一种新型纳米早强剂在深水低温固井中的应用_逄淑华.pdf

技术与信息84|2023年02月限性。三乙醇胺类有机化合物早强剂能加速铝酸三钙的水化，从而对水泥浆有促凝作用，增强其早强性能，但在深水低温环境下，三乙醇胺会使硅酸三钙的水化诱导期延长，从而表现出缓凝或先缓凝后促凝的作用，不易控制。近年来，纳米材料受到广泛关注，研究发现纳米二氧化硅对水泥浆具有低温促凝作用，但会影响其流变性能15。鉴于此，研究一种在低温环境下提高水泥早期强度，缩短稠化时间，并对浆体流变性能没有影响的早强剂迫在眉睫。本文基于纳米硅酸钙子晶能在低温作用下明显缩短硅酸三钙的水化诱导期，提升水泥早期强度而不影响流变性能的原理16-17，研制出一种新型纳米早强剂。下面将详述该新型纳米早强剂的性能、作用机理以及现场应用情况。0 引言在深水低温的恶劣环境下，固井作业面临极大挑战。当水深达到 8001 200 m 时，泥线温度仅有 10 左右，而当水深达到 1 5002 000 m 时，泥线温度只有 3 左右，在如此低温的条件下，油井水泥几乎停止了水化凝结反应，严重影响固井质量1。近年来，针对深水低温环境下固井水泥浆体系强度发展缓慢、流动性差、稠化时间长、窄压力窗口等难题2-3，石油工作者们从不同方面进行了研究，除改善水泥本身性能外4-8，在水泥浆中添加早强剂已成为解决深水低温固井难题的一大方向8-15，常使用无机盐类化合物和有机化合物来改善水泥浆难以凝结、早期强度低的问题，氯化钙是最初使用的一种高效经济的无机盐类早强剂14，但氯离子对金属套管腐蚀严重，容易导致套管损坏，并会引发水泥浆触变，有其局一种新型纳米早强剂在深水低温固井中的应用逄淑华，杜庆杰，张伟国，李波(中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东 深圳 518054)摘要：针对深水低温环境下固井水泥浆体系强度发展缓慢、流动性差、稠化时间长、窄压力窗口等难题，文章研制出一种适用于深水低温固井水泥浆体系中的新型纳米早强剂。通过对其流变性、稳定性、稠化时间、抗压强度等性能的评价研究发现，该种纳米早强剂在海水水泥浆体系中，尤其是低温条件下能够起到提高早期强度、改善流变性能、缩短稠化时间的作用。该早强剂已应用于中国南海数口井的固井作业，极大提高了固井效率，缩短了固井周期，现场反馈效果良好。文章中介绍的这种新型纳米早强剂性能良好，是一种适用于深水低温固井作业的新型早强剂。关键词：低温；深水；固井；纳米早强剂；水泥浆中图分类号：TE52 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)05-0084-04DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.05.025Application of a Novel Nano Early Strength Agent in Deep Water Low Temperature CementingPANG Shu-hua,DU Qing-jie,ZHANG Wei-guo,LI Bo(CNOOC China Limited,Shenzhen Branch,Shenzhen 518054,China)Abstract:Aiming at the problems of slow development of strength of cementing cement slurry system in deep water and low temperature environment,poor fluidity,long thickening time,and narrow pressure window,a new nano early strength agent(NESA)suitable for low temperature deepwater cementing slurry system was developed.Through evaluation and research on its rheological properties,stability,thickening time,compressive strength and other properties,it was found that this nano early strength agent can improve the early strength development,rheological properties,shorten the thickening time in seawater cement slurry system,especially under low temperature conditions.This early strength agent has been applied in cementing operations of several wells in the South China Sea.It has greatly improved cementing eff iciency,shortened the cementing project cycle,and has good feedbacks.It can be seen that the NESA introduced in this paper has good performance and is a new type of early strength agent suitable for deep water low temperature cementing operations.Keywords:low temperature;deep water;cementing;nano early strength agent;slurry2023年02月|85为 440，在 8 下养护 8 h，水泥石抗压强度即可高于 3.445 MPa，满足低温深水固井施工作业要求。