增壓稠化儀的固井水泥漿觸變性能評(píng)價(jià)方法

步玉環(huán)，王 強(qiáng)，蔡 壯，沈晟達(dá)，趙 旗，郭勝來

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

0 引 言

隨著油氣田勘探開發(fā)的快速發(fā)展，高溫高壓油氣藏開發(fā)成為目前開發(fā)的熱點(diǎn)［1-3］。固井漏失與氣竄是目前國(guó)內(nèi)外高溫高壓氣藏開發(fā)普遍存在的技術(shù)難題，而觸變水泥漿具有靜止時(shí)其漿體內(nèi)部膠凝強(qiáng)度快速發(fā)展的特性成為解決此類問題的有效措施［4-5］，因此觸變水泥漿的研究具有重要意義。但對(duì)觸變水泥漿體系的研究須對(duì)水泥漿觸變性能進(jìn)行合理準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，而現(xiàn)有水泥漿觸變性能評(píng)價(jià)方法大多只適用于常溫以及中溫條件下的水泥漿觸變性能評(píng)價(jià)，一旦溫度超過100℃則難以進(jìn)行觸變性能評(píng)價(jià)，更沒有辦法進(jìn)行定量化。本文對(duì)現(xiàn)有的觸變性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行高溫條件下的水泥漿觸變性能評(píng)價(jià)方法的研究，以期建立一種便于操作、具有半定量化的評(píng)價(jià)高溫水泥漿觸變性的評(píng)價(jià)方法，為高溫觸變劑、高溫堵漏鉆井液、高溫防漏防竄水泥漿體系的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 觸變性評(píng)價(jià)方法的對(duì)比分析

目前有多種觸變性能評(píng)價(jià)方法，其中常用的有觸變指數(shù)法［6］、靜切力法［7］、滯后環(huán)法［8］、滯后環(huán)總能量法［9］、薄刀片水平切割法［10］、稠度增值法［11］?，F(xiàn)將現(xiàn)有觸變性能評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)匯總在表1中。

表1 觸變性能評(píng)價(jià)方法比較

通過對(duì)比上述6種水泥漿觸變?cè)u(píng)價(jià)方法，可以得出，以上方法均是通過測(cè)試水泥漿剪切應(yīng)力或是通過剪切應(yīng)力來計(jì)算觸變指數(shù)進(jìn)而評(píng)價(jià)水泥漿觸變性能［12-13］。前5種觸變?cè)u(píng)價(jià)方法測(cè)試所用儀器均為常溫以及中溫條件下使用，不適用于高溫條件（超過100℃）下水泥漿觸變性能評(píng)價(jià)，因此其測(cè)試溫度方面均存在不足。由于觸變劑在漿體內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有時(shí)間要求［14-15］，現(xiàn)有稠度增值法的停機(jī)時(shí)間較短且多次停機(jī)，同時(shí)未考慮水泥漿自身水化對(duì)稠度增加的影響且未依據(jù)稠度差值對(duì)水泥漿觸變性能優(yōu)劣進(jìn)行劃分，不能直觀地評(píng)價(jià)水泥漿觸變性能。

2 增壓稠化儀稠度測(cè)定的高溫稠度差值法

張政［11］提出的稠度增值法認(rèn)為水泥漿稠度是指水泥漿在槳葉的剪切作用下表現(xiàn)出的阻抗力，表征水泥漿抵抗剪切作用所引起變形或破壞的能力。在靜止條件下，觸變水泥漿體系內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成，宏觀表現(xiàn)為漿體增稠，那么稠度必然增大，利用稠度差值來評(píng)價(jià)水泥漿觸變性能是合理的。但張政提出的稠度增值法的停機(jī)時(shí)間較短且多次停機(jī)，并且評(píng)價(jià)中未考慮水泥漿自身水化對(duì)稠度增加的影響，另外此方法沒有給出具體對(duì)水泥漿觸變性能優(yōu)劣進(jìn)行劃分。為此本文提出基于增壓稠化儀的稠度差值法，利用增壓稠化儀在不同停機(jī)時(shí)間前后稠度值的差值，即利用停機(jī)后與停機(jī)前稠度值增加量的大小作為衡量觸變性強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行水泥漿觸變性的評(píng)價(jià)。

