很大影響。C廠家2#水泥制備的水泥漿觸變性明顯較差，但隨著加量的增加也可獲得很強的觸變性。這說明觸變劑BCJ-200S和不同水泥配伍性良好，具有良好的現(xiàn)場適應(yīng)性，現(xiàn)場可根據(jù)實際水泥情況改變觸變劑加量獲得相應(yīng)的觸變性。

表7 不同種類、不同批次的水泥對觸變性的影響

分析了水泥中觸變性的影響因素，對C廠家1#、2#批次的水泥成分進行了分析，實驗結(jié)果見表8。由表8可知，C廠家1#水泥中C3A明顯高于1#水泥，C3S較少，C4AF+2C3A較多，其余差別不大，由此推測，引起不同批次水泥觸變性差別較大可能是水泥中鋁、 鐵等金屬元素含量差別較大造成的。因此生產(chǎn)水泥時， 可通過嚴格控制水泥中鋁、 鐵等金屬元素的含量來使水泥保持相對穩(wěn)定的觸變性。

表8 不同批次的水泥成分分析 %

3 現(xiàn)場應(yīng)用

大港油田采油三廠地區(qū)油井常存在套漏問題，有時出水嚴重，地層承壓能力低，封堵困難。采用常規(guī)的封堵劑存在堵劑用量大、一次成功率較低、作業(yè)成本高等問題。針對以上問題，采用了以觸變劑BCJ-200S形成的觸變水泥漿進行封堵。根據(jù)上述對觸變劑應(yīng)用性能的研究，通過實驗確定觸變水泥漿配方為：G級水泥+1.5%BCJ-200S+4.0%BXF-200L（AF）+43.0%水。目前該觸變水泥漿已完成多口井的成功應(yīng)用，取得了良好效果。

官38-22井是王官屯油田的一口油井，地質(zhì)要求封堵Ng2井段1 426.8～1 427.8 m，分析認為該井段出水嚴重，導(dǎo)致該井含水量上升。對該井測吸收量：4 MPa，150 L/min，壓力不漲；綜合考慮封堵層的深度、地質(zhì)情況及吸收量數(shù)據(jù)，分析認為封堵難度大。該井采用上述觸變水泥漿12 m3進行封堵，施工過程順利，一次封堵成功，最高擠注壓力達到16 MPa，鉆塞后對封堵層試壓8 MPa合格。

此外，該觸變水泥漿體系還在大港油田多口存在套漏問題的井中進行了應(yīng)用，得到成功封堵，解決了套漏問題，大大降低了作業(yè)成本。

棗1303-5井是棗園油田的一口注水井，地質(zhì)發(fā)現(xiàn)該井721～730 m井段有套漏，對套漏井段測吸收量：3 MPa，200 L/min，壓力不漲；綜合考慮套漏井段的深度、地質(zhì)情況及吸收量數(shù)據(jù)，封堵存在一定難度。該井同樣采用觸變水泥漿進行封堵，注漿18 m3，整個施工過程順利，最高擠注壓力達到12 MPa，鉆塞后對封堵層試壓7 MPa合格。

4 結(jié)論

1.通過將合成有機聚合物與無機超細材料復(fù)配， 開發(fā)出了性能優(yōu)異的新型油井水泥觸變劑BCJ-200S。該觸變劑可顯著提高水泥漿不同溫度下的觸變性， 形成的觸變結(jié)構(gòu)可逆性好， 對水泥漿其他性能無不良影響， 且具有改善水泥石韌性， 增加抗破壞能力的作用， 克服了常規(guī)觸變劑存在的不足。

2.觸變劑BCJ-200S與常規(guī)外加劑和水泥配伍性良好，具有良好的現(xiàn)場適應(yīng)性。該觸變劑在大港油田油井封堵中得到成功應(yīng)用，封堵效果良好，成功解決了套漏、出水等難題。

參 考 文 獻

[1] 劉崇建， 劉孝良. 觸變性水泥的評價方法及其應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)， 2001， 21（ 2） ： 56- 60.LIU Chongjian， LIU Xiaoliang. Evaluation method of thixotropic cement and its application[J]. Natural Gas Industry， 2001， 21（ 2） ： 56- 60.

[2] 盧海川， 張偉， 熊超， 等. 觸變水泥漿體系研究綜述[J].精細石油化工進展， 2016，17（3）：21-26.LU Haichuan， ZHANG Wei， XIONG Chao， et al.Review on Thixotropic Cement Slurry [J].Advancesin Fine Petrochemicals， 2016，17（3）：21-26.

[3] 步玉環(huán)， 尤軍， 姜林林. 觸變性水泥漿體系研究與應(yīng)用進展 [J]. 石油鉆探技術(shù)， 2009， 37（4）： 110-114.BU Yuhuan， YOU Jun， JIANG Linlin. Research and application of thixotropic cement slurry[J]. Petroleum Drilling Techniques， 2009， 37（4）： 110-114.

[4] 姚曉， 周保中， 趙元才. 國內(nèi)油氣田漏失性地層固井防漏技術(shù)研究 [J]. 天然氣工業(yè)， 2005， 26（6）：45-48.YAO Xiao， ZHOU Baozhong， ZHAO Yuancai. Leak resistance techniques of thief zone cementing in domestic oil and gas fields[J]. Natural Gas Industry， 2005， 26（6）：45-48.

[5] 丁士東， 張衛(wèi)東. 國內(nèi)外防氣竄固井技術(shù)[J]. 石油鉆探技術(shù)， 2002， 30（5）： 35-38.DING Shidong， ZHANG Weidong. Domestic &oversea cementing techniques of gas-channeling prevention[J].Petroleum Drilling Techniques， 2002， 30（5）： 35-38.

[6] 蔡浩，姚曉，肖偉，等. 熱解油基鉆屑資源化利用（Ⅰ）：廢渣基固化劑固化實驗研究[J]. 鉆井液與完井液， 2017， 34（4）： 59-64.CAI Hao，YAO Xiao，XIAO Wei， et al. Resource utilization of pyrolyzed oil cuttings（Ⅰ）：Study on solidification of oil cuttings with waste-slag solidifier[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2017， 34（4）：59-64.

[7] CRABB CR， MICH M. Thixotropic cement compositions： US，4822421[P].1989.

[8] OST ROOT， GABRI EL W， CHAT T ERJI， et al.Thixotropic cementing compositions：US，3959003[P].1976.

[9] HORTON， ROBERT L， PRASEK， et al. Prevention and treatment of lost circulation with crosslinked polymer material： US ，7098172[P]. 2006.

[10] JONES R R， CARPENTER R B. New latex， expanding thixotropic cement systems improve job performance and reduce costs[R] . SPE 21010， 1991.

[11] 盧海川， 李洋， 宋元洪， 等 . 新型固井觸變水泥漿體系[J]. 鉆井液與完井液， 2016，33（6）： 73-78.LU Haichuan， LI yang， SONG Yuanhong， et al. The study of novel thixotropic cement slurry[J]. Drilling Fluid& Completion Fluid， 2016，33（6）： 73-78.

[12] 謝承斌， 盧海川， 李洋， 等 . 水泥漿觸變性評價方法的探索 [J]. 鉆井液與完井液， 2015， 32（ 6） ： 57-60.XIE Chengbin， LU Haichuan， LI Yang， et al. Study of thixotropy evaluation method for cement slurry [J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（6）： 57-60.