中低温缓凝剂的研究与应用

安 娜，魏周胜，周兴春，李 鹏

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，陕西西安 710018）

长庆油田致密油开发大量采用水平井钻井，随着技术进步，水平段不断在增长。目前水平段长集中在1500 m～3000 m。此类工艺井表现为埋深浅、含水高、温度低，固井要求低温下水泥浆具有较长的稠化时间、水泥浆体系稳定且水泥石早期强度高。传统的油井水泥缓凝剂易出现加量大、热稳定性差、对水泥石强度发展影响较大等问题[1]。无机缓凝剂使用温度范围＜60℃，且只在低温下缓凝效果明显，但水泥石强度损失大。现普遍采用淀粉类缓凝剂，其使用温度范围＜90℃，在70℃～80℃使用效果最好。在低温时缓凝效果不明显，加量大、水泥浆增稠明显、对水泥石强度影响巨大。聚合物类缓凝剂使用温度范围＜240℃，高温度下缓凝效果良好。但在低温下会引起水泥过缓凝现象。为了克服上述缺点，在中低温下获得最佳缓凝效果，需要研发新型复配缓凝剂，对其性能进行评价和分析，并对现场应用情况进行探讨。

1 中低温缓凝剂的研究

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）是连接羧酸、膦酸等起缓凝作用的活性很高的共聚单体，具有高活性和耐温耐盐性能好的特点[2]，起骨架作用。羟基羧酸盐分子能在碱性环境中形成不稳定的络合物。水解后的α-羧基（H3C-CO-）与水泥水化的水溶液中钙离子生成络合物'降低了水泥水化诱导期的钙离子浓度，阻止Ca（OH）2和钙盐晶体的生成、析出，而延缓水泥水化的进程。

技术思路：单一缓凝剂加量大，对强度影响大。优选AMPS和羟基羧酸盐复合作为单体。二组分互补，缓凝时间明显延长、扩大温度使用范围，对强度影响小。引入聚合物分散剂使二组分间发挥更好的协同作用。其不仅能延长稠化时间，还可作为分散剂改善流动性，降低稠度。为消除缓凝剂在固井现场加量相对较少，混配难度高、混配不均匀影响施工安全的弊端，特引入无机盐B增强稳定性、增大加量以降低敏感性、便于混配操作。

合成的宽温度带缓凝剂：AMPS+羟基羧酸盐+聚合物分散剂+无机盐，施工安全性高，可显著提高水泥浆各项综合性能。

2 GJ-H性能评价

2.1 稠化时间可调性

试验条件：G级水泥+缓凝剂，水灰比为0.44，做稠化试验（见表1、图1）。

图1 不同温度不同加量下的稠化时间

从图1看出，在40℃～90℃范围内，缓凝剂都能发挥良好作用。在适宜稠化时间范围内，同等温度下稠化时间随着加量的增加而增加，呈很好的线性关系，判定其稠化时间可调；同等加量下，稠化时间随着温度的升高而减少。

2.2 温度敏感性试验

温度敏感性:试验温度增加5℃条件下的稠化时间变化率。考察温度变化对水泥浆稠化时间的影响程度，值越小固井作业安全性较好[3]。

TTCR=（TTT+5-TTT）/TTT（温度敏感性指标＜20%）

中低温缓凝剂在不同温度条件下每增加5℃的稠化时间变化率＜20%，符合温度敏感性指标（见表2）。

表2 每增加5℃条件下的水泥浆稠化时间表

2.3 加量敏感性

缓凝剂用量变化对稠化时间的影响程度。系数越小调节越容易、越安全（见表3）。

表3 同一温度下不同缓凝剂加量的水泥浆稠化时间表

加量敏感系数=T稠化时间增加率/缓凝剂用量增加率（指标 0.1～3.0）

中低温缓凝剂在不同温度范围内加量敏感系数均符合温度敏感性指标0.1～3.0。

2.4 缓凝剂水泥浆游离液量的测定（见表4、图2）

表4 不同温度不同加量下水泥浆游离液值

图2 不同温度不同加量时水泥浆游离液值

由图2可知，该缓凝剂能够有效地控制水泥浆自由水且随着加量增加游离液减少。主要是因为其分子链上有高活性的磺酸基团（-SO3-）和羧酸基团（-COO-），这些极性基团既能够束缚住自由水，又能在浆体中互相连接和缠绕，并形成一定的空间网状结构，阻止了水泥颗粒的沉降作用和自由水析出[4-6]，从而使水泥浆体系具有良好的稳定性。

2.5 缓凝剂对强度发展的影响

图3 不同温度下水泥石强度发展曲线图

结果表明：该水泥浆体系前期抗压强度发展迅速。40℃8 h时强度达到8.2 MPa，24 h强度19.8 MPa，48 h强度25.1 MPa完全满足固井施工需求。同一缓凝剂加量下，随着温度的升高水泥石强度增加。随着温度的升高，水泥浆的早期强度发展越来越快（见图3、表5）。

同一温度下，随着缓凝剂加量的增大水泥石强度降低。但稠化时间与强度均满足施工性能（见表6）。

2.6 中低温缓凝剂与淀粉缓凝剂对比

不同温度下不同缓凝剂的水泥石强度发展趋势（见图4、表7）。由图4可看出：在同等温度同等加量下，中低温缓凝剂与淀粉类缓凝剂稠化时间相差不大；但中低温缓凝剂的强度大于淀粉类缓凝剂。

表5 不同温度不同时间下水泥石强度值

表6 同一温度（75℃）不同加量下水泥石强度值

表7 与不同类缓凝剂性能对比

图4 不同温度下不同缓凝剂的水泥石强度发展曲线图

3 水泥浆体系

针对不同区块特性，通过试验优选适应水泥浆体系的早强剂、降失水剂、增强剂，提高体系综合性能，使之满足相应固井需求。

经过试验调配，形成基础配方：G级水泥+降失水剂+早强剂+增强剂+缓凝剂。

数据显示：低温缓凝剂与其他外加剂配伍性良好，中低温稠度系数较小，流动度大于20 cm，说明该水泥浆体系摩阻较小，有利于降低泵注压力（见表8）。

4 现场应用情况

该水泥浆体系在不同区块不同温度范围共现场应用30口井，油井13口、气井17口。现以固平39-X井现场应用为例进行说明（见表9）。

（1）水平井固平39-X位于甘肃省庆阳市，井深4562 m、垂深1810 m、水平段长2524 m，采用一次上返工艺。

表8 水泥浆体系基础性能

表9 固平39-X井尾浆水泥浆性能

（2）水泥浆体系配方：G级水泥+降失水剂+增强剂+增韧剂+GJ-H。

应用GJ-H现场试验，固井质量优质、应用效果良好，能够满足水平井等特殊工艺井施工需要，水泥浆体系稳定且水泥石早期强度高。该水泥浆体系的推广运用，为进一步提高固井质量提供了可靠的技术支撑。

5 结论

（1）缓凝剂GJ-H性能稳定，在40℃～90℃的温度范围性能优良，可有效延长稠化时间、对强度影响小、各项性能指标均符合中低温缓凝剂标准。该缓凝剂可降低加量敏感性、便于混配操作、保证施工安全。

（2）加入GJ-H的水泥浆体系具有温度使用范围宽、中低温稠化时间长、强度高、过渡时间短、防窜性能佳等优异的综合性能。

（3）2017年该水泥浆体系在气井、油井、水平井开展现场试验30口井，现场施工正常、固井质量合格。