低溫油井水泥早強劑BCL-NS的制備與研究

劉雄,王雪松

(中海油服油田化學事業部 海南作業公司,海南 ?？?570312)

隨著油氣勘探開發的不斷深入,井下環境愈加苛刻,鉆探難度日漸加深,鉆遇條件逐漸向深水、深海和極地等方向發展[1-3]?，F今低溫淺層氣固井和海洋油氣表層固井對成本和水泥漿體的早期強度都要求較高,近年來,國內相繼開發出一些早強劑[4-5]。傳統的氯鹽類早強劑對固井套管有很強的腐蝕作用,硫酸鹽類早強劑影響水泥石后期強度發展,其他有機類早強劑(比如三乙醇胺),加量敏感,影響作業安全。哈里伯頓公司有若干型號的早強劑產品,如Cal-SealTM60 Accelerator、Enhancer 923TMAgent等,其產品在4～60 ℃具有早強效果;斯倫貝謝公司同樣有多種早強劑產品已在多口油井中得到應用,但均未有某款單一的早強劑能夠解決低溫固井難題;國內目前早強劑的產品研發較多,研發重點主要集中在無氯促凝早強劑、鋰鹽早強劑以及復合類早強劑等。張順平等[6]將Na2SO4、NaAlO2、C2H2O4Ca和CaO等比例均勻混配,制備了一種適用于PVA 類和AMPS 類水泥漿體系的無氯促凝早強劑,在30 ℃時,能將油井水泥8 h強度提升到3.5 MPa。齊奔等[7]以1%的無機鹽A,0.75%的無機鹽B,0.25%的有機鹽D和0.1%的有機酸E混配研磨制備成油井水泥中低溫早強劑BZC-1S,水泥漿中加入3%BZC-1S,30 ℃養護8 h抗壓強度≥4.5 MPa,24 h抗壓強度≥15 MPa。劉和興等[8]將Na2SiO3·9H2O和Ca(NO3)2·4H2O配制成早強晶種,將早強晶種與碳酸鋰、硫酸鈉、鋁酸鈉正交混配,優選出早強性能最好的低溫油井水泥早強劑ZQ-1。加入5%ZQ-1,在5 ℃時水泥石的8,12,24 h的抗壓強度為0.6,0.8,1.4 MPa。從產品性能來看,上述產品均有一定的早強效果,但低溫固井用水泥漿是一個復雜的體系,單一的產品在體系中的作用不能在根本上解決固井作業要求水泥漿體低溫高早強的問題。

本文制備了一種低溫油井水泥早強劑BCL-NS,是由鈣、硅質材料通過水溶液聚合方式合成的一種凝膠產物經噴霧干燥后制備而成的粉體早強劑。BCL-NS能夠在低溫環境下大大加速水泥水化速度,縮短水泥漿的稠化侯凝時間,提高固井效率,節約鉆井成本。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

1.1.1 主要材料

早強劑:自制低溫油井水泥早強劑BCL-NS;油井水泥:嘉華G級特種水泥;硅質材料:上海九鼎化學Na2SiO3·5H2O、Na2O·2SiO2、Na2O·2.85SiO2;鈣質材料:北京浩克Ca(NO3)2·4H2O;乳化劑:艾迪科反應型乳化劑SR-10、深圳祥潤新材乳化劑Tween80、德國漢姆乳化劑NP-10;消泡劑:贏創消泡劑Y793;減水劑:蘇博特萘系減水劑SBTJM?-A、蘇博特聚羧酸減水劑PCA?-10、上海齊碩聚羧酸減水劑QS8020、蘇州興邦聚羧酸減水劑PC1021、自制聚羧酸減水劑J112;保護膠體:河南匯德化工PVA1788;干燥劑:濟南諾創化工白炭黑。

1.1.2 主要儀器

上海緒航HH-WO-3L型恒溫油浴鍋;三口圓底燒瓶;常州金壇良友JJ-1A60W型數顯攪拌器;青島海通達HTD8040D型高溫高壓稠化儀;青島恒泰達六HTD-6st型速旋轉黏度計;無錫東升LGZ-A型噴霧干燥塔;沈陽金歐科DFC-2015L型油井水泥石力學試驗機。

