川東地區(qū)近50 年來油井水泥外加劑應(yīng)用概況

摘　要: 文章綜述了川東地區(qū)近50 年來常用油井水泥外加劑的應(yīng)用及發(fā)展概況, 分別介紹了川東地區(qū)常用的八類油井水泥外加劑: 調(diào)凝劑、降失水劑、防沉淀劑、分散劑、消泡劑、早強(qiáng)劑、防氣竄劑和堵漏劑。文中重點闡述了各種常用油井水泥外加劑的定義、種類、組分、性能特點、作用、應(yīng)用及其發(fā)展?fàn)顩r, 并通過不同階段所用油井水泥外加劑的性能與應(yīng)用情況, 介紹了川東地區(qū)水泥試驗工藝技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。

關(guān)鍵詞: 川東地區(qū); 油井水泥; 外加劑; 性能; 應(yīng)用; 發(fā)展

　　油井水泥外加劑是指能按要求改變水泥漿性能而摻量不大于水泥質(zhì)量5% 的化學(xué)劑。川東地區(qū)近50 年來常用的油井水泥外加劑有: 調(diào)凝劑、降失水劑、防沉淀劑、分散劑、消泡劑、早強(qiáng)劑、防氣竄劑、堵漏劑等。

1.1　調(diào)凝劑

1緩凝劑

　　能延緩水泥水化反應(yīng)、延長水泥漿稠化(凝結(jié))時間的外加劑。

　　可以作為緩凝劑的物質(zhì)有: 木質(zhì)素磺酸鹽類、木質(zhì)素磺酸鹽的異構(gòu)及衍生物、羥基羧酸的鹽類、羥基羧酸的異構(gòu)和衍生物及鹽類、淀粉、糖類、鋅鹽(如ZnO )、硼酸鹽(如硼砂)、某些有機(jī)酸及其鹽類、胺類及其衍生物和各種羥基聚合物等。

　　川東地區(qū)常用的緩凝劑有: 硼酸、單寧酸、磺化單寧、酒石酸、龍膠粉、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、葡萄糖酸納、CMC- 8、H- 1、SD21、JH- 1、SN - 3等。①硼酸(H3BO 3 ) : 川東地區(qū)60 年代的緩凝劑,白色粉末, 增加析水, 一般單一使用, 抗溫可達(dá)60℃, 稠化(凝結(jié)) 時間隨加量、溫度變化的線性關(guān)系不良。

　?、趩螌幩?HT ) : 川東地區(qū)70～ 80 年代初期主要的緩凝藥品, 由五倍子提煉為產(chǎn)品, 灰黃色粉末,一般單一使用, 抗溫可達(dá)80℃。

　?、刍腔瘑螌?SM T ) : 川東地區(qū)70～ 90 年代初期主要抗高溫緩凝劑, 褐黃或棕色粉末, 分散性強(qiáng),單一使用抗溫可達(dá)95℃, 與超低粘羥乙基羧甲基纖維素CMC- 8、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽FCL S、萘磺酸鹽FDN、龍膠粉復(fù)配使用抗溫可達(dá)140℃, 高溫試驗復(fù)配太雜且稠化(凝結(jié)) 時間隨加量變化線性關(guān)系不良。

　?、芫剖?BKK) : 川東地區(qū)80～ 90 年代初期主要抗高溫緩凝藥品, 白色晶狀粉末, 理論抗溫可達(dá)200℃, 分散性強(qiáng), 水溶性好, 但增加析水嚴(yán)重, 單一使用抗溫可達(dá)95℃, 與超低粘羥乙基羧甲基纖維素CMC- 8、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽FCL S、萘磺酸鹽FDN、龍膠粉復(fù)配使用抗溫可達(dá)150℃, 存在催凝點、低溫井段容易超緩凝。

　?、蔟埬z粉: 川東地區(qū)80～ 90 年代初期主要抗高溫緩凝劑, 灰白或微黃色粉末, 理論抗溫可達(dá)180℃, 單一使用抗溫可達(dá)95℃, 與鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽FCL S、萘磺酸鹽FDN、酒石酸復(fù)配使用抗溫可達(dá)150℃。

　?、掼F鉻木質(zhì)素磺酸鹽(FCL S) : 川東地區(qū)70～90 年代初期主要抗高溫緩凝劑, 褐黃或棕色粉末,抗溫可達(dá)130℃, 單一使用抗溫可達(dá)100℃, 與超低粘羥乙基羧甲基纖維素CMC- 8、萘磺酸鹽FDN、酒石酸、龍膠粉復(fù)配使用抗溫可達(dá)150℃, 高溫試驗復(fù)配太雜且不利于環(huán)保。

