化学工程师
Chemical Engineer2021年第1期Sum304No.1
DOI：10.16247/jki.23-1171/tq.20210140
油
学
赵俊1，梅文博2，夏忠跃2，解健程2，姜磊2
(1.中联煤层气有限责任公司，北京100016;2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452)
摘要：小井眼井开发能够降低钻完井作业费用，但是对固井水泥浆体系性能要求较高。为构建适用于小井眼井的柔性水泥浆体系，室内研究了水泥浆添加剂，构建了水泥浆体系，并完成了水泥浆性能评价。实验结
烘干机组果表明，研究的水泥浆体系添加剂材料能显著改善水泥浆体系性能，构建的1.9g-cm-3水泥浆配方为：100%水
泥+42%淡水+1%消泡剂RF51L+4%弹性乳液+0.3%纤维+4%降失水剂WLR—80+1%分散剂RD40L+0.6%
缓凝剂HNA+2%增强剂CE50o水泥浆性能评价结果表明了水泥浆体系流变性好，失水量小于50mL，稠化时间
为3~5h，浆体稳定，且弹性模量低，抗冲击韧性高，力学性能优异。
关键词：小井眼井；固井；水泥浆；弹韧性；力学性能
中图分类号:TE256文献标识码:A
Study on the flexible cement slurry system for slim hole cementing*
ZHAO Jun1,MEI Wen-bo2,XIA Zhong-yue2,XIE Jian-cheng2,JIANG Lei2
(1.China United Coalbed Methane Co.,Ltd.,Beijing100015,China;
2.CNOOC EnerTech-drilling&Production Co.,Ltd.,Tianjin300452,China)
Abstract:The development of slim hole well can reduce the cost of drilling and completion operation,but it requires high performance cement slurry system.In order to construct a flexible cement slurry system suitable for
slim hole wells,the additives were studied in laboratory and slurry system was constructed,then the performance e
valuation was completed.The experimental results show that the additive material of cement slurry system can im
prove the performance of cement slurry system significantly.The formulation of1.9g■cm-3cement slurry is:100%
JH/G+42%fresh water+1%defoamer RF51L+4%elastic emulsion+0.3%fiber+4%water loss reducer WLR-80+1%
dispersant RD40L+0.6%retarder HNA+2%reinforcing agent CE50.The evaluation results of cement slurry perfor
mance show that the rheological property of cement slurry system is good,the water loss is less than50mL,the
thickening time is3~5h and the slurry is stable.The elastic module is low,the impact toughness is high,and the
mechanical property is excellent.
Key words:slim hole well;cementing;cement slurry;elasticity and toughness;mechanical property
对于一些中小型或边际油气田来说，单井产量不高，对井眼尺寸及井下工具的要求也相对较低，若使用传统钻完井设计会造成不必要的浪费[1，2]o20世纪90年代以来,BP公司将小井眼技术作为其勘探技术手段，节省费用超过40%o
在国内的临兴-神府区块，由于地质构造复杂、机械钻速低的问题，通过对井身结构优化、钻头设计及钻井液体系优化等方面研究，形成了适用于临兴-神府致密气井的小井眼高效钻井技术，并在中海油致密气开发中进行了应用，缩短钻井周期59.1%，机械钻速提高56.2%。
收稿日期:2020-10-28
基金项目：国家科技重大专项(2017ZX05032004-004)
