新型促凝剂DWA改善固井水泥低温性能的实验

王成文，王瑞和，彭志刚，王爱国，步玉环

(1.中国石油大学石油工程学院，山东青岛266555;2.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017;3.中国石油大港油田博士后工作站，天津300280)

新型促凝剂DWA改善固井水泥低温性能的实验

王成文1，王瑞和1，彭志刚2，王爱国3，步玉环1

(1.中国石油大学石油工程学院，山东青岛266555;2.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017;3.中国石油大港油田博士后工作站，天津300280)

模拟深水固井低温环境，考察新型锂盐复合类促凝剂DWA对固井水泥浆稠化时间、静胶凝强度和抗压强度的影响。结果表明:促凝剂DWA能促进固井水泥的低温水化能力，缩短水泥浆稠化时间，明显缩短稠度30～100 Bc、静胶凝强度48～240 Pa的时间，显著提高水泥石早期抗压强度，表现出优异的低温早强、防窜性能，有助于解决深水固井面临的低温、浅层水－气流动难题;DWA促凝作用优于CaCl2，对水泥浆初始稠度无影响，是一种无副作用的新型多功能促凝剂。

促凝剂;固井水泥;深水固井;低温早强;防窜;静胶凝强度

温度是影响水泥水化反应速率的主要因素。在温度低至5℃时，常用固井水泥的主要矿物熟料硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)水化速率非常缓慢，水泥浆的低温性能无法达到低温固井要求［1－2］。深水海底泥线的低温环境，严重减慢固井水泥水化速率［3］。氯化钙(CaCl2)促凝剂［4］具有价格低廉、早强促凝作用强等优点，但CaCl2会使水泥浆流变性变差、水泥初始水化放热很大，甚至出现“闪凝”现象;多羟基胺类、过渡金属元素复合铁盐类、碱土金属氮化物类等促凝剂［5－6］具备较好的低温早强作用，但无法提高水泥浆的防窜能力。碱金属Na+、K+的盐是常用的促凝剂，Li+也属于碱金属，并且其半径小、极化作用强、水化半径大［7］。笔者依据碱金属类物质性能相似的原理和实验测试锂盐对水泥性能的影响，以自制的锂盐复合类促凝剂DWA为基础，在模拟深水固井低温条件下，测试DWA对固井水泥浆稠化时间、静胶凝强度和抗压强度的影响，并与相同加量条件下的CaCl2促凝剂进行比较，分析说明锂盐复合类新型促凝剂DWA改善固井水泥低温性能的规律。

1 实验原料与方法

1.1 实验原料

实验原料包括胜潍G级水泥(胜利黄河固井公司提供)、促凝剂DWA(实验室自制)、氯化钙(化学纯，中国医药集团上海试剂分公司生产)和CF40S分散剂(中石油渤星固井公司生产)。

1.2 实验方法

按API标准10B－3－2004“Recommended Practice on Testing of Deepwater Well Cement Formulations”制备水泥浆，通过低温恒温装置(上海恒平科学仪器有限公司生产)实现低温测试环境，用OWC－2000A增压稠化仪(沈阳固测井石油仪器研究所提供)测定水泥浆稠化时间，用美国千德乐工业仪器公司生产的静胶凝强度分析仪(Model 5265U with UCA functionality)测试水泥浆静胶凝强度和抗压强度，用自制SL－B型多功能养护釜养护水泥浆(工作温度为－10～90℃，工作压力低于30 MPa)，用NYL－300型压力试验机(无锡建材仪器厂生产)测试水泥石抗压强度。

2 结果分析

2.1 DWA对水泥浆稠化性能的影响

深水固井作业中，由于海水的逆温梯度以及海水与隔水管之间的对流热交换，使注水泥作业循环温度呈逐渐下降规律，通常表层段注水泥循环温度为10～15℃［8］。在模拟深水注水泥低温条件下，先通过测试DWA促凝剂加量对水泥浆性能的影响，确定出DWA最优加量为水泥质量的3%，然后进一步比较DWA、CaCl2各自加量都为3%的水泥浆体系:G级水泥+3%DWA+0.3%CF40S分散剂(水灰质量比0.44)、G级水泥+3%CaCl2+0.3%CF40S分散剂(水灰质量比0.44)在15℃和10 MPa条件下的稠化曲线图，如图1和2所示。

