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沙特阿美公司EXPEC高级研究中心钻井技术团队，沙特阿拉伯达兰31311
收到日期:08/10/2017接受日期:12/10/2017发表日期:20/10/2017
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固井是油井钻井中极其重要的作业，可以保证井的完整性，防止油气长时间运移。如果没有足够的固井，往往会导致灾难性的问题。很多时候，需要重新检查水泥的完整性，以诊断是否存在导致流体或气体运移到井筒或地面的微裂缝等问题。在这种情况下，如果发现固井存在问题，就需要进行补救固井作业来解决问题。水泥浆的设计非常重要，应根据具体情况进行设计，以确保泵送前搅拌无故障，并在泵送井下后达到理想的流变性、失液控制和增稠时间。在水泥中应用了多种化学物质，如缓凝剂、滤失控制添加剂、分散剂和气体迁移预防添加剂和膨胀添加剂。根据井型、邻井数据以及温度和压力等其他标准，选择合适的水泥化学剂是实现最大和长期效益的关键。有几份报告描述了不同的化学物质及其在固井中的应用。复习的目的是要有一个概述化学物质并根据其作用机理对其在水泥设计中的性能进行了比较
采购产品固井添加剂，石油和天然气井，初级固井，补救固井
油井固井是钻井完井作业的重要工序。将水泥浆放置在套管和已钻地层之间，以便在井的整个生命周期内实现适当的层间隔离[1］．固井作业一般分为初级固井和补救性固井两类。在钻完一段井眼后立即进行一次固井，以固定套管，并将地层与井筒隔离。初次水泥浆的设计必须非常谨慎，因为井的使用寿命主要取决于初次水泥浆的质量。这一过程中添加剂的选择应基于几个因素，如井型、温度、压力、酸性气体等。设计的水泥浆被泵入，并放置在套管和地质地层之间。设定时间由浆料中添加的缓速剂和加速剂的类型决定。初级固井的主要目的是为套管提供支撑和粘结，层间隔离以防止流体在地层之间迁移，保护套管免受腐蚀环境的影响，作为密封和屏障来保持地层压力，并为套管提供保护，免受钻井作业(如冲击载荷)的影响。套管点和固井阶段通常包含在井身设计中。因此，司钻始终意识到必须分阶段进行套管和固井作业。然而，在某些情况下，为了解决漏失等特定钻井问题，需要进行套管和固井作业。成功的固井实践始于设计有效的水泥浆，通过添加添加剂来增强或改性以达到预期的水泥性能[2］．水泥中添加的添加剂是油井设计、施工和完整性的重要组成部分。因此，任何新的水泥设计或添加剂在现场应用之前都必须进行全面的实验室测试。实验室测试包括UCA压缩测试、凝结时间等。在水泥设计中，有几种添加剂用于特定的应用。对于固井作业所需的添加剂浓度，不可能定义一个适用于所有情况的通用指南[3.］．目前还没有标准指南来帮助钻井工程师和科学家有效地设计不同井段使用的最佳水泥浆。水泥设计中添加剂的选择是根据地层类型、深度、温度和压力来确定的。除了用于流变学、失液控制和缓凝剂等应用的常用添加剂外，还应根据井的要求添加特殊添加剂，如扩展剂、稀释剂、防止气体运移添加剂、H2S清除剂、氧气清除剂、缓蚀剂、膨胀添加剂等[4］．针对特定作业进行适当的水泥浆设计，有时可以避免添加该作业不需要的昂贵化学物质，从而最大限度地降低固井成本。通常情况下，由于每口井都有其独特的特点，因此需要提前对固井泥浆进行测试。因此，固井专家需要现场和实验室经验，以帮助钻井工程师设计水泥浆。目前还没有比较研究提供用于固井的不同化学品的性能指南和局限性。这篇综述文章旨在提供关于水泥的细节化学以及用于油气井固井的化学物质及其作用机理。