作者简介：赵俊(1986-)，男，工程师，2013年毕业于成都理工大学油气田开发工程专业，硕士研究生，现主要从事非常规天
然气钻完井工作。
但在小井眼钻井开发过程中，由于小井眼井固井时存在小套管易弯曲、居中度低，且环空间隙小，水泥环薄等问题[3]，因此，对固井水泥浆体系的性能提出了更高的要求。研究表明，小井眼井固井要求水泥浆体系具有较好的流变性和较高的稳定性、低失水高弹韧性，且稠化时间可调[4]o
针对小井眼井固井技术存在的难点，为了研发适用于小井眼井固井的水泥浆体系，室内研究了一系列固井水泥浆添加剂，构建了用于小井眼井固井的柔性水泥浆体系，并对水泥浆体系性能进行了评价。
1实验部分
1.1实验材料
G级油井水泥(嘉华特种水泥厂)；消泡剂
2021年第1期赵俊等：小井眼井固柔性水泥浆体系研究41
RF51L、弹性乳液、缓凝剂HNA、增强剂CE50（湖北
江汉石油技术有限公司）；纤维（沧州中丽新材料科
技有限公司）；降失水剂WLR-80、分散剂RD40L，实
验室自制。
1.2实验方法
依据GB/T19139-2012（油井水泥试验方法》中
的实验方法对水泥浆性能进行评价。
2结果与讨论
2.1降失水剂的选择
水泥浆降失水剂的配套选择是水泥浆体系建立
的基础，降失水剂通过提高水泥浆粘度、降低滤饼渗
透性等作用降低水泥浆的失水量［呵。为了研究性能
较好的降失水剂，对不同的降失水剂进行了系统的
评价研究，实验温度为80益，实验结果见表1。
表1降失水剂的性能评价
Tab.1Performance evaluation of filtrate reducer
降失水剂滤失量/mL囟
300
稳定性△籽/g・cm-3
空白802210.1
WLR-80262330
JSD282560.02
SY626L71-0.04
CG81L462430.06
SY616L67-0.03
由表1可以看出，WLR-80和JSD具有较好的降滤失效果，但降失水剂JSD配制的水泥浆稳定性较差。综合考虑降失水剂的作用效果，选择对水泥浆流变性影响小且浆体稳定的WLR-80作为水泥浆体系的降失水剂。
降失水剂WLR-80是AA/AMPS共聚而成的低粘聚合物。为研究降失水剂WLR-80对水泥浆失水量的影响，室内进行了进一步评价，实验结果见图
图1WLR-80对失水量影响
Fig.1Effect of WLR-80on water loss
由图1看出，不同加量的降失水剂WLR-80均能降低水泥浆的失水量，且水泥浆的失水量随WLR-80的加量增加而减小。当降失水剂加量超过4%时，失水量降低幅度减小。
2.2缓凝剂的选择
水泥浆的稠化性能与水泥浆的施工安全性密切相关。对于大多数的水泥浆体系都需要进行缓凝处理，缓凝剂通过表面吸附或生成表面沉淀的方式起到缓凝作用"8］。为研究适用于小井眼井固井的水泥浆体系，室内研究了不同缓凝剂水泥浆的稠化性能，实验温度80益，实验结果见表2o
表2缓凝剂性能评价
Tab.2Performance evaluation of retarder
缓凝剂稠化时间/min稠化转化时间/min
空白12728
HNA2759
CTR23722
PBT19216
HPAA15819
由表2可以看出，大多数缓凝剂在中低温条件下，要么缓凝效果不佳，要么转化时间较长，但加入HN
A缓凝剂的水泥浆显示了较好的稠化性能，稠化转化时间短，体系选取HNA作为缓凝剂。
为研究缓凝剂HNA对水泥浆性能的影响，室内进行了进一步评价，实验结果见表3o
土钻表3HNA加量对水泥浆性能影响
Tab.3Effect of HNA dosage on properties of cement slurry HNA加量/%稠化时间/min稠化转化时间/min 012728
0.418515
0.62959
0.832312
1.035410
由表3可以看出，HNA的延长水泥浆稠化时间的效果稳定，稠化时间可调，而且稠化转化时间均小于20min。当加量大于0.6%时，稠化时间延长幅度降低。
2.3分散剂的选择
格栅井分散剂的作用是促使水泥颗粒均匀地分散在水中，同时使水泥浆在低水灰比的情况下，依然保持可泵性［i］。小井眼井由于环空间隙小，对水泥浆流变性要求更高。室内研究了几种分散剂对水泥浆流变性的影响，实验结果见表4
。
42赵俊等：小井眼井固井柔性水泥浆体系研究2021年第1期
表4分散剂性能评价
Tab.4Performance evaluation of dispersant
分散齐U①300失水量/mL 空白24134
RD40L20237
D49L223 46 UNF23759
表4结果表明,D49L和RD40L都具有较好的流变性控制能力，但加入RD40L的水泥浆失水量较小，说明了RD40L分散剂优异的分散性能，且对水泥浆性能影响较小。
为研究分散剂RD40L对水泥浆性能的影响，室内进行加量评价，实验结果见表5o
DRC23249
表5RD40L对体系流变性能的影响
Tab.5Effect of RD40L on rheological properties of the cement slurries
RD40L加量/%①600①300①200①100①6①3稳定性驻籽/g*cm-3 0-241176901170