该新型纳米早强剂性能稳定，长期放置不会产生沉降，可根据施工作业要求灵活选择固体或液体添加剂。2.2 新型纳米早强剂对水泥浆性能的影响深水低温固井所用水泥浆需满足在低温条件下，低密度、过渡时间短、水泥石具有良好的抗压强度等条件。本文针对这些必要条件，开展新型纳米早强剂对水泥石抗压强度、水泥浆流变及稠化时间的实验影响研究，并比较了添加不同类型早强剂的水泥浆性能。2.2.1 早强剂类型对水泥石抗压强度的影响在海水水泥浆体系中引入早强剂，其根本目在于提高水泥石早期抗压强度，因此，研究不同类型早强剂的加入对水泥石早期抗压强度影响是不可或缺的。使用水泥浆配方：100%“G”级山东水泥+2%早强剂+0.3%消泡剂+海水，水泥浆密度为 1.9 g/cm3，在 8 下对不同水泥石进行抗压强度测试，研究不同类型早强剂对水泥石抗压强度的影响。实验结果如图 1 所示。从图 1(a)中可以看出在早强剂加量相同的情况下，普通早强剂不能使水泥石在 6 h 内产生抗压强度，而新型纳米早强剂的加入可以使其抗压强度在 6 h 达到 0.000 5 MPa。普通早强剂能使水泥石在 24 h 达到4.795 MPa 的抗压强度，而新型纳米早强剂能使水泥石在 24 h 达到 5.898 MPa 的抗压强度。由此可见，普通早强剂的早强效果不如新型纳米早强剂，新型纳米早强剂达到了低温提高早强的作用，早强效果优于已有产品。通过图 1(b)静胶凝强度测试可以发现，新型1 实验部分1.1 实验材料油井水泥(G 级，山东水泥)；海水(中国南海)；消泡剂(自制)；新型纳米早强剂(自制)；氯化钙(分析纯，aladdin)；普通早强剂(自制)。1.2 实验仪器OWC-9360 型恒速搅拌器(沈阳航空航天大学应用技术研究所)；ZNN-D6 型六速旋转黏度计(青岛创梦仪器有限公司)；OWC-9480D 型稠化仪(沈阳航空航天大学应用技术研究所)；YJ-2001 型匀加荷压力试验机(沈阳金欧科石油仪器技术开发有限公司)；5265型静胶凝/抗压强度测定仪(Chandler Engineering)。1.3 实验方法油井水泥取样按 GB 10238 进行，固体油井水泥外加剂的取样按 GB 6679 进行，液体油井水泥外加剂的取样按 GB 6680 进行，水泥浆性能按 API 规范 10“油井水泥材料和试验规范”的规定测试。2 结果与讨论2.1 新型纳米早强剂的制备及其性能特点新型纳米早强剂采用沉淀法制备水化硅酸钙晶种，通过大量室内小试及性能优化，最终筛选出一种混合材料的复配成品，其主要成分为纳米级的硅酸钙子晶或其悬浮液。该种纳米早强剂有液体、固体两种状态。液体为白色无味悬浊液，密度为 1.1 g/cm3，加量一般为 3%12%(BWOC)。固体为白色粉末状，密度为 1.8 g/cm3，推荐加量为 0.5%3%(BWOC)。新型纳米早强剂具有低温早强的特点，适用温度2 000抗压强度/psi起强度时间/min普通早强剂普通早强剂纳米早强剂纳米早强剂2002502581632001501005002020.26hr CS24hr CS(a)添加普通早强剂与新型纳米早强剂的水泥石在6 h 和24 h 的抗压强度(b)添加普通早强剂和新型纳米早强剂的水泥浆起强度时间图1 抗压强度实验结果技术与信息86|2023年02月水泥浆密度为 1.9 g/cm3，养护温度为 16，水泥浆流变数据汇总如表 1 所示。从表 1 中的数据可知，新型纳米早强剂的流变性能优异，比添加了其他类型早强剂的水泥浆体系更好，分散性能好，在流变读数低的同时不会引起浆体的沉降。而其他两种早强剂的加入会明显引起水泥浆流变读数升高，并且添加了氯化钙早强剂的水泥浆体系在静置 5 min 后流动性变差，低搅后无法恢复原有流动性，水泥浆发生不可逆的胶凝现象，这会使固井现场施工面临潜在风险。综合以上实验结果，加入新型纳米早强剂的水泥浆体系更为简单可控，可泵送性好，为现场应用提供了施工便利，达到了降本增效的目的。纳米早强剂在 163 min 时便起强度，而普通早强剂需要 258 min 才能起强度。因此，新型纳米早强剂已能达到深水低温固井对水泥石抗压强度的基本要求，不论是起强度时间还是等时间内的强度值均优于普通早强剂，低温早强效果明显优于普通早强剂。2.2.2 早强剂类型对水泥浆流变性能的影响为进一步测试新型纳米早强剂对水泥浆流变性能的影响，使用新型纳米早强剂配制海水水泥浆体系，测其流变数据，并对比了不同类型早强剂对水泥浆流变性能的影响。所选用水泥浆配方为：100%“G”级山东水泥+2%早强剂+0.3%消泡剂+海水，表1 添加不同类型早强剂的水泥浆流变性能早强剂类型流变读数363060100200300氯化钙26345661677989普通早强剂15172226303946纳米早强剂458101530452.2.3 早强剂类型对水泥浆稠化时间的影响水泥浆的稠化时间是指水泥浆在流动过程丧失流动的时间。从施工安全的角度考虑，水泥浆的稠化时间要大于注水泥施工的时间，本文中设计的安全时间为达到 50 Bc 时的可泵送时间。考虑到一般情况下早强剂在提升水泥石早期抗压强度的同时，会大大缩短水泥浆的稠化时间，具有一定的促凝效果，影响施工方案的设计与实施。因此，对添加新型纳米早强剂的水泥浆体系进行稠化实验，对比添加不同类型早强剂对水泥浆稠化时间及可泵时间的影响。水泥浆配方：100%“G”级山东水泥+2%早强剂+0.3%消泡剂+海水，水泥浆密度为1.9 g/cm3，实验条件为：14，3 MPa，数据汇总如下表 2 所示。表2 添加不同类型早强剂的水泥浆稠化时间及可泵时间早强剂类型稠化时间/min可泵时间/min氯化钙380268普通早强剂367293纳米早强剂184143从表 2 中数据可以看到，加入氯化钙、普通早强剂、新型纳米早强剂的水泥浆稠化时间依次缩短，分别为 380 min、367 min 和 184 min。其中添加新型纳米早强剂的水泥浆稠化时间最短，相应的其可泵送时间