图1 DWA对G级水泥浆稠化时间的影响Fig.1 Effect of DWA on thickening time of class G cement slurry

图2 氯化钙对G级水泥浆稠化时间的影响Fig.2 Effect of CaCl2on thickening time of class G cement slurry

结果表明，促凝剂DWA对水泥浆初始稠度没有任何不利影响，而CaCl2却使水泥浆在稠化约12 min时稠度骤增至50 Bc以上，21 min时稠度又骤降至25 Bc，发生严重的“闪凝”现象。对比图1和图2可知，DWA、CaCl2在相同加量条件下，加DWA水泥浆的稠度30～100 Bc过渡时间为53 min，而加CaCl2水泥浆的稠度30～100 Bc过渡时间却长达98 min，说明DWA有利于缩短水泥浆30～100 Bc的过渡时间，使水泥浆表现出一定的“直角稠化”特性。

2.2 DWA对水泥浆静胶凝强度发展的影响

DWA促凝剂可使水泥浆具有一定的“直角稠化”性能，“直角稠化”水泥浆是防窜技术之一［9－10］，即DWA对提高水泥浆的防窜能力是有利的。深水表层段固井作业中，表层套管下深一般都接近1.0 km，此时井底静止温度大约在30℃［11－12］。为反映DWA对水泥浆防窜能力的影响，测试G级水泥原浆(水灰质量比0.44)、G级水泥+3%CaCl2+0.3%CF40S分散剂(水灰质量比0.44)体系、G级水泥+3%DWA+0.3%CF40S分散剂(水灰质量比0.44)体系在30℃和14 MPa条件下不同时间的静胶凝强度，如图3～5所示。结果表明:①G级水泥原浆静胶凝强度0～576 Pa总时间为251 min，其中48～240 Pa的“过渡时间”为82 min;②G级水泥原浆中加入3%CaCl2时，静胶凝强度0～576 Pa总时间缩短为190 min，但水泥浆却在7 min时静胶凝强度就达到48 Pa，这是CaCl2对水泥浆的“闪凝”作用所致，与图2所反映的现象一致，在图2中水泥浆从12 min后就一直处于25 Bc的“高稠度”状态，对应到图4中则水泥浆7 min后静胶凝强度就高达48 Pa，并且使水泥浆48～240 Pa“过渡时间”比G级水泥原浆48～240 Pa“过渡时间”延长，长达119 min;③G级水泥原浆中加入3%DWA时，静胶凝强度0～576 Pa总时间进一步缩短为122 min，并且48～240 Pa的“过渡时间”缩短至31 min，48～240 Pa“过渡时间”变为G级水泥原浆的1/2.65。

图3 G级水泥原浆的静胶凝强度发展规律Fig.3 Static gel strength development of class G conventional cement slurry

图4 氯化钙对G级水泥浆静胶凝强度发展的影响Fig.4 Effect of CaCl2on static gel strength of class G cement slurry

结果证实，DWA能明显促进G级水泥的静胶凝强度发展，并且显著缩短水泥浆静胶凝强度48～240 Pa的“过渡时间”。根据固井防窜理论，水泥浆静胶凝强度达到48 Pa的时刻是地层流体开始窜入水泥浆的危险时刻，而当水泥浆静胶凝强度达到240 Pa时，地层流体无法在水泥浆柱中运移，是地层流体窜流的结束时刻，减少水泥浆静胶凝强度48～240 Pa过渡时间有利于防止窜流发生［13－14］。因此，DWA能提高水泥浆的防窜能力。

图5 DWA对G级水泥浆静胶凝强度发展的影响Fig.5 Effect of DWA on static gel strength of class G cement slurry