通過大量實(shí)驗(yàn)以及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工過程中一旦停機(jī)處理故障需要的時(shí)間，將停機(jī)時(shí)間確定為10、20、30 min。采用此種方法進(jìn)行水泥漿觸變性能評(píng)價(jià)的前提在于，在水泥漿達(dá)到目標(biāo)溫度以及水泥漿稠化過程的平穩(wěn)段需保持在60 min以上。水泥漿觸變性能評(píng)價(jià)須在水泥漿稠化過程的平穩(wěn)段進(jìn)行，以保證水泥漿觸變性能測(cè)試的準(zhǔn)確性和可操作性。

3 高溫稠度差值法的可行性驗(yàn)證

3.1 滯后環(huán)法與稠度差值法進(jìn)行觸變性評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)性

（1）幾種觸變作用水泥漿體系的稠化。對(duì)加有不同觸變劑的水泥漿進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖1?；A(chǔ)配方為：阿克蘇G級(jí)水泥+0.5%分散劑SCD+44%水，測(cè)試溫度為70℃。

圖1 加不同添加劑的水泥漿稠化曲線

由圖1可知，不同加量的納米SiO2與改性膨潤(rùn)土對(duì)水泥漿的稠化時(shí)間沒有太大影響。5種配方稠度開始升高的時(shí)間點(diǎn)分別為175、168、155、183、165 min，且上述5組實(shí)驗(yàn)稠度開始升高的時(shí)間點(diǎn)之前稠度為平穩(wěn)狀態(tài)，未發(fā)生鼓包現(xiàn)象，且平穩(wěn)時(shí)間大于60 min。因此上述5種配方稠化平穩(wěn)段符合稠度增值實(shí)驗(yàn)的要求。

（2）滯后環(huán)法觸變性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。對(duì)加有不同觸變劑的水泥漿進(jìn)行滯后環(huán)法觸變性能評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。基礎(chǔ)配方為：阿克蘇G級(jí)水泥+0.5%分散劑SCD+44%水，測(cè)試溫度為70℃。

圖2中滯后環(huán)面積依次分別為2 510、11 601、16 449、9 361、13 216。通過基礎(chǔ)配方與加入納米SiO2的水泥漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以得出，納米SiO2的添加，使得滯后環(huán)的面積增大，而基礎(chǔ)配方的滯后環(huán)的面積相對(duì)較小，表明基礎(chǔ)配方的觸變性能較差，同時(shí)隨著納米SiO2的加量增加，滯后環(huán)面積呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；這一實(shí)驗(yàn)規(guī)律在基礎(chǔ)配方與加入改性膨潤(rùn)土的水泥漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比中也得到體現(xiàn)。對(duì)比分別加入納米SiO2與改性膨潤(rùn)土水泥漿的滯后環(huán)法實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，在這4組實(shí)驗(yàn)中，加量為0.5%的納米SiO2的滯后環(huán)面積最大，水泥漿觸變性能最好；加量為3%的改性膨潤(rùn)土滯后環(huán)面積最小，水泥漿觸變性能最差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，5種水泥漿配方的觸變性能優(yōu)劣順序?yàn)椋?.5%納米SiO2＞5%改性膨潤(rùn)土＞0.3%納米SiO2＞3%改性膨潤(rùn)土＞基礎(chǔ)配方。

圖2 加不同觸變劑的水泥漿滯后環(huán)曲線

（3）稠度差值法觸變性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。對(duì)5個(gè)配方的水泥漿進(jìn)行稠度差值法觸變性能評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2?；A(chǔ)配方為：阿克蘇G級(jí)水泥+0.5%分散劑SCD+44%水，測(cè)試溫度為70℃。