1.2 制備方法

在三口圓底燒瓶中加入一定量的去離子水、乳化劑、減水劑和消泡劑,攪拌均勻,制備成打底液。然后分別在硅質材料、鈣質材料中加入一定量去離子水和減水劑,攪拌溶解均勻。冷卻或升溫至反應溫度,同時分別滴加硅質材料和鈣質材料溶液,進行水溶液聚合反應若干小時后,制備出白色乳液即為凝膠早強劑。在凝膠早強劑乳液中加入一定量保護膠體,通過噴霧干燥制備成白色粉狀固體,在粉末中加入一定量抗結塊劑后,即為最終產品。

1.3 評價方法

1.3.1 乳液穩定性

將100 mL經過水溶液聚合制備的凝膠早強劑加入量筒中,靜置24 h,測量量筒中乳液分層時沉淀的刻度,刻度越大說明乳液穩定性越差。

1.3.2 水泥漿制備

按GB/T 33294—2016《深水油井水泥試驗方法》制備水泥漿體系,水泥漿的基礎配方如表1所示。

表1 水泥漿基礎配方組成

1.3.3 抗折抗壓強度測試

在水泥漿基礎配方中加入一定量的早強劑BCL-NS制備成油井水泥漿,將制備的水泥漿倒入用于主要測試水泥漿早期強度的50 mm×50 mm×50 mm的模具中,每個實驗組制作2個平行試樣;將加入水泥漿的模具放入可控溫度的養護箱中,分別養護1和3 d后進行水泥石的抗壓和抗折強度測試。

1.3.4 水泥漿流動度測試

按GB 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》的水泥流動度試驗方法測量加入不同量早強劑BCL-NS的油井水泥漿的流動度。

2 結果與討論

2.1 早強劑BCL-NS制備材料優選

2.1.1 乳化劑、減水劑

合適的乳化劑和減水劑種類與加量能提高制備的凝膠早強劑的穩定性能,提升早強劑增強油井水泥漿早期強度的作用[9]。表2為早強劑乳化劑、減水劑篩選實驗。

表2 早強劑乳化劑、減水劑篩選實驗

由表2可以看出,在制備凝膠早強劑過程中,乳化劑選擇3%SR-10,減水劑選擇2%J112時,早強劑基本無沉降,而且1 d早期抗壓強度最高,乳化劑和減水劑加量過多或過少均會對凝膠早強劑的穩定性以及水泥漿的1 d抗壓強度產生影響。

2.1.2 硅質材料

不同模數硅酸鈉的溶解性、酸堿性以及鈣硅比均會對制備的早強劑的抗壓和抗折強度產生影響[10]。選擇Na2SiO3·5H2O、Na2O·2SiO2、Na2O·2.85SiO2三種硅質材料和鈣質材料Ca(NO3)2·4H2O制備早強劑,評價其在1 d和3 d后的抗折抗壓強度,實驗結果如表3所示。

由表3可以看出,Na2SiO3·5H2O作為硅質材料制備的早強劑的1和3 d抗折和抗壓強度明顯高于不加早強劑的凈漿和加入其他2種硅質材料的早強劑,選擇Na2SiO3·5H2O作為硅質材料。

表3 硅質材料對抗折抗壓強度影響實驗

2.2 早強劑BCL-NS制備條件優選

2.2.1 反應溫度

反應溫度不同也會對制備早強劑的性能產生影響,評價反應溫度在5～40 ℃時加入早強劑的油井水泥漿與凈漿抗折抗壓強度提升幅度,實驗結果如圖1所示。

圖1 反應溫度對早強劑性能影響實驗

由圖1可以看出,反應溫度為20 ℃時,早強劑的1 d抗壓強度最高,1 d抗折強度、3 d抗壓和抗折強度也相對較高,所以選擇反應溫度為20 ℃。

2.2.2 滴加時間

不同的鈣質和硅質材料滴加時間會影響生成早強劑的晶核形態,進而影響其早強性能,評價2,4,6,8 h條件下2%早強劑加量,20 ℃條件下養護1,3 d后水泥漿模塊的抗折抗壓強度如表4所示。

