Page 197 - 《精细化工》2022年第3期

第 3 期 左天鹏，等: 一种长封固段固井用缓凝剂的制备及性能评价 ·619·

Key words: long cementing interval; large temperature difference; hydrotalcite; cementing; retarder; petroleum
additives

固井作为钻井工程的最后一道工序，完井工程 以及在长封固段的大温差环境中顶部水泥石强度发
的第一道工序，是衔接钻井和采油的关键工程，包 展缓慢等问题。水滑石（LDHs）作为一种新兴的纳
括下套管以及注水泥部分。固井质量的好坏直接影 米复合材料，其独特的层状结构及其离子交换、热稳
[1]
响着油气井的产量及使用寿命 。目前，油气田勘 定性等特点，在油井水泥中具有极大的应用潜力 [10-11] ，
探开发已向深井、超深井和复杂井等方向发展，一 尤其是利用水滑石的填充效应以及晶体效应，对水
次封固段长度达 1200~1500 m，井底循环温度超过 泥浆的硬化促进作用已有不少研究，如表 1 所示。
水泥面静止温度造成顶部与底部温差大的长封固段 研究结果均表明，水滑石对水泥石的早期强度有一
固井的井次越来越多，给固井工程带来了许多困难 定的促进作用。但目前水滑石材料在油井水泥用缓
[2]
和挑战 。在固井施工中，为了改善水泥浆的流动 凝剂中的研究应用报道较少。制备插层复合缓凝剂
性、悬浮稳定性、稠化时间等性能，需要在水泥浆 材料不仅可以将水滑石材料的热稳定性、晶体效应
体系中加入外加剂，而缓凝剂的主要作用就是通过 与缓凝剂材料的缓凝效应结合为一体，还可能实现
延长水泥水化诱导期，降低水化速度，从而调节水 在不同温度下缓凝剂的控制释放功能，从而达到改
泥浆的稠化时间，使水泥浆保持一定的流动性，满 善硼酸的加量与稠化时间不成线性关系以及造成的
足在井下的可泵送时间要求，直到水泥浆泵送到需 过缓凝的目的，获得一种性能优异且能适用于大温
[3]
要固井的目标井段为止 ，以保证施工安全。为此， 差固井的缓凝剂 [12] 。
研制能适用于长封固段固井的大温差缓凝剂对解决 因此，针对目前常用缓凝剂存在的易引起油气
长封固段固井水泥浆超缓凝、层间封隔失效、井喷 井固井水泥浆异常胶凝、长封固段固井中顶部水泥
等施工问题至关重要。 石强度发展缓慢等问题，本文通过共沉淀法制备的
目前，广泛应用于油井水泥的缓凝剂种类繁多， 镁铝水滑石前驱体与硼酸进行离子交换反应，合成
传统的油井水泥缓凝剂主要包括木质素磺酸盐类、 了硼酸根插层水滑石，并对合成产物进行结构表征
羟基羧酸及其盐、糖类化合物、无机化合物等 [4-5] 。 以及性能评价，使其在参与油井水泥水化过程中通
硼酸作为无机化合物类缓凝剂的一种，其可用于高 过离子交换反应释放硼酸，并在不同的温度下达到
温缓凝，常作为复配添加剂使用，但硼酸的加量与 不同的释放效果，从而产生稳定的缓凝作用。同时，
稠化时间不成线性关系，灵敏度很高 [6-7] 。近年来， 由于水滑石材料本身的晶体效应作用，在保证水泥
国内外学者对缓凝剂研究主要以聚合物类缓凝剂为 浆凝结时间的同时又能保证水泥石抗压强度的发
主，但其合成方式较复杂，且结构具有多变性，易 展，这对进一步将水滑石材料应用在油气田固井中
存在加量敏感以及出现超缓凝的现象 [8-9] 。因此，目 以及通过水滑石材料制备能适应于大温差固井的缓
前国内的缓凝剂仍存在一定缺陷，如高温缓凝性差 凝剂提供了一定的理论参考。

表 1 不同类型的水滑石对水泥力学性能的影响（掺量以水泥质量为基准）
Table 1 Effect of different types of hydrotalcite on mechanical properties of cement (dosage is based on the mass of cement)
抗压强度/MPa
水泥类型 水滑石类型 养护温度/℃ 掺量/%
1 d 3 d 7 d
G 级油井水泥 [13] Ca/Al-ANMA-LDH 60 0 32.34 35.67 40.01
0.8 31.24 35.27 40.09
G 级油井水泥 [10] Ca/Al-LDH-W 60 0 26.88 30.06 32.01
0.1 34.32 37.29 37.85
0.4 30.89 32.04 27.56
Ca/Al-LDH-E 60 0 26.88 30.06 32.01
0.1 31.26 35.36 30.89
0.4 29.32 31.58 28.09
硫铝酸盐水泥 [14] Mg/Al-LDH 20 0 2.887 4.799 9.750
2 4.707 5.758 12.667
Zn/Al-LDH 2 4.014 5.074 11.561
Li/Al-LDH 2 6.815 9.285 13.526
Zn/Mg/Al-LDH 2 4.274 5.470 12.383
注：Ca/Al-ANMA-LDH，Ca/Al-LDH-W，Ca/Al-LDH-E 分别是阴离子型共聚物 Ca/Al-LDH、由水溶液制备的 Ca/Al-LDH、由乙
醇溶液制备的 Ca/Al-LDH。