适用于深水浅层疏松砂岩地层的水泥浆体系外加剂优选技术研究*

刘兆年，岳家平，王 杰，孙 挺，武治强

（1.海洋石油高效开发国家重点实验室，北京100028；2.中海油研究总院有限责任公司，北京100028；3.中国石油大学（北京），北京102249）

关键字：深水；疏松砂岩；外加剂；低密度水泥浆

前 言

深水疏松砂岩地层固井由于地层温度低、地质疏松、伴有浅层气等问题[1～2]，导致水泥浆抗压强度低、流变性差、顶替效率低，井壁不稳定、二界面胶结强度低等一系列问题，导致固井施工困难。为解决这一系列问题，就必须使用适合的早强剂，分散剂等来增加低密度水泥浆体系性能[3～6]。

外加剂主要起维持水泥浆体系稳定性、增加水泥石抗压强度，控制失水和调节稠化时间的作用。尤其是早强剂和分散剂是改善浅层疏松砂岩低密度水泥浆体系低温下抗压强度低，流变性差的关键。

目前市场上已有了很多种外加剂可供选择，它们价格昂贵且性能相差很大，它们的成分和作用原理也有很大差异，因此高价格外加剂并不完全适应所有水泥浆体系，且加量也并不是越多越好。针对深水浅层砂岩地层选取合适的外加剂，才能增加低密度水泥浆的性能，达到固井要求。而外加剂的昂贵价格也是固井成本过高的关键，对外加剂进行适应性甄别，衡量性能与成本双重因素，优选高性价比外加剂，才能实现水泥浆体系的降本增效。

本研究调研多种外加剂[7～9]，结合深水疏松砂岩地质特点，通过对比实验，优选出具有高性价比的外加剂，形成一套适应于深水浅层疏松砂岩地层低密度水泥浆体系。该水泥浆体系密度范围在1.4～1.7g/cm3,满足沉降稳定性要求，流动性好，24h抗压强度大于12MPa，48h抗压强度大于14MPa，满足深水浅层疏松砂岩地层固井要求。

1 外加剂优选

浅层疏松砂岩地层的低密度水泥浆体系要求在较低温度条件下具有良好的浆体稳定性同时应兼具较高养护强度，因此早强剂优选就是构建水泥浆体系关键。浅层砂岩地层温度低导致浆体流变性差，顶替效率低，分散剂是改善浆体流变性的关键。浅层疏松砂岩中伴有浅层气时会产生固井漏失，浆体失水量变大，降失水剂是改善浆体失水量的重要添加剂。而高性能外加剂会带来昂贵的价格，导致固井成本大幅度提升，如何选择高性价比外加剂就成了关键。

因此[l3]本研究调研选取多种不同类型早强剂，分散剂，降失水剂，缓凝剂，增强剂等外加剂，进行不同加量实验，按照国标GB/T19139－2012“油井水泥试验方法”，测定其抗压强度，流变性，失水量，稠化时间等，确定出达到浅层疏松砂岩固井标准的外加剂最低加量，计算每吨水泥外加剂成本，以此评价外加剂性价比，优选出具有高性价比外加剂。

1.1 早强剂对水泥浆体系影响

本 研 究 中 调 研 了SD-1，CS-3，XN-1、ACL、CG-4和APS等六种市场常用的早强剂，其中SD-1、CS-3、XN-1为无机早强剂，CG-4和APS为有机早强剂，ACL为复合早强剂。实验室温度50℃。根据固井标准，海洋固井低密度水泥浆体系24h抗压强度大于12MPa，48h抗压强度大于14MPa。

不同类型早强剂不同加量的实验数据如表1所示，不同早强剂随加量的变化趋势见图1。从图中可看出早强剂SD-1在较大的加量时对抗压强度提高幅度较大，早强剂ACL，APS在加量较少时对抗压强度提高幅度较大，早强剂XN-1，CG-4对抗压强度性能影响不大，甚至降低了水泥浆体系抗压强度。水泥浆体系24h抗压强度达到12MPa以上的水泥浆添加剂加量分别SD-1为3%、ACL为1%、APS为1.5%，CS-3为5%左右。早强剂ACL抗压强度值大于其他类型早强剂，总体性能较好。成本从低到高为ACL、CS-3、SD-1、APS，因此ACL性价比最高。本低密度水泥浆选用早强剂ACL且加量为2%。

表1不同早强剂对水泥浆体系抗压强度的影响Table 1 The effect of different early strength agents on the compressive strength of cement slurry system