由表4可以看出,滴加時間超過4 h,加入早強劑的水泥漿抗折和抗壓強度變化相對較小,所以選擇滴加時間為4 h。

表4 材料滴加時間對早強劑性能影響實驗

2.2.3 噴霧干燥條件

考慮到運輸和儲存等影響,需要在不影響早強劑性能的情況下對水溶液合成的凝膠早強劑進行噴霧干燥。噴霧干燥前需要加入膠體保護劑防止早強劑高溫下失效,噴霧干燥后需要加入抗結塊劑防止粉體吸潮降低性能。表5是不同加量的保護膠體PVA1788和抗結塊劑白炭黑制備的早強劑對水泥漿強度影響。

由表5可以看出,噴霧干燥時加入3%PVA1788作為保護膠體,0.5%白炭黑作為抗結塊劑,對最后制備的粉體早強劑BCL-NS的早強性能影響較小。

表5 保護膠體和抗結塊劑加量對早強劑性能影響實驗

2.2.4 養護溫度

油井水泥漿固井時地層溫度也會對水泥的強度產生影響,室內評價2% BCL-NS加量,20～80 ℃條件下養護1,3 d后水泥漿模塊的抗折抗壓強度相對凈漿幅度如圖2所示。

圖2 養護溫度對早強劑性能影響實驗

由圖2可以看出,養護溫度在20 ℃時,加入2%早強劑的油井水泥漿1 d抗壓強度最大,相對于凈漿提升96%,1 d抗折強度和3 d抗折抗壓強度也相對較高。所以,早強劑最佳養護和應用溫度為20 ℃。

2.3 早強劑BCL-NS性能評價

2.3.1 早強劑加量

測量在油井水泥中加入不同量的早強劑BCL-NS后,20 ℃養護1,3 d后的抗折和抗壓強度,結果如表6。

由表6可以看出,在油井水泥漿中加入2%早強劑BCL-NS后,1 d抗壓強度提高82%,1 d抗折強度提高15.2%,3 d抗折和抗壓強度也增加超過15%。BCL-NS在油井水泥漿體系中的1 d 早強效果明顯,3 d后抗折和抗壓強度也有所提高。

2.3.2 水泥漿流動度

水泥漿的流動度體現了油井水泥漿在固井時泵送的難易程度,圖3是不同BCL-NS加量油井水泥漿的流動度大小。

圖3 不同早強劑加量下油井水泥漿流動度

由圖3可以看出,提高BCL-NS的加量,油井水泥漿的流動度有所降低,但加入2% BCL-NS,水泥漿的流動度為22.0 cm;加入3% BCL-NS,水泥漿的流動度為20.2 cm,都能滿足現場泵送的需求。

2.3.3 水泥漿稠化時間

油井水泥漿中加入早強BCL-NS能在可泵送的前提下,縮短稠化時間,提高水泥石的早期強度。圖4是在20 ℃條件下,不同低溫早強劑BCL-NS對油井時泥漿稠化時間的影響。

由圖4可以看出,20 ℃條件下,油井水泥漿原始稠化時間為185 min,提高BCL-NS加量能明顯降低水泥漿的稠化時間,加入2% BCL-NS時,水泥漿稠化時間縮短為123 min,能大幅縮短固井的侯凝時間,提高早期強度。

圖4 不同早強劑加量下油井水泥漿稠化時間

3 結論

1)選取3% SR-10為乳化劑,2% J112為減水劑總加量,Na2SiO3·5H2O為硅質材料,Ca(NO3)2·4H2O為硅質材料,20 ℃反應4 h后制成凝膠早強劑,在凝膠早強劑中加入3% PVA1788作為保護膠體,噴霧干燥后加入0.5%白炭黑作為抗結塊劑制備低溫油井水泥早強劑BCL-NS。

2)油井水泥漿中加入2%低溫早強劑BCL-NS,1 d抗壓強度提高82%,1 d抗折強度提高15.2%,3 d抗折強度提高18.4%,3 d抗壓強度提高23.3%,早強劑BCL-NS低溫早強效果明顯。油井水泥漿中加入低溫早強劑BCL-NS不會對其流動性產生較大影響,還能縮短稠化,提高早期強度。