它是在套管或尾管与已钻地层之间注入水泥浆的过程。该作业的主要目标包括层间隔离，防止环空流体运移，支撑套管或尾管，保护套管柱免受地层腐蚀性流体的侵害。通常，水泥泥浆的设计温度范围从永久冻土区的冰点以下到地热和热采油井的700°F，压力范围从浅井的接近环境压力到深井的30000 psi以上。水泥初次设计时，除了温度和压力外，还必须考虑其他因素，如多孔地层、腐蚀性流体环境和过压地层流体。只有在水泥浆设计中加入足够的添加剂，才能适应如此广泛的条件。添加剂可以使水泥容易、成功地注入，抗压强度快速提高，并在井的整个生命周期内提供层间隔离。以下简称已用于简化不同水泥化学成分的表达。
硅酸盐水泥一般主要由四种成分组成，即硅酸三钙(C3.S)负责早强发展，硅酸二钙(C2S)负责最终强度，铝酸三钙(C3.A)和四钙铝铁氧体(C4AF)的早期力量。此外，还加入石膏来控制水泥的凝结时间[4］．硅酸盐相约占水泥材料总量的75-80%3.S是主要成分(60-65%)。C的量2S通常不超过20%(延迟水泥除外)。在水合作用下，C3.S和C2S生成水合硅酸钙(C3.年代2H)和氢氧化钙(Ca(OH))2)，亦称Portlandite。C3.年代2H3.通常称为CSH凝胶，其C:S和H:S比随温度、水相钙浓度和固化时间的变化而变化。在环境条件下，CSH凝胶包含约70%的完全水化波特兰水泥，被认为是硬化水泥的主要粘结剂。相比之下，氢氧化钙是高度结晶的，浓度约为15-20%，这是水泥高pH值的原因[5］．
石膏与雷竞技网页版水接触，部分溶解，释放出钙离子和硫酸盐离子，与C3.A形成三硫铝酸钙水合物，称为钙矾石矿物，(C3.交流3.S.32H)会沉淀到C3.A表面防止进一步快速水化(闪凝)。石膏逐渐被消耗，钙矾石继续沉淀，直到石膏被消耗。硫酸盐离子浓度降低，钙矾石转化为水合单硫铝酸钙不稳定。其余的不水合C3.A会形成水合铝酸钙。在水泥设计中加入特殊添加剂以改变或抑制水化反应[5］．对于相同的浆料设计，可以获得广泛的结果，这取决于诸如粒径分布、硅酸盐和铝酸盐相分布、水化相的反应性、石膏/半水比、总硫酸盐含量、自由碱含量、温度、压力、添加剂浓度、混合等参数能源、搅拌顺序、水灰比。由于水泥水化过程的复杂性和大量参数的影响，在井场应用前应进行全面的实验室测试，以避免任何令人不满意的意外。市场上有超过100种液体和固体形式的添加剂，以满足八个主要类别的应用。
加速器
这些化学物质可以缩短水泥体系的凝结时间，提高抗压强度的发展速度。加速器有时用于导体管道或在要求短时间增厚的低温条件下。它们还常用于抵消某些其他添加剂(如分散剂和滤失控制添加剂)造成的设定延迟[6］．许多无机盐可以作为硅酸盐水泥的加速剂。加速功能也为许多其他盐，如碳酸盐，硅酸盐，铝酸盐，硝酸盐，硫酸盐，硫硫硫酸盐和碱，如钠，钾和铵离子的氢氧化物。氯离子是最好的，随着氯离子半径的增加，与氯离子配对的阳离子从一价到二价再到三价，加速变得更强[7］．根据Edwards和Angstadt 1996年报告的波特兰水泥正离子和负离子加速效率的排名如下。
水的阳离子:
负离子:水的负离子:
众所周知和常用的促进剂之一是固体形式的氯化钙(77%的纯氯化钙)2)．氯化钙的使用浓度为水泥重量(BWOC)的1 ~ 4%。如果BWOC浓度高于6%，结果就会出现错误，并可能导致过早结块。氯化钙的作用机制非常复杂，尽管文献中已经提出了一些假设，但仍然没有清楚地解释。水泥与水混合时的水化率可使用化学品加以控制[8］．Traetteberg和Bensted报道氯化钙增加了铝酸盐/石膏体系的水化速率[9］．氯离子增加了钙矾石的形成，钙矾石呈针状结晶，有助于水泥浆的快速凝固。另一种解释是氯化钙改变了C-S-H凝胶结构的形态，使其更絮凝，从而促进扩散和加速水化，从而导致快速凝固[10］．近藤等人[11]解释说，氯离子扩散到C-S-H凝胶层导致羟基离子反扩散以平衡电荷。