固井水泥浆用高温稳定剂BH-HS004S的研制与应用.pdf

固井水泥浆用高温稳定剂 BH-HS004S的研制与应用李小林1，刘文明1，信婧敏2，齐奔1，凌勇1（1援渤海钻探工程有限公司第二固井分公司，天津300280；2援中国石油北京项目管理公司天津设计院，天津300280）摘要：针对水泥浆在高温条件下稳定性差的难题，将通过聚合反应制得的生物聚合物 A（改性定优胶）与天然矿物 B以 2颐3 配比进行复配，得到一种性能优异的固井水泥浆用高温稳定剂 BH-HS004S，抗温达 240 益，在 4050 益开始发生热增稠现象。该高温稳定剂适用于常规密度水泥浆、低密度水泥浆和高密度水泥浆三种水泥浆体系，通过实验表明，常规密度水泥浆推荐加量0.2%0.4%，适用最高温度为 210 益，低密度水泥浆推荐加量 0.8%1.0%，适用最高温度为 180 益，高密度水泥浆推荐加量 1.0%1.2%，适用最高温度为 160 益。该高温稳定剂具有低温条件不明显增稠，高温条件抑制水泥浆变稀，与其他外加剂配伍性好，对水泥浆其他综合性能无不良影响等优点，能有效解决三种水泥浆体系高温沉降稳定性差的难题，并且现场应用 5 井次，效果良好，固井质量优质。关键词：高温；稳定性；水泥浆；高温稳定剂；固井质量中图分类号：TE256.7文献标识码：A文章编号：1673-5285（2023）0苑-0031-07DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.20圆3.0苑.007Development and application of high temperaturestabilizer BH-HS004S for cement slurryLI Xiaolin1，LIU Wenming1，XIN Jingmin2，QI Ben1，LING Yong1（1.No.2 Cementing Branch of Bohai Drilling Engineering Company Limited，Tianjin 300280，China；2.CNPC Beijing Project Management CompanyTianjin Design Institute，Tianjin 300280，China）Abstract:In order to solve the problem of poor stability of cement slurry at high temperature,biopolymer A produced by fermentation and inorganic mineral B are preferred as raw mate原rials of high temperature stabilizer.When the compound ratio is 2颐3,a high temperature sta原bilizer BH-HS004S for cement slurry with excellent performance is obtained,which temper原ature resistance up to 240 益.The phenomenon of thermal thickening begins at 4050 益.That is suitable for three types of conventional density cement slurry,low-density cementslurry and high-density cement slurry.The experimental results show that the recommendeddosage of conventional density cement slurry is 0.2%0.4%,the maximum service tempera原ture is 210 益,the recommended dosage of low-density cement slurry is 0.8%1.0%,the*收稿日期：圆园23原02-01作者简介：李小林，工程师，硕士，主要从事固井外加剂及固井工艺的研究工作。E-mail：石油化工应用PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATION第 42 卷第 7 期2023 年 7 月Vol.42 No.7July.2023随着钻井技术的发展和油田勘探开发的不断深入，探井、生产井的井深不断增加，井底静止温度和循环温度不断提高，例如，大港油田部分区块的井底静止温度甚至超过 200 益1。