適用于深水淺層疏松砂巖地層的水泥漿體系外加劑優(yōu)選技術(shù)研究*

劉兆年，岳家平，王 杰，孫 挺，武治強

（1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京100028；2.中海油研究總院有限責任公司，北京100028；3.中國石油大學（北京），北京102249）

關(guān)鍵字：深水；疏松砂巖；外加劑；低密度水泥漿

前 言

深水疏松砂巖地層固井由于地層溫度低、地質(zhì)疏松、伴有淺層氣等問題[1～2]，導致水泥漿抗壓強度低、流變性差、頂替效率低，井壁不穩(wěn)定、二界面膠結(jié)強度低等一系列問題，導致固井施工困難。為解決這一系列問題，就必須使用適合的早強劑，分散劑等來增加低密度水泥漿體系性能[3～6]。

外加劑主要起維持水泥漿體系穩(wěn)定性、增加水泥石抗壓強度，控制失水和調(diào)節(jié)稠化時間的作用。尤其是早強劑和分散劑是改善淺層疏松砂巖低密度水泥漿體系低溫下抗壓強度低，流變性差的關(guān)鍵。

目前市場上已有了很多種外加劑可供選擇，它們價格昂貴且性能相差很大，它們的成分和作用原理也有很大差異，因此高價格外加劑并不完全適應(yīng)所有水泥漿體系，且加量也并不是越多越好。針對深水淺層砂巖地層選取合適的外加劑，才能增加低密度水泥漿的性能，達到固井要求。而外加劑的昂貴價格也是固井成本過高的關(guān)鍵，對外加劑進行適應(yīng)性甄別，衡量性能與成本雙重因素，優(yōu)選高性價比外加劑，才能實現(xiàn)水泥漿體系的降本增效。

本研究調(diào)研多種外加劑[7～9]，結(jié)合深水疏松砂巖地質(zhì)特點，通過對比實驗，優(yōu)選出具有高性價比的外加劑，形成一套適應(yīng)于深水淺層疏松砂巖地層低密度水泥漿體系。該水泥漿體系密度范圍在1.4～1.7g/cm3,滿足沉降穩(wěn)定性要求，流動性好，24h抗壓強度大于12MPa，48h抗壓強度大于14MPa，滿足深水淺層疏松砂巖地層固井要求。

1 外加劑優(yōu)選

淺層疏松砂巖地層的低密度水泥漿體系要求在較低溫度條件下具有良好的漿體穩(wěn)定性同時應(yīng)兼具較高養(yǎng)護強度，因此早強劑優(yōu)選就是構(gòu)建水泥漿體系關(guān)鍵。淺層砂巖地層溫度低導致漿體流變性差，頂替效率低，分散劑是改善漿體流變性的關(guān)鍵。淺層疏松砂巖中伴有淺層氣時會產(chǎn)生固井漏失，漿體失水量變大，降失水劑是改善漿體失水量的重要添加劑。而高性能外加劑會帶來昂貴的價格，導致固井成本大幅度提升，如何選擇高性價比外加劑就成了關(guān)鍵。

因此[l3]本研究調(diào)研選取多種不同類型早強劑，分散劑，降失水劑，緩凝劑，增強劑等外加劑，進行不同加量實驗，按照國標GB/T19139－2012“油井水泥試驗方法”，測定其抗壓強度，流變性，失水量，稠化時間等，確定出達到淺層疏松砂巖固井標準的外加劑最低加量，計算每噸水泥外加劑成本，以此評價外加劑性價比，優(yōu)選出具有高性價比外加劑。

1.1 早強劑對水泥漿體系影響

本 研 究 中 調(diào) 研 了SD-1，CS-3，XN-1、ACL、CG-4和APS等六種市場常用的早強劑，其中SD-1、CS-3、XN-1為無機早強劑，CG-4和APS為有機早強劑，ACL為復(fù)合早強劑。實驗室溫度50℃。根據(jù)固井標準，海洋固井低密度水泥漿體系24h抗壓強度大于12MPa，48h抗壓強度大于14MPa。

不同類型早強劑不同加量的實驗數(shù)據(jù)如表1所示，不同早強劑隨加量的變化趨勢見圖1。從圖中可看出早強劑SD-1在較大的加量時對抗壓強度提高幅度較大，早強劑ACL，APS在加量較少時對抗壓強度提高幅度較大，早強劑XN-1，CG-4對抗壓強度性能影響不大，甚至降低了水泥漿體系抗壓強度。水泥漿體系24h抗壓強度達到12MPa以上的水泥漿添加劑加量分別SD-1為3%、ACL為1%、APS為1.5%，CS-3為5%左右。早強劑ACL抗壓強度值大于其他類型早強劑，總體性能較好。成本從低到高為ACL、CS-3、SD-1、APS，因此ACL性價比最高。本低密度水泥漿選用早強劑ACL且加量為2%。

表1不同早強劑對水泥漿體系抗壓強度的影響Table 1 The effect of different early strength agents on the compressive strength of cement slurry system

