國(guó)安平，李曉嵐，孫 舉，楊國(guó)濤，張宗鑠

(1.中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院;2.中原油田天然氣處理廠:濮陽 457001)

隨著油田開發(fā)進(jìn)入后期，油氣井鉆探深度不斷增加，地層溫度、壓力也隨之升高，對(duì)固井用油井水泥外加劑提出了更高的要求。固井施工時(shí)，水泥漿在壓力下經(jīng)過高滲透地層時(shí)會(huì)發(fā)生“滲濾”，水泥漿濾液進(jìn)入地層使水泥漿失水，流動(dòng)性變差，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致施工失敗;同時(shí)，還會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成不同程度的傷害［1］。

近年來，國(guó)內(nèi)廣泛開展了聚丙烯酰胺降失水劑的改性研究［2－5］，但此類降失水劑的主要缺點(diǎn)是耐溫性差［6－9］;同時(shí)由于酰胺基的水解，易造成水泥漿過度緩凝，無法滿足固井需要。

為克服聚丙烯酰胺降失水劑耐溫性差、易水解的缺陷，作者前期選用2－丙烯酰胺基 －2－甲基丙磺酸(AMPS)、N－乙烯基吡咯烷酮(NVP)和丙烯酰胺(AM)為單體，合成了三元共聚物降失水劑FAN。由于AMPS含有磺酸基團(tuán)，有良好的耐溫及抗水解性;NVP含有內(nèi)酰胺基，具有抑制水解的能力;且這兩種單體都含有大側(cè)基，增強(qiáng)了聚合物分子鏈的剛性，從而提高了聚合物的熱穩(wěn)定性。本研究主要對(duì)FAN的降失水性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，考察其對(duì)水泥漿稠化時(shí)間和對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度的影響，并對(duì)其降失水機(jī)理進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑

降失水劑FAN，自制;G級(jí)水泥，石家莊嘉華特種水泥有限公司;減阻劑(USZ)、消泡劑(XP－1)，衛(wèi)輝化工有限公司;緩凝劑(EDTMPS)，山東泰和水處理有限公司。

1.2 主要儀器

OWC－2250型常壓稠化儀，沈陽市固測(cè)井石油儀器研究所;OWC－9360型恒速攪拌器、OWC－9380型增壓稠化儀、OWC－9390B增壓養(yǎng)護(hù)釜、OWC－9510型高溫高壓失水儀，沈陽航空工業(yè)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)研究所;YAW－300C微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南瑞普機(jī)電技術(shù)制造有限公司。

1.3 評(píng)價(jià)方法

(1)水泥漿配制。按GB 10238－1998標(biāo)準(zhǔn)配制:水灰比0.44，外加劑采用外摻法，摻量為占水泥干灰質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。

(2)失水量測(cè)定。配制好的水泥漿在指定溫度下于稠化儀中養(yǎng)護(hù)20 min后，放入高溫高壓失水儀中，在指定溫度下測(cè)定水泥漿失水量。

(3)抗壓強(qiáng)度測(cè)定。在直徑2.54 cm×2.54 cm的模塊中裝入水泥漿，置于增壓養(yǎng)護(hù)釜中養(yǎng)護(hù)后脫模，測(cè)定其抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 降失水劑FAN加量對(duì)水泥漿失水量的影響

在水泥漿體系中，分別加入0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%，1.2% 的降失水劑 FAN，在75℃，6.9 MPa條件下，測(cè)定水泥漿的失水量，結(jié)果見圖1。水泥漿的失水量隨FAN加量的增大而減小，當(dāng)FAN加量增大到一定程度時(shí)，水泥漿的失水量趨于平穩(wěn);當(dāng)降失水劑加量為0.3%時(shí)，可將水泥漿的失水量控制在100 mL以內(nèi);當(dāng)FAN加量不小于0.5%時(shí)，失水量控制在50 mL以內(nèi)，且變化不大。

圖1 水泥漿失水量與FAN加量的關(guān)系曲線

2.2 FAN的耐溫性能評(píng)價(jià)

固定 FAN加量0.5%，在不同溫度(75～160℃)下測(cè)定水泥漿在6.9 MPa條件下養(yǎng)護(hù)30 min后的失水量，結(jié)果見圖2。隨著溫度升高，加入0.5%FAN的水泥漿體系的失水量呈增加趨勢(shì)，但增幅不大，在160℃時(shí)仍可以將失水量控制在80 mL以下，這說明 FAN具有良好的耐溫性能。

圖2 水泥漿在不同溫度下的失水量

2.3 FAN對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

水泥漿的稠化時(shí)間是固井施工的關(guān)鍵指標(biāo)。稠化時(shí)間太短，容易造成水泥漿在套管中凝固，導(dǎo)致施工失敗;稠化時(shí)間過長(zhǎng)則易引起層間流體的竄流，造成水泥環(huán)封固質(zhì)量差。為此，考察了FAN對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 FAN對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

