不同类型固井水泥缓凝剂的作用特点对比

李晓骁，王 宇

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；2.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山 063009）

不同类型固井水泥缓凝剂的作用特点对比

李晓骁1，王 宇2

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；2.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山 063009）

针对高温固井和水平井固井中易发生“气窜”的现象，选出AMPS/SSS/IA、SN-3和BH三种缓凝剂，采用正交实验法对比三种缓凝剂对水泥石性能的影响。实验结果表明:三种缓凝剂中，AMPS/SSS/IA具有耐高温的特性，易于控制稠化时间，抗压强度影响较小；SN-3在低于100℃的条件下具有良好的稠化性能，加量对水泥石抗压强度影响最小。但在超过100℃后缓凝性能受到一定的波动，稠化时间变得不稳定；缓凝剂BH在80℃～160℃范围内具有良好的缓凝性能，易于控制稠化时间。但是缓凝剂BH对水泥石早期强度影响较大，施工过程中水泥浆强度的稳定性较差。

固井；缓凝剂；稠化时间；抗压强度

缓凝剂是水泥浆最重要的三大外加剂之一，被用来延缓油井水泥的水化反应、延长稠化时间来达到固井预期效果的通用“法宝”。目前，从化学成分上分析，国内外缓凝剂主要分为以下三类:木质素磺酸盐、合成类缓凝剂和智能缓凝剂。目前，国外七大油服公司所用的缓凝剂大多数属于木质素磺酸盐及其衍生物，如哈里伯顿公司的HR-4、HR-5（L）、HR-6（L）、HR-7（L）便是木质素磺酸盐和其衍生物产物[1]；高分子合成缓凝剂具有耐高温、抗盐性的性能，更加符合了现实工作中的需求，如国外Brothers等[2]研发出一种AMPS/AA（丙烯酸）二元共聚物用作缓凝剂可满足120℃的施工环境，Casabonne等[3]按硼砂（0.025～0.2）和甲撑膦酸衍生物和硼砂（0.025～0.2）质量比复配后制得耐高温缓凝剂可适用于121℃～260℃，适用于具备大温差特点的长封固段深井固井，国内李真祥等[4]研发出的宽温带缓凝剂AS是由AMPS和ASES共聚而成，它适合大温差固井，尤其满足长封固段固井的特别要求；智能缓凝剂是专门研发的稠化时间与温度变化无关的一类缓凝剂，目前仅适用于低于90℃的温度，否则水泥浆“倒挂”现象则会经常出现[5，6]。

结合国内缓凝剂的应用现状，初步选取了适合温度高、适应温差大的三种缓凝剂AMPS/SSS/IA共聚物、缓凝剂SN-3和缓凝剂BH，采取正交实验法进行稠化实验和早期抗压强度实验。优选出的缓凝剂对高温固井和水平井水泥浆体系具有重要的意义。

1 三种缓凝剂的缓凝机理

1.1 AMPS/SSS/IA共聚物的缓凝机理

AMPS/SSS/IA能够延长水泥浆的稠化时间的原因是由于分子中磺酸基团和羧酸基团中的氧原子具有很强的配位作用，与水泥浆中游离的Ca2+反应生成复杂的七元螯合体，抑制Ca（OH）2晶体发育；其次，AMPS/ SSS/IA会加快C3S的初期水化作用，增厚C3S水化过程形成的水化硅酸钙（C－S－H）凝胶包覆层，进而延长了稠化时间[7-9]。

1.2 缓凝剂SN-3的作用机理

缓凝剂SN-3的主要成分是羟基羧酸盐和葡萄糖酸盐。羟基羧酸盐存在的α或β羟基羧酸基团与游离的Ca2+形成复杂的螯合体来抑制Ca（OH）2晶体的发育；以及，葡萄糖酸盐在碱性环境下可以转化为葡萄糖酸，其含有α羟羰基会附着在水化硅酸钙（C-S-H）凝胶表面，延长水泥稠化时间[4，10]。

1.3 缓凝剂BH的作用机理

缓凝剂BH分子中含有羧酸基团、磺酸基团及亲水性长链。羧酸基团可以和水泥浆中游离的Ca2+形成复杂的螯合体来抑制Ca（OH）2晶体的发育，并降低溶液中阳离子的浓度；其次，BH分子可以附着在水泥颗粒的表面，减缓水化速度。并且，亲水性长链的空间位阻作用会延缓水泥水化产物的快速胶结，有利于延缓效果[11，12]。

2 实验及结果分析

2.1 实验仪器和材料

主要实验仪器有双缸高温高压养护釜（7375），高温高压翻转失水仪（7120），高温高压稠化仪（7025），高温高压流变仪（7400），千德乐；水泥强度试验机（LS-C（Ⅲ）），珠海欧美克；BP沉降管等。