圖1不同早強劑隨加量變化趨勢Fig.1 The variation trend of different early strength agents with dosages

1.2 分散劑對水泥漿體系的影響

本研究調(diào)研了CF410L、FRC、DIPL、CF42L、SXY等五種常用分散劑，其中CF410L、FRC為羧酸鹽類，DIPL為聚萘磺酸鹽，CF42L為醛酮加成聚合物，SXY為磺酸鹽類。

不同分散劑對水泥漿流變性的影響見表2。由表2可見，加入分散劑后，水泥漿的流變性得到了不同程度的改善，其中對水泥漿流變性改善程度較大的分散劑是CF410、CF42L和DIPL。但加入分散劑后水泥漿的抗壓強度有所降低，失水量有所增加，分散劑CF410L對水泥漿的抗壓強度和失水性能的不利影響較大，這不利于水泥漿體系的設(shè)計。綜合考慮選用分散劑CF42L作為低密度水泥漿的分散劑。

對分散劑CF42L進行了不同加量實驗，見表3。從表3中可以看出隨著分散劑加量的不斷增大，水泥漿流變性改善程度越來越大。當分散劑加量達到4%時，水泥漿的流變性改善較大。當加量大于4%時，分散劑加量的繼續(xù)增大對水泥漿流變性改善幅度下降。當分散劑摻量大于8%時，會出現(xiàn)少量的自由液，影響水泥漿體系性能。本低密度水泥漿體系分散劑選擇CF42L且加量為4%。

表2不同分散劑對水泥漿流變性的影響Table 2 The effect of different dispersants on the rheological property of cement slurry

表3分散劑CF42L不同加量對水泥漿的影響Table 3 The effect of different dosages of dispersant CF42L on the cement slurry

1.3 降失水劑對低密度水泥漿體系的影響

本 研 究 調(diào) 研 了FLO、RWL-12、RWL-80、CG81L、CG-70等五種降失水劑。其中FLO為丙烯酰胺共聚物，RWL-12為纖維素類，RWL-80為聚胺類，CG81L為三元共聚物，CG-70為二元共聚物。

不同降失水劑對低密度水泥漿體系的影響見表4。由表4可知加入不同降失水劑后，水泥漿體系的失水量有不同程度的下降，效果最好的是RWL-12和CG81L，CG-70。降失水劑對稠化時間有一些影響，其中RWL-12嚴重影響了水泥漿的稠化時間。因此選擇性能較好的CG81L和價格相對便宜的FLO、CG-70做不同加量的實驗，見表5及圖2。

圖2不同降失水劑隨加量變化趨勢Fig.2 The variation trend of different fluid loss agents with dosages

由圖2可看出，隨降失水劑加量的增大，失水量逐漸變小，當加量較大時，失水量的下降幅度趨于平緩。當失水量小于100mL時，降失水劑FLO、CG81L、CG-70加量分別為6%、4%和4%，且降失水劑CG81L的失水量下降幅度大，總體性能較好。CG-70和CG81L成本相近，F(xiàn)LO成本較高，因此CG81L的性價比最高。因此本低密度水泥漿體系降失水劑選擇CG81L，加量為4%。

表4不同降失水劑對水泥漿體系的影響Table 4 The effect of different fluid loss agents on the cement slurry system

1.4 緩凝劑對低密度水泥漿體系的影響

本研究調(diào)研了RE-L、HL-2、CTR、PBT、W120等五種緩凝劑。其中RE-L為復(fù)合緩凝劑，HL-2為無機化合物，CTR為酒石酸及其鹽類，PBT為木質(zhì)素磺酸鹽類，W120為無機化合物。

不同緩凝劑對低密度水泥漿體系的影響見表6。從表6中可以看出加入緩凝劑后，水泥漿體系的稠化時間有不同程度的增加，且RE-L的稠化時間最長。選擇性能較好的RE-L和價格相對便宜的HL-2、PBT做不同加量實驗，具體數(shù)據(jù)見表7及圖3。

老年人一般對高新技術(shù)產(chǎn)品的關(guān)注度不高，所以老年人口比例的增長可能會使一些高新技術(shù)產(chǎn)品的消費力度下降，迫使新興產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)力度減小，從而給社會經(jīng)濟增長帶來一定影響。為避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，國家應(yīng)該重視新興產(chǎn)業(yè)的建設(shè)，鼓勵新興產(chǎn)業(yè)的投資，大力支持和發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)。

從圖3中可以看出，緩凝劑RE-L的應(yīng)用效果明顯比緩凝劑HL-2和PBT的效果好。當稠化時間大于180min時，緩凝劑RE-L、HL-2、PBT的加量分別是1%、1.5%、2%。成本由低到高為RE-L、HL-2、PBT，因此RE-L的性價比最高。本低密度水泥漿體系緩凝劑選擇RE-L，加量可根據(jù)具體施工條件確定。