高温条件下，水泥浆体系往往会因为自身热运动加剧、聚合物类外加剂高温变稀、外加剂分散效果增强等因素，导致水泥浆稠度明显变低，沉降稳定性变差。在固井过程中，水泥浆的沉降稳定性是一个非常重要的指标，是水泥浆其他综合性能的基础2，特别是对于水平井、小间隙井以及深井尤为重要。因为水泥浆沉降性差会使水泥浆柱产生过多游离液，进而形成水环或水带，为流体窜流提供通道；水泥浆固体颗粒沉降会造成井筒上部或高边水泥胶结疏松，抗压强度降低，对水泥环的封固质量造成影响3-5；此外，施工过程中若出现严重沉降，会造成憋泵压漏地层等复杂状况，严重影响施工安全。特别是对于高密度水泥浆和低密度水泥浆而言，沉降稳定性更为重要，由于水泥浆分别加入加重剂和减轻材料，使水泥浆体系的稳定性难以控制。目前水泥浆用高温稳定剂方面的研究较少，特别是适用于高温条件且能同时适用于高密度、低密度、常规密度水泥浆体系的高温稳定剂更少。因此，研制一种耐温性能强、综合性能良好、适用于各种水泥浆体系的高温稳定剂具有重要意义。1改善水泥浆高温稳定性的措施通常情况下，高温水泥浆体系中，一般通过以下三种方法来改善水泥浆沉降稳定性：（员）通过加入一定量的微硅和超细水泥，增大固相堆积密度吸附更多的自由水，减小固相颗粒间距离并增大范德华力，从而改善了聚结稳定性6-7。但是，微硅、超细水泥等主要是考虑水泥浆体系中的颗粒级配来改善水泥浆的性能，改善效果有限，而且掺量增加到一定程度后会导致水泥浆变稠，不利于地面配浆8-9。（圆）利用黏土类物质具有较高耐热性、高温下水化更完全的特性，例如膨润土等，改善水泥浆的稳定性。膨润土在钻井液中研究较多，因此可以借鉴钻井液中悬浮剂的研究，开发适用于固井水泥浆用的高温悬浮稳定剂，但初始稠度较大是影响该类悬浮稳定剂的重要问题10。（猿）通过加入有机高分子材料，提高体系黏度，利用其在水泥浆中形成类似的网状结构，产生的结构力支撑固体颗粒，控制水泥浆颗粒的沉降，从而达到维持体系稳定，然而聚合物在高温下会发生解聚、分解等，体系黏度下降较快，导致悬浮能力减弱。2实验部分2.1材料和仪器OCMA 型钠基膨润土，南阳市宏发膨润土总厂；海泡石，鑫佳矿业有限公司；定优胶，上海舜水化工有限公司；对苯乙烯磺酸钠，研峰科技（北京）有限公司；2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，金锦乐化学有限公司；NaOH，天津市富鑫商贸有限公司；过硫酸铵，郑州邦诺化工产品有限公司；G 级水泥，山东华银水泥厂；微硅、硅粉，天津大港港诚商贸有限公司；缓凝剂 BH-R101L、降失水剂 BH-F201L、减阻剂 BH-D301L、消泡剂 BZXP-1，渤海钻探第二固井公司；减轻材料 BYJ-1（密度 0.7 g/cm3），甘肃白银金奇华工科技公司；超细水maximum service temperature is 180 益,the recommended dosage of high-density cementslurry is 1.0%1.2%,and the maximum service temperature is 160 益.The high temperaturestabilizer has the advantages of no-obviously thickening cement slurry at low temperature,inhibition of thinning cement slurry at high temperature,good compatibility with other addi原tives and no-adverse effects on other comprehensive property of cement slurry.And theproblem of poor sedimentation stability of the three cement slurry systems under the high-temperature condition is effectively solved.The high temperature stabilizer is applied to ce原ment construction for 5 wells,while the good application effect and the high cementing qual原ity are obtainded.Key words：high temperature；stability；cement slurry；high temperature stabilizer；cementingquality石油化工应用2023 年第 42 卷32泥，上海晋禹灌浆堵漏工程公司。