盧海川 ， 燕平 ， 劉剛 ， 王春才 ，霍明江， 王海平， 艾爾肯·阿布力米提

（1.中國(guó)石油海洋工程有限公司渤星公司，天津 300451；2.大港油田井下作業(yè)公司，天津 300283；3. 中石油新疆油田分公司井控培訓(xùn)中心，新疆克拉瑪依834000）

使用觸變水泥漿固井被認(rèn)為是解決油氣井固井漏失和流體竄流難題的有效手段，觸變水泥漿還適用于薄弱地層固井、補(bǔ)救擠水泥以及修補(bǔ)破裂或被腐蝕的套管等方面，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-5]。觸變水泥漿制備的關(guān)鍵是油井水泥觸變劑的開發(fā)，油井水泥觸變劑是專門用在水泥漿中增加體系觸變性的一種外加劑。目前國(guó)內(nèi)外研究的觸變劑主要包括無(wú)機(jī)類和有機(jī)類[2]，無(wú)機(jī)類常見(jiàn)的有膨潤(rùn)土、硫酸鹽、混合金屬氫氧化物等[6-7]，有機(jī)類常見(jiàn)的是以鋯等過(guò)渡金屬作交聯(lián)劑和用鈦螯合物作交聯(lián)劑的改性纖維素體系和合成聚合物類[8-10]。這些觸變劑常存在如下問(wèn)題：觸變性不夠強(qiáng)，從而不能有效地發(fā)揮其效果；觸變結(jié)構(gòu)強(qiáng)停泵容易影響施工安全；對(duì)溫度敏感，常溫下觸變性較好，但隨著溫度升高觸變性明顯下降；綜合性能欠佳，常會(huì)影響水泥漿的失水、強(qiáng)度等性能[2,6,11]。由于以上問(wèn)題，限制了觸變劑的應(yīng)用，大部分觸變劑只是處于室內(nèi)研究階段，未能得到良好應(yīng)用，因此，研究綜合性能良好的新型油井水泥觸變劑具有重要意義。根據(jù)目前觸變劑存在的問(wèn)題，采用新的設(shè)計(jì)思路，開發(fā)出了一種性能優(yōu)異的新型觸變劑，對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性進(jìn)行了研究，并完成了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 新型觸變劑的開發(fā)

針對(duì)常規(guī)觸變劑存在的問(wèn)題，從微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)[11]，通過(guò)大量的合成、篩選，得到了2種性能優(yōu)良的觸變劑原材料有機(jī)聚合物X和無(wú)機(jī)物Y，并對(duì)其進(jìn)行了復(fù)配研究。實(shí)驗(yàn)考察了不同比例復(fù)配下水泥漿的流變情況和觸變性能，并對(duì)不同配比下水泥石的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，隨著無(wú)機(jī)超細(xì)材料Y的比例逐漸增加，水泥漿的觸變性呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減小的趨勢(shì)，水泥石的抗壓強(qiáng)度則逐漸升高。這說(shuō)明無(wú)機(jī)超細(xì)材料Y可提高水泥石的強(qiáng)度，而由于2種材料之間可形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)從而起到協(xié)同和增加觸變性的作用，所以從觸變性角度出發(fā)，2者之間存在最佳配比。結(jié)合以上數(shù)據(jù)，考慮到成本和綜合性能，確定共聚物X和無(wú)機(jī)超細(xì)材料Y的最佳配比為2∶3，此配比下水泥漿觸變性強(qiáng)且形成的水泥石具有較高的強(qiáng)度。將此配比下形成的觸變材料的代號(hào)定為BCJ-200S。

表1 加有不同配比觸變材料的水泥漿性能對(duì)比

2 新型觸變劑的應(yīng)用性能

2.1 觸變性

觸變水泥漿良好的觸變性能是指觸變結(jié)構(gòu)容易被破壞且能快速恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對(duì)觸變水泥漿樣品觸變結(jié)構(gòu)的可逆性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)首先測(cè)試了剛配制的觸變水泥漿在300 r/min下的讀數(shù)，然后靜置10 min測(cè)試其膠凝強(qiáng)度，然后用300 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌1 min破壞其膠凝結(jié)構(gòu)并記錄攪拌30 s時(shí)的讀數(shù)，再重新靜置10 min測(cè)試其膠凝強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 加有BCJ-200S的水泥漿觸變結(jié)構(gòu)可逆性的評(píng)價(jià)