图1不同早强剂随加量变化趋势Fig.1 The variation trend of different early strength agents with dosages

1.2 分散剂对水泥浆体系的影响

本研究调研了CF410L、FRC、DIPL、CF42L、SXY等五种常用分散剂，其中CF410L、FRC为羧酸盐类，DIPL为聚萘磺酸盐，CF42L为醛酮加成聚合物，SXY为磺酸盐类。

不同分散剂对水泥浆流变性的影响见表2。由表2可见，加入分散剂后，水泥浆的流变性得到了不同程度的改善，其中对水泥浆流变性改善程度较大的分散剂是CF410、CF42L和DIPL。但加入分散剂后水泥浆的抗压强度有所降低，失水量有所增加，分散剂CF410L对水泥浆的抗压强度和失水性能的不利影响较大，这不利于水泥浆体系的设计。综合考虑选用分散剂CF42L作为低密度水泥浆的分散剂。

对分散剂CF42L进行了不同加量实验，见表3。从表3中可以看出随着分散剂加量的不断增大，水泥浆流变性改善程度越来越大。当分散剂加量达到4%时，水泥浆的流变性改善较大。当加量大于4%时，分散剂加量的继续增大对水泥浆流变性改善幅度下降。当分散剂掺量大于8%时，会出现少量的自由液，影响水泥浆体系性能。本低密度水泥浆体系分散剂选择CF42L且加量为4%。

表2不同分散剂对水泥浆流变性的影响Table 2 The effect of different dispersants on the rheological property of cement slurry

表3分散剂CF42L不同加量对水泥浆的影响Table 3 The effect of different dosages of dispersant CF42L on the cement slurry

1.3 降失水剂对低密度水泥浆体系的影响

本 研 究 调 研 了FLO、RWL-12、RWL-80、CG81L、CG-70等五种降失水剂。其中FLO为丙烯酰胺共聚物，RWL-12为纤维素类，RWL-80为聚胺类，CG81L为三元共聚物，CG-70为二元共聚物。

不同降失水剂对低密度水泥浆体系的影响见表4。由表4可知加入不同降失水剂后，水泥浆体系的失水量有不同程度的下降，效果最好的是RWL-12和CG81L，CG-70。降失水剂对稠化时间有一些影响，其中RWL-12严重影响了水泥浆的稠化时间。因此选择性能较好的CG81L和价格相对便宜的FLO、CG-70做不同加量的实验，见表5及图2。

图2不同降失水剂随加量变化趋势Fig.2 The variation trend of different fluid loss agents with dosages

由图2可看出，随降失水剂加量的增大，失水量逐渐变小，当加量较大时，失水量的下降幅度趋于平缓。当失水量小于100mL时，降失水剂FLO、CG81L、CG-70加量分别为6%、4%和4%，且降失水剂CG81L的失水量下降幅度大，总体性能较好。CG-70和CG81L成本相近，FLO成本较高，因此CG81L的性价比最高。因此本低密度水泥浆体系降失水剂选择CG81L，加量为4%。

表4不同降失水剂对水泥浆体系的影响Table 4 The effect of different fluid loss agents on the cement slurry system

1.4 缓凝剂对低密度水泥浆体系的影响

本研究调研了RE-L、HL-2、CTR、PBT、W120等五种缓凝剂。其中RE-L为复合缓凝剂，HL-2为无机化合物，CTR为酒石酸及其盐类，PBT为木质素磺酸盐类，W120为无机化合物。

不同缓凝剂对低密度水泥浆体系的影响见表6。从表6中可以看出加入缓凝剂后，水泥浆体系的稠化时间有不同程度的增加，且RE-L的稠化时间最长。选择性能较好的RE-L和价格相对便宜的HL-2、PBT做不同加量实验，具体数据见表7及图3。

老年人一般对高新技术产品的关注度不高，所以老年人口比例的增长可能会使一些高新技术产品的消费力度下降，迫使新兴产业的生产力度减小，从而给社会经济增长带来一定影响。为避免这一现象的发生，国家应该重视新兴产业的建设，鼓励新兴产业的投资，大力支持和发展新兴产业。

从图3中可以看出，缓凝剂RE-L的应用效果明显比缓凝剂HL-2和PBT的效果好。当稠化时间大于180min时，缓凝剂RE-L、HL-2、PBT的加量分别是1%、1.5%、2%。成本由低到高为RE-L、HL-2、PBT，因此RE-L的性价比最高。本低密度水泥浆体系缓凝剂选择RE-L，加量可根据具体施工条件确定。