TG-1220C 常压稠化仪，沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司；OWC-9480B 增压稠化仪、OWC-9020 高温高压失水仪、OWC-9490A 增压养护釜，沈阳航空航天大学应用技术研究所；WDW-Y300 电子压力试验机，济南恒瑞金试验机有限公司；ZNN-D6 六速旋转黏度计，青岛宏煜琳石油仪器有限公司。2.2生物聚合物制备将 10.0耀15.0 重量份的定优胶缓慢加入至 60.0耀80.0 重量份的水中，加入过程中不断搅拌溶液，搅拌速率为 300耀500 r/min；待其充分水化并呈现胶体状时，加入 5.0耀10.0 重量份的对苯乙烯磺酸钠和 5.0耀10.0 重量份的 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，继续搅拌至其全部溶解，滴加 NaOH 溶液至溶液 pH 为 5.0耀5.5，然后加入 0.2耀0.5 重量份的过硫酸铵作为引发剂进行自由基聚合反应，并反应 4 h，最后将制得的聚合物烘干，碾磨成粉，即得出生物聚合物改性定优胶。3结果与讨论3.1高温稳定剂的配方研究基于国内外研究现状，由发酵制得的生物聚合物A 与天然矿物 B 通过二次复配制备出高温稳定剂。生物聚合物 A 是由发酵制得的改性定优胶，是一种线状非离子型聚合物，分子链呈卷曲状态。遇水后，亲水基团（羟基、酰胺基等）开始作用，分子链逐渐伸展交叉。分子内含有大量的羟基，易与分子中的羟基形成大量氢键；另外水分子间也会形成氢键，这样就极大的增加了分子与分子间，分子与水分子之间的内摩擦力，进而增加了体系的悬浮性。由于单个相对分子质量较大，支链多，且高分子链之间形成松散但悬浮力很强的网状结构。天然矿物 B 是一种具有独特层链状结构无机盐矿物。此结构使其在水中高度分散，内部电荷发生变化，层间结合力变小，层状集合体变得易于拆散，而形成层面带负电荷，端面带正电荷的微粒薄片。此薄片在水中以端-端、端-面结合，包含着大量水分子形成网状结构，并使大量自由水转变成束缚水，在水中形成支撑骨架结构。生物聚合物 A 与天然矿物 B 复配可以有效地增强颗粒间的内摩擦力及界面吸附力，在两方面的协同作用下，使水泥浆在高温下保持良好的聚结稳定性和絮凝稳定性，从而形成稳定的悬浮体系。通过不同配比，制备了 9 种不同类型的配方（表 员），从表 1 可以看出，当流动度大于 18 cm 且满足稳定性能的要求，优选 S6 配方，将此高温稳定剂命名为 BH-HS004S。表 1水泥浆用高温稳定剂配比实验3.2高温稳定剂性能评价3.2.1耐温性能评价热失重分析（TG）评价了水泥浆用高温稳定剂 BH-HS004S 耐温性能，其热失重曲线见图 1。可以看到 BH-HS004S 在温度高于 240 益以后才发生明显的质量损失，温度低于 240 益时未出现明显的热分解，因此其分解温度高于 240 益，具有很强的耐高温性能。图 1高温稳定剂 BH-HS004S 热失重分析图 2高温稳定剂 BH-HS004S 热增稠曲线3.2.2热增稠性能评价将 BH-HS004S 配制成浓度配方A/%B/%密度差/（g cm-3）流动度/cmS11000012S201000.1020S370300.0822S460400.0620S550500.0519S640600.0219S730700.0519S820800.0918S910900.12211008060402000-1-2-3100200300400500600700800T/益800600400200020304050607080温度/益李小林等固井水泥浆用高温稳定剂 BH-HS004S 的研制与应用第 7 期33水泥浆温度/益BH-HS004S 加量/%椎3椎6椎100椎200椎3001#2506101102092590.211161152282651200611751481720.29149218121521002456981250.44980165191水泥浆温度/益BH-HS004S 加量/%椎3椎6椎100椎200椎3002#25058881571900.8101499190212120035661171380.8311921651951800123456701.03890140179为 2%、4%、6%的溶液，用旋转黏度计测定热增稠行为。