許明標 熊 敏，于連方，劉玉杰，劉富芳 王曉亮

(長江大學石油工程學院，湖北 荊州 434023)(中海油田服務股份有限公司，天津 300450)(長江大學石油工程學院，湖北 荊州 434023)

一種可用于寒冷地區(qū)固井作業(yè)的抗凍膠乳水泥漿性能研究

許明標 熊 敏，于連方，劉玉杰，劉富芳 王曉亮

(長江大學石油工程學院，湖北 荊州 434023)(中海油田服務股份有限公司，天津 300450)(長江大學石油工程學院，湖北 荊州 434023)

對一種可以在寒冷地區(qū)進行固井作業(yè)的膠乳水泥漿體系進行了詳細的性能研究。研究顯示，該抗凍膠乳水泥漿具有較好的強度和濾失性能，較短的稠化轉化時間，較好的壁面膠結性能，滲透率低，凝膠強度發(fā)展快，頂?shù)诇夭顝姸雀撸渌酀{外加劑具有較低的傾倒點，在溫度達到零下15℃情況下，仍然具有較好的流動性，便于油田冬季固井作業(yè)。

固井; 抗凍膠乳; 膠乳水泥漿

海上油田進行固井作業(yè)時，采用吹灰的方式將水泥從水泥運輸船上吹到鉆井平臺上，由于外加劑一般為液體，采用平臺濕混的方式加入到配漿水中。在北方冬季作業(yè)時，外加劑在運輸、倉儲和使用過程中，易于結凍凝固成塊，這不僅嚴重影響外加劑的使用，而且可能由于結凍凝固而使其失效。因此，對于以膠乳為主劑的膠乳水泥漿來說，膠乳及配套外加劑都需要具有抗凍性能，以解決冬季固井作業(yè)的施工困難。為了使凍膠乳水泥漿具有抗凍性能，需要對各種外加劑的組成和制備進行改進以滿足低溫環(huán)境作業(yè)的要求。外加劑的改變，可能對水泥漿體系的性能產(chǎn)生較大的影響。為此，筆者在室內(nèi)對加有膠乳穩(wěn)定劑和聚合物的抗凍膠乳水泥漿的失水、稠化性能、養(yǎng)護強度以及膠乳水泥石的滲透率和抗隔離液侵污等性能進行了測試，發(fā)現(xiàn)抗凍膠乳水泥漿的各項性能均能滿足現(xiàn)場施工要求。

1 試驗部分

1.1試驗配方

1)循環(huán)溫度小于90℃低溫配方 100%JHG水泥+31.3%淡水+12% CGR66L抗凍膠乳+2%CJ51L膠乳穩(wěn)定劑+3% CG88L降濾失劑+1.2%CF44L-M分散劑+0.9% H21L-M緩凝劑+ 0.5% CX66L-M消泡劑。

2)循環(huán)溫度大于90℃高溫配方 100%JHG水泥+40%淡水+35%SSA300硅粉+15%CGR66L抗凍膠乳+3%的CJ56L膠乳穩(wěn)定劑+3%CG88L降濾失劑+1.5%CF44L-M分散劑+0.5%～2% H63L-M緩凝劑+ 0.5%CX66L-M消泡劑。

3) 隔離液配方 淡水+6%DISPACER隔離劑。

以上所用產(chǎn)品均為中海油田服務股份有限公司提供。

1.2試驗方法

1)水泥漿評價試驗 按照API SPEC 10A標準進行。

2)滲透性能評價方法 制備膠乳水泥石巖新芯后，依據(jù)SY/T 5843-1997滲透率測試標準進行試驗測試與計算。

2 試驗結果及分析

2.1抗凍膠乳水泥漿外加劑液體材料的抗凍性能評價

在冬季低溫下使用的水泥漿外加劑，要求具有一定抗凍性能以方便現(xiàn)場使用。室內(nèi)通過測定材料在低溫下經(jīng)過48h存放后是否能夠流動的溫度(即傾倒點)來進行評價。對抗凍膠乳水泥漿外加劑材料的傾倒點的測定結果如表1所示。