这导致了portportite的析出，结束了诱导期，加速了凝固。如果使用不当，氯化钙的效果有时是不利的。氯化钙的存在增加了水泥浆混合过程中的产热率，并且在放置后的最初几个小时内继续产生热量。热可能会散失到套管中，由于热膨胀系数的差异，套管可能会收缩远离水泥，形成热微环空，从而影响层间隔离[12］．其他参数，如流变性、抗压强度发展、固化水泥的渗透性和抗硫酸盐性，都受到氯化钙加速体系的影响或改变。氯化钠浓度可达10%时用作加速器。在10 - 18%的水重量(BWOW)之间，它基本上是中性的，并且增稠时间与使用淡水获得的时间相似。当NaCl添加量大于18% BWOW时，会引起反应迟缓。加速的最佳浓度在3-5% BWOW之间。文献中报道了甲酸钙、草酸和三乙醇胺等有机促进剂，但尚未广泛用于现场应用[13］．
情况下
缓凝剂是一种可以延长水泥体系凝结时间的化学物质[14］．虽然文献中提出了一些理论，但其机制仍未得到很好的解释。缓凝剂的化学性质和水泥相必须被认为是缓凝剂起作用的两个主要因素。对于温度约为125ºF或更低的井，我们不需要添加任何缓速剂[15］．但是，随着温度的升高，C3.S增加，因此增稠时间减少[16］．因此，缓凝剂必须是水泥浆设计的一部分，以防止在高温环境下过早凝固[17］．除了在搅拌水泥浆时添加到水泥中的缓凝剂外，市场上还有缓凝水泥。提出了缓凝剂作用的四种主要理论，即吸附、沉淀、成核和络合作用。根据吸附理论，缓凝剂吸附在水化产物表面，抑制了与水的接触。雷竞技网页版在沉淀理论中，缓凝剂与水相中的钙或氢氧根离子反应，在水泥颗粒周围形成不溶性和不渗透层。在成核理论中，缓凝剂吸附在水化产物的核上，起毒性作用，防止进一步生长。在络合理论中，钙离子与缓凝剂螯合，防止核的形成。减速器可以同时以这四种方式工作。化学延缓过程的性质是非常好的发展和总结在下一节。
木质素磺酸盐
木质素磺酸盐的钠盐和钙盐，见图1是油井固井中最常用的缓凝剂。这些是未经提炼的木材聚合物，含有不同数量的糖类化合物。典型的分子量在20000到30000之间。低分子量碳水化合物的存在归因于木质素磺酸盐的阻滞作用[18］．为了达到有效的缓速作用，建议荷载范围为01-1.5% BWOC。木质素磺酸盐对C3.结合吸附和成核理论研究了S的水合作用。对木质素磺酸盐的阻滞作用的另一种解释是，木质素磺酸盐吸附后，C-S-H凝胶结构的形态发生了变化，形成了一个不透水层，从而阻止了进一步水化[19］．木质素磺酸钙也有助于控制失水[20.］．
图1:木质素磺酸盐。
羟基烃酸
这些酸及其盐的阻滞作用一般归因于α或β羟基羧酸基团的存在图2．这些功能能与钙等金属离子发生螯合，形成稳定的环状结构，部分吸附在水化水泥表面和水化产物的毒成核部位。葡萄糖酸盐和葡萄糖庚酸盐是最常用的缓凝剂。柠檬酸也被用作缓凝剂，它也是有效的水泥分散剂。
图2:羟基烃酸。
糖类化合物
这一类中最好的缓凝剂是那些含有五元环结构的缓凝剂，如蔗糖和棉子糖图3［21］．然而，由于对浓度的微小变化非常敏感，因此在固井中不常用这种方法[22］．据报道，阻滞作用取决于这些化合物对碱水解的敏感性，通过毒害成核位点来抑制水化[18］．
图3:糖类化合物。
纤维素衍生物
这些是从木材中提取的多糖，在水泥浆的基本条件下是稳定的。其机理被认为是这些纤维素产物吸附在水化水泥表面并阻止进一步水化。纤维素中的环氧乙烷链和羧基是活性位点，负责吸附。用作缓凝剂的最常见的纤维素材料是羧基-甲基-羟基-乙基纤维素图4［23］．常用于水泥中作为降滤失添加剂。
图4:Carboxymethylhydroxyehtylcellulose。
有机磷酸酯类