三种溶液的热增稠曲线见图 2。由实验结果可知，不同浓度高温稳定剂溶液在 4050 益内表观黏度开始增加，且随着温度的升高不断增加直至达到一个稳定值。这说明高温稳定剂具有良好的热增稠性能，用在水泥浆体系中可增加水泥浆在高温条件下的黏度，防止因水泥浆变稀造成的稳定性差。3.3高温稳定剂对水泥浆性能影响良好的高温稳定剂不仅能有效改善水泥浆高温浆体稳定性差的问题，而且对水泥浆的其他性能无不良影响，因此，本文评价了高温稳定剂 BH-HS004S 对水泥浆稳定性、流变性、稠化时间、抗压强度及失水量等性能的影响。实验所用水泥浆配方如下：1#常规密度水泥浆的基本配方：G 级水泥+30%硅粉+5%微硅+4%降失水剂 BH-F201L+1%耀2%缓凝剂BH-R101L+1%减阻剂 BH-D301L+水+高温稳定剂BH-HS004S，配制水泥浆密度 1.90 g/cm3。2#低密度水泥浆的基本配方：G 级水泥+20%减轻材料+8%微硅+1%耀2%缓凝剂 BH-R101L+5%降失水剂BH-F201L+1%减阻剂 BH-D301L+水+高温稳定剂BH-HS004S，配制水泥浆密度为 1.60 g/cm3。3#高密度水泥浆的基本配方：G 级水泥+加重剂+5%超细水泥+25%硅粉+5%微硅+1%耀2%缓凝剂 BH-R101L+6%降失水剂BH-F201L+1%减阻剂 BH-D301L+水+高温稳定剂 BH-HS004S，水泥浆密度为 2.20 g/cm3。3.3.1对水泥浆流变性能的影响实验使用六速旋转黏度计评价了常温与高温条件下不同 BH-HS004S 加量对不同水泥浆流变性能的影响。结合表 2、表 3 和表4 可以看出，在 25 益温度条件下，加入 BH-HS004S 后的 1#、2#、3#水泥浆六速值与未加入 BH-HS004S 的水泥浆相比略有升高，表明该高温稳定剂在低温条件下对水泥浆几乎没有增稠作用。在 120 益温度条件下养护后，加有高温稳定剂的 1#、2#、3#水泥浆都未出现明显的高温变稀现象，表明 BH-HS004S 高温稳定效果良好。同时，1#常规密度水泥浆在 210 益温度条件下，BH-HS004S 加量提高至 0.4%，水泥浆高温变稀现象表 2不同温度下不同 BH-HS004S 加量对常规密度水泥浆流变性能的影响表 3不同温度下不同 BH-HS004S 加量对低密度水泥浆流变性能的影响表 4不同温度下不同 BH-HS004S 加量对高密度水泥浆流变性能的影响水泥浆温度/益BH-HS004S 加量/%椎3椎6椎100椎200椎3003#25019281412262891.03442154245-120012241292012351.029351322172431600410761321501.22131121189222石油化工应用2023 年第 42 卷34实验温度/益BH-HS004S加量/%密度/（g cm-3）上下密度差/（g cm-3）游离液/%水泥石密度/（g cm-3）上部下部abcd12001.841.910.070.21.8641.8891.9051.9110.21.891.910.0201.8911.8951.9011.90214001.851.950.101.41.8591.8931.9281.9510.21.881.910.030.11.8791.8981.9121.92216001.811.960.151.51.7981.8561.9321.9780.31.891.920.030.11.8771.8921.9191.92421001.752.010.26分层1.7771.8431.9541.9980.41.891.920.030.11.8641.8751.9121.935得到一定程度的抑制，但加量加大时常温混拌水泥浆稠度偏高，因此推荐加量为 0.2%0.4%，适用最高温度为 210 益。同理，2#低密度水泥浆推荐加量为 0.8%1.0%，适用最高温度为 180 益；3#高密度水泥浆推荐加量为 1.0%1.2%，适用最高温度为 160 益。3.3.2对沉降稳定性的影响水泥浆的沉降稳定性是水泥浆其他综合性能的基础。