李雨威，黃志宇

(1西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2中石化西南工程公司固井分公司)

在固井過程中，如果水泥漿失水量過大，不僅會使水泥漿性能變差，影響固井質(zhì)量或固井施工，還會對儲層造成一定程度的損害［1］。油井水泥降失水劑是一種能控制水泥漿液相向滲透性地層濾失，從而保持水泥漿有適當(dāng)水灰比的材料［2］。綜合性能優(yōu)良的抗溫、抗鹽降失水劑是油田化學(xué)研究的重點和前沿。2－丙烯酰胺－2－甲基丙磺酸(AMPS)因含有磺酸基團(tuán)，具有良好的抗溫、抗鹽性及抗水解性，以AMPS作為功能單體可以與多種單體聚合制備出優(yōu)良的降失水劑［3－11］。本文以AMPS、丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)為主要單體，以水溶性自由基聚合方法，通過調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)和優(yōu)化實驗條件合成一種AMPS/AM/AA三元無規(guī)共聚物抗高溫降失水劑(SZ1－1)，并對其進(jìn)行性能評價和現(xiàn)場應(yīng)用，以滿足固井工程的現(xiàn)場實際應(yīng)用需求。

一、實驗材料及儀器

1．實驗材料

2－丙烯酰胺－2－甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、高抗硫G級油井水泥(JHG)。

2．主要實驗儀器

符合GB/T 19139－2012標(biāo)準(zhǔn)要求的油井水泥漿性能測試儀器和美國PE公司生產(chǎn)的紅外光譜儀Paragon1000、熱重分析儀TGA－Q500。

二、實驗方法

1．降失水劑的合成

通過前期的優(yōu)化實驗，降失水劑(SZ1－1)合成方法確定為:按比例將AMPS和AA溶于去離子水中，用NaOH溶液中和至pH為7～8，再加入AM，調(diào)節(jié)濃度配成20%的滴加液。將引發(fā)劑配成2%的滴加液。在65℃下同時將兩種滴加液加至恒溫的反應(yīng)容器中，控制滴加速率，使反應(yīng)不超過80°C，滴加完后在80°C攪拌3 h。所得降失水劑產(chǎn)品為無色透明或略帶乳白色黏稠液體，密度為1．07～1．08 g/cm3(20°C)，濃度為20%±0．5%。

2．降失水劑結(jié)構(gòu)的紅外光譜表征

用無水乙醇對降失水劑合成樣品進(jìn)行多次分離純化，置于真空干燥箱中60℃下干燥24 h。將烘干的樣品研磨成粉末，采用KBr壓片制樣，用Paragon 1000型紅外光譜儀進(jìn)行分析。

3．降失水劑的熱重分析

用2中純化的烘干的樣品研磨成粉末，用TGA Q500型熱重分析儀進(jìn)行熱重分析，考察降失水劑本身的抗溫性。

4．降失水劑性能評價方法

按照GB/T 19139－2012《油井水泥試驗方法》和SY/T 5504．2－2013《油井水泥外加劑評價方法第2部分:降失水劑》相關(guān)章節(jié)要求，對降失水劑性能及加入降失水劑的水泥漿體系性能進(jìn)行評價。

三、實驗結(jié)果與討論

1．降失水劑SZ1－1的結(jié)構(gòu)分析

利用紅外光譜對三元共聚物降失水劑SZ1－1進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。2 981 cm－1、2 932 cm－1和1 456 cm－1處為亞甲基吸收峰，1 678 cm－1為羰基吸收峰，1 042 cm－1和1 187 cm－1為磺酸根吸收峰。經(jīng)分析，合成產(chǎn)物中有－SO3H、－COOH、－CO－NH－等官能團(tuán)的特征峰，包括了AMPS、AA和AM單體上所有特征官能團(tuán);在1 635～1 620 cm－1處沒有出現(xiàn)C=C的伸縮振動吸收峰，說明樣品中無單體存在;紅外光譜分析表明三種單體進(jìn)行了充分的共聚。