　　⑦葡萄糖酸納: 川東地區(qū)90 年代主要抗高溫緩凝藥品, 白色粉末, 抗溫可達(dá)180℃, 不存在促凝點,水溶性好, 能改善水泥漿流動性能、但增加析水嚴(yán)重, 特別是用于D 級油井水泥, 加有葡萄糖酸鈉的水泥漿經(jīng)井底高溫上返至低溫井段的凝固時間較長, 低于60℃的情況下容易產(chǎn)生超緩凝。

　　⑧超低粘羥乙基羧甲基纖維素(CMC- 8 ) : 川東地區(qū)80 年代以來主要抗高溫緩凝劑, 灰白色纖維狀粉末, 抗溫可達(dá)110℃, 95℃范圍單一使用, 與羥基乙叉二膦酸(H- 1、JH- 1、SD21)、高溫緩凝劑(SN - 3)、葡萄糖酸納、醛酮縮合物分散劑(SXY、JZ- 1、U SZ)、葡萄糖酸納復(fù)配使用抗溫可達(dá)150℃。與其他油井水泥外加劑相溶性好。

　?、崃u基乙叉二膦酸(H- 1、JH- 1、SD21 ) : 川東地區(qū)80 年代以來主要中溫緩凝劑, 有效物含量50%左右, 粘稠無色或淺棕色液體, 密度1. 20～ 1. 40g／cm 3, 一分子H- 1含5 個- OH 官能團(tuán), 因而對水泥顆粒吸附力強(qiáng), 緩凝效果好, 抗溫可達(dá)100℃, 僅僅為0. 05%的加量, 就能使G 級水泥的稠化時間由59 分鐘增至180 分鐘。單一使用增加析水, 與聚乙烯醇類高溫降失水劑(RC800、YH- 1、BS100- 3、SD18 )、醛酮縮合物分散劑(SXY、JZ- 1、U SZ)、超低粘羥乙基羧甲基纖維素(CMC- 8 ) 或復(fù)合羥乙基纖維素中溫降失水劑(SZ1- 2、HYJ、BS100、SD15) 復(fù)配使用抗溫可達(dá)140℃, 使用方便, 稠化(凝結(jié)) 時間與加量呈較好的線性關(guān)系。對流動性能、強(qiáng)度影響不大, 與其他外加劑相溶性良好。

　　10SN - 3: 一種富含龍膠粉、葡萄糖酸鈉、羥基乙叉二膦酸的微黃色液體, 川東地區(qū)90 年代中期以來主要抗高溫緩凝劑, 可抗130℃以下溫度。與聚乙烯醇類高溫降失水劑(RC800、YH- 1、BS100- 3、SD18 )、醛酮縮合物分散劑(SXY、JZ- 1、U SZ)、超低粘羥乙基羧甲基纖維素(CMC- 8 ) 或復(fù)合羥乙基纖維素中溫降失水劑(SZ1- 2、HYJ、BS100、SD15) 復(fù)配使用抗溫可達(dá)145℃, 使用方便, 稠化(凝結(jié)) 時間與加量呈較好線性關(guān)系。對流動性能、強(qiáng)度影響不大, 與其他外加劑相溶性好, 可用于中深井和淺井。

1．2　促凝劑

　　能加速水泥水化反應(yīng)、提高水泥石早期強(qiáng)度的外加劑。主要用于淺井或低溫井的固井及堵漏等施工作業(yè), 它能有效能縮短水泥漿的凝結(jié)時間, 并提高水泥漿的早期強(qiáng)度。

　　可以作為促凝劑的物質(zhì)有: 氯化鈣、氯化鈉、三氯化鐵、氯化鋁、石膏、水玻璃、碳酸鈉等。川東地區(qū)常用促凝劑有: 氯化鈣、水玻璃。

　?、俾然}(CaCl2) : 灰白色固體, 易潮解, 價格便宜, 促凝效果明顯, 并能降低水泥漿析水, 提高水泥石早期抗壓強(qiáng)度。對G 級油井水泥其加量范圍可在5～ 25% 之間, 稠化(凝結(jié)) 時間可在2 小時到幾分鐘內(nèi)任意調(diào)節(jié)。但加入大量氯化鈣的水泥石后期強(qiáng)度衰退嚴(yán)重, 不利于后期生產(chǎn), 只被用于堵漏和反注固井。②水玻璃(N a2SiO 3) : 淺灰色粘稠液體, 視密度為1. 25～ 1. 45g／ cm 3, 強(qiáng)堿性, 與水泥漿混和后能顯著增加漿體的稠度, 有較強(qiáng)的促凝作用, 加量一般在3～ 15% 范圍內(nèi)。由于其施工時在井口與水泥漿直接混合, 施工風(fēng)險大, 主要應(yīng)用于淺井孔洞型堵漏。

2　降失水劑

　　能降低水泥漿游離液濾失量的外加劑。通過提高水泥漿濾液粘度, 改善泥餅質(zhì)量及圈閉自由水等降低水泥漿的失水量, 以降低失水帶來的各種危害, 也有利于改善水泥漿流變特性。

