抗高溫水泥漿降失水劑SCF-1的合成及性能評(píng)價(jià)

劉 飛 　劉學(xué)鵬　夏成宇　周仕明 　鄧天安

1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院　2.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　3.中國(guó)石化西南石油工程有限公司固井分公司

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抗高溫水泥漿降失水劑SCF-1的合成及性能評(píng)價(jià)

劉 飛1劉學(xué)鵬1夏成宇2周仕明1鄧天安3

1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院2.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院3.中國(guó)石化西南石油工程有限公司固井分公司

以N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)、3-烯丙氧基-2-羥基-1-丙磺酸(AHPS)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和丙烯酸(AA)為原料，合成了一種抗高溫水泥漿降失水劑。通過(guò)紅外光譜對(duì)其進(jìn)行了表征，評(píng)價(jià)了添加抗高溫降失水劑的水泥漿綜合性能。結(jié)果表明，加有抗高溫降失水劑的水泥漿API濾失量可以控制在50 mL以下，抗溫能力可達(dá)150 ℃。降失水劑使水泥漿的稠化時(shí)間稍有延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度略有降低，抗析水能力增強(qiáng)，抗鹽能力可達(dá)到36%。

油井水泥漿降失水劑耐高溫合成

水泥漿降失水劑關(guān)系到固井施工的成敗和油井壽命、產(chǎn)能等一系列的問(wèn)題[1]。目前，國(guó)內(nèi)使用的大多數(shù)油井水泥降失水劑是以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和丙烯酰胺(AM)為主要單體的聚合物。這些降失水劑有一定的缺點(diǎn)：丙烯酰胺分子中的酰胺基團(tuán)在溫度升高壓力增大的堿性水泥漿中水解作用會(huì)加快，使分子結(jié)構(gòu)中的吸附基團(tuán)羧基增多，造成水泥漿過(guò)度緩凝[2-3]。另外，由于高溫時(shí)降失水劑的水解和基團(tuán)的脫吸附，造成了高溫水泥漿的失水不可控，耐高溫性能差[4-7]。為了克服這些缺點(diǎn)，通過(guò)自由基聚合制備了在高溫及含鹽條件下綜合性能良好的AMPS/DMAA/AHPS/AA四元共聚物降失水劑，并對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1原料與儀器

主要原料：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)，工業(yè)級(jí)；N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)，工業(yè)級(jí)；3-烯丙氧基-2-羥基-1-丙磺酸(AHPS)，工業(yè)級(jí)；丙烯酸(AA)，工業(yè)級(jí)；氯化鈉、亞硫酸鈉、過(guò)硫酸銨、氫氧化鈉，分析純；嘉華G級(jí)油井水泥；石英砂；緩凝劑SCR。

主要儀器：Thermo IR200型傅里葉紅外光譜分析儀、OWC-9710型高溫高壓失水儀、Chandler 8040型高溫高壓稠化儀、Chandler 4207D型抗壓強(qiáng)度分析儀、烏氏黏度計(jì)、Zeta電位測(cè)定儀等。

1.2降失水劑的合成

在四口燒瓶中，加入適量去離子水，按比例稱(chēng)取AMPS、DMAA、AHPS和AA至四口燒瓶中攪拌溶解，然后加入NaOH，調(diào)節(jié)溶液pH值為7，同時(shí)加熱到60 ℃，保持0.5 h；然后在攪拌狀態(tài)下加入少量過(guò)硫酸銨和亞硫酸氫鈉，攪拌狀態(tài)下反應(yīng)3 h；再自然冷卻至室溫，得到具有一定黏度的抗高溫抗鹽油井水泥降失水劑(有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%)，代號(hào)為SCF-1。

降失水劑SCF-1的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗鹽、耐溫磺酸鹽基團(tuán)(AMPS/AHPS)為主要構(gòu)成。同時(shí)，引入含羧基基團(tuán)單體丙烯酸(AA)增強(qiáng)了分子與水泥顆?；蛩嗄z表面的吸附；引入N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)改善了分子的耐溫和抗鹽性能。

1.3降失水劑的結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試

產(chǎn)物經(jīng)丙酮萃取后干燥，采用Thermo IR200紅外光譜儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。

用OWC-9710型高溫高壓失水儀對(duì)降失水劑的降失水性能進(jìn)行測(cè)試，用Chandler 8040 型高溫高壓稠化儀對(duì)降失水劑的稠化性能進(jìn)行測(cè)試。

