王成文，王瑞和，彭志剛，王愛國，步玉環(huán)

(1.中國石油大學石油工程學院，山東青島266555;2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017;3.中國石油大港油田博士后工作站，天津300280)

新型促凝劑DWA改善固井水泥低溫性能的實驗

王成文1，王瑞和1，彭志剛2，王愛國3，步玉環(huán)1

(1.中國石油大學石油工程學院，山東青島266555;2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營257017;3.中國石油大港油田博士后工作站，天津300280)

模擬深水固井低溫環(huán)境，考察新型鋰鹽復合類促凝劑DWA對固井水泥漿稠化時間、靜膠凝強度和抗壓強度的影響。結(jié)果表明:促凝劑DWA能促進固井水泥的低溫水化能力，縮短水泥漿稠化時間，明顯縮短稠度30～100 Bc、靜膠凝強度48～240 Pa的時間，顯著提高水泥石早期抗壓強度，表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫早強、防竄性能，有助于解決深水固井面臨的低溫、淺層水－氣流動難題;DWA促凝作用優(yōu)于CaCl2，對水泥漿初始稠度無影響，是一種無副作用的新型多功能促凝劑。

促凝劑;固井水泥;深水固井;低溫早強;防竄;靜膠凝強度

溫度是影響水泥水化反應速率的主要因素。在溫度低至5℃時，常用固井水泥的主要礦物熟料硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)水化速率非常緩慢，水泥漿的低溫性能無法達到低溫固井要求［1－2］。深水海底泥線的低溫環(huán)境，嚴重減慢固井水泥水化速率［3］。氯化鈣(CaCl2)促凝劑［4］具有價格低廉、早強促凝作用強等優(yōu)點，但CaCl2會使水泥漿流變性變差、水泥初始水化放熱很大，甚至出現(xiàn)“閃凝”現(xiàn)象;多羥基胺類、過渡金屬元素復合鐵鹽類、堿土金屬氮化物類等促凝劑［5－6］具備較好的低溫早強作用，但無法提高水泥漿的防竄能力。堿金屬Na+、K+的鹽是常用的促凝劑，Li+也屬于堿金屬，并且其半徑小、極化作用強、水化半徑大［7］。筆者依據(jù)堿金屬類物質(zhì)性能相似的原理和實驗測試鋰鹽對水泥性能的影響，以自制的鋰鹽復合類促凝劑DWA為基礎，在模擬深水固井低溫條件下，測試DWA對固井水泥漿稠化時間、靜膠凝強度和抗壓強度的影響，并與相同加量條件下的CaCl2促凝劑進行比較，分析說明鋰鹽復合類新型促凝劑DWA改善固井水泥低溫性能的規(guī)律。

1 實驗原料與方法

1.1 實驗原料

實驗原料包括勝濰G級水泥(勝利黃河固井公司提供)、促凝劑DWA(實驗室自制)、氯化鈣(化學純，中國醫(yī)藥集團上海試劑分公司生產(chǎn))和CF40S分散劑(中石油渤星固井公司生產(chǎn))。

1.2 實驗方法

按API標準10B－3－2004“Recommended Practice on Testing of Deepwater Well Cement Formulations”制備水泥漿，通過低溫恒溫裝置(上海恒平科學儀器有限公司生產(chǎn))實現(xiàn)低溫測試環(huán)境，用OWC－2000A增壓稠化儀(沈陽固測井石油儀器研究所提供)測定水泥漿稠化時間，用美國千德樂工業(yè)儀器公司生產(chǎn)的靜膠凝強度分析儀(Model 5265U with UCA functionality)測試水泥漿靜膠凝強度和抗壓強度，用自制SL－B型多功能養(yǎng)護釜養(yǎng)護水泥漿(工作溫度為－10～90℃，工作壓力低于30 MPa)，用NYL－300型壓力試驗機(無錫建材儀器廠生產(chǎn))測試水泥石抗壓強度。

2 結(jié)果分析

2.1 DWA對水泥漿稠化性能的影響

深水固井作業(yè)中，由于海水的逆溫梯度以及海水與隔水管之間的對流熱交換，使注水泥作業(yè)循環(huán)溫度呈逐漸下降規(guī)律，通常表層段注水泥循環(huán)溫度為10～15℃［8］。在模擬深水注水泥低溫條件下，先通過測試DWA促凝劑加量對水泥漿性能的影響，確定出DWA最優(yōu)加量為水泥質(zhì)量的3%，然后進一步比較DWA、CaCl2各自加量都為3%的水泥漿體系:G級水泥+3%DWA+0.3%CF40S分散劑(水灰質(zhì)量比0.44)、G級水泥+3%CaCl2+0.3%CF40S分散劑(水灰質(zhì)量比0.44)在15℃和10 MPa條件下的稠化曲線圖，如圖1和2所示。