　　可以作用為降失水劑的物質(zhì)有: 羥乙基纖維素、羧甲基羥乙基纖維素、聚胺、磺化醚纖維素、聚醋酸乙烯脂、磺化聚乙烯甲苯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、膠乳等。

　　川東地區(qū)常用油井水泥降失水劑有: 聚乙烯醇類(RC800、YH- 1、SB100- 3、SD18 )、羥乙基纖維素類(SZ1- 2、HYJ、SD15)、膠乳類(PCR 168)。

2．1　聚乙烯醇類

　　川東地區(qū)1990 年以來油井水泥高溫降失水劑,淺灰白色顆粒, 一般與油井水泥混拌1. 0% , 95℃A P I 失水量為30～ 90m l, 與分散劑(SXY 或U SZ、JZ- 1)、羥乙基纖維素類(SZ1- 2或HYJ、SD15 )、緩凝劑(SN - 3或H- 1等) 復(fù)配抗溫可達(dá)140℃, 有一定的抗鹽能力, 與其他油井水泥外加劑相溶性好。

2．2　羥乙基纖維素類

　　川東地區(qū)1998 年以來油井水泥中溫降失水劑,淺灰白微褐色粉末, 一般與油井水泥混拌0. 5～ 1.0% , 90℃A P I 失水量100～ 250m l。與分散劑(SXY或U SZ、JZ- 1 )、聚乙烯醇類(RC800 或H- 1、SB100- 3、SD18 )、緩凝劑(SN - 3 或H- 1 等) 復(fù)配抗溫可達(dá)140℃, 與其他油井水泥外加劑相溶性好。

2．3　膠乳類

　　白色粘稠液體, 2005 年川東地區(qū)小井眼采用Ф127～ 139mm 尾管固井5 井次, 一般與油井水泥加量5. 0～ 10. 0% , 95℃A P I 失水量為20～ 50m l, 與分散劑復(fù)配使用抗溫可達(dá)130℃, 與其他油井水泥外加劑相溶性好。

3　防沉淀劑

　　能有效控制水泥漿中固體顆粒沉淀的外加劑。可以用作防沉淀劑的材料有: 纖維素、膨潤土、微細(xì)膨脹珍珠巖粉、微細(xì)硅粉、微細(xì)硅藻土粉(比表面積≥3500m 3ökg) 等。主要用于低密度水泥漿、特殊配方水泥漿中起懸浮穩(wěn)定和減少物理收縮的作用。

　　川東地區(qū)常用油井水泥防沉淀劑有: 羥乙基羧甲基纖維素(CMC- 1)、鈉質(zhì)膨潤土。

3．1　羥乙基羧甲基纖維素

　　白色細(xì)纖維顆粒, 通常加量為油井水泥的0. 15～ 0. 5‰, 主要用于低密度水泥漿體系起懸浮穩(wěn)定和減少物理收縮的作用。

3．2　鈉質(zhì)膨潤土

　　微黃淺灰色粉末, 通常采用細(xì)度200 目, 視密度2. 4～ 2. 6gö cm 3, 造漿率14～ 16m 3öt, 通常加量為油井水泥的2. 0～ 5. 5‰, 用于膠乳水泥漿體系起懸浮穩(wěn)定和減少物理收縮的作用。

4　分散劑

　　通過與水泥顆粒吸附以改變水泥顆粒電性和水化作用來促進(jìn)水泥漿分散, 改善水泥漿的流動(變)性, 降低施工泵壓, 提高頂替效率。同時, 分散劑的加入能降低水灰比, 有利于提高水泥漿的密度和改善水泥漿流變特性。

　　可作用為分散劑的物質(zhì)有: 木質(zhì)素磺酸鹽系列(如FCL S、木質(zhì)素磺酸鈣)、萘磺酸鹽系列(如FDN、CRF- 2 等)、水溶性樹脂類(如SM )、磺化丙酮甲醛縮聚物(如SXY、SA F、U SZ、JZ- 1等)。

　　川東地區(qū)常用油井水泥分散劑有: 木質(zhì)素磺酸鹽系(FCL S)、萘磺酸鹽(FDN )、磺化丙酮甲醛縮聚物(SXY、U SZ、JZ- 1)。

　　三者都是人工合成的聚合物, 外觀為微黃色或棕褐色粉末。在低溫下(80℃以下) 三者的分散效果基本相當(dāng), 但高溫下(80℃以上) 磺化丙酮甲醛縮聚物、木質(zhì)素磺酸鹽的分散效果優(yōu)于萘磺酸鹽, 磺化丙酮甲醛縮聚物和木質(zhì)素磺酸鹽與聚乙烯醇類高溫降失水劑(RC800 或YH- 1、BS100- 3、SD18 )、超低粘羥乙基羧甲基纖維素(CMC- 8 ) 或復(fù)合羥乙基纖維素中溫降失水劑(SZ1- 2 或HYJ、BS100、SD15 )、緩凝劑( SN - 3 或H- 1 等) 復(fù)配使用抗溫可達(dá)抗溫可達(dá)150℃。