依据 GB 19139 按照配方配制水泥浆，评价高温条件下 BH-HS004S 对常规密度水泥浆、低密度水泥浆和高密度水泥浆浆体沉降稳定性改善效果。猿援猿援圆援员常规密度水泥浆评价了在 120210 益条件下，加入 BH-HS004S 的水泥浆的上下密度差、游离液和水泥石密度差（水泥石由上至下依次编号为 a、b、c、d），实验结果见表 5。结合表 5 和图 3 可知，不加 BH-HS004S时，水泥浆沉降稳定性随温度的升高而变差，游离液的量也同时加大，当温度为 210 益时，水泥浆上下密度差最大为 0.26 g/cm3，水泥浆严重分层。加入 BH-HS004S后，水泥浆浆体稳定性得到明显改善，随温度的升高，水泥浆上下密度差变化不大，水泥浆沉降稳定性较好，控制水泥浆上下密度差和游离液分别在 0.03 g/cm3和0.1%以内，说明该高温稳定剂在高温条件下具有良好的防沉降性能。3.3.2.2低密度水泥浆和高密度水泥浆由于低密度水泥浆中加入了减轻材料和高密度水泥浆中加入加重剂，较常规密度水泥浆而言，水泥浆浆体沉降稳定性都难以控制。由表 6 可以看出，在未加 BH-HS004S 时，低密度水泥浆和高密度水泥浆浆体沉降稳定性随温度的升高都变差，当加入 BH-HS004S 后，水泥浆沉降稳定性得到明显改善。低密度水泥浆在实验温度 180 益时，加入 1.0%BH-HS004S 水泥浆上下密度差为 0.03 g/cm3，水泥石密度差为 0.019 g/cm3，说明BH-HS004S 在高温 180 益下对低密度水泥浆具有良好的防沉降效果。高密度水泥浆在实验温度 160 益时，加入 1.2%BH-HS004S 水泥浆上下密度差为 0.01 g/cm3，水泥石密度差为 0.012 g/cm3，在 160 益条件下 BH-HS004S 在高密度水泥浆中表现出优异的防沉降性能（表 6）。3.3.3水泥浆体系安全性分析高温稳定剂对水泥浆在高温下的施工安全性的影响至关重要。以 1#常规密度水泥浆为例，开展 120 益温度条件下水泥浆的停机实验，见图 4，加高温稳定剂 BH-HS004S 的浆体，停机20 min 后，重新打开电机，水泥浆稠度升至 28 Bc，表表 5不同温度条件下高温稳定剂对常规密度水泥浆沉降稳定性的影响图 3常规密度水泥浆上下密度差随温度的变化曲线园援源园园援猿缘园援猿园园援圆缘园援圆园园援员缘园援员园园援园缘园110120130140150160170180190200210实验温度/益未加 BH-HS004S 水泥浆密度差加 BH-HS004S 水泥浆密度差李小林等固井水泥浆用高温稳定剂 BH-HS004S 的研制与应用第 7 期35明水泥浆浆体触变性较强，而且在整个稠化过程中，稠度不超过 40 Bc，符合现场施工的要求规范。图4加入 BH-HS004S 水泥浆停机实验3.3.4对综合性能的影响考察了高温条件下高温稳定剂 BH-HS004S 对水泥浆稠化时间、初始稠度、API失水量、抗压强度等性能的影响（表 7）。从表 7 可以看出，BH-HS004S 的加量对水泥浆的稠化时间、初始稠度、API 失水量、抗压强度的影响不大，说明 BH-HS004S 与其他外加剂的配伍性良好，综合性能良好。4现场应用水泥浆用高温稳定剂 BH-HS004S 在大港、海南等油田取得了良好的应用效果。大港油田 YG1 井完钻井深 5 045 m，封固段长达 2 037 m，封固段顶部与底部的温差过大，达到 42 益，封固段顶部的水泥浆强度发水泥浆温度/益BH-HS004S 加量/%稠化时间/min伊100 Bc初始稠度/BcFLAPI/mL抗压强度/MPa1#120020619.42018.6伊24 h0.219820.32218.5伊24 h210011313.14217.9伊24 h0.411215.44118.5伊24 h2#120026620.63612.9伊48 h0.826124.13212.8伊48 h18001599.64811.8伊48 h0.816112.34712.1伊48 h3#120029819.83916.9伊24 h1.028825.43817.0伊24 h160020017.24716.1伊24 h1.220220.14515.8伊24 h水泥浆实验温度/益BH-HS004S加量/%密度/（g cm-3）上下密度差/（g cm-3）游离液/%水泥石密度/（g