由表2可以看出，加有BCJ-200S的水泥漿觸變結(jié)構(gòu)具有良好的可逆性，觸變結(jié)構(gòu)響應(yīng)快，膠凝結(jié)構(gòu)容易被破壞，靜置后能較快地恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，且漿體較稀的情況下可保持較大的觸變性。這就可使水泥漿在發(fā)揮其觸變作用的同時(shí)，降低施工作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。另外，由實(shí)驗(yàn)可知，隨著BCJ-200S加量的增加，水泥漿的觸變性明顯增強(qiáng)，且觸變性對(duì)溫度不敏感，在較高溫度下，體系仍可保持良好的觸變性，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)觸變性要求來(lái)選擇觸變劑的用量。

由于靜切力法和滯后環(huán)法不能準(zhǔn)確地反映膠凝強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況，針對(duì)此問(wèn)題探索了新的評(píng)價(jià)方法[12]，該方法在極低轉(zhuǎn)速下（0.01 r/min）測(cè)量可避免轉(zhuǎn)速對(duì)膠凝強(qiáng)度的破壞，且可通過(guò)電腦采集連續(xù)測(cè)量膠凝強(qiáng)度發(fā)展情況。實(shí)驗(yàn)采取此方法對(duì)開發(fā)的觸變劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)所用水泥漿基礎(chǔ)配方如下。

勝濰G級(jí)水泥+4.0%降失水劑+BCJ-200S+0.2%緩凝劑+42%水

圖1 采用新方法評(píng)價(jià)水泥漿的膠凝強(qiáng)度發(fā)展情況（75 ℃）

該方法進(jìn)一步證明，加有觸變劑BCJ-200S的水泥漿膠凝強(qiáng)度發(fā)展速率和膠凝強(qiáng)度最大值都遠(yuǎn)大于常規(guī)水泥漿，表現(xiàn)出明顯的觸變性。

2.2 稠化性能

常規(guī)觸變劑常會(huì)由于促凝或過(guò)渡交聯(lián)影響水泥漿稠化時(shí)間，甚至使水泥漿明顯增稠，影響注水泥施工作業(yè)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變觸變劑BCJ-200S加量，考察了不同觸變劑加量對(duì)水泥漿稠化性能的影響，見(jiàn)表3。由表3可以看出，觸變劑BCJ-200S對(duì)水泥漿稠化時(shí)間幾乎無(wú)影響，觸變劑不同加量下初始稠度不大于30 Bc，可保證水泥漿在具備較高觸變性的同時(shí)保持較低的稠度，從而保證注水泥施工的順利進(jìn)行。

表3 不同BCJ-200S加量下水泥漿稠化性能

2.3 力學(xué)性能

目前雖有些油井水泥觸變劑觸變能力強(qiáng)，但常會(huì)嚴(yán)重影響水泥石的抗壓強(qiáng)度。針對(duì)以上問(wèn)題，考察了觸變劑BCJ-200S對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，另外還從水泥環(huán)完整性出發(fā)采用巴西劈裂實(shí)驗(yàn)、TAW-2000巖石三軸試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)等對(duì)加有BCJ-200S的水泥石其他力學(xué)性能進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，隨著BCJ-200S加量增加，水泥石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗沖擊能力都明顯增加，但楊氏模量卻逐漸降低，說(shuō)明BCJ-200S具有明顯的增強(qiáng)增韌作用；楊氏模量與抗拉強(qiáng)度之比被認(rèn)為是表征水泥石抗破壞的重要參數(shù)[12]，其比值越小則其抗破壞能力越強(qiáng)；加入BCJ-200S后水泥石抗破壞能力明顯提高。BCJ-200S不僅克服常見(jiàn)觸變劑和增韌材料的不足，在提高水泥石強(qiáng)度的同時(shí)，還具有顯著的增韌作用，可改善水泥石力學(xué)性能。

表4 不同BCJ-200S加量下水泥石的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.4 配伍性

2.4.1 與降失水劑的配伍性

實(shí)驗(yàn)分別選用常規(guī)降失水劑BXF-200L（AF）、BCG-200L、G60S，與開發(fā)的觸變劑進(jìn)行了配伍性研究，見(jiàn)表5。由表5可知，觸變劑BCJ-200S與合成AMPS類聚合物降失水劑BXF-200L（AF）、BCG-200L配伍可使水泥漿獲得相對(duì)較好的觸變性，其中和BCG-200L配伍觸變性能最佳。合成聚合物類由于自身的鏈狀結(jié)構(gòu)， 可與觸變劑起到協(xié)同作用，形成更密集的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 從而表現(xiàn)出更優(yōu)的觸變性。