表7不同缓凝剂不同加量的影响Table 7 The effect of different amounts of retarders

图3不同缓凝剂随加量变化趋势Fig.3 The variation trend of different retarders with dosages

1.5 增强剂对低密度水泥浆体系的影响

本研究调研了ESC-S、EC-3、ST-L、CSE-4等四种增强剂。其中ESC-S为复合增强剂，EC-3为无机盐增强剂，ST-L为复合增强剂，CSE-4为硅。

不同增强剂对水泥浆体系的影响见表8。从表中可以看出在相同加量条件下，增强剂ESC-S的增强效果更好，且增强剂ESC-S成本较低。从表9中可以看出随着增强剂ESC-S掺量增加，水泥石抗压强度增大。在增强剂加量较少时水泥石抗压强度增大较明显，当掺量大于2%时，水泥石抗压强度增长幅度减小。因此本低密度水泥浆体系增强剂选择ESC-S，且加量为2%。

表8不同增强剂对水泥浆体系的影响Table 8 The effect of different enhancers on the cement slurry system

表9增强剂ESC-S不同加量对水泥浆体系的影响Table 9 The effect of different dosages of enhancer ESC-S on the cement slurry system

2 低密度水泥浆体系综合性能

以G级水泥为基础材料，添加所优选出的高性价比外加剂，形成了密度在1.40～1.70g/cm3的低密度水泥浆体系。

对水泥浆体系进行了抗压强度，失水，流变，稠化时间，沉降稳定性等性能测试，结果如表10所示。结果表明，该水泥浆体系沉降稳定性良好，上下密度差不大于0.01g/cm3；流变性能良好，失水量少，都控制在100mL以内，稠化曲线平滑，近直角稠化，稠化时间可调；24h抗压强度大于12MPa，48h抗压强度大于14MPa。水泥浆综合性能良好，满足固井施工要求。

表10水泥浆体系综合性能Table 10 The comprehensive properties of the cement slurry system

3 水泥浆体系胶结强度研究

对低密度水泥浆体系进行模拟固井实验，测定水泥浆体系第二交界面的胶结强度值，以评价水泥浆体系现场应用效果。

3.1 实验模型与方法

1）实验模型

实验模型应该满足以下条件：（1）模拟的地层土成分与深水浅层砂岩成分相近或相同；（2）水泥浆体系为：G级水泥+漂珠+上述实验所选取的外加剂；（3）实验所用的套管模拟海上常用的7＂套管，即外径为177.8mm，钢级为N80，井眼寸为247mm，深度为800mm。

2）实验方法

在模具中将实验土反复压实静置24h。在实验土中挖出井眼，放入套管，并注入预配好的水泥浆。在实验土上层注入水层，等待候凝时间点，本次设置两个时间点2d和7d。候凝时间结束后将套管与拉力装置连接，测力计匀速上提套管直至胶结面破坏；记录最大拉力，水泥环长度及内外径。

图5现场模拟实验Fig.5 The field simulation experiment

3.2 胶结强度的影响

第二界面的胶结质量是衡量固井标准的关键指标，界面的胶结质量及强度直接影响着油井的使用寿命、开发效益及油田开发的安全性。因此本研究测定水泥浆体系的胶结强度，实验数据见表11。

表11水泥浆体系胶结强度Table 11 The cementation strength of the cement slurry system

从表11中可以看出，密度对水泥石胶结强度有一定的影响，随着密度的增加，胶结强度增大。随着候凝时间的延长，水泥浆的胶结强度增大，养护7d的胶结强度增加了0.5MPa左右。不同密度的水泥浆体系候凝时间为2d的胶结强度都大于0.8MPa，候凝时间为7d的胶结强度都大于1.2MPa。

4 结论

（1）对水泥浆体系外加剂进行了对比实验，优选出具有高性价比的外加剂，实现对常规低密度水泥浆体系的降本增效。

（2）确定了适应于深水浅层疏松砂岩地层低密度水泥浆体系外加剂最佳配方：早强剂ACL加量2%，分散剂CF42L加量4%，降失水剂CG81L加量4%，缓凝剂RE-L加量2%，增强剂ESC-S加量2%。

（3）该低密度水泥浆体系密度在1.40～1.70g/cm3可调，水泥浆体系在50℃下，24h抗压强度大于12MPa，48h抗压强度大于14MPa，浆体稳定，失水少，稠化性能良好。

（4）不同密度的水泥浆体系候凝时间为2d的胶结强度都大于0.8MPa，随着密度的增加，胶结强度增大。