5　消泡劑

　　能有效清除水泥漿中微泡、恢復(fù)真實密度、排除微泡對水泥石強(qiáng)度影響的外加劑。

　　可以作用為油井水泥消泡劑的物質(zhì)有: 磷酸三丁脂類、有機(jī)硅類、硅酮縮合物類等。

　　川東地區(qū)1989 年以來常用油井水泥消泡劑為磷酸三丁脂類(XP- 1、HSE- 6 ) , 它們都屬于陰離子型表面活性劑, 無色或微黃色透明液體, 易溶于水,視密度0. 8～ 1. 0gö cm 3, 11000röm in 攪拌3m in 靜置10m in 后密度恢復(fù)率≥65%。只需在水泥漿中加入0. 05%左右就能很快清除微泡。

6　早強(qiáng)劑

　　能提高水泥石早期強(qiáng)度的外加劑。

　　可以作用為油井水泥早強(qiáng)劑的物質(zhì)有: 季胺鹽類(如三乙醇胺)、無機(jī)鹽類(如N aCl、KCl、CaCl2、水玻璃N a2SiO 3) 等。

　　川東地區(qū)2000 年以來常用油井水泥早強(qiáng)劑為季胺鹽類和無機(jī)鹽類形成的混合物ST - 1、CXB6- 1,均為微黃色液體。ST - 1 組分為三乙醇胺和微量N a2SiO 3 與KCl, CXB6- 1 組分為三乙醇胺和微量N a2SiO 3、N aCl、CaCl2。二者的加量通常為油井水泥重量的0. 5～ 1. 0% , 在相同試驗條件下早期強(qiáng)度增長率基本一致(46～ 78% )。主要用于提高低密度、超低密度、加重水泥體系的早期強(qiáng)度。

7　防氣竄劑

　　能在固井過程中和施工結(jié)束后防止氣體運(yùn)移的水泥外加劑。

　　川東地區(qū)以前在水泥試驗工藝方面解決氣竄的方法較單一, 常采用兩凝水泥漿固井。1989 年以來用微膨脹劑、防氣竄劑封固高壓氣井, 有效控制了施工過程中氣體運(yùn)移以及水泥漿在形成強(qiáng)度時體積收縮產(chǎn)生的“失重”效應(yīng), 確保了固井施工質(zhì)量與安全。

　　可以作用為油井水泥防氣竄劑的物質(zhì)有: 氧化鋁A l2O 3、石膏Ca2SO 4、氧化鈣CaO 等。川東地區(qū)常用油井水泥防氣竄劑按其組分含量和膨脹率分為微膨脹劑(SEP- 2、PZ- 1、SDP- 1 ) 和防氣竄劑(YH- 06、FQ - 3)。

7．1　微膨脹劑

　　灰白色粉末, 由A l2O 3、Ca2SO 4、CaO 等組成, 通常與油井水泥干混, 加量為油井水泥重量的3～5% , 其線型膨脹率K 值達(dá)0. 35～ 0. 5% , 早期強(qiáng)度增長率25～ 35% , 主要用于高壓氣井固井。

7．2　防氣竄劑

　　灰白色粉末, 由A l2O 3、Ca2SO 4、CaO 等組成, 區(qū)別在于A l2O 3 含量高于微膨脹劑, 通常與油井水泥干混, 加量為油井水泥重量的3～ 5% , 其線型膨脹率K 值達(dá)0. 6～ 0. 8% , 早期強(qiáng)度增長率45～ 60% ,主要用于超高壓氣井固井。

8　堵漏劑

　　能控制或減緩流體向地層滲透、漏失的外加劑。

　　可以作用為油井水泥堵漏劑的物質(zhì)有: 棉纖維、石棉纖維、玻璃纖維、有機(jī)纖維等。川東地區(qū)2006 年以來用的油井水泥堵漏劑為玻璃纖維和聚丙烯纖維, 選擇纖維長度1. 5～ 2.0cm , 加量為油井水泥重量的2. 0% , 用于縱向微裂縫堵漏(漏速60～ 80m 3öh ) 和大滲透性漏失井(漏速50～ 76m 3öh ) 的固井, 堵漏效果十分明顯, 固井合格率100%。

　　任何一種油井水泥外加劑, 不僅要在單獨使用時要有較好的技術(shù)效果, 還必須與其他外加劑有很好的相溶性, 才能保證水泥漿體系具備A P I 技術(shù)指標(biāo)規(guī)范的性能。

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