AMPS 水泥浆体系低温促凝剂的研究

孙晓杰， 余纲， 郑会锴， 朱海金， 汤少兵， 马永乐（.天津中油渤星工程科技有限公司，天津30045；.中石油塔里木油田公司开发事业部，新疆库尔勒84000）

孙晓杰等.AMPS水泥浆体系低温促凝剂的研究[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：84-87.



AMPS 水泥浆体系低温促凝剂的研究

孙晓杰1， 余纲2， 郑会锴1， 朱海金1， 汤少兵1， 马永乐1
（1.天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451；2.中石油塔里木油田公司开发事业部，新疆库尔勒841000）

孙晓杰等.AMPS水泥浆体系低温促凝剂的研究[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：84-87.

摘要为了研究一种对AMPS水泥浆体系有效的低温促凝剂，对不同组分促凝材料促凝效果进行了研究。采用正交实验，优选出了一种可以在AMPS水泥浆体系中起到良好促凝效果的促凝剂BCA-210S。结果表明，该促凝剂能促进AMPS油井水泥低温水化能力，缩短其在低温下的稠化时间，能将稠化时间控制在60 min左右；使静胶凝强度过渡时间降低到10 min；在30 ℃、8 h条件下抗压强度可达到5.3 MPa。结论认为，该促凝剂能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，有助于解决低温井、调整井固井面临的问题，是一种新型多功能促凝剂。

关键词AMPS体系；低温早强促凝剂；静胶凝强度；防气窜

Study on Low Temperature Accelerator for Cement Slurry

SUN Xiaojie1, YU Gang2, ZHENG Huikai1, ZHU Haijin1, TANG Shaobing1, MA Yongle1
(1. Tianjin CNPC Boxing Engineering ScienTec Company Ltd, Tianjin 300451, China; 2. Department of Development, CNPC Tarim Oilfield Company, Korla Xinjiang 841000, China)

Abstract A study on the acceleration performance of different accelerators was conducted to try to find an effective low temperature accelerator for the AMPS cement slurry. A high performance accelerator BCA-210S that can be used in AMPS cement slurry was selected using orthogonal experiment method. BCA-210S has the ability to promote the hydration of AMPS cement and to shorten the time for cement slurry to thicken at low temperatures. Using BCA-210S, time required for cement slurry to thicken at low temperatures can be controlled to about 60 min, transit time required for the gel strength of cement slurry reduced to 10 min, and compressive strength of set cement under 30 ℃ increased to 5.3 MPa after 8 h. It is concluded that BCA-210S increases the early compressive strength of set cement, which in turn exhibits excellent low temperature early strength and anti-channeling performances. As a new multi-function accelerator, BCA-210S is beneficial to solving problems encountered in cementing low temperature wells and adjustment wells.

Key words AMPS cement slurry; Low temperature early strength accelerator; Gel strength; Anti-channeling

AMPS类降失水剂性能优良，对不同水泥浆体系的适应性强，还能应对井下含盐流体等复杂井况。因此目前越来越多的钻探公司把AMPS类降失水剂作为其首选降失水剂，并在调整井固井中应用。但是这一类降失水剂水解后会产生一定量的羧基，高羧基化的聚合物会造成水泥浆稠化时间过长，早期强度偏低[1-3]。目前常用的促凝早强剂包括BAS-1、CA系列的促凝早强剂都不能对AMPS类水泥浆体系具有良好的促凝效果。针对以上问题，需要开发一种合适的低温促凝剂，以满足目前低温以及调整井固井的需要[4-6]。

1　低温促凝剂BCA-210S的研制

1.1 单组分促凝效果研究

实验选材为无机特种促凝材料A，有机盐B，无机盐C以及AMPS类降失水剂BXF-200L，分别研究其对纯水泥浆以及掺有BXF-200L水泥浆的促凝效果，结果见表1。由表1可知，组分A，B，C在掺有BXF-200L的水泥浆中比在纯水泥浆的促凝效果要好，组分B的促凝效果最好，能使稠化时间缩短到92 min。这可能是组分A、B、C可与降失水剂BXF-200L协同作用产生可促进水泥浆水化的物质，缩短水泥浆稠化时间。

1.2 多组分复配促凝效果

为了研究A、B、C这3种组分复配后的促凝效果以及最优配比，实验设计A因素的3个水平为：1、 1.5、 2，B因素的3个水平为0.5、 1、 1.5，C因素的3个水平为：0.5、1、1.5。根据正交实验设计原则，设计3因素3水平正交实验，在基础配方上添加2%促凝剂，以稠化时间作为实验结果评价指标，实验方案及结果见表2。由表2可知，通过正交实验和方差分析，因素A极差R最大，B次之，C的影响效果最小，因素A列中K3最小，所以A为主要因素并以水平因子2为最好，因素B列中K2最小，B为次要因素并以水平因子1为最好，因素C列中K1最小，C的影响作用最小，以水平因子0.5为最好。综合来看3种组分复配后的促凝效果要优于单组份的促凝效果，并且最佳复配比例为A∶B∶C=2∶1∶0.5。将其命名为BCA-210S。