采用烏氏黏度計(jì)和Zeta電位測(cè)定儀對(duì)降失水劑相關(guān)性能測(cè)定。

2　結(jié)果與討論

2.1降失水劑SCF-1的紅外光譜分析

由SCF-1的紅外光譜分析測(cè)試可知(見(jiàn)圖1)，3 422.70 cm-1為AMPS中N-H伸縮振動(dòng)吸收峰，2 929.18 cm-1為-CH2的伸縮振動(dòng)吸收峰[8]，1 573.27 cm-1為-CON-的特征吸收峰，1 406.26 cm-1為C-N伸縮振動(dòng)吸收峰，1 312.55 cm-1、1 220.18 cm-1和1 046.06 cm-1為磺酸基的特征吸收峰，1 635～1 620 cm-1處未見(jiàn)碳碳雙鍵的特征吸收峰，表明單體進(jìn)行了充分的聚合反應(yīng)。

2.2降失水劑SCF-1的性能評(píng)價(jià)

2.2.1降失水劑SCF-1的控失水性能

選用嘉華G級(jí)油井水泥，水泥漿密度1.89 g/cm3。溫度大于110 ℃時(shí)，加占水泥干重35%(w)的硅粉和3%(w)的緩凝劑SCR。不同溫度下的失水實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為6.9 MPa、30 min下的失水量。SCF-1加量對(duì)水泥漿失水量的影響見(jiàn)表1。

表1 不同溫度下的降失水性能Table1 FluidlosspropertyofSCF-1atdifferenttemperature溫度/℃w(SCF-1)/(%BWOC)API失水量/(mL·(30min)-1)303.030503.037603.045803.048903.0601003.0641003.5461004.0411004.536溫度/℃w(SCF-1)/(%BWOC)API失水量/(mL·(30min)-1)1005.0331006.0281204.0641205.0561205.5431206.0401206.5311306.0421506.043

由表1可看出：①在占水泥干重3%～6%(w)、30～150 ℃時(shí)，SCF-1能將失水控制在50 mL內(nèi)；②當(dāng)SCF-1加量3%(w)時(shí)，能夠滿(mǎn)足在80 ℃以下，將失水量控制在50 mL內(nèi)；③當(dāng)SCF-1加量6%(w)時(shí)，能夠滿(mǎn)足在150 ℃以下，將失水量能控制在50 mL內(nèi)；④100 ℃下，隨著SCF-1加量的增加，失水量逐漸降低，當(dāng)SCF-1加量大于3%(w)時(shí)，失水量能控制在50 mL內(nèi)。

2.2.2降失水劑SCF-1對(duì)稠化時(shí)間的影響

降失水劑SCF-1加入前后水泥漿游離水和稠化時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 游離水和稠化時(shí)間Table2 Freewaterandthickeningtime溫度/℃w(SCF-1)/%BWOC稠化時(shí)間/min游離水/mL3001222.330313005001012.8503980750893.27539001000813.71004130010061310

由表2可知，加入SCF-1后，水泥漿的稠化時(shí)間大多較原漿有所延長(zhǎng)。這種輕微的緩凝作用可能是由于SCF-1中的羥基和羧基吸附在水泥顆粒表面后，一定程度上屏蔽了水泥顆粒和水的接觸，降低了水化速度。加入SCF-1后，水泥漿的游離水明顯減小，說(shuō)明這類(lèi)降失水劑對(duì)于改善水泥漿的穩(wěn)定性有一定作用。

2.2.3降失水劑SCF-1對(duì)水泥石強(qiáng)度影響

將制備好的未加降失水劑的凈漿和不同SCF-1加量的水泥漿分別在室溫和90 ℃下養(yǎng)護(hù)24 h，測(cè)定形成水泥石的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可看出，在水泥漿中加入SCF-1對(duì)水泥石的抗壓強(qiáng)度影響不大，隨著SCF-1加量的增加，水泥石抗壓強(qiáng)度略有下降。

表3 水泥石24h抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)Table3 Compressingstrength(24h)樣品溫度/℃抗壓強(qiáng)度(24h)/MPa凈漿室溫5.0加3%(w)SCF-1室溫9.5凈漿9025.8加3%(w)SCF-19024.8加4%(w)SCF-19022.9加6%(w)SCF-19020.1

2.2.4降失水劑SCF-1的耐鹽性能

為了適應(yīng)不同地區(qū)、不同區(qū)塊的固井施工作業(yè)，除要求降失水劑具有良好的耐溫性能外，還要具有一定的抗鹽性能。分別對(duì)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%和36%的含鹽水泥漿體系的API失水量進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試條件為130 ℃、6.9 MPa、SCF-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 1.89g/cm3鹽水水泥漿體系性能Table4 Propertiesof1.89g/cm3salt-resistancecementslurryw(NaCl)/%沉降穩(wěn)定性/(g·cm-3)自由液/mL流變性(93℃)失水量(mL·(30min)-1)01.89/1.89/1.890200/11485/557/443181.89/1.89/1.890.1179/9668/416/432361.89/1.89/1.890.1179/9869/456/433

