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,單一使用抗溫可達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。

　　④酒石酸(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200℃, 分散性強, 水溶性好, 但增加析水嚴重, 單一使用抗溫可達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180℃, 單一使用抗溫可達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130℃, 單一使用抗溫可達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150℃, 高溫試驗復(fù)配太雜且不利于環(huán)保。

　?、咂咸烟撬峒{: 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。

　?、喑驼沉u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, 因而對水泥顆粒吸附力強, 緩凝效果好, 抗溫可達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度衰退嚴重, 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, 強堿性, 與水泥漿混和后能顯著增加漿體的稠度, 有較強的促凝作用, 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?？梢杂米鞣莱恋韯┑牟牧嫌? 纖維素、膨潤土、微細膨脹珍珠巖粉、微細硅粉、微細硅藻土粉(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)配使用抗溫可達抗溫可達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　早強劑

　　能提高水泥石早期強度的外加劑。

　　可以作用為油井水泥早強劑的物質(zhì)有: 季胺鹽類(如三乙醇胺)、無機鹽類(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劑為季胺鹽類和無機鹽類形成的混合物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移以及水泥漿在形成強度時體積收縮產(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0. 35～ 0. 5% , 早期強度增長率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0. 6～ 0. 8% , 早期強度增長率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)指標規(guī)范的性能。

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