1.3 X射线衍射分析

基础配方加入2%促凝剂BCA-210S水泥浆的XRD谱图见图1。由图1可知，不同配方水泥浆的水化产物基本相同，主要为氢氧化钙、水化硅酸钙凝胶和钙矾石[9-14]，但添加有BCA-210S的水泥浆中氢氧化钙等的衍射峰明显比基础配方强，说明BCA-210S对水泥的水化过程有明显的促进作用，可加速水泥水化产物的生成。

表2　实验方案设计以及实验结果分析表

图1　不同配方水泥浆水化2 d后的XRD谱图

2　BCA-210S综合性能评价

2.1 不同温度下的促凝效果

考察了BCA-210S在不同温度下的促凝效果，研究水泥浆的稠化性能，实验结果见表3。由表3可知，BCA-210S在40～60 ℃之间，加量小于2%促凝效果好，且随着BCA-210S加量的增加，稠化时间缩短。

为了进一步研究BCA-210S低温促凝效果，考察了低温下水泥浆的稠化性能，结果见表4。由表4可以看出，BCA-210S在25和30 ℃下，有比较好的促凝效果，能把水泥浆的稠化时间控制在60 min左右，满足低温固井和调整井固井的需要。

表3　不同加量BCA-210S在不同温度下促凝效果

表4　低温下BCA-210S对不同水泥浆配方的促凝效果

2.2 静胶凝实验

水泥浆在环空顶替到位后，环空气窜大多发生在静胶凝强度为48～240 Pa的区间内。其主要原因是静胶凝强度小于48 Pa时，水泥浆能够传递液柱压力，在过平衡压力的条件下气窜不会发生；而当静胶凝强度大于240 Pa时，水泥浆的强度已能抵御气体的入侵。因此，水泥浆的静胶凝强度由48 Pa发展到240 Pa的时间越短，气窜的机会就越小[15-18]。因此，考察了加入BCA-210S的水泥浆在30和40 ℃下的静胶凝强度，结果见图2和图3。由图2和图3可知，在40 ℃下静胶凝过渡时间为10 min，30 ℃静胶凝过渡时间为9 min，同时研究了40、30 ℃下强度发展情况，采用单轴压力机测定试块强度，40 ℃下4 h强度为3.4 MPa，6 h强度为7.7 MPa，30 ℃下8 h强度为5.3 MPa，与静胶凝强度发展曲线基本是吻合的。由此可知，在30和40 ℃时，BCA-210S水泥浆体系的静胶凝过渡时间都在15 min以内，对防气窜是非常有利。

1#100 g SWG+3 g BXF-200L+2 g BCA-210S+ 42 g水（40 ℃）

2#100 g SWG+3 g BXF-200L+3 g BCA-210S+ 42 g水（30 ℃）

图2　在40 ℃下水泥浆静胶凝发展情况

图3　在30 ℃下水泥浆静胶凝强度发展情况

3　结论

1.考察了组分A、B和组分C分别在纯水泥和BXF-200L水泥浆中的促凝效果，并研究了各组分复配后的促凝效果，最终选定A、B、C三组分的最佳复配比例为2∶1∶0.5。

2.在不同温度下考察了BCA-210S在AMPS类水泥浆体系中的促凝效果。结果表明，在25、30、40、50及60 ℃下，通过改变BCA-210S的加量可以将水泥浆的稠化时间控制在60 min左右。

3.考察了30和40 ℃下BCA-210S对水泥浆静胶凝强度的影响。结果表明，BCA-210S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的过渡时间，具有较好的防窜作用；加入BCA-210S的水泥浆早期强度发展快，具有优异的低温早强效果。

参 考 文 献

[1]屈建省，许树谦，郭小阳，等.特殊固井技术[M].北京：石油工业出版社，2006：4-14. Qu Jiansheng，Xu Shuqian，Guo Xiaoyang，et al. Complex cementing techniques[M].Be Jing：Petroleum Industry Press ， 2006：4-14.

[2]王瑞和，王成文，步玉环，等.深水固井技术研究进展[J].中国石油大学学报（自然科学版），2008，32（1）77-81.Wang Ruihe，Wang Chengwen，Bu Yuhuan，et al. Research development of deep water cementing technique[J].Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2008，32（1）77-81.

[3]张成金，严海兵，冷永红.超细低密度水泥浆的研制及其应用[J].天然气工业，2009，29（10）：54-56. Zhang Chengjin，Yan Haibing，Leng Yonghong. Development of superfine and low-density cement slurry and its application in the lg gas field[J].Natur Gas Ind Volume ，2009，29（10）：54-56.