2．降失水劑SZ1－1的熱重分析

采用熱重法對降失水劑SZ1－1的抗溫性能進(jìn)行表征。從圖1可知，產(chǎn)品在干態(tài)、氮氣氣氛下，5%分解溫度點為151℃，10%分解溫度點為260℃左右，大量分解溫度點為338℃。由于SZ1－1是帶有大量強(qiáng)吸水基團(tuán)的高分子，在10%分解量內(nèi)重量損失的絕大部分為高分子結(jié)合水，表明SZ1－1在260℃以下共聚物分子本身有較好的熱穩(wěn)定性，即抗溫性理論可以達(dá)到260℃。因產(chǎn)品是在水溶液體系中使用，產(chǎn)品更難熱分解或降解，SZ1－1至少可在200℃以下的溫度范圍內(nèi)的水泥漿體系中使用。

圖1降失水劑(SZ1－1)的熱重曲線圖

3．降失水劑SZ1－1基本性能評價

3．1降失水劑SZ1－1的失水性能評價

降失水劑的主要功能是控制水泥漿體系的失水，但一種外加劑通常除了起到其主要作用外還會對水泥漿其他性能產(chǎn)生一定影響。通過變化降失水劑SZ1－1加量，考察降失水劑的失水控制能力和對水泥漿主要性能的影響。實驗配方:JHG+X%SZ1－1+0．6%SXY－2+44%水;實驗條件:溫度75℃。實驗結(jié)果如表1。

從表1實驗結(jié)果可知，降失水劑SZ1－1有較好的降低水泥漿體系的失水量的能力，當(dāng)其加量達(dá)為4．0%時，失水量達(dá)到36 mL，滿足油層固井小于50 mL的要求。降失水劑SZ1－1對抗壓強(qiáng)度、稠化時間總體影響不大，表明其適應(yīng)性較強(qiáng)。

表1SZ1－1加量對水泥漿體系基本性能的影響

3．2降失水劑SZ1－1抗溫性能的評價

通過在不同溫度條件下，失水量的變化，對降失水劑抗溫能力進(jìn)行評價。105℃以下的水泥漿配方:JHG+4．0%SZ1－1+0．6%SXY－2+44%;110℃以上的水泥漿配方:JHG+35%抗高溫穩(wěn)定劑+X%SZ1－1+0．6%SXY－2+1．0%SN－3+44%水，性能實驗結(jié)果如表2。

從表2可知，SZ1－1水泥漿體系具有良好的抗溫性能，隨溫度增加，體系的失水量、流變性、稠化時間變化不明顯。失水可滿足油氣藏固井小于50 mL的要求，說明該產(chǎn)品有較好的抗溫性和溫度普適性。

4．降失水劑SZ1－1與常用外加劑配伍性的研究

降失水劑作為固井的主要外加劑通常會與其外加劑配合使用，通過考察其與常用的外加劑配伍性能研究降失水劑廣泛適應(yīng)性。

表2溫度變化對水泥漿體系基本性能的影響

4．1降失水劑SZ1－1與減阻劑配伍性研究

減阻劑SXY是最常用的油井水泥漿減阻劑，變化SXY加量，考察降失水劑SZ1－1對減阻劑的適應(yīng)性。配方:JHG+4．0%SZ1－1+X%SXY－2+44%水，實驗溫度:75℃。實驗結(jié)果如表3。

由表3可知，SZ1－1水泥漿體系隨減阻劑SXY加量增加，體系的流變性得到改善;對體系A(chǔ)PI失水量、抗壓強(qiáng)度、稠化時間影響不大。而且當(dāng)減阻劑加量達(dá)到0．6%，流變性達(dá)到較好效果。