有机磷酸盐的不敏感性有一般的分子式图5水泥成分的微小变化是这些化合物作为缓凝剂的有利特性。亚烷基膦酸及其盐被报道为油井固井的缓凝剂。这些化合物表现出优异的水解稳定性，在井底温度高达400°F [24］．含有季铵盐的磷酸甲基化化合物也是非常有效的缓凝剂[25］．虽然关于延迟作用机理的报道很少，但人们认为与其他类型的延迟剂类似，活性核的吸附中毒是延迟凝结时间的原因。
图5:有机磷酸盐作为缓凝剂。
其他无机酸，如硼酸、磷酸、氢氟酸和铬酸及其盐都能延缓硅酸盐水泥的水化。锌和铅的氧化物也被用作触变水泥浆的缓凝剂。采用BWOW浓度大于20%的氯化钠作为水泥缓凝剂。除了缓速剂外，还有一些化学物质用作缓速剂，如十水合四硼酸钠。它能够将木质素磺酸盐的温度极限延长到600°F。然而，纤维素和多胺减液添加剂的效率将因添加十水合四硼酸钠而受到阻碍。
填充剂
扩展剂是降低水泥体系密度或降低单位体积产品水泥量的材料。换句话说，水泥扩展剂用于降低料浆密度和/或增加料浆产量。降低水泥浆密度可降低静水压力，同时可固井薄弱和枯竭段[26从而最大限度地减少固井段数，并最大限度地减少弱地层中诱发漏失的几率。通过提高料浆产量，降低水泥用量，具有经济效益。浆体密度降低导致抗压强度降低[27]和增加增稠时间[28］．Salam等人的实验研究证明了增稠剂与增稠时间之间的关系。根据作用机理，扩展剂可以分为水扩展剂，其中粘土和其他水增粘剂的存在允许添加多余的水来实现浆料的扩展，低密度骨料，其中材料的密度低于硅酸盐水泥和气体扩展剂，其中氮气或空气可用于形成极低密度的泡沫水泥。但水泥浆用水稀释降低粘度，会造成水灰比增加、增稠时间延长、抗压强度降低等缺点。因此，用水稀释水泥浆并非最佳做法[29］．有几种添加剂用作扩展剂，归纳如下。
粘土
膨润土是最常用的扩土剂[30.］．它含有85%的蒙皂石，蒙皂石是由两片四面体硅薄片夹在一块八面体氧化铝薄片中组成的。膨润土在水中膨胀数倍，具有更高的粘度、凝胶强度和固体悬浮能力。预水化膨润土是首选，因为水泥中的钙离子会阻止膨润土水化。因此，对于膨润土作为良好的扩展剂，建议进行预水化处理。然而，当使用膨润土作为扩展剂时，抗压强度会降低，因此水泥浆不适合硫酸盐水和腐蚀性流体。膨润土还有助于控制漏失。膨润土在含盐水泥浆中无效。凹凸棒土可在上述情况下代替膨润土[31］．
钠硅酸盐
硅酸钠是最常用的扩展剂，有固体和液体两种形式。硅酸盐与氯化钙或石灰反应形成具有足够粘度的硅酸钙凝胶。因此，可以使用大量的混合水，而不需要过多的自由水分离。硅酸盐往往会加速凝结，从而影响其他添加剂(如缓凝剂和降滤失剂)的效果。在淡水中的水泥和水玻璃混合物中加入氯化钙会引发凝胶的形成。硅酸钠的理想浓度为0.2% ~ 3% BWOC。对于液体硅酸钠，也称为水玻璃，在与浆料混合之前，以0.2至0.6加仑/斯克的浓度添加到混合水中。如果浆体设计包括氯化钙，则必须在水玻璃之前将其添加到混合水中，以提供足够的延伸性能。对于固体的偏硅酸钠，通常与浓度在0.1%至4%之间的水泥干混合，使用温度可达200°F [32］．
火山灰
火山灰是天然获得的细磨硅质和铝质材料，称为火山灰和硅藻土，人工合成的火山灰称为燃煤电厂获得的飞灰。它们可以用来降低水泥浆的密度和渗透性。它们还通过与游离Ca(OH)反应来提高抗压强度。2由水泥水化形成稳定的强单硅酸钙[33］．此外，粉煤灰还用于含硅粉或微硅的水泥体系中，以防止CO的产生2还有硫酸盐攻击。