表2 加不同觸變劑的稠度增值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比基礎(chǔ)配方與加入不同觸變劑的水泥漿稠度增值實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，隨著停機(jī)時(shí)間的增加，各個(gè)配方的稠度差值呈增大的趨勢(shì)，且加有觸變劑的水泥漿稠度差值隨著觸變劑加量的增加而增大。說明稠度差值的大小取決于水泥漿停機(jī)時(shí)間和添加的觸變劑種類以及加量。同時(shí)基礎(chǔ)配方最大稠度差值僅為4.9 Bc，遠(yuǎn)小于其他4組水泥漿的最大稠度差值，說明基礎(chǔ)配方觸變性能較弱，其稠度差值主要是水泥漿靜置后水泥自身水化導(dǎo)致。而加有觸變劑的水泥漿依靠觸變劑在水泥漿體內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)獲得良好的觸變性能，宏觀上表現(xiàn)為水泥漿稠度增大，進(jìn)而所得稠度差值增大。依據(jù)各組水泥漿最大稠度差值可以得出這5種水泥漿配方觸變性能優(yōu)劣順序?yàn)椋?.5%納米SiO2＞5%改性膨潤(rùn)土＞0.3%納米SiO2＞3%改性膨潤(rùn)土＞基礎(chǔ)配方。

（4）滯后環(huán)法與稠度差值法進(jìn)行觸變性評(píng)價(jià)對(duì)比分析。將5種水泥漿配方的滯后環(huán)法評(píng)價(jià)結(jié)果與稠度差值法實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體見表3。由表3可以得出2種方法都能通過相應(yīng)的指標(biāo)來判斷水泥漿觸變性能的優(yōu)劣，并且兩種方法對(duì)上述5種水泥漿配方的觸變性能評(píng)價(jià)優(yōu)劣結(jié)果一致。其各組水泥漿觸變性能優(yōu)劣順序?yàn)椋?.5%納米SiO2＞5%改性膨潤(rùn)土＞0.3%納米SiO2＞3%改性膨潤(rùn)土＞基礎(chǔ)配方。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于基礎(chǔ)配方來說，停機(jī)一段時(shí)間后再開啟，也存在稠度增值的現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)中基礎(chǔ)配方最大稠度差值為4.9 Bc，說明水泥漿在停機(jī)開啟后自身也會(huì)導(dǎo)致稠度的增加，不過相對(duì)于添加觸變劑的水泥漿增值相對(duì)較小。滯后環(huán)法通過測(cè)試水泥漿升速以及降速的剪切應(yīng)力，進(jìn)而計(jì)算滯后環(huán)面積的大小，以此來表征水泥漿觸變性能的優(yōu)劣，滯后環(huán)面積表示破壞觸變劑在漿體內(nèi)部形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所需要的能［16］。稠度是表征水泥漿抵抗外力引起破壞的能力，觸變劑在水泥漿靜置時(shí)在漿體內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)為稠度增大，當(dāng)漿體受到剪切破壞時(shí)，漿體內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遭到破壞，變現(xiàn)為稠度下降，直至稠度恢復(fù)穩(wěn)定。因此，可以采用稠度差值法來表征水泥漿觸變性性能的優(yōu)劣。結(jié)合表2、3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)比，表明稠度差值法評(píng)價(jià)水泥觸變性能是可行的。

表3 滯后環(huán)法與稠度差值法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 110℃下稠度差值法水泥漿觸變性測(cè)試

（1）稠化實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。對(duì)不同加量的黃原膠進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。基礎(chǔ)配方為：阿克蘇G級(jí)水泥+0.5%分散劑SCD+1.5%緩凝劑+44%水，測(cè)試溫度為110℃。

圖3 不同加量的黃原膠水泥漿稠化曲線

由圖3可得基礎(chǔ)配方以及不同加量的黃原膠稠化時(shí)間，表明黃原膠的添加對(duì)緩凝劑的緩凝效果沒有影響。同時(shí)發(fā)現(xiàn)加有黃原膠的水泥漿初始稠度較大，這是由于漿體制備完成到開始實(shí)驗(yàn)有一定時(shí)間，而觸變水泥漿體具有靜止后短時(shí)間膠凝強(qiáng)度增大的特性，宏觀上表現(xiàn)為稠度增大，后經(jīng)剪切后恢復(fù)。同時(shí)各配方的稠度上升時(shí)間點(diǎn)分別為300、305、280、310 min，在此稠度上升時(shí)間點(diǎn)之前水泥漿稠度處于平穩(wěn)狀態(tài)，為發(fā)生鼓包現(xiàn)象且稠度平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)間大于60 min，滿足稠度增值實(shí)驗(yàn)對(duì)稠化曲線的要求。