表1 抗凍膠乳水泥漿外加劑材料的傾倒點的測定結果

從表1可以看出，抗凍膠乳水泥漿外加劑的傾倒點都低于-15℃，能保證在低溫配制膠乳水泥漿時,外加劑材料能夠被方便的傾倒并與配漿水混合，方便冬季現(xiàn)場施工。

2.2抗凍膠乳水泥漿體系性能評價

1)常規(guī)性能 水泥漿的稠化性能、強度性能、流變性能以及濾失性能等是保證水泥漿滿足施工安全和作業(yè)質量要求的常規(guī)性能。膠乳水泥漿在不同溫度下的常規(guī)性能如表2所示。

表2 抗凍膠乳水泥漿在不同溫度下的常規(guī)性能

140℃API失水條件：正壓為7.5MPa，回壓為0.6MPa。

從表2可以看出，在不同的溫度條件和稠化時間下，抗凍膠乳水泥漿具有較低的濾失性能和較高的強度，具有滿足固井作業(yè)要求的體系流變性和漿體穩(wěn)定性。

2)稠化性能 水泥漿的稠化性能是水泥漿最重要的性能之一，通過對水泥漿稠化過程的分析，可以對水泥漿在固井作業(yè)中的風險、作業(yè)效果及封固封隔能力進行初步判斷。保證安全的稠化時間、泵送過程中的水泥漿稠度、水泥漿升溫過程中的漿體變化以及水泥漿的稠化轉化時間的長短等都是研究水泥漿稠化性能的重要內(nèi)容。在室內(nèi)分別于35℃和140℃下對抗凍膠乳水泥漿的稠化性能進行了試驗。

圖1為35℃的低溫稠化曲線圖。從圖1可以看出，稠化過程開始后，溫度從30℃開始上升，24min后，溫度開始下降，然后回復到設定的35℃，在35℃溫度下持續(xù)稠化至結束，稠化轉化時間從366min到388min，轉化時間為22min，稠化曲線平穩(wěn)，并具有較短的稠化轉化時間。

圖1 35℃稠化曲線圖 圖2 140℃稠化曲線圖

圖2為140℃的高溫稠化曲線圖。從圖2可以看出，在高溫下，稠化過程極為穩(wěn)定，其稠化轉化時間小于5min。

比較上述試驗可以知道，試驗溫度上升，水泥漿稠化轉化時間縮短。

3)流體阻隔性能 水泥漿的流體阻隔性能是保證水泥漿免受地層流體腐蝕，改善水泥漿層間封隔效果的重要指標，室內(nèi)通過對水泥漿的第一界面和第二界面的壁面膠結強度以及水泥石可滲透性能的測定，以考察水泥漿的流體阻隔性能[1]。對水泥漿的第一界面和第二界面的壁面膠結強度的測定結果如表3所示。

由表3可以看出，抗凍膠乳水泥漿與地層和套管均具有較高的膠結強度，且80℃水浴養(yǎng)護較60℃水浴養(yǎng)護測得的第一界面和第二界面的膠結強度都要高一些。

膠乳可以提高水泥石抗地層流體以及注入流體腐蝕的性能，在室內(nèi)對抗凍膠乳水泥石和其他體系水泥石滲透性能進行測試，測試結果如表4所示。

表3 抗凍膠乳水泥漿壁面膠結性能

表4 抗凍膠乳水泥石與其他水泥石滲透性能比較

從表4可以看出，與常規(guī)水泥漿比較,抗凍膠乳水泥石中流體流動的突破壓力更高，其水泥石的滲透性能有所改善，有利于水泥石在高CO2和H2S地層以及注CO2驅的油井固井中使用。

4)凝膠強度發(fā)展 水泥漿的靜膠凝強度發(fā)展速度和凝膠強度大小是水泥漿防止地層流體侵入能力大小的重要評價指標[2]。靜膠凝強度從100lb/100ft2～500lb/100ft2之間的發(fā)展速度越快，水泥漿的防竄能力越強。室內(nèi)采用超聲波無損試驗儀對水泥漿在35℃稠化過程中的靜膠凝強度的測試結果如圖3所示。