轻质颗粒扩展剂是存在于水泥浆中的惰性材料，与水泥颗粒相比，其密度较低，用于降低水泥浆的密度。珍珠岩、硅煤、煤粉和玻璃微球是用作扩展剂的轻质颗粒的一些例子[34］．珍珠岩是一种粉碎的火山玻璃，含有76%的二氧化硅。可与膨润土(2-4%)配制低密度泥浆。然而，它的抗压强度较差，破碎压力等级为3000psi。因此，珍珠岩作为轻质水泥增稠剂的应用仅限于浅层套管。新秀丽石是一种天然沥青材料，用于配制低密度、高抗压强度的泥浆。Gilsonite会在300°F以上的温度下熔化，因此不能在超过这个温度下使用。新秀丽石还可以作为堵漏材料，并可与膨润土一起使用以提高性能。煤粉既可作为补漏剂，也可作为堵漏剂，其性能与吉蓝煤非常相似。与Gilsonite相比，粉煤的另一个优势是前者的熔点为1000°F，这使得它适用于高温应用。 Microspheres are recent development in the field of light weight cement. The specific gravity of microspheres is around 0.4-0.6, which allows the preparation of high compressive strength low density cement slurry. Microspheres are made either from glass or ceramic. The glass microspheres in most cases can withstand pressures up to 5000 psi, however special grades are available in the market with thicker walls which can survive 10000 psi over burden pressure. The shell of ceramic microspheres are made of aluminosilicates with mixture of CO2和N2球体内的气体和流体静压不建议使用超过4500psi。泡沫水泥是一种将氮气掺入泥浆中以降低单位体积密度的系统。该系统需要一种特殊配方的基础水泥体系，以获得均匀的泥浆，能够提供高抗压强度、低渗透性和低至7ppg的密度。001.
加权代理
在水泥浆中加入重量或更高密度的添加剂，以增加水泥体系的整体密度。用于加重剂的添加剂的主要要求包括:比水泥的比重高，粒径分布一致，化学惰性，不干扰水泥和测井工具[35］．在高孔隙压力、不稳定井筒和变形地层中，18 ppg的泥浆密度非常常见，这是一种通过提供高静水压力来稳定地层的方法。在这种情况下，应使用同等或更高的水泥体系。为了达到高密度，就像在钻井液中，钛铁矿(FeTiO)等高比重的材料3.)、赤铁矿(Fe2O3.)和重晶石(BaSO4)添加到水泥浆中。钛铁矿的比重为4.45，浆料密度可配制为20 ppg以上。它对增稠时间和抗压强度的发展贡献很小。赤铁矿比钛铁矿重，比重为4.95，呈红色结晶固体，粒度分布较细。可代替重晶石使用，克服重晶石的局限性[36］．用于制造密度高达22 ppg的水泥浆。重晶石是钻井液中最常见的加重材料，但在水泥中不是，因为它需要额外的水才能有效地作为致密剂。这导致水泥的抗压强度降低。
分散剂
这些化学物质有助于降低水泥的粘度。水泥浆的密度是水泥浆中固体含量的直接函数。粒子的表面电荷决定粒子间的相互作用。水泥分散剂改变颗粒的表面电荷，以获得所需的流变性能。磺酸盐聚合物是最常用的分散剂，5-50个磺酸盐单元附着在高度支化的聚合物的骨架上。线状聚合物和带负电荷的小有机化合物也是有效的分散剂。聚三聚氰胺磺酸盐是一种用于油井固井的分散剂，温度低于185°F，因为超过这个温度结构就不稳定了。为了达到适当的水泥分散效果，BWOC要求为0.4%。聚萘磺酸盐是分子量在3000至20000 [37］．这些聚合物是另一种常用的分散剂，用于淡水泥浆的浓度为0.5%至1.5% BWOC，用于用NaCl盐水制备的水泥浆的浓度高达4% BWOC。