圖1 DWA對G級水泥漿稠化時間的影響Fig.1 Effect of DWA on thickening time of class G cement slurry

圖2 氯化鈣對G級水泥漿稠化時間的影響Fig.2 Effect of CaCl2on thickening time of class G cement slurry

結(jié)果表明，促凝劑DWA對水泥漿初始稠度沒有任何不利影響，而CaCl2卻使水泥漿在稠化約12 min時稠度驟增至50 Bc以上，21 min時稠度又驟降至25 Bc，發(fā)生嚴重的“閃凝”現(xiàn)象。對比圖1和圖2可知，DWA、CaCl2在相同加量條件下，加DWA水泥漿的稠度30～100 Bc過渡時間為53 min，而加CaCl2水泥漿的稠度30～100 Bc過渡時間卻長達98 min，說明DWA有利于縮短水泥漿30～100 Bc的過渡時間，使水泥漿表現(xiàn)出一定的“直角稠化”特性。

2.2 DWA對水泥漿靜膠凝強度發(fā)展的影響

DWA促凝劑可使水泥漿具有一定的“直角稠化”性能，“直角稠化”水泥漿是防竄技術之一［9－10］，即DWA對提高水泥漿的防竄能力是有利的。深水表層段固井作業(yè)中，表層套管下深一般都接近1.0 km，此時井底靜止溫度大約在30℃［11－12］。為反映DWA對水泥漿防竄能力的影響，測試G級水泥原漿(水灰質(zhì)量比0.44)、G級水泥+3%CaCl2+0.3%CF40S分散劑(水灰質(zhì)量比0.44)體系、G級水泥+3%DWA+0.3%CF40S分散劑(水灰質(zhì)量比0.44)體系在30℃和14 MPa條件下不同時間的靜膠凝強度，如圖3～5所示。結(jié)果表明:①G級水泥原漿靜膠凝強度0～576 Pa總時間為251 min，其中48～240 Pa的“過渡時間”為82 min;②G級水泥原漿中加入3%CaCl2時，靜膠凝強度0～576 Pa總時間縮短為190 min，但水泥漿卻在7 min時靜膠凝強度就達到48 Pa，這是CaCl2對水泥漿的“閃凝”作用所致，與圖2所反映的現(xiàn)象一致，在圖2中水泥漿從12 min后就一直處于25 Bc的“高稠度”狀態(tài)，對應到圖4中則水泥漿7 min后靜膠凝強度就高達48 Pa，并且使水泥漿48～240 Pa“過渡時間”比G級水泥原漿48～240 Pa“過渡時間”延長，長達119 min;③G級水泥原漿中加入3%DWA時，靜膠凝強度0～576 Pa總時間進一步縮短為122 min，并且48～240 Pa的“過渡時間”縮短至31 min，48～240 Pa“過渡時間”變?yōu)镚級水泥原漿的1/2.65。

圖3 G級水泥原漿的靜膠凝強度發(fā)展規(guī)律Fig.3 Static gel strength development of class G conventional cement slurry

圖4 氯化鈣對G級水泥漿靜膠凝強度發(fā)展的影響Fig.4 Effect of CaCl2on static gel strength of class G cement slurry

結(jié)果證實，DWA能明顯促進G級水泥的靜膠凝強度發(fā)展，并且顯著縮短水泥漿靜膠凝強度48～240 Pa的“過渡時間”。根據(jù)固井防竄理論，水泥漿靜膠凝強度達到48 Pa的時刻是地層流體開始竄入水泥漿的危險時刻，而當水泥漿靜膠凝強度達到240 Pa時，地層流體無法在水泥漿柱中運移，是地層流體竄流的結(jié)束時刻，減少水泥漿靜膠凝強度48～240 Pa過渡時間有利于防止竄流發(fā)生［13－14］。因此，DWA能提高水泥漿的防竄能力。

圖5 DWA對G級水泥漿靜膠凝強度發(fā)展的影響Fig.5 Effect of DWA on static gel strength of class G cement slurry

2.3 DWA對水泥漿抗壓強度的影響

2.3.1 無損超聲波技術測試抗壓強度性能

圖6～8分別為利用超聲波抗壓強度分析儀測試得到的勝濰G級水泥原漿(水灰質(zhì)量比0.44)、勝濰G級水泥+3%CaCl2+0.3%CF40S分散劑(水灰質(zhì)量比0.44)體系、勝濰G級水泥+3%DWA+0.3%CF40S分散劑(水灰質(zhì)量比0.44)體系在30℃和14 MPa條件下水化6 h的抗壓強度發(fā)展曲線。

圖6 G級水泥原漿的抗壓強度發(fā)展曲線Fig.6 Compressive strength development of class G conventional cement slurry

圖7 氯化鈣對G級水泥漿抗壓強度的影響Fig.7 Effect of CaCl2on compressive strength of class G cement slurry