主要实验材料有AMPS/SSS/IA聚合物、缓凝剂SN-3、缓凝剂BH、降失水剂JSS-4、降阻剂SZ-2、嘉华G级水泥等。

2.2 实验方法

本文实验方法按照《GB/T 19139-2003油井水泥试验方法》标准进行。

2.3 实验结果及分析

2.3.1 稠化性能测试 采用双缸高温高压稠化仪，模拟条件为70℃和30 MPa压力下，对加入加量为0.3%三种缓凝剂的水泥浆进行稠化性能测试，结果（见表1）。

从表1可以看出:加入AMPS/SSS/IA聚合物的水泥浆可以在60℃~120℃范围内达到良好的稠化性能，稠化时间稳定且过渡时间在15 min左右，满足直角稠化的要求；加入BH的水泥浆适用温度达到160℃，并且过渡时间稳定；加入SN-3的水泥浆适应温差最大，但是在100℃~130℃稳定性出现波动，稠化时间和过渡时间变得不可控。为此对加入0.3%SN-3的水泥浆进行不同温度下的稠化性能测试，结果（见图1）。可以看出水泥浆在100℃~120℃的两个温度波折点，适应温度的稳定性变差。

表1 加入三种缓凝剂的水泥浆稠化性能

图1 加入0.3%SN-3的稠化时间变化曲线

表2 不同加量的三种缓凝剂流变性测试

2.3.2 失水、流变性测试 水泥浆的失水量和流变性能是水泥浆性能测试的两个重要指标，使用的仪器是高温高压失水仪和流变仪。将加入0.3%的三种缓凝剂的水泥浆在70℃的恒定温度下养护20 min~30 min，测定条件为70℃、10 MPa条件下30 min的失水量，分别为14 mL、12 mL、14 mL，满足API标准。流变性能结果（见表2），显示三种配方下的水泥浆流变性能良好。

2.3.3 水泥石早期强度测试 将加入不同含量的三种类型聚合物的水泥浆样品在90℃和30 MPa条件下在高温高压稠化仪中养护24 h，测得水泥石的早期抗压强度结果（见图2）。

图2 三种不同加量的缓凝剂的早期抗压强度变化曲线

从图2可以看出:三种水泥浆样品早期抗压强度值都超过API标准14 MPa；加入缓凝剂AMPS/SSS/IA得到的水泥石强度随着缓凝剂加量的增加，其抗压强度变化相差不大，虽然在加量为0.5%~1%的强度值比没有添加缓凝剂的水泥石稍微有所降低，但仍满足API标准；加入SN-3的水泥浆硬化成水泥石的早期强度要比加入另两种缓凝剂的水泥浆硬化得到的水泥石早期强度低，但随着加量的增加强度会线性增长，加入SN-3使水泥浆性能稳定；加入缓凝剂BH水泥浆可以达到最高的抗压强度32 MPa，但是稳定性不足，比未加入缓凝剂得到的水泥石强度差最大要接近10 MPa。

3 结论

（1）缓凝剂AMPS/SSS/IA在120℃的高温条件下仍具有良好的稠化性能，具有良好的直角稠化性能，失水和流变性能满足API标准，并且其加量对水泥石抗压强度影响小，适合高温条件下的水平井固井。

（2）缓凝剂SN-3在低于100℃的条件下性质稳定，具有良好的流变性能和低失水，加量对水泥石抗压强度影响小。但在温度超过100℃尤其是100℃~130℃内，缓凝性能受到较大的波动，稠化性能不易控制，适合低于100℃大温差固井。

（3）缓凝剂BH在80℃～160℃范围内具有良好的稠化性能、流变性能和低失水标准。但是缓凝剂BH对水泥石早期强度影响较大，保证施工过程中水泥浆强度的稳定性较差，适合超高温固井。

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Study on the property comparison of different kinds of cement retarders

LI Xiaoxiao1，WANG Yu2
（1.College of Petroleum Engineering，Xi＇an Shiyou University，Xi＇an Shanxi 710065，China；2.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063009，China）

In view of the gas channeling on the high temperature cementing and horizontal well cementing,this paper selected three kinds of retarder AMPS/SSS/IA,SN-3 and BH to conduct property comparison experiment on the basis of single factor and orthogonal experiment method.The results showed that AMPS/SSS/IA had stable performance under high temperature,controlled the thickening time very well and affected the compressive strength of cement stone in the smaller degree in the process of cementation.SN-3 had stable performance and affected the compressive strength of cement stone in the smallest degree below the temperature of 100 degrees Celsius.But SN-3 had poor stable performance and couldn't control the thickening time very well over the temperature of 100 degrees Celsius.BH had stable performance and controlled the thickening time very well from 80 degrees to 160 degrees Celsius,but affected the compressive strength of cement stonerelatively in the highest degree and couldn't control the stability.

well cementation；retardant；thickening time；compressive strength

TE256.6

A

1673-5285（2017）04-0014-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.04.004

2017－03-10

唐山市自然科学基金“仿真水平井固井系统中水泥浆压力传递规律研究”，项目编号:15130250a。

李晓骁（1994-），西安石油大学在读硕士研究生，主要研究方向为油田化学及提高采收率，邮箱:544382061@qq.com。