阴离子分散剂，如具有羧酸基团的木质素磺酸盐，将吸附在水泥表面，使其带负电荷。因此，带负电荷粒子的静电斥力会导致有效分散[38］．丙酮甲醛亚硫酸盐(AFS)，如图所示图6是一种星形聚合物，在高盐水环境下不易卷起，并能吸附在水泥表面。它在高温和高盐水环境下非常有效。聚羧酸-甲基丙烯酸酯共聚物具有静电斥力和空间位阻作用，是一种有效的分散剂。
图6:用作分散剂的化学添加剂
失液控制添加剂
这些材料可以最大限度地减少水泥水相进入地层的损失，如果控制不当，可能会导致作业失败，因为水相体积减少，导致密度增加，导致性能偏离原始设计。动态失液是指当泵送作业时，由于浆液密度增加而导致的浆液失循环。此外，其他性质，如流变性和增稠时间可能会受到影响。静态失液是指泵送和注入后泥浆中流体的损失，如果不加以控制，将导致泥浆体积减少和压力下降，从而可能导致地层流体进入泥浆[39］．漏失的流体可能会使气体进入环空中的水泥浆中。因此，过滤控制剂也用于减少气体迁移。滤失剂通过在地层表面形成水泥浆滤饼来最大限度地减少滤失。滤失控制添加剂通过增加泥浆的粘度和降低滤饼的渗透性来减少流体的过滤，从而保护水敏感地层。此外，防滤失添加剂还能最大限度地减少地层损伤，改善胶结和挤压固井效果。37］．采用颗粒材料和水溶性聚合物作为防滤失添加剂。颗粒材料的例子有膨润土、碳酸盐粉末、沥青质、热塑性树脂等。由于这些颗粒的形状和大小，它们可以进入滤饼，并滞留在水泥颗粒之间，从而降低渗透性。乳胶添加剂也表现出优异的滤失控制性能。用于122°F低温应用的最常见乳胶样品是偏氯乙烯，聚醋酸乙烯和最近开发的丁二烯用于高温应用(350F)。
水溶性聚合物通过增加粘度和降低滤饼的渗透性来发挥作用。水泥失液添加剂可以是非离子纤维素衍生物，如HEC，非离子合成聚合物，如PVA或PEI，阴离子合成聚合物，如amps -共聚物，或晶格。膨润土也可用于中度滤失控制(200- 400cc / 30分钟)。也可在水泥浆中作为增粘剂使用，并能起到一定的缓凝作用。羧甲基纤维素(CMC)用于钻井泥浆。但在水泥中不适用，因为它会沉淀钙离子。羟乙基纤维素(HEC)图7是非离子聚合物。它通过氢桥键将水分子结合，从而增加水的粘度。HEC限制在220°F(104°C)，并随着氯化钠含量的增加而失去效率。HEC对水泥也有一定的缓凝作用。
图7:非离子型羟乙基纤维素。
对于高达325°F的高温应用，羧甲基羟乙基纤维素(CMHEC)如图所示图8可以使用。CMHEC表现出耐盐性，也有一定的迟滞作用。
图8:Carboxymethylhydroxyethyl纤维素。
所有纤维素聚合物共有的一个缺点是，它们也是有效的增稠剂，使水泥浆难以混合，最终导致水泥浆的不期望的增稠。当温度低于150°F时，大多数纤维素基失液添加剂将导致水泥凝结迟缓。另一方面，纤维素聚合物的滤失效果随着温度的升高而降低。因此，在选择纤维素聚合物时必须小心，以避免不期望的结果。
聚乙烯矿(PEI)如图所示图9是一种失液添加剂，具有很高的热稳定性，在含3% BWOW的盐水中可达到390°F。当PEI与阴离子分散剂结合使用时，性能提高，产生不溶性团聚体。PEI的工作原理是堵塞滤饼，不建议在海上作业中使用，因为它被认为对海洋生物有毒[40］．
图9:聚乙烯亚胺(PEI)。
聚乙烯醇(PVA)在低浓度盐水中可在高达280°F的温度下使用，没有延迟作用(图10)．但是，当与硼酸交联时，会发生失液增加和一定的阻滞作用。
图10:聚乙烯醇(PVA)。
苯乙烯-丁二烯树脂晶格(SBR)图11在高达350°F的高温下，可以增强黏结，防止环空气体的产生。
图11:丁苯树脂晶格(SBR)。