4．2降失水劑與油井水泥膨脹劑的配伍性研究

油井水泥膨脹劑SEP－2是一種固井常用的晶格膨脹型補(bǔ)償水泥漿固化體積收縮的外加劑，變化SEP－2加量，考察降失水劑SZ1－1對膨脹劑的適應(yīng)性。實驗配方:JHG+4．0%SZ1－1+0．6%SXY－2+X%SEP－2+44%水，實驗溫度:75℃。實驗結(jié)果如表4。

從表4實驗結(jié)果可知，SZ1－1水泥漿體系中加入膨脹劑，體系的API失水量、抗壓強(qiáng)度和稠化時間延長變化不大。說明SZ1－1水泥漿體系與膨脹劑SEP－2有良好的配伍性。

表3SXY加量對水泥漿體系基本性能的影響

表4膨脹劑對水泥漿體系流變性和稠化時間等性能的影響

4．3降失水劑與早強(qiáng)增塑劑SX－1的配伍性研究

早強(qiáng)增塑劑SX－1是一種固井常用的應(yīng)力分散型水泥石力學(xué)性能改進(jìn)外加劑，變化SX－1加量，考察降失水劑SZ1－1對早強(qiáng)增塑劑的適應(yīng)性。實驗配方:配方:JHG+4．0%SZ1－1+0．6%SXY－2+X%SX－1+44%水;實驗溫度:75℃。如表5。

表5早強(qiáng)增塑劑對水泥漿體系流變性和稠化時間等性能的影響

從表5實驗結(jié)果可知，SZ1－1水泥漿體系中加入早強(qiáng)增塑劑SX－1，體系的API失水量、抗壓強(qiáng)度和稠化時間延長變化不大。說明SZ1－1水泥漿體系與早強(qiáng)增塑劑SX－1有良好的配伍性。

4．4降失水劑與緩凝劑SN－3配伍性的研究

緩凝劑是一種調(diào)節(jié)水泥漿滿足施工時間要求的外加劑，變化SN－3加量，考察降失水劑SZ1－1對緩凝劑的適應(yīng)性。實驗配方:配方:JHG+4．0%SZ1－1+0．6%SXY－2+X%SN－3+44%水;實驗溫度:90℃ ～180℃。實驗結(jié)果如表6。

從表6中可知，升高溫度，隨著緩凝劑SN－3加量的增加，體系的API失水量和抗壓強(qiáng)度變化不大，稠化時間通過增加緩凝劑加量調(diào)節(jié)。說明SZ1－1水泥漿體系與緩凝劑SN－3有良好的配伍性。

表6緩凝劑對水泥漿體系流變性和稠化時間等性能的影響

四、降失水機(jī)理分析

五、降失水劑在川東北某井油層套管的應(yīng)用

川東北某井位于重慶市永川區(qū)境內(nèi)。該井為水平井，油層套管開次完鉆井深5 700 m，垂深4 050 m，溫度高達(dá)130℃。以降失水劑(SZ1－1)為基礎(chǔ)，通過實驗優(yōu)化出了滿足該井固井設(shè)計要求的抗高溫水泥漿體系，水泥漿體系配方:JHG+35%GW－1+2．5%SEP－2+5．0%SZ1－1+0．6%SXY－2+2%SN－3+42%水。

該井使用SZ1－1油井水泥降失水劑體系固井，固井結(jié)果良好，其優(yōu)良抗溫性能、綜合性能、適應(yīng)性得到了實際應(yīng)用的檢驗。

六、結(jié)論

(1)研制出了綜合性能優(yōu)良的油井水泥降失水劑SZ1－1，在適當(dāng)加量下水泥漿體系A(chǔ)PI失水可控制油層固井要求的50 mL以內(nèi)。

(2)研制出的油井水泥降失水劑SZ1－1有寬泛的溫度適應(yīng)范圍和優(yōu)良的抗溫性，可在60℃ ～180℃范圍使用。

(3)研制油井水泥降失水劑與常用的其他外加劑有良好的配伍性，綜合性能優(yōu)良。

(4)成功的將該降失水劑應(yīng)用現(xiàn)場高溫井的固井施工中，取得了優(yōu)良的實際效果。