表7不同緩凝劑不同加量的影響Table 7 The effect of different amounts of retarders

圖3不同緩凝劑隨加量變化趨勢Fig.3 The variation trend of different retarders with dosages

1.5 增強劑對低密度水泥漿體系的影響

本研究調(diào)研了ESC-S、EC-3、ST-L、CSE-4等四種增強劑。其中ESC-S為復(fù)合增強劑，EC-3為無機鹽增強劑，ST-L為復(fù)合增強劑，CSE-4為硅。

不同增強劑對水泥漿體系的影響見表8。從表中可以看出在相同加量條件下，增強劑ESC-S的增強效果更好，且增強劑ESC-S成本較低。從表9中可以看出隨著增強劑ESC-S摻量增加，水泥石抗壓強度增大。在增強劑加量較少時水泥石抗壓強度增大較明顯，當摻量大于2%時，水泥石抗壓強度增長幅度減小。因此本低密度水泥漿體系增強劑選擇ESC-S，且加量為2%。

表8不同增強劑對水泥漿體系的影響Table 8 The effect of different enhancers on the cement slurry system

表9增強劑ESC-S不同加量對水泥漿體系的影響Table 9 The effect of different dosages of enhancer ESC-S on the cement slurry system

2 低密度水泥漿體系綜合性能

以G級水泥為基礎(chǔ)材料，添加所優(yōu)選出的高性價比外加劑，形成了密度在1.40～1.70g/cm3的低密度水泥漿體系。

對水泥漿體系進行了抗壓強度，失水，流變，稠化時間，沉降穩(wěn)定性等性能測試，結(jié)果如表10所示。結(jié)果表明，該水泥漿體系沉降穩(wěn)定性良好，上下密度差不大于0.01g/cm3；流變性能良好，失水量少，都控制在100mL以內(nèi)，稠化曲線平滑，近直角稠化，稠化時間可調(diào)；24h抗壓強度大于12MPa，48h抗壓強度大于14MPa。水泥漿綜合性能良好，滿足固井施工要求。

表10水泥漿體系綜合性能Table 10 The comprehensive properties of the cement slurry system

3 水泥漿體系膠結(jié)強度研究

對低密度水泥漿體系進行模擬固井實驗，測定水泥漿體系第二交界面的膠結(jié)強度值，以評價水泥漿體系現(xiàn)場應(yīng)用效果。

3.1 實驗?zāi)Ｐ团c方法

1）實驗?zāi)Ｐ?/p>

實驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)該滿足以下條件：（1）模擬的地層土成分與深水淺層砂巖成分相近或相同；（2）水泥漿體系為：G級水泥+漂珠+上述實驗所選取的外加劑；（3）實驗所用的套管模擬海上常用的7＂套管，即外徑為177.8mm，鋼級為N80，井眼寸為247mm，深度為800mm。

2）實驗方法

在模具中將實驗土反復(fù)壓實靜置24h。在實驗土中挖出井眼，放入套管，并注入預(yù)配好的水泥漿。在實驗土上層注入水層，等待候凝時間點，本次設(shè)置兩個時間點2d和7d。候凝時間結(jié)束后將套管與拉力裝置連接，測力計勻速上提套管直至膠結(jié)面破壞；記錄最大拉力，水泥環(huán)長度及內(nèi)外徑。

圖5現(xiàn)場模擬實驗Fig.5 The field simulation experiment

3.2 膠結(jié)強度的影響

第二界面的膠結(jié)質(zhì)量是衡量固井標準的關(guān)鍵指標，界面的膠結(jié)質(zhì)量及強度直接影響著油井的使用壽命、開發(fā)效益及油田開發(fā)的安全性。因此本研究測定水泥漿體系的膠結(jié)強度，實驗數(shù)據(jù)見表11。

表11水泥漿體系膠結(jié)強度Table 11 The cementation strength of the cement slurry system

從表11中可以看出，密度對水泥石膠結(jié)強度有一定的影響，隨著密度的增加，膠結(jié)強度增大。隨著候凝時間的延長，水泥漿的膠結(jié)強度增大，養(yǎng)護7d的膠結(jié)強度增加了0.5MPa左右。不同密度的水泥漿體系候凝時間為2d的膠結(jié)強度都大于0.8MPa，候凝時間為7d的膠結(jié)強度都大于1.2MPa。

4 結(jié)論

（1）對水泥漿體系外加劑進行了對比實驗，優(yōu)選出具有高性價比的外加劑，實現(xiàn)對常規(guī)低密度水泥漿體系的降本增效。

（2）確定了適應(yīng)于深水淺層疏松砂巖地層低密度水泥漿體系外加劑最佳配方：早強劑ACL加量2%，分散劑CF42L加量4%，降失水劑CG81L加量4%，緩凝劑RE-L加量2%，增強劑ESC-S加量2%。

（3）該低密度水泥漿體系密度在1.40～1.70g/cm3可調(diào)，水泥漿體系在50℃下，24h抗壓強度大于12MPa，48h抗壓強度大于14MPa，漿體穩(wěn)定，失水少，稠化性能良好。

（4）不同密度的水泥漿體系候凝時間為2d的膠結(jié)強度都大于0.8MPa，隨著密度的增加，膠結(jié)強度增大。