低温油井水泥早强剂BCL-NS的制备与研究

刘雄,王雪松

(中海油服油田化学事业部 海南作业公司,海南 海口 570312)

随着油气勘探开发的不断深入,井下环境愈加苛刻,钻探难度日渐加深,钻遇条件逐渐向深水、深海和极地等方向发展[1-3]。现今低温浅层气固井和海洋油气表层固井对成本和水泥浆体的早期强度都要求较高,近年来,国内相继开发出一些早强剂[4-5]。传统的氯盐类早强剂对固井套管有很强的腐蚀作用,硫酸盐类早强剂影响水泥石后期强度发展,其他有机类早强剂(比如三乙醇胺),加量敏感,影响作业安全。哈里伯顿公司有若干型号的早强剂产品,如Cal-SealTM60 Accelerator、Enhancer 923TMAgent等,其产品在4～60 ℃具有早强效果;斯伦贝谢公司同样有多种早强剂产品已在多口油井中得到应用,但均未有某款单一的早强剂能够解决低温固井难题;国内目前早强剂的产品研发较多,研发重点主要集中在无氯促凝早强剂、锂盐早强剂以及复合类早强剂等。张顺平等[6]将Na2SO4、NaAlO2、C2H2O4Ca和CaO等比例均匀混配,制备了一种适用于PVA 类和AMPS 类水泥浆体系的无氯促凝早强剂,在30 ℃时,能将油井水泥8 h强度提升到3.5 MPa。齐奔等[7]以1%的无机盐A,0.75%的无机盐B,0.25%的有机盐D和0.1%的有机酸E混配研磨制备成油井水泥中低温早强剂BZC-1S,水泥浆中加入3%BZC-1S,30 ℃养护8 h抗压强度≥4.5 MPa,24 h抗压强度≥15 MPa。刘和兴等[8]将Na2SiO3·9H2O和Ca(NO3)2·4H2O配制成早强晶种,将早强晶种与碳酸锂、硫酸钠、铝酸钠正交混配,优选出早强性能最好的低温油井水泥早强剂ZQ-1。加入5%ZQ-1,在5 ℃时水泥石的8,12,24 h的抗压强度为0.6,0.8,1.4 MPa。从产品性能来看,上述产品均有一定的早强效果,但低温固井用水泥浆是一个复杂的体系,单一的产品在体系中的作用不能在根本上解决固井作业要求水泥浆体低温高早强的问题。

本文制备了一种低温油井水泥早强剂BCL-NS,是由钙、硅质材料通过水溶液聚合方式合成的一种凝胶产物经喷雾干燥后制备而成的粉体早强剂。BCL-NS能够在低温环境下大大加速水泥水化速度,缩短水泥浆的稠化侯凝时间,提高固井效率,节约钻井成本。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

1.1.1 主要材料

早强剂:自制低温油井水泥早强剂BCL-NS;油井水泥:嘉华G级特种水泥;硅质材料:上海九鼎化学Na2SiO3·5H2O、Na2O·2SiO2、Na2O·2.85SiO2;钙质材料:北京浩克Ca(NO3)2·4H2O;乳化剂:艾迪科反应型乳化剂SR-10、深圳祥润新材乳化剂Tween80、德国汉姆乳化剂NP-10;消泡剂:赢创消泡剂Y793;减水剂:苏博特萘系减水剂SBTJM®-A、苏博特聚羧酸减水剂PCA®-10、上海齐硕聚羧酸减水剂QS8020、苏州兴邦聚羧酸减水剂PC1021、自制聚羧酸减水剂J112;保护胶体:河南汇德化工PVA1788;干燥剂:济南诺创化工白炭黑。

1.1.2 主要仪器

上海绪航HH-WO-3L型恒温油浴锅;三口圆底烧瓶;常州金坛良友JJ-1A60W型数显搅拌器;青岛海通达HTD8040D型高温高压稠化仪;青岛恒泰达六HTD-6st型速旋转黏度计;无锡东升LGZ-A型喷雾干燥塔;沈阳金欧科DFC-2015L型油井水泥石力学试验机。