結(jié)果表明:G級水泥原漿在262 min開始有強度，其6 h抗壓強度為0.252 MPa;當G級水泥原漿中加入3%CaCl2時，在215 min開始有強度，其6 h抗壓強度為0.462 MPa，比G級原漿抗壓強度提高了83.33%;當G級水泥原漿中加入3%DWA低溫早強防竄劑時，在211 min開始有強度，與加3%CaCl2體系非常接近，但體系6 h抗壓強度卻高達0.822 MPa，比相同條件下G級原漿抗壓強度提高了226.19%，也比加3%CaCl2體系抗壓強度提高了77.92%。因此，DWA能促進固井水泥水化反應，具有優(yōu)異的早強作用，顯著提高水泥石早期抗壓強度。

圖8 DWA對G級水泥漿抗壓強度的影響Fig.8 Effect of DWA on compressive strength of class G cement slurry

2.3.2 不同低溫下抗壓強度性能

深水表層段固井作業(yè)中，水泥漿從鉆井平臺混配后經(jīng)隔水管注入套管與地層之間的環(huán)空，候凝溫度從較低的泥線溫度到較高的地層溫度，為進一步反映促凝劑DWA的促凝效果，測試了不同低溫下促凝劑DWA、CaCl2分別對G級水泥漿(水灰質(zhì)量比0.44)抗壓強度的影響，結(jié)果見表1。結(jié)果表明:促凝劑DWA能明顯著改善G級固井水泥的低溫強度性能，提高水泥石抗壓強度，并且當養(yǎng)護溫度越低時，強度增大幅度越明顯;在養(yǎng)護溫度為4℃時，促凝劑DWA提高固井水泥石抗壓強度能力與CaCl2相當，隨著養(yǎng)護溫度升高或者養(yǎng)護時間增加，DWA促進固井水泥石強度增加的能力略好于CaCl2。因此，在不同低溫條件下，促凝劑DWA都表現(xiàn)出優(yōu)異的早強作用，其早強效果不低于CaCl2促凝劑。

表1 DWA和氯化鈣對水泥漿體系抗壓強度的影響Table 1 Influence of DWA and CaCl2on compressive strength of cement slurries

3 結(jié)論

(1)鋰鹽復合類促凝劑DWA對水泥漿初始稠度無影響，能縮短水泥漿稠化時間并使稠化曲線具明顯的“直角稠化”特性。

(2)促凝劑DWA能促進水泥漿靜膠凝強度的發(fā)展，并明顯縮短水泥漿靜膠凝強度48～240 Pa“過渡時間”，具有較好的防竄作用。

(3)促凝劑DWA能顯著提高水泥石早期抗壓強度，其6 h早期抗壓強度比相同條件下G級原漿的提高了226.19%，比加CaCl2促凝劑體系的提高了77.92%，表現(xiàn)出優(yōu)異的早強功效。

(4)鋰鹽復合類促凝劑DWA具有早強、防竄功效，并且對初始稠度無影響，是一種新型的多功能促凝劑。

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(編輯 劉為清)

Experiment on improving low-temperature properties of oil well cement by a novel accelerator DWA

WANG Cheng－wen1，WANG Rui－h(huán)e1，PENG Zhi－gang2，WANG Ai－guo3，BU Yu－h(huán)uan1

(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China;2.Research Institute of Drilling Technology of Shengli Petroleum Administrative Bureau，Dongying 257017，China;3.PetroChina Dagang Oilfield Postdoctoral Working Station，Tiangjin 300280，China)

Simulating the low temperature environment of deepwater cementing，a series of laboratory experiments were carried out to investigate the effect of a novel lithium salt accelerator DWA on the thickening time，static gel strength and compressive strength of cement slurry.The results show that the lithium salt accelerator DWA can accelerate the hydrate ability of oil well cement at low temperature，can shorten the thickening time of cement slurry，distinctly shorten the time of the slurry consistency from 30 Bc to 100 Bc as well as the transit time of static gel strength from 48 Pa to 240 Pa，and significantly improve the early strength of set cement.The accelerator DWA's excellent performances of high early strength at low temperature and anti－channeling are very helpful to resolve the problems of low temperature and shallow water－gas flow during deepwater cementing.Compared with the accelerator CaCl2，DWA not only has remarkable good accelerating effect，but also has no effect on the initial consistency of cement slurry.The accelerator DWA is a novel multi－functional accelerator without secondary effect.

accelerator;oil well cement;deepwater cementing;high early strength at low temperature;anti－channeling;static gel strength

TE 256.7

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2011.01.032

2010－07－12

教育部博士點基金項目(20100133120004);國家“863”高技術研究發(fā)展計劃項目(2006AA09Z340);國家科技重大專項課題(2009ZX05060)

王成文(1976－)，男(漢族)，四川廣安人，副教授，博士，主要從事固井技術和油氣井化學工程研究。

1673－5005(2011)01－0159－05