新型早强剂水泥浆体系室内性能研究

摘 要：现今使用的水泥浆体系不能完全满足中低温浅层油气井的固井需要，达不到防止窜槽和低温促凝以及微膨胀的目的，本文针对这些问题研发了一种具有膨胀性能的新型早强剂，设计开发出一套新型早强剂水泥浆体系。实验结果表明：该水泥浆体系具有温度适用范围广、微膨胀、沉降稳定性好、抗压强度高、流变性能好、防气窜性能好，稠化时间可调等优良性能，为提高中低温油气井固井质量提供了技术依据。

关键词：水泥浆 早强剂 微膨胀 水泥浆性能

目前中低温浅层油气井固井存在以下几大难点：一是水泥浆在低温低压条件下，普通硅酸盐水泥水化速度缓慢，并且具有较高的水泥石强度和较短的稠化时间[1]；二是水泥浆的候凝时间比较长，油井水泥强度发展缓慢；三是油井水泥浆在低温低压下凝固时会发生体积收缩，从而导致水泥环与地层和套管间形成微间隙，使界面胶结出现问题。现今使用的水泥浆体系不能完全满足中低温浅层油气井的固井需要，达不到防止窜槽和低温促凝以及微膨胀的目的[2]。近年来，国内自主研制的一些无机氯盐早强剂会使水泥石中氯离子的浓度增加，从而造成氯离子与套管之间产生较大的电极电位，对套管产生了一定的腐蚀作用，影响固井质量和作业安全[3]。这些早强剂与其它水泥外加剂都存在着一定的不配伍性，从而较大的影响了水泥浆的流变性能。因此，亟需研发一套中低温水泥浆体系，提高水泥石的早期抗压强度，以满足中低温浅井固井需要。

一、新型早强剂水泥浆体系设计思路

本文主要从以下三个方面入手，保证水泥浆具有良好的综合性能和较高的早期强度，从而满足施工的要求。

1.加入一种新型的早强剂，形成高早强、微膨胀的水泥浆体系，以提高在中低温条件下水泥浆的稳定性和水泥石的致密性，保证水泥石具有良好的力学性能，从而达到提高中低温浅气井的固井质量的目的。

2.考察该水泥浆体系的常规性能。

3.考察该体系是否能够满足施工作业的基本要求。

二、新型早强剂水泥浆体系

1.晶种的制备

在水灰比0.44的G级水泥浆中加入3%硫酸盐A，搅拌均匀，放在常温水浴箱中养护，7d后取出，放入烘箱，在120℃下通风干燥，粉碎后磨入球磨机粉磨至0.125mm，方孔筛筛余

2.晶种加量选择

不同温度下加入不同量的晶种测试对水泥石的抗压强度，测试时所用的水泥浆配方为G级高抗硫酸盐水泥+1.0%分散剂+2.0%降失水剂+0.2%消泡剂+44.0%水。实验结果如图1所示。

从图1可知，不同温度下，晶种都可以显著提高常规密度（p=1.90kg/L）水泥石的早期强度，晶种加量为3%时，水泥石的强度增强效率最明显；在70℃下养护时间3d时，水泥石的抗压强度最大。

3.新型早强剂的制备

早强剂DSW-Z的成分主要由晶种、高价阳离子硫酸盐A[4]和羧基羧酸三组分复合而得，采用正交设计试验，根据试验结果规律，确定新型早强剂的组分（占水泥质量百分数）：晶种3%、高价阳离子硫酸盐A0.5%，羟基羧酸0.25%。

三、新型早强剂水泥浆性能评价

1..DSW-Z加量对水泥浆性能的影响

将优选的DSW-Z加入到水泥浆中考察其加量对水泥浆流动度、自由水、水泥石的抗压强度，膨胀率及胶结强度等性能的影响，结果如表1所示。

实验表明：不同温度下，DSW-Z均能增大水泥石抗压强度和界面胶结强度，对水泥浆有轻微的增稠作用，但增稠效果不明显。当DSW-Z加量达到和超过3%时，水泥石体现出一定的膨胀性，随着养护龄期的增加，膨胀性呈衰退的趋势。

2.水泥浆流变性能测试

按照SY/T5480-1992 注水泥流变性设计的测试方法，在室温条件下测试了不同加量DSW-Z下水泥浆的流变性能，结果见表2。

从表3可知：该水泥浆体系的物性指数较小，具有良好的剪切稀释性；稠度系数较小，流动度>20cm，说明该水泥浆体系的流变性较好，摩阻较小，有利于降低泵注压力，降低施工作业可能发生的风险。

3.稠化性能

图2是配方为G级高抗硫酸盐水泥+1.0%分散剂+3%DSW-Z+2.0%降失水剂+0.2%消泡剂+44.0%水（p=1.90kg/L）配制的水泥浆，在30℃，10MPa条件下所呈现的稠化曲线。从图4可以看出，该水泥浆的初始稠度为10Bc，稠化时间为211min，稠化曲线中间段过渡平稳，没有发生闪凝等现象，曲线近似为直角稠化。

四、结论

1.新型早强剂DSW-Z能够提高水泥石的抗压强度，在晶种加量3%时效果最好。

2.不同温度下，DSW-Z均能增大界面胶结强度，当DSW-Z加量达到和超过3%时，水泥石体现出一定的膨胀性且随着养护龄期的增加而减小。

3.新型早强剂水泥浆的流变性能较好，会使固井过程中泵压降低，从而减小注水泥施工的难度；稠化曲线中间段平稳，曲线的发展趋势近似为直角稠化，完全能满足中低温浅井固井施工要求。

参考文献

[1]刘崇建，黄柏宗，徐同台. 油气井注水泥理论与应用[M].北京：石油工业出版社，2001：443-447

[2]屈建省，许树谦，郭小阳.特殊固井技术[M].北京：石油工业出版社，2006：58-60.

[3]王瑞和，齐志刚，布玉环等. 一种新型曼尼希碱促凝剂的性能研究[J].石油钻探技术，2009，37（3）：13-16

[4]要秉文，高振国，梅世刚，等.高价阳离子硫酸盐对混凝土早期强度的影响[J].武汉理工大学学报，2004，26（11）：26-28.