合成的基于AMPS的共聚物，如2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)-共-丙烯酸(AA)丙烯酰胺(AAM)-共- n -甲基- n -乙烯基乙酰胺(NMVA)是非常有效的失水添加剂，最高可达225°C (图12)．基于amps的共聚物具有高粘度，与其他添加剂的相容性有限。AAM在高温下会水解成AA，产生一定的延缓作用[40］．
图12:2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)-共丙烯酸(AA)丙烯酰胺(AAm)-共n -甲基- n -乙烯基乙酰胺(NMVA)。
2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)-共-丙烯酸(AA)丙烯酰胺(AAm)-共- n -甲基- n -乙烯基乙酰胺(NMVA)-共-乙烯基膦酸(VPA)降滤失剂适用于温度高达400°F的高盐水泥浆，使用氯化钙除外2盐就像图13．粘度低，滞流效果小。通过形成高凝胶强度的显胶和直角设定，有助于防止和控制瓦斯。SO的负离子电荷密度最低3.-PO最高3.2 -．这意味着，作为水泥分散剂，性能最好的将是具有VPA [40］．
图13:2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)-共丙烯酸(AA)丙烯酰胺(AAm)-共n -甲基- n -乙烯基乙酰胺(NMVA)-共乙烯基膦酸(VPA)。
高分子量聚乙烯灌肠胺(50%活性)聚合物在水中被归类为阳离子滤失剂。必须使用pns型分散剂才能有效地控制滤失。如果单独使用，则无法实现滤失控制。表1显示不同类型作业的推荐失液要求。
| 操作 | 失水，ml/30分钟 |
|---|---|
| 防止气窜 | 30 - 50 |
| 衬胶 | < 50 |
| 套管固井 | 200 < 300 |
| 水平井固井 | < 50 |
| 用于挤压固井;地层渗透率小于1 md | 200 |
| 用于挤压固井;地层渗透率在1 ~ 100 md之间 | 100 - 200 |
| 用于挤压固井;地层渗透率大于100 md | 35 - 100 |
| 高密度浆料 | < 50 |
表1。不同类型操作的推荐失液要求。
漏失物料
这些材料用于控制水泥浆在弱地层和凹陷地层中的损失。在初次固井作业中，循环漏失是一个严重的问题，可能导致进行补救固井作业。有效控制失稳材料的标准是成本低、无毒、粒径分布广、无加速或延迟倾向、有足够的强度来弥补孔隙和裂缝[35］．钻井时使用有机漏失材料来控制漏失并不是固井时控制漏失的理想选择。它们在控制漏失方面可能非常有效，但随着时间的推移，有机质会被碳化，为腐蚀性地层流体留下裂缝[27］．在水泥浆中加入桥接材料，可桥接裂缝和封堵薄弱层。颗粒级煤和煤是优良的桥接剂，因为它们对水泥水化具有化学惰性。其他的例子包括磨碎的核桃壳或山核桃壳，粗膨润土和玉米棒。尼龙和玻璃纸也分别用作纤维型和片状的漏失材料[41］．当泥浆进入损失区时，玻璃纸薄片在裂缝表面形成垫状结构。触变水泥也可用于堵漏，当水泥浆进入裂缝时，由于没有剪切或搅拌，粘度增加到凝胶稠度。最终堵塞漏失区。半水硫酸钙(CaSO4.0.5H20)添加剂用于制备触变性浆料。它将形成石膏(CaSO4.2H20)加入水泥和水，然后与铝酸三钙反应形成硫铝酸钙水合物矿物(ETTRINGITE)凝胶。这种凝胶需要搅拌才能分解。一旦搅拌停止，浆液就会再次凝结。半水合硫酸钙的复配量为8-12% BWOC，水泥的C含量不应低于5%3.A.所以，G类不建议在这里使用，因为它的C含量小于5%3.我们没有足够的钙矾石来形成触变水泥。对于此类水泥，C含量低于5%3.A、建议使用硫酸铝亚铁和硫酸的混合物与水泥浆中的氢氧化钙反应形成钙矾石。
消泡剂的代理