從圖3可以看出，35℃時水泥漿的靜膠凝強度迅速發(fā)展，從100lb/100ft2～500lb/100ft2的過渡時間僅為19min，在更高的溫度下，其靜膠凝強度發(fā)展更快。

圖3 35℃水泥漿靜凝膠強度曲線圖 圖4 膠乳水泥漿靜膠凝強度發(fā)展曲線圖

由圖4可知，膠乳水泥漿的靜膠凝強度從100lb/100ft2發(fā)展至500lb/100ft2僅用了8min時間。快速發(fā)展的靜膠凝強度能夠在一定程度上防止油井氣水上竄的現(xiàn)象發(fā)生。

5)高頂?shù)诇夭钕滤嗍瘡姸?膠乳的加入，改善了水泥漿在不同溫度條件下的水化性能，也改善了水泥漿的膠凝強度發(fā)展，水泥漿一旦開始凝固，其強度迅速發(fā)展。這種強度的發(fā)展趨勢不僅使得膠乳水泥漿顯示了較好的抑制流體上竄的能力，而且能促使不同溫度養(yǎng)護下的水泥漿的強度快速發(fā)展，使得在高頂?shù)诇夭钋闆r下，膠乳水泥漿的強度受溫度變化的影響相對較小[3,4]。高頂?shù)诇夭钋闆r下水泥漿的強度比較如表5。

由表5可看出，在低溫下，水泥石的強度比高溫下的強度相對要低，但是仍然達到16.4MPa以上。在65℃以上，水泥石的強度均大于20MPa以上，表明在高頂?shù)诇夭钕略撍酀{體系可以達到較好的封固套管和封隔地層效果[5]。

6)水泥漿與隔離液的配伍性 提高水泥漿與隔離液的配伍性是改善頂替隔離效果，保證固井質量的重要措施之一。在各種的混合比例下，隔離液與水泥漿良好的配伍性應該滿足其流變性平穩(wěn)變化且有規(guī)律。室內(nèi)一般通過對隔離液和水泥漿混合液的稠化、強度性能進行評價來判定隔離液水泥漿的配伍性。測試數(shù)據(jù)如表6所示。

從測試結果可以看出，隔離液侵入水泥漿后，雖然對水泥漿的性能有所影響，稠化時間延長，強度下降，但其影響有限。即使隔離液的侵入量達到50%，其強度仍然可以達到 6.98MPa左右，證明隔離液侵入水泥漿后，在稠化、強度以及泵送過程中的稠度變化方面都顯示較好的配伍性。

表5 高頂?shù)诇夭钋闆r下水泥漿的強度比較

表6 隔離液侵入對水泥漿性能影響

3 結 論

1)抗凍膠乳水泥漿外加劑具有較低的傾倒點，在溫度達到零下15℃以下時，仍然具有較好的流動性，便于油田冬季固井施工作業(yè)。

2)抗凍膠乳水泥漿具有良好的強度和濾失性能，即使在較低溫度下，仍具有較短的稠化轉化時間，較高的壁面膠結性能和低滲透率；該水泥漿體系在低溫下的凝膠強度發(fā)展快，在高頂?shù)诇夭钕氯匀痪哂懈叩捻數(shù)讖姸?，水泥漿與隔離液的配伍性好，能夠滿足固井作業(yè)施工要求。

[1]許明標，彭雷，張春陽，等.聚合物膠乳水泥漿的流體阻隔性能研究[J].油田化學，2009，3(1)：15～16.

[2]Abdul-Rahman R，Chong A.Cementing Multilateral Well With Latex Cement[J]. SPE/IADC37623,1997.

[3]Lv Guangming, Jin Jianzhou.Application and Research of Latex Tenacity Cement Slurry SystemSun Fuquan[J].SPE104434,2006.

[4]Gopalkrishnan，Sridhar.Additive composition for oil well cementin formulations[P].US：5401786,1995-03-28.

[5]Chatterji，Jiten, Cromwell,etal.Stable well cementing methods and compositions[P].US:6641660,2003-11-4.

[編輯] 李啟棟

TE256.7

A

1673-1409(2009)03-N052-04

2009-06-07

許明標(1962-)，男，1983年大學畢業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)主要從事井下流體方面的研究工作。