cm-3）上部下部abcd2#12001.561.750.191.51.5611.5751.5981.6210.81.591.610.020.11.5961.5971.6021.60516001.521.790.27分层1.5151.5461.6191.6560.81.581.620.040.31.5791.5921.6111.61918001.491.790.30分层1.4751.5591.6431.7010.81.551.620.070.51.5751.5891.6081.6221.01.581.610.030.11.5901.5981.6011.6093#12002.002.390.39严重分层1.9982.1022.3212.3961.02.202.210.010.12.1992.2002.2012.20116001.942.450.51严重分层1.9311.9962.1592.4491.02.182.230.050.22.1692.2012.2282.2311.22.192.200.010.12.1892.1972.2002.201表 6不同温度条件下高温稳定剂对低密度水泥浆和高密度水泥浆沉降稳定性的影响200180160140120100806040200100908070605040302010000.050.100.15时间/h表 7水泥浆综合性能石油化工应用2023 年第 42 卷温度压力稠度36密度/（g cm-3）FLAPI/mL抗压强度/MPa稠化时间/min伊100 Bc上下密度差/（g cm-3）领浆1.654917.1伊72 h2510.03尾浆1.904117.5伊36 h1230.01展将受到较大影响；井底循环温度为 131 益，井底静止温度达 163 益，水泥浆容易出现高温变稀、沉降稳定性差的问题。该井固井水泥浆设计为双凝双密度水泥浆，为保证高温条件下水泥浆的沉降稳定性，在领尾浆内都加入高温稳定剂 BH-HS004S，领浆配方：胜潍 G 级灰+微硅+减轻材料+降失水剂 BH-F201L+缓凝剂 BH-R101L+消泡剂 BZXP-1+高温稳定剂 BH-HS004S，尾浆配方：胜潍 G 级灰+硅粉+降失水剂 BH-F201L+缓凝剂 BH-R101L+消泡剂 BZXP-1+高温稳定剂 BH-HS004S。对该井领尾浆进行沉降稳定性实验，在未加入高温稳定剂时，领浆出现严重分层现象，尾浆的上下密度差为 0.16 g/cm3，加入 BH-HS004S 后，领浆上下密度差为 0.03 g/cm3，尾浆上下密度差为 0.01 g/cm3，水泥浆表现出了优异的沉降稳定性，水泥浆其他各项性能评价良好，符合现场施工要求，该井声幅质量为固井质量优质（表8）。5结论（1）由发酵制得的生物聚合物 A（改性定优胶）与天然矿物 B 复配得到一种固井水泥浆用高温稳定剂BH-HS004S。生物聚合物 A 用量较少时便能使溶液产生较高的黏度，并且不会提高浆体的初始稠度。天然矿物 B 在温度升高后，由于温度的激发，会加速水化，并迅速形成三维立体网络结构，形成“二级”悬浮网络。在两方面的协同作用下，使水泥浆在高温下保持良好的动力稳定系、聚结稳定性和絮凝稳定性，表现出优异的沉降稳定性。（2）高温稳定剂 BH-HS004S 可以适用于不同密度水泥浆体系。常规水泥浆推荐加量 0.2%0.4%，适用最高温度为 210 益，低密度水泥浆推荐加量 0.8%1.0%，适用最高温度为 180 益，高密度水泥浆推荐加量 1.0%1.2%，适用最高温度为 160 益。高温稳定剂 BH-HS004S 具有低温条件不明显增稠，高温条件抑制水泥浆变稀，适用温度范围广，与其他外加剂配伍性好，对水泥浆其他综合性能无不良影响等优点。（3）高温稳定剂 BH-HS004S 在现场应用 5 井次，满足现场施工要求，现场应用效果良好，固井质量优质。参考文献：1 林辉，林志辉，王贵富，等.南堡 3-81 井高温尾管固井技术J.钻井液与完井液，2014，31（6）：89-91.2 岳家平.高温大温差低密度水泥浆体系研究与应用 D.成都：西南石油大学，2012.3 刘崇建，黄柏宗，徐同台，等.油气井注水泥理论与应用M.北京：石油工业出版社，2001.4SALEHI R，PAIAMAN A M.A novel cement slurry designapplicable to horizontal well conditions J.Petroleum andCoal，2009，51（4）：270-276.缘 卢海川，周雪，王小文，等.水泥浆沉降稳定性及防沉降剂的开发与应用 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