中低溫緩凝劑的研究與應(yīng)用

安 娜，魏周勝，周興春，李 鵬

（中國石油集團(tuán)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(fā)大量采用水平井鉆井，隨著技術(shù)進(jìn)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(xiàn)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(wěn)定且水泥石早期強(qiáng)度高。傳統(tǒng)的油井水泥緩凝劑易出現(xiàn)加量大、熱穩(wěn)定性差、對水泥石強(qiáng)度發(fā)展影響較大等問題[1]。無機(jī)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(qiáng)度損失大?，F(xiàn)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(qiáng)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(xiàn)象。為了克服上述缺點(diǎn)，在中低溫下獲得最佳緩凝效果，需要研發(fā)新型復(fù)配緩凝劑，對其性能進(jìn)行評價(jià)和分析，并對現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)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(diǎn)[2]，起骨架作用。羥基羧酸鹽分子能在堿性環(huán)境中形成不穩(wěn)定的絡(luò)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(luò)合物'降低了水泥水化誘導(dǎo)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(jìn)程。

技術(shù)思路：單一緩凝劑加量大，對強(qiáng)度影響大。優(yōu)選AMPS和羥基羧酸鹽復(fù)合作為單體。二組分互補(bǔ)，緩凝時間明顯延長、擴(kuò)大溫度使用范圍，對強(qiáng)度影響小。引入聚合物分散劑使二組分間發(fā)揮更好的協(xié)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(xiàn)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(jī)鹽B增強(qiáng)穩(wěn)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(jī)鹽，施工安全性高，可顯著提高水泥漿各項(xiàng)綜合性能。

2 GJ-H性能評價(jià)

2.1 稠化時間可調(diào)性

試驗(yàn)條件：G級水泥+緩凝劑，水灰比為0.44，做稠化試驗(yàn)（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(nèi)，緩凝劑都能發(fā)揮良好作用。在適宜稠化時間范圍內(nèi)，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(guān)系，判定其稠化時間可調(diào)；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(yàn)

溫度敏感性:試驗(yàn)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(yè)安全性較好[3]。

TTCR=（TTT+5-TTT）/TTT（溫度敏感性指標(biāo)＜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(biāo)（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(shù)越小調(diào)節(jié)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(shù)=T稠化時間增加率/緩凝劑用量增加率（指標(biāo) 0.1～3.0）

中低溫緩凝劑在不同溫度范圍內(nèi)加量敏感系數(shù)均符合溫度敏感性指標(biāo)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?yàn)槠浞肿渔溕嫌懈呋钚缘幕撬峄鶊F(tuán)（-SO3-）和羧酸基團(tuán)（-COO-），這些極性基團(tuán)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，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(wěn)定性。

2.5 緩凝劑對強(qiáng)度發(fā)展的影響

圖3 不同溫度下水泥石強(qiáng)度發(fā)展曲線圖

結(jié)果表明：該水泥漿體系前期抗壓強(qiáng)度發(fā)展迅速。40℃8 h時強(qiáng)度達(dá)到8.2 MPa，24 h強(qiáng)度19.8 MPa，48 h強(qiáng)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(qiáng)度增加。隨著溫度的升高，水泥漿的早期強(qiáng)度發(fā)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(qiáng)度降低。但稠化時間與強(qiáng)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(qiáng)度發(fā)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(qiáng)度大于淀粉類緩凝劑。

表5 不同溫度不同時間下水泥石強(qiáng)度值

表6 同一溫度（75℃）不同加量下水泥石強(qiáng)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(qiáng)度發(fā)展曲線圖

3 水泥漿體系

針對不同區(qū)塊特性，通過試驗(yàn)優(yōu)選適應(yīng)水泥漿體系的早強(qiáng)劑、降失水劑、增強(qiáng)劑，提高體系綜合性能，使之滿足相應(yīng)固井需求。

經(jīng)過試驗(yàn)調(diào)配，形成基礎(chǔ)配方：G級水泥+降失水劑+早強(qiáng)劑+增強(qiáng)劑+緩凝劑。

數(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)場應(yīng)用情況

該水泥漿體系在不同區(qū)塊不同溫度范圍共現(xiàn)場應(yīng)用30口井，油井13口、氣井17口?，F(xiàn)以固平39-X井現(xiàn)場應(yīng)用為例進(jìn)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(chǔ)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(qiáng)劑+增韌劑+GJ-H。

應(yīng)用GJ-H現(xiàn)場試驗(yàn)，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)、應(yīng)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(wěn)定且水泥石早期強(qiáng)度高。該水泥漿體系的推廣運(yùn)用，為進(jìn)一步提高固井質(zhì)量提供了可靠的技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

（1）緩凝劑GJ-H性能穩(wěn)定，在40℃～90℃的溫度范圍性能優(yōu)良，可有效延長稠化時間、對強(qiáng)度影響小、各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合中低溫緩凝劑標(biāo)準(zhǔn)。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(qiáng)度高、過渡時間短、防竄性能佳等優(yōu)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(xiàn)場試驗(yàn)30口井，現(xiàn)場施工正常、固井質(zhì)量合格。