表5 不同降失水劑對(duì)加入BCJ-200S的水泥漿觸變性的影響

2.4.2 與緩凝劑的配伍性

實(shí)驗(yàn)分別選用了2種緩凝劑BXR-200L、BCR-210S，考察了緩凝劑對(duì)觸變性的影響，并通過(guò)改變緩凝劑加量，考察了水泥漿稠化時(shí)間的可調(diào)性，結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，加入緩凝劑BXR-200L、BCR-210S對(duì)水泥漿觸變性幾乎無(wú)影響，稠化時(shí)間可調(diào)性良好?？梢?jiàn)，開發(fā)的觸變劑與緩凝劑BXR-200L、BCR-210S都具有良好的配伍性能。

表6 BCJ-200S與緩凝劑的配伍性實(shí)驗(yàn)（70 ℃）

2.4.3 與水泥的配伍性

水泥成分相對(duì)復(fù)雜，常會(huì)因?yàn)槟承┪镔|(zhì)含量的變化使水泥漿的性質(zhì)發(fā)生較大變化。實(shí)驗(yàn)考察了不同種類、不同批次的水泥對(duì)觸變性的影響（見(jiàn)表7）?？梢钥闯?，不同廠家、不同批次的水泥會(huì)對(duì)水泥漿觸變性產(chǎn)生很大影響。C廠家2#水泥制備的水泥漿觸變性明顯較差，但隨著加量的增加也可獲得很強(qiáng)的觸變性。這說(shuō)明觸變劑BCJ-200S和不同水泥配伍性良好，具有良好的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際水泥情況改變觸變劑加量獲得相應(yīng)的觸變性。

表7 不同種類、不同批次的水泥對(duì)觸變性的影響

分析了水泥中觸變性的影響因素，對(duì)C廠家1#、2#批次的水泥成分進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。由表8可知，C廠家1#水泥中C3A明顯高于1#水泥，C3S較少，C4AF+2C3A較多，其余差別不大，由此推測(cè)，引起不同批次水泥觸變性差別較大可能是水泥中鋁、 鐵等金屬元素含量差別較大造成的。因此生產(chǎn)水泥時(shí)， 可通過(guò)嚴(yán)格控制水泥中鋁、 鐵等金屬元素的含量來(lái)使水泥保持相對(duì)穩(wěn)定的觸變性。

表8 不同批次的水泥成分分析 %

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

大港油田采油三廠地區(qū)油井常存在套漏問(wèn)題，有時(shí)出水嚴(yán)重，地層承壓能力低，封堵困難。采用常規(guī)的封堵劑存在堵劑用量大、一次成功率較低、作業(yè)成本高等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，采用了以觸變劑BCJ-200S形成的觸變水泥漿進(jìn)行封堵。根據(jù)上述對(duì)觸變劑應(yīng)用性能的研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定觸變水泥漿配方為：G級(jí)水泥+1.5%BCJ-200S+4.0%BXF-200L（AF）+43.0%水。目前該觸變水泥漿已完成多口井的成功應(yīng)用，取得了良好效果。

官38-22井是王官屯油田的一口油井，地質(zhì)要求封堵Ng2井段1 426.8～1 427.8 m，分析認(rèn)為該井段出水嚴(yán)重，導(dǎo)致該井含水量上升。對(duì)該井測(cè)吸收量：4 MPa，150 L/min，壓力不漲；綜合考慮封堵層的深度、地質(zhì)情況及吸收量數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為封堵難度大。該井采用上述觸變水泥漿12 m3進(jìn)行封堵，施工過(guò)程順利，一次封堵成功，最高擠注壓力達(dá)到16 MPa，鉆塞后對(duì)封堵層試壓8 MPa合格。

此外，該觸變水泥漿體系還在大港油田多口存在套漏問(wèn)題的井中進(jìn)行了應(yīng)用，得到成功封堵，解決了套漏問(wèn)題，大大降低了作業(yè)成本。

棗1303-5井是棗園油田的一口注水井，地質(zhì)發(fā)現(xiàn)該井721～730 m井段有套漏，對(duì)套漏井段測(cè)吸收量：3 MPa，200 L/min，壓力不漲；綜合考慮套漏井段的深度、地質(zhì)情況及吸收量數(shù)據(jù)，封堵存在一定難度。該井同樣采用觸變水泥漿進(jìn)行封堵，注漿18 m3，整個(gè)施工過(guò)程順利，最高擠注壓力達(dá)到12 MPa，鉆塞后對(duì)封堵層試壓7 MPa合格。

