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新型油井水泥缓凝剂的研制

刘建 张泽宇 魏浩光 王牧 周仕明

刘建,张泽宇,魏浩光,等. 新型油井水泥缓凝剂的研制[J]. 钻井液与完井液,2022,39(5):615-621 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.05.013
引用本文: 刘建,张泽宇,魏浩光,等. 新型油井水泥缓凝剂的研制[J]. 钻井液与完井液,2022,39(5):615-621 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.05.013
LIU Jian, ZHANG Zeyu, WEI Haoguang, et al.Development of new oil well cement retarder[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2022, 39(5):615-621 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.05.013
Citation: LIU Jian, ZHANG Zeyu, WEI Haoguang, et al.Development of new oil well cement retarder[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2022, 39(5):615-621 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.05.013

新型油井水泥缓凝剂的研制

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2022.05.013
详细信息
    作者简介:

    刘建,现在主要从事固井水泥浆体系和油井水泥外加剂相关的研究工作。电话 18911321285;E-mail:liujian6702003@126.com

  • 中图分类号: TE256.6

Development of New Oil Well Cement Retarder

  • 摘要: 针对大温差长裸眼固井施工中,高温高压下缓凝剂加量敏感或者失效,水泥浆稠化时间缩短或不规律;施工结束后,长封固段顶部强度缓凝会导致气窜和密封完整性失效的现状。通过正交实验优化实验方案,合成耐高温有机缓凝剂,再采取有机-无机杂化的方式匹配适合的无机增强材料,利用无机和有机杂化的方法,设计层状结构,使有机材料能插层或者键合到无机材料表面。在油井水泥浆经历的低温-高温-低温过程中,随无机材料层间距的变化,低温时无机材料起增强主导作用,高温时有机材料起缓凝主导作用。优选了层状石墨烯类和双电子层水滑石类2种无机增强材料,根据无机材料本身的特点研制2种新型油井水泥缓凝剂,其中层状石墨烯类缓凝剂适应性强,耐温能力达150 ℃,110 ℃大温差条件下72 h强度大于7 MPa;双电子层水滑石类缓凝剂耐温能力也达150 ℃,加入该类缓凝剂的水泥浆流变性能易于调节,水化初期强度发展较快,但后期增强能力不如层状石墨烯类缓凝剂。上述缓凝剂室内制备工艺简单,原料易得,具有广阔的推广应用前景。

     

  • 图  1  层状石墨烯类缓凝剂加量对水泥浆稠化性能的影响

    图  2  温度对层状石墨烯缓凝水泥浆体系稠化性能的影响

    图  3  150 ℃下 层状石墨烯类缓凝剂水泥浆体系的稠化性能

    图  4  层状石墨烯类缓凝剂水泥石强度的性能测试

    注:缓凝剂加量为1%;稠化实验条件为:150 ℃、75 MPa、75 min;强度养护条件为:40 ℃、21 MPa

    图  5  双电子层水滑石类缓凝剂水泥浆体系稠化性能

    图  6  不同温度下双电子层水滑石类缓凝剂水泥浆的稠化性能     

    图  7  不同加量双电子层水滑石类缓凝剂水泥浆的稠化性能    

    图  8  双电子层水滑石类缓凝剂水泥石强度性能测试

    注:稠化实验条件:150 ℃×75 min×75 MPa;缓凝剂加量为1%;强度养护条件:40 ℃×21 MPa

    图  9  层状石墨烯类缓凝剂水泥石扫描电镜和X射线衍射

    图  10  双电子层水滑石类缓凝剂水泥石扫描电镜和X射线衍射

    表  1  有机缓凝剂单体优选的正交实验及其对水泥浆性能的影响

    实验方案 A1 A2 A3 A4 t稠化/min p/MPa
    1# 5 4 2 1 300 14
    2# 5 3 3 2 270 16
    3# 5 4 4 1 360 8
    4# 4 4 3 1 320 11
    5# 4 3 4 1 290 15
    6# 4 4 2 2 310 12
    7# 3 4 4 2 340 9
    8# 3 3 2 1 250 18
    9# 3 4 3 1 320 10
    均值1 310.000 320.000 286.667 303.333
    均值2 306.667 270.000 303.333 306.667
    均值3 303.333 330.000 330.000 310.000
    极差 6.667 60.000 43.333 6.667
      注:稠化实验条件为:130 ℃、60 MPa、60 min,抗压强度养护条件为:90 ℃、21 MPa、72 h
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    表  2  有机缓凝剂合成的实验方案

    实验方案 T/℃ 反应方式 实验结果
    1# 20 水溶性 单体难溶解,
    反应速度缓慢
    2# 40 水溶性 单体容易溶解,
    但反应速度较慢
    3# 50 水溶性 单体容易溶解,
    反应速度适中
    4# 60 水溶性 单体容易溶解,
    反应速度较快
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    表  3  无机增强材料的优选

    类型 性能
    特征
    粒径/
    nm
    水泥浆的
    相容性
    90 ℃水泥石
    增强率/%
    B1 亲水改性颗粒 592 60
    B2 水溶性分散液 430 不好
    B3 疏水型纳米颗粒 385 80
    B4 疏水型纳米粉末 342 150
    C1 亲水改性颗粒 422 40
    C2 疏水纳米粉末 732 不好
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    表  4  层状石墨烯类缓凝剂对水泥浆体基本性能的影响

    缓凝剂/% φ600/φ300/φ200/φ100/φ63 FLAPI/mL
    0.1 −/240/176/105/16/12 24.0
    0.3 −/220/150/95/10/8 26.2
    0.5 200/120/98/71/8/6 28.4
    0.8 180/104/78/55/6/4 30.0
    1.0 150/84/60/35/3/2 32.6
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    表  5  双电子层水滑石类缓凝剂的水泥浆体系流变性能

    缓凝剂/% φ600 φ300 φ200 φ100 φ6 φ3 FLAPI/mL
    0.1 250 153 24 16 26.4
    0.3 290 200 132 14 12 28.2
    0.5 295 200 178 110 10 8 30.4
    0.8 268 197 78 85 8 6 32.0
    1.0 243 134 93 54 5 3 34.6
     注:流变性能的测试条件为90 ℃
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-07
  • 修回日期:  2022-06-18
  • 刊出日期:  2023-01-10

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