0.5-246160871070
1.0-225148821060
1.5-20513170850.2
2.0
-187********.3
表5结果表明，水泥浆体系的流变读数随着分散剂RD40L的加量增加而变小，但考虑到水泥浆的悬浮稳定性，在保证水泥浆分散性的前提下，分散剂的加量应不超过1%o
2.4增强剂的优选
为研究水泥浆合适的增强剂，室内评价了超细矿渣、粉煤灰、微硅以及混合增强剂CE50对水泥石抗压强度的影响，实验结果见表6o
表6增强剂性能评价
Tab.6Performance evaluation of reinforcing agent
抗压强度/MPa
60兀x24h90兀x24h -19.525.7
微硅24.428.3
粉煤灰23.726.3
超细矿渣26.230.6
漆雾净化器CE5027.832.9
表6结果表明，相比3种常规增强剂,CE50在中低温条件下对水泥浆体系的增强效果更为明显。所以，体系选取CE50作为增强剂。
为研究增强剂CE50对水泥浆性能的影响，室内进行了进一步评价，实验结果见图2o
Fig.2Effect of CR50on compressive strength
由图2可见,CE50明显提高了水泥石的强度性能，但随CE50加量增加，体系的抗压强度增长幅度明显降低。所以，在满足强度性能的前提下，应控制其加量。
2.5柔性材料的优选
柔性材料是设计柔性水泥浆体系必不可少的添加剂材料。室内选取几种常用的柔性材料，并与弹性乳液和纤维组成的复合柔性材料进行对比，评价了不同柔性材料水泥浆的力学性能，结果见表7。
表7柔性材料性能评价
Tab.7Performance evaluation of flexible materials
柔性材料
抗压强度
/MPa
抗冲击强度
/kJ-m-2
弹性模量
/GPa
空白20.8 1.678.92
橡胶粉16.3 1.75 5.65
纤维19.5 2.02 6.82
弹性乳液18.5 1.95 6.06
纤维+弹性乳液18.8 2.21 5.33表7的结果表明，几种柔性材料都不同程度的降低了水泥石的抗压强度，提高了水泥石的抗冲击强度，降低了水泥石的弹性模量，柔性材料组成的水泥浆体系比空白水泥浆体系的弹韧性更好。当纤维与弹性乳液同时加入时，水泥浆体系的抗冲击强度和弹性模量性能更好，因此，选择纤维与弹性乳液混合作为柔性材料建立柔性水泥浆体系。
3柔性水泥浆体系性能研究
通过上述添加剂研究，构建的柔性水泥浆体系配方为:100%JH/G+42%淡水+1%消泡剂RF51L+ 4%弹
性乳液+0.3%纤维+4%降失水剂WLR-80+1%分散剂RD40L+0.6%缓凝剂HNA+2%增强剂CE50（密度1.9g•cm_3）
o
2021 年第 1 期
赵 俊等：小井眼井固井柔性水泥浆体系研究smdao
43
3.1水泥浆常规性能
室内针对研究的柔性水泥浆体系，在不同温度
下对水泥浆体系常规性能进行了评价，实验结果见
表 8。
表8水泥浆体系常规性能
Tab.8 Conventional performance of cement slurry system 温度 /兀
椎300失水/mL 稠化时间 /min 自由液/mL 密度差
/
g ・ cm -3
60224272710090205
31233
00
从表 8 结果看出， 构建的复合柔性水泥浆在不 同的温度下均具有较好的常规性能，水泥浆的椎300 实验结果都小于300，失水量小于50mL ，稠化时间为
3~5h ，无自由液且没有上下密度差。实验结果表明， 柔性水泥浆体系流变性好， 失水量低，浆体稳定， 稠
化时间满足固井要求。
3.2水泥石力学性能
针对小井眼井进行固井，除了要求水泥浆体系
具有较好的常规性能外，还要求水泥浆体系力学性 能优异，达到长期封固环空的目的。室内对不同温
度 下水泥石的力学性能进行评价，实验结果见表9o
表9水泥石力学性能
Tab.9 Mechanical properties of cement paste 注：测试时间为24ho
温度/兀
强度/MPa 抗冲击强度/kj ・m -2弹性模量
/GPa 抗压抗折
6026.4 6.3
2.02
5.46
90
29.7
8.7 2.17 5.85
从表9可以看出，不同温度下柔性水泥浆抗压
强度都大于25MPa，抗折强度大于6MPa，抗冲击强 度达到2kJ-m "2以上，且弹性模量小于6GPao 实验结 果表明，不同温度下柔性水泥石力学性能都较好。抗
热转印墨水配方
压强度满足固井要求，且抗折强度和抗冲击强度较 高，弹性模量低，构建的柔性水泥浆体系具有较好的
弹韧性。
4结论
(1 )研究的降失水剂、缓凝剂、分散剂、增强剂能 显著降低水泥浆失水量，延长稠化时间，提高水泥浆 流变性和抗压强度。
(2) 弹性乳液与纤维组成的复合柔性材料能显
著提高水泥浆的力学性能，增强其弹韧性。
(3) 构建的柔性水泥浆体系在不同温度下流变
性较好，浆体稳定，失水量低，稠化时间和抗压强度
满足固井要求，且水泥石的力学性能优异，具有较好 的弹韧性。
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