1.2 制备方法

在三口圆底烧瓶中加入一定量的去离子水、乳化剂、减水剂和消泡剂,搅拌均匀,制备成打底液。然后分别在硅质材料、钙质材料中加入一定量去离子水和减水剂,搅拌溶解均匀。冷却或升温至反应温度,同时分别滴加硅质材料和钙质材料溶液,进行水溶液聚合反应若干小时后,制备出白色乳液即为凝胶早强剂。在凝胶早强剂乳液中加入一定量保护胶体,通过喷雾干燥制备成白色粉状固体,在粉末中加入一定量抗结块剂后,即为最终产品。

1.3 评价方法

1.3.1 乳液稳定性

将100 mL经过水溶液聚合制备的凝胶早强剂加入量筒中,静置24 h,测量量筒中乳液分层时沉淀的刻度,刻度越大说明乳液稳定性越差。

1.3.2 水泥浆制备

按GB/T 33294—2016《深水油井水泥试验方法》制备水泥浆体系,水泥浆的基础配方如表1所示。

表1 水泥浆基础配方组成

1.3.3 抗折抗压强度测试

在水泥浆基础配方中加入一定量的早强剂BCL-NS制备成油井水泥浆,将制备的水泥浆倒入用于主要测试水泥浆早期强度的50 mm×50 mm×50 mm的模具中,每个实验组制作2个平行试样;将加入水泥浆的模具放入可控温度的养护箱中,分别养护1和3 d后进行水泥石的抗压和抗折强度测试。

1.3.4 水泥浆流动度测试

按GB 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》的水泥流动度试验方法测量加入不同量早强剂BCL-NS的油井水泥浆的流动度。

2 结果与讨论

2.1 早强剂BCL-NS制备材料优选

2.1.1 乳化剂、减水剂

合适的乳化剂和减水剂种类与加量能提高制备的凝胶早强剂的稳定性能,提升早强剂增强油井水泥浆早期强度的作用[9]。表2为早强剂乳化剂、减水剂筛选实验。

表2 早强剂乳化剂、减水剂筛选实验

由表2可以看出,在制备凝胶早强剂过程中,乳化剂选择3%SR-10,减水剂选择2%J112时,早强剂基本无沉降,而且1 d早期抗压强度最高,乳化剂和减水剂加量过多或过少均会对凝胶早强剂的稳定性以及水泥浆的1 d抗压强度产生影响。

2.1.2 硅质材料

不同模数硅酸钠的溶解性、酸碱性以及钙硅比均会对制备的早强剂的抗压和抗折强度产生影响[10]。选择Na2SiO3·5H2O、Na2O·2SiO2、Na2O·2.85SiO2三种硅质材料和钙质材料Ca(NO3)2·4H2O制备早强剂,评价其在1 d和3 d后的抗折抗压强度,实验结果如表3所示。

由表3可以看出,Na2SiO3·5H2O作为硅质材料制备的早强剂的1和3 d抗折和抗压强度明显高于不加早强剂的净浆和加入其他2种硅质材料的早强剂,选择Na2SiO3·5H2O作为硅质材料。

表3 硅质材料对抗折抗压强度影响实验

2.2 早强剂BCL-NS制备条件优选

2.2.1 反应温度

反应温度不同也会对制备早强剂的性能产生影响,评价反应温度在5～40 ℃时加入早强剂的油井水泥浆与净浆抗折抗压强度提升幅度,实验结果如图1所示。

图1 反应温度对早强剂性能影响实验

由图1可以看出,反应温度为20 ℃时,早强剂的1 d抗压强度最高,1 d抗折强度、3 d抗压和抗折强度也相对较高,所以选择反应温度为20 ℃。

2.2.2 滴加时间

不同的钙质和硅质材料滴加时间会影响生成早强剂的晶核形态,进而影响其早强性能,评价2,4,6,8 h条件下2%早强剂加量,20 ℃条件下养护1,3 d后水泥浆模块的抗折抗压强度如表4所示。