2.3 DWA对水泥浆抗压强度的影响

2.3.1 无损超声波技术测试抗压强度性能

图6～8分别为利用超声波抗压强度分析仪测试得到的胜潍G级水泥原浆(水灰质量比0.44)、胜潍G级水泥+3%CaCl2+0.3%CF40S分散剂(水灰质量比0.44)体系、胜潍G级水泥+3%DWA+0.3%CF40S分散剂(水灰质量比0.44)体系在30℃和14 MPa条件下水化6 h的抗压强度发展曲线。

图6 G级水泥原浆的抗压强度发展曲线Fig.6 Compressive strength development of class G conventional cement slurry

图7 氯化钙对G级水泥浆抗压强度的影响Fig.7 Effect of CaCl2on compressive strength of class G cement slurry

结果表明:G级水泥原浆在262 min开始有强度，其6 h抗压强度为0.252 MPa;当G级水泥原浆中加入3%CaCl2时，在215 min开始有强度，其6 h抗压强度为0.462 MPa，比G级原浆抗压强度提高了83.33%;当G级水泥原浆中加入3%DWA低温早强防窜剂时，在211 min开始有强度，与加3%CaCl2体系非常接近，但体系6 h抗压强度却高达0.822 MPa，比相同条件下G级原浆抗压强度提高了226.19%，也比加3%CaCl2体系抗压强度提高了77.92%。因此，DWA能促进固井水泥水化反应，具有优异的早强作用，显著提高水泥石早期抗压强度。

图8 DWA对G级水泥浆抗压强度的影响Fig.8 Effect of DWA on compressive strength of class G cement slurry

2.3.2 不同低温下抗压强度性能

深水表层段固井作业中，水泥浆从钻井平台混配后经隔水管注入套管与地层之间的环空，候凝温度从较低的泥线温度到较高的地层温度，为进一步反映促凝剂DWA的促凝效果，测试了不同低温下促凝剂DWA、CaCl2分别对G级水泥浆(水灰质量比0.44)抗压强度的影响，结果见表1。结果表明:促凝剂DWA能明显著改善G级固井水泥的低温强度性能，提高水泥石抗压强度，并且当养护温度越低时，强度增大幅度越明显;在养护温度为4℃时，促凝剂DWA提高固井水泥石抗压强度能力与CaCl2相当，随着养护温度升高或者养护时间增加，DWA促进固井水泥石强度增加的能力略好于CaCl2。因此，在不同低温条件下，促凝剂DWA都表现出优异的早强作用，其早强效果不低于CaCl2促凝剂。

表1 DWA和氯化钙对水泥浆体系抗压强度的影响Table 1 Influence of DWA and CaCl2on compressive strength of cement slurries

3 结论

(1)锂盐复合类促凝剂DWA对水泥浆初始稠度无影响，能缩短水泥浆稠化时间并使稠化曲线具明显的“直角稠化”特性。

(2)促凝剂DWA能促进水泥浆静胶凝强度的发展，并明显缩短水泥浆静胶凝强度48～240 Pa“过渡时间”，具有较好的防窜作用。

(3)促凝剂DWA能显著提高水泥石早期抗压强度，其6 h早期抗压强度比相同条件下G级原浆的提高了226.19%，比加CaCl2促凝剂体系的提高了77.92%，表现出优异的早强功效。

(4)锂盐复合类促凝剂DWA具有早强、防窜功效，并且对初始稠度无影响，是一种新型的多功能促凝剂。

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(编辑 刘为清)

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

WANG Cheng－wen1，WANG Rui－he1，PENG Zhi－gang2，WANG Ai－guo3，BU Yu－huan1

(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

教育部博士点基金项目(20100133120004);国家“863”高技术研究发展计划项目(2006AA09Z340);国家科技重大专项课题(2009ZX05060)

王成文(1976－)，男(汉族)，四川广安人，副教授，博士，主要从事固井技术和油气井化学工程研究。

1673－5005(2011)01－0159－05