[4]雷群，王红岩，赵群，等.国内外非常规油气资源勘探开发现状及建议[J].天然气工业，2008，28（12）：7-10. Lei Qun，Wang HongYan，Zhao Qun，et al.Status analysis and advices on exploration and development of unconventional Hydrocarbon resources[J]. Natur Gas Ind Volume， 2008，28（12）：7-10.

[5]杨远光，张继尹，马思平.油井水泥低温早强剂室内研究[J].西南石油大学学报：自然科学版，2009，31（1）：141-144. Yang Yuanguang，Zhang Jiyin，Ma Siping.Laboratory study on low temperature early strength agent of oil well cement slurry[J].Journal of Southwest Petroleum University（Science & Technology Edition），2009，31（1）：141-144.

[6]杨波勇，张金生，李丽华，等.早强剂的制备及评价[J].辽宁石油化工大学学报，2012，32（3）：29-32. Yang Boyong，Zhang Jinsheng，Li Lihua，et al. Preparation and characterization of early strength accelerator[J]. Journal of Liaoning Shihua University ，2012，32（3）：29-32.

[7]王成文，王瑞和，步玉环，等.深水固井水泥性能及水化机理[J].石油学报，2009，30（2）：280-284. Wang Chengwen，Wang Ruihe，Bu Yuhuan，et al.Properties and hydration mechanism of deepwater cementing system[J].Acta Petrolei Sinica，2009，30（2）：280-284.

[8]Baireddy R R， Russell M F.Cementing casing strings in deepwater offshore wells：USA，6454004B2[P].2002-09-24.

[9]Jack M，Gerg G，Stephan H，et al.Process of well cementing in cold environment：USA，6955220B2[P]. 2005-10-18.

[10]韩卫华，佟刚，杨红歧，等.一种新型油井水泥低温早强剂[J].钻井液与完井液，2006，23（3）：31-33. Han Weihua，Tong Gang，Yang Hongqi，et al.A new low temperature high early strength cement for oil well[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2006，23（3）：31-33.

[11]王瑞和，齐志刚，步玉环，等.一种新型曼尼希碱促凝剂的性能研究[J].石油钻探技术，2009，37（3）：13-16. Wang Ruihe，Qi Zhigang，Bu Yuhuan， et al.Study of a new mannich-based accelerating agent[J].Petroleum Drilling Techniques，2009，37（3）：13-16.

[12]Murray J R，Robet L D，Ramy N E.Transition time of cement slurries， definitions and misconceptions，related to annular fluid migration[R].SPE 90829，2004.

[13]屈建省， 席方柱， 谭文礼， 等.深水油气井浅层固井水泥浆性能研究[J].石油钻探技术， 2011， 39（2）：22-26. Qu Jiansheng，Xi Fangzhu，Tan Wenli，et al.Study on shallowformation cement slurry performance in deepwater drilling[J].Petroleum Drilling Techniques，2011，39（2）：22-26.

[14]Makar J M，Chan G W，Esseghaier K Y.A peak in the hydrationreaction at the end of the cement induction period[J].Journal of Materials Science，2007，42（4）：1388-1392.

[15]王瑞和，姜林林，步玉环.矿渣MTC水化机理实验研究[J].石油学报，2008，29（3）：442-446. Wang Ruihe，Jiang Linlin，Bu Yuhuan.Experimental study onhydration mechanism of slag MTC[J].Acta Petrolei Sinica，2008，29（3）：442-446.

[16]Nie Zhen，Xia Boru，Zheng Xiushan，et al.New cementing tech-nologies successfully solved the problems in shallow gas，lowtemperature and easy leakage formations of North Buzachi Oilfield[R].SPE 131810，2010.

[17]高元，杨广国，常连玉，等.塔河油田桥古区块防气窜固井技术[J].石油钻采工艺，2013，35（6）：40-43. Gao Yuan，Yang Guangguo，Chang Lianyu，et al. Cementing technology for gas channeling prevention in qiaogu block of tahe oilfield[J].Oil Drilling & Production Technology，2013，35（6）：40-43.

[18]姚晓，吴叶成，黎学年.国内外固井技术难点及新型水泥外加剂特性评析[J].钻井液与完井液，2005，22 （2）：11-14. Yao Xiao，Wu Yecheng，Li Xuenian.The technical difficulties and analysis of new cement admixture in domestic and abroad[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2005，22（2）：11-14.

收稿日期（2015-12-01；HGF=1601C1；编辑 王超）

作者简介：第一孙晓杰，男，工程师，硕士，1986年生，主要从事油井水泥外加剂的研究工作。电话 （022）66310331；E-mail：sxjbz2008@163.com。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.017

中图分类号：TE256.3

文献标识码：A

文章编号：1001-5620（2016）01-0084-04