從表1可看出，固定測(cè)試溫度為90℃時(shí)，水泥漿稠化時(shí)間隨著FAN加量的增大而延長(zhǎng)，說明FAN對(duì)水泥漿具有一定的緩凝作用，且稠化時(shí)間可調(diào);固定FAN加量，水泥漿稠化時(shí)間隨著溫度的升高而縮短，說明FAN在高溫下沒有因羧基的增多而產(chǎn)生過度緩凝現(xiàn)象，且分子結(jié)構(gòu)中的磺酸基及內(nèi)酰胺基在一定程度上抑制了酰胺基的水解。

2.4 加有FAN的水泥漿的工程性能綜合評(píng)價(jià)

優(yōu)良的降失水劑對(duì)水泥漿的流變性、游離液、稠化時(shí)間及水泥石的抗壓強(qiáng)度不應(yīng)有不良影響。在水灰比 0.44、FAN加量 0.5%、分散劑加量0.5%的條件下，對(duì)水泥漿的綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。加有FAN的水泥漿失水量小(＜50 mL)，無游離液析出，流變性好，水泥石的抗壓強(qiáng)度等性能符合固井施工的技術(shù)要求。

表2 加有FAN的水泥漿的工程性能綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3 降失水劑FAN的降失水機(jī)理分析

由達(dá)西定律可知，控制水泥漿失水的方法有2種:一是增大液相黏度，二是降低濾餅的滲透率。降失水劑FAN的相對(duì)分子質(zhì)量約為20×104，增黏作用不是聚合物降失水機(jī)理的主要方面。因此，分別從宏觀和微觀角度對(duì)水泥漿濾餅的厚度和孔隙大小進(jìn)行分析，考察失水量與滲透率的關(guān)系。

FAN加量不同(0.1%和0.5%)的水泥漿濾餅對(duì)比見圖3。FAN加量分別為0.1%和0.5%的水泥漿在75℃下的API失水量分別為264 mL和37 mL，結(jié)合圖3可以得出，濾餅厚度與水泥漿失水量呈正比關(guān)系，失水量越多，濾餅就越厚，越疏松;而失水量越少，形成的濾餅就越薄，越致密。所以，濾餅質(zhì)量的改善是 FAN的主要降失水機(jī)理。

圖3 FAN加量不同的水泥漿濾餅對(duì)比

圖4為上述水泥濾餅的掃描電鏡照片。從圖4同樣可以看出，F(xiàn)AN加量為0.1%的水泥漿濾餅結(jié)構(gòu)松散，空隙較大，由于加量很小，幾乎看不到FAN在水泥顆粒表面的吸附;而FAN加量為0.5%的濾餅顆粒之間相互粘結(jié)在一起，結(jié)構(gòu)致密，并且可觀察到吸附在水泥顆粒表面的聚合物。

圖4 水泥漿濾餅的掃描電鏡照片

降失水劑FAN屬于水溶性高分子，分子中含有大量的吸附基團(tuán)——酰胺基，可以穩(wěn)定地吸附在水泥顆粒表面;同時(shí)含有大量磺酸基與酰胺基部分水解產(chǎn)生的羧酸基等水化能力較強(qiáng)的基團(tuán)，它們也具有吸附作用，且能與Ca2+形成配位鍵，這種配位鍵的配合作用使極性基團(tuán)的親固能力大大增加。此外，分子中的磺酸基和內(nèi)酰胺基增加了分子熱穩(wěn)定性。因此，F(xiàn)AN能在水泥漿中形成“水泥顆粒－線性水溶性高分子－水分子吸附層”結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于其具有較寬的相對(duì)分子質(zhì)量分布，可形成若干大小不等的膠團(tuán)顆粒，這樣通過水溶性高分子的吸附、溶劑化作用以及對(duì)不同粒度水泥顆粒的級(jí)配作用，形成致密、滲透率低的濾餅，從而降低失水量。此外，顆粒的橋聯(lián)形成遍布整個(gè)水泥漿體系的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使水泥漿體具有比自由水更高的黏度和流動(dòng)阻力，阻止水泥顆粒聚結(jié)，同時(shí)圈閉了一部分自由水，從而減少了失水量。

4 結(jié)論

(1)降失水劑FAN具有較好的耐溫性能和一定的緩凝性能，且對(duì)水泥石早期強(qiáng)度的發(fā)展影響不大;加有0.5%FAN的水泥漿在160℃時(shí)的失水量低于100 mL，在110℃，21 MPa條件下養(yǎng)護(hù)24 h的抗壓強(qiáng)度為26.1 MPa。

(2)FAN通過水溶性高分子的吸附、溶劑化作用及若干大小不等的膠團(tuán)顆粒形成滲透率低的濾餅，從而改善了濾餅質(zhì)量，起到降失水作用。

(3)摻有FAN的水泥漿綜合工程性能良好，無游離液析出，水泥石的抗壓強(qiáng)度等性能滿足固井施工技術(shù)要求，具有一定的應(yīng)用前景。

［1］劉崇建，黃柏宗，徐同臺(tái)，等.油氣井注水泥理論與應(yīng)用［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2001:90－91.

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