由于许多水泥添加剂会导致起泡，所以在混合过程中会产生泡沫。过多的泡沫会使水泥浆在失去水压的情况下产生胶凝和空化等不良性能。如果浆体在混合过程中产生泡沫，可能导致离心泵气锁，导致泵停[42］．防泡剂通常加入到混水或水泥干拌中，以防止上述问题的发生[43］．消泡剂通过改变表面张力和固体的分散性来防止产生泡沫。消泡剂应不溶，表面张力应低于起泡体系。常用的消泡剂有聚乙二醇醚和硅酮两类。消泡剂的用量非常小，浓度低至0.1%即可有效。聚丙烯乙二醇示于图14是最广泛使用的消泡剂，因为它在许多系统中是有效的，也经济。它必须在混合其他添加剂之前添加到混合水中才能有效。硅酮是另一类非常有效的消泡剂[43］．它们是分散在聚二甲基硅氧烷或类似硅酮中的硅微粒的悬浮液。无论何时添加到系统中，它们都非常有效，这是聚丙烯乙二醇的优势。
图14:用作消泡剂的化学添加剂。
加强代理商
长度为1”的尼龙纤维通常用于增加水泥对射孔和钻铤等应力的抵抗力，通过将局部应力更均匀地传递到整个水泥基质中。这些纤维的最佳浓度为BWOC的0.15% ~ 0.5%。在水泥中加入浓度不超过5%的颗粒橡胶，可以提高水泥的抗冲击性和抗弯强度。
补救固井
补救固井通常是为了减轻与第一次固井作业相关的问题。补救固井的需要是修复由于无效的初级固井作业计划和执行而引起的问题。补救固井作业是一项昂贵的作业，包括两大类:挤压固井和塞式固井。与初级固井类似，补救固井也需要大量的技术、工程和操作经验。通常在井筒条件未知或无法控制的情况下进行。昂贵的钻井时间和不断增加的补救工作成本会影响决策，导致错误的决策和高风险。因此，正确的规划和风险评估对于补救固井作业的成功至关重要。
以环氧树脂、酚醛树脂和呋喃树脂为基础的树脂在建井、完井和生产中被广泛应用。这些是热固性自由流动的聚合物，可固化为刚性固体。可调节设定时间和抗压强度，使其成为井筒问题的有力解决方案。树脂被用于支撑剂涂层和增强松散砂体，后来扩展到固井应用。环氧树脂也被应用于层间隔离的初级固井中[44]因为树脂提高了与水基钻井液的相容性[45，46］．Morris等人解释了树脂固井在深水井施工中的应用。47］．树脂中存在的多个环氧基团与硬化剂或促进剂如胺、醇、硫醇等发生交联反应。控制交联反应的速率和程度以及固化树脂的最终物理性能的主要因素是温度、时间和环氧树脂和固化剂的确切化学成分。双酚基环氧树脂被广泛应用，它被硬化剂如聚胺或多元醇所激活图15．脂肪族环氧树脂如图所示图16亦已应用于油田[45］．
图15:双酚A环氧树脂及硬化剂。
图16:脂肪族环氧树脂与多胺交联。
树脂挤压法已被用来代替挤压固井，以解决由于一次固井效果不佳而导致的环空压力增加和水或气窜问题。挤压固井是一个脱水过程，将配制好的水泥浆泵入到问题区域，在该区域，由于一次固井效果不佳，水泥中会出现微裂缝。然后将水泥浆挤压到微裂缝或小空隙中。该方法也适用于小裂缝、套管裂缝或大洞洞、地层岩石或其他类型的空腔。因此，有一个合适的泥浆设计是至关重要的。近年来，由于树脂在微裂缝中具有更好的注入能力，可以控制套管-套管环空(CCA)环空压力的增加，因此被用于挤压作业[48-61］．
本文综述了制备水泥浆所需的不同化学物质。讨论了缓速剂和加速剂的应用，分析了它们的工作温度极限和工作机理。不同类型的扩展剂已经详细讨论了相对于CO的优势2还有硫酸盐攻击。详细论述了降滤失添加剂的类型及其化学性质。其他添加剂，如消泡剂、漏失材料、加重剂和加强剂，已讨论了它们在泥浆设计中的重要性。通过合理设计初级固井，可以避免补救性固井。树脂挤压是解决初级固井效果不佳导致的CCA问题的有效方法。通过对水泥浆进行合理的设计，选择合适的添加剂和最佳的水泥浆浓度，可以保证有效的固井效果。
作者要感谢沙特阿美石油公司EXPEC ARC钻井技术团队首席技术专家Timothy Eric Moellendick先生的支持。