（2）稠度差值實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。對(duì)基礎(chǔ)配方以及不同黃原膠加量的水泥漿進(jìn)行稠度差值法觸變性能評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。基礎(chǔ)配方為：阿克蘇G級(jí)水泥+0.5%分散劑SCD+1.5%緩凝劑DZH-3+44%水，測(cè)試溫度為110℃。

表4 不同加量的黃原膠稠度差值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4可知，隨著停機(jī)時(shí)間的增加以及黃原膠加量的增加，稠度差值增大。對(duì)比基礎(chǔ)配方與不同加量的黃原膠稠度增值實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不加觸變劑停機(jī)開啟稠度也會(huì)增加，這主要是高溫條件下水泥水化導(dǎo)致，而不同加量的黃原膠稠度差值遠(yuǎn)比基礎(chǔ)配方稠度差值大，除去水泥自身水化影響，主要是由于黃原膠分子在漿體靜止是在漿體內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水泥漿停機(jī)開啟后稠度增大。重新開啟一段時(shí)間稠度值又出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的稠度值與停機(jī)前稠度值大小相差較小，表明漿體經(jīng)過剪切，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，水泥漿重新恢復(fù)流動(dòng)性。依據(jù)稠度差值也能夠區(qū)分不同加量的黃原膠觸變性能的優(yōu)劣。同時(shí)這也說明稠度差值法在高溫條件下觸變性能評(píng)價(jià)是可行的。

4 高溫稠度差值法的水泥漿觸變性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分

為了將依據(jù)稠度差值以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)水泥漿觸變性能的優(yōu)劣進(jìn)行劃分，需要進(jìn)一步完善稠度差值法，給出觸變性評(píng)價(jià)的差值標(biāo)準(zhǔn)。

基礎(chǔ)配方停機(jī)后開啟因自身水化開啟稠度也會(huì)增加，不過差值相對(duì)較小，因此將差值0～10 Bc范圍歸為水泥漿自身導(dǎo)致差值增加。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)稠度差值為10～20 Bc時(shí)，開啟后稠度很快恢復(fù)，表明水泥漿觸變性能較差；當(dāng)稠度差值為20～35 Bc時(shí)，開啟剪切后稠度恢復(fù)時(shí)間為1 min作用，表明觸變劑在漿體形成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，水泥漿觸變性能一般。當(dāng)稠度差值為35～50 Bc時(shí)，稠度恢復(fù)時(shí)間為2～3 min，表明觸變劑在漿體形成了較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，水泥漿觸變性能良好。當(dāng)稠度差值大于50 Bc時(shí)，開啟后需要剪切4～5 min稠度才保持穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)稠度過大，傳遞扭矩的零件損壞情況，說明觸變劑在漿體形成很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不易破壞，因此水泥漿觸變性能強(qiáng)?；诖耍瑢?duì)水泥漿觸變性能做出了具體劃分，見表5。

表5 水泥漿觸變性能優(yōu)劣劃分

綜上，通過滯后環(huán)法與稠度差值法對(duì)應(yīng)性研究以及高溫條件下評(píng)價(jià)水泥漿觸變性能實(shí)驗(yàn)，證明了稠度差值法評(píng)價(jià)中高溫條件下水泥漿觸變性能的合理性與可行性，同時(shí)這也有助于中高溫觸變劑及觸變水泥漿體系的開發(fā)。

5 結(jié) 語(yǔ)

提出了基于增壓稠化儀稠化實(shí)驗(yàn)的稠度差值法評(píng)價(jià)水泥漿觸變性的方法，并通過滯后環(huán)法觸變性評(píng)價(jià)與稠度差值法的對(duì)應(yīng)性研究及高溫條件下稠度差值實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了稠度差值法評(píng)價(jià)水泥漿中高溫觸變性能的合理性與可行性。

對(duì)停機(jī)時(shí)間進(jìn)行了合理界定，同時(shí)考慮到水泥自身水化對(duì)稠度的影響，以稠度差值為依據(jù)，對(duì)水泥漿觸變性能的優(yōu)劣進(jìn)行了具體劃分。

稠度增值法能夠體現(xiàn)水泥漿靜止后剪切應(yīng)力隨時(shí)間的變化，且便于操作以及測(cè)量，有利于中高溫觸變水泥漿體系的開發(fā)。