4 結(jié)論

1.通過(guò)將合成有機(jī)聚合物與無(wú)機(jī)超細(xì)材料復(fù)配， 開發(fā)出了性能優(yōu)異的新型油井水泥觸變劑BCJ-200S。該觸變劑可顯著提高水泥漿不同溫度下的觸變性， 形成的觸變結(jié)構(gòu)可逆性好， 對(duì)水泥漿其他性能無(wú)不良影響， 且具有改善水泥石韌性， 增加抗破壞能力的作用， 克服了常規(guī)觸變劑存在的不足。

2.觸變劑BCJ-200S與常規(guī)外加劑和水泥配伍性良好，具有良好的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性。該觸變劑在大港油田油井封堵中得到成功應(yīng)用，封堵效果良好，成功解決了套漏、出水等難題。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉崇建， 劉孝良. 觸變性水泥的評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)， 2001， 21（ 2） ： 56- 60.LIU Chongjian， LIU Xiaoliang. Evaluation method of thixotropic cement and its application[J]. Natural Gas Industry， 2001， 21（ 2） ： 56- 60.

[2] 盧海川， 張偉， 熊超， 等. 觸變水泥漿體系研究綜述[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展， 2016，17（3）：21-26.LU Haichuan， ZHANG Wei， XIONG Chao， et al.Review on Thixotropic Cement Slurry [J].Advancesin Fine Petrochemicals， 2016，17（3）：21-26.

[3] 步玉環(huán)， 尤軍， 姜林林. 觸變性水泥漿體系研究與應(yīng)用進(jìn)展 [J]. 石油鉆探技術(shù)， 2009， 37（4）： 110-114.BU Yuhuan， YOU Jun， JIANG Linlin. Research and application of thixotropic cement slurry[J]. Petroleum Drilling Techniques， 2009， 37（4）： 110-114.

[4] 姚曉， 周保中， 趙元才. 國(guó)內(nèi)油氣田漏失性地層固井防漏技術(shù)研究 [J]. 天然氣工業(yè)， 2005， 26（6）：45-48.YAO Xiao， ZHOU Baozhong， ZHAO Yuancai. Leak resistance techniques of thief zone cementing in domestic oil and gas fields[J]. Natural Gas Industry， 2005， 26（6）：45-48.

[5] 丁士東， 張衛(wèi)東. 國(guó)內(nèi)外防氣竄固井技術(shù)[J]. 石油鉆探技術(shù)， 2002， 30（5）： 35-38.DING Shidong， ZHANG Weidong. Domestic &oversea cementing techniques of gas-channeling prevention[J].Petroleum Drilling Techniques， 2002， 30（5）： 35-38.

[6] 蔡浩，姚曉，肖偉，等. 熱解油基鉆屑資源化利用（Ⅰ）：廢渣基固化劑固化實(shí)驗(yàn)研究[J]. 鉆井液與完井液， 2017， 34（4）： 59-64.CAI Hao，YAO Xiao，XIAO Wei， et al. Resource utilization of pyrolyzed oil cuttings（Ⅰ）：Study on solidification of oil cuttings with waste-slag solidifier[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2017， 34（4）：59-64.

[7] CRABB CR， MICH M. Thixotropic cement compositions： US，4822421[P].1989.

[8] OST ROOT， GABRI EL W， CHAT T ERJI， et al.Thixotropic cementing compositions：US，3959003[P].1976.

[9] HORTON， ROBERT L， PRASEK， et al. Prevention and treatment of lost circulation with crosslinked polymer material： US ，7098172[P]. 2006.

[10] JONES R R， CARPENTER R B. New latex， expanding thixotropic cement systems improve job performance and reduce costs[R] . SPE 21010， 1991.

[11] 盧海川， 李洋， 宋元洪， 等 . 新型固井觸變水泥漿體系[J]. 鉆井液與完井液， 2016，33（6）： 73-78.LU Haichuan， LI yang， SONG Yuanhong， et al. The study of novel thixotropic cement slurry[J]. Drilling Fluid& Completion Fluid， 2016，33（6）： 73-78.

[12] 謝承斌， 盧海川， 李洋， 等 . 水泥漿觸變性評(píng)價(jià)方法的探索 [J]. 鉆井液與完井液， 2015， 32（ 6） ： 57-60.XIE Chengbin， LU Haichuan， LI Yang， et al. Study of thixotropy evaluation method for cement slurry [J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（6）： 57-60.