由表4可以看出,滴加时间超过4 h,加入早强剂的水泥浆抗折和抗压强度变化相对较小,所以选择滴加时间为4 h。

表4 材料滴加时间对早强剂性能影响实验

2.2.3 喷雾干燥条件

考虑到运输和储存等影响,需要在不影响早强剂性能的情况下对水溶液合成的凝胶早强剂进行喷雾干燥。喷雾干燥前需要加入胶体保护剂防止早强剂高温下失效,喷雾干燥后需要加入抗结块剂防止粉体吸潮降低性能。表5是不同加量的保护胶体PVA1788和抗结块剂白炭黑制备的早强剂对水泥浆强度影响。

由表5可以看出,喷雾干燥时加入3%PVA1788作为保护胶体,0.5%白炭黑作为抗结块剂,对最后制备的粉体早强剂BCL-NS的早强性能影响较小。

表5 保护胶体和抗结块剂加量对早强剂性能影响实验

2.2.4 养护温度

油井水泥浆固井时地层温度也会对水泥的强度产生影响,室内评价2% BCL-NS加量,20～80 ℃条件下养护1,3 d后水泥浆模块的抗折抗压强度相对净浆幅度如图2所示。

图2 养护温度对早强剂性能影响实验

由图2可以看出,养护温度在20 ℃时,加入2%早强剂的油井水泥浆1 d抗压强度最大,相对于净浆提升96%,1 d抗折强度和3 d抗折抗压强度也相对较高。所以,早强剂最佳养护和应用温度为20 ℃。

2.3 早强剂BCL-NS性能评价

2.3.1 早强剂加量

测量在油井水泥中加入不同量的早强剂BCL-NS后,20 ℃养护1,3 d后的抗折和抗压强度,结果如表6。

由表6可以看出,在油井水泥浆中加入2%早强剂BCL-NS后,1 d抗压强度提高82%,1 d抗折强度提高15.2%,3 d抗折和抗压强度也增加超过15%。BCL-NS在油井水泥浆体系中的1 d 早强效果明显,3 d后抗折和抗压强度也有所提高。

2.3.2 水泥浆流动度

水泥浆的流动度体现了油井水泥浆在固井时泵送的难易程度,图3是不同BCL-NS加量油井水泥浆的流动度大小。

图3 不同早强剂加量下油井水泥浆流动度

由图3可以看出,提高BCL-NS的加量,油井水泥浆的流动度有所降低,但加入2% BCL-NS,水泥浆的流动度为22.0 cm;加入3% BCL-NS,水泥浆的流动度为20.2 cm,都能满足现场泵送的需求。

2.3.3 水泥浆稠化时间

油井水泥浆中加入早强BCL-NS能在可泵送的前提下,缩短稠化时间,提高水泥石的早期强度。图4是在20 ℃条件下,不同低温早强剂BCL-NS对油井时泥浆稠化时间的影响。

由图4可以看出,20 ℃条件下,油井水泥浆原始稠化时间为185 min,提高BCL-NS加量能明显降低水泥浆的稠化时间,加入2% BCL-NS时,水泥浆稠化时间缩短为123 min,能大幅缩短固井的侯凝时间,提高早期强度。

图4 不同早强剂加量下油井水泥浆稠化时间

3 结论

1)选取3% SR-10为乳化剂,2% J112为减水剂总加量,Na2SiO3·5H2O为硅质材料,Ca(NO3)2·4H2O为硅质材料,20 ℃反应4 h后制成凝胶早强剂,在凝胶早强剂中加入3% PVA1788作为保护胶体,喷雾干燥后加入0.5%白炭黑作为抗结块剂制备低温油井水泥早强剂BCL-NS。

2)油井水泥浆中加入2%低温早强剂BCL-NS,1 d抗压强度提高82%,1 d抗折强度提高15.2%,3 d抗折强度提高18.4%,3 d抗压强度提高23.3%,早强剂BCL-NS低温早强效果明显。油井水泥浆中加入低温早强剂BCL-NS不会对其流动性产生较大影响,还能缩短稠化,提高早期强度。