由表4可知，降失水劑SCF-1具有優(yōu)良的抗鹽性能。當(dāng)w(SCF-1)為6%、溫度為130 ℃、NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%和36%時(shí)，失水量均控制在50 mL 以?xún)?nèi)，小于不加NaCl水泥漿的失水。

2.3不同密度水泥漿體系的控失水性能

固井施工時(shí)常采用不同密度水泥漿體系來(lái)滿(mǎn)足不同井況對(duì)壓力的需求?？疾炝薙CF-1在不同密度水泥漿體系中的適用效果，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5中可以看出，含有SCF-1的不同密度水泥漿的漿體穩(wěn)定性和流變性好，自由液為零，失水量均控制在50 mL 以?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足不同密度水泥漿體系的固井作業(yè)。1.50 g/cm3為粉煤灰低密度水泥漿,1.89 g/cm3為常規(guī)密度水泥漿,2.35g/cm3為赤鐵礦、錳礦粉高密度水泥漿。

表5 不同密度水泥漿體系性能Table5 Propertiesofcementslurrywithdifferentdensity密度/(g·cm-3)沉降穩(wěn)定性/(g·cm-3)自由液/mL流變性(93℃)失水量/(mL·(30min)-1)1.501.495/1.495/1.4950117/6653/337/4431.891.890/1.890/1.8900257/153105/606/4422.352.350/2.350/2.3500246/13794/526/439

2.4降失水劑SCF-1的作用機(jī)理研究

目前，對(duì)降失水劑的作用機(jī)理研究表明，降失水劑發(fā)揮作用主要通過(guò)3種方式[3]：①增大水泥液相黏度，從而增大向地層的濾失阻力；②改變水泥顆粒表面電性質(zhì)，增加濾餅表面潤(rùn)濕性；③改善水泥濾餅的質(zhì)量，使其更加致密，減少其滲透性。本實(shí)驗(yàn)從水泥漿液相黏度和濾餅表面電性質(zhì)變化兩方面討論降失水劑SCF-1的作用機(jī)理。表6是25 ℃時(shí)，不同SCF-1加量下測(cè)得的水泥漿失水量、水泥漿濾液黏度和濾餅顆粒的電泳遷移率數(shù)據(jù)。

表6 不同SCF-1加量下失水、黏度和電泳遷移率Table6 Fluidloss,viscosity,andelectrophoreticmobilityofdifferentweightcementslurryw(SCF-1)/(%BWOC)25℃失水量/(mL·(30min)-1)ηv電泳遷移率(μm·cm·δ-1·V-1)011261.000.3114411.54-0.541.51622.13-1.332432.79-1.723293.91-1.94

從表6可以看出，隨著降失水劑SCF-1加量的增加，失水量逐漸減小，而其濾液黏度也隨著加量增大逐漸增加。說(shuō)明SCF-1對(duì)水泥漿失水性能的改變與其黏度有關(guān)，即增大水泥漿液相黏度，從而增大向地層的濾失阻力，減少失水。同時(shí)，隨著SCF-1加量增大，濾餅的電泳遷移率(U)會(huì)由凈漿的正值變?yōu)樨?fù)值。當(dāng)加量逐漸增大時(shí)，U的絕對(duì)值會(huì)更大。說(shuō)明隨著SCF-1的加入，水泥顆粒表面的電性質(zhì)發(fā)生了本質(zhì)上的改變，這種改變會(huì)增加濾餅潤(rùn)濕性，減少水的濾失。

SCF-1的作用機(jī)理可能是：SCF-1分子吸附在水泥顆粒表面，提高濾餅的電荷密度，改善濾餅潤(rùn)濕性來(lái)穩(wěn)定濾餅中的水。當(dāng)增大加量后，顆粒表面的電荷增加趨緩。隨著溶液中SCF-1聚合物濃度增加，濾液黏度增加，在一定程度上增加了水分子的濾失阻力。當(dāng)濾餅形成，顆粒表面吸附飽和后，聚合物黏度對(duì)降低失水起主要作用。

2.5現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

中石化東北局龍鳳山地區(qū)的北209井，完井井深3 910 m，采用139.7 mm雙級(jí)固井，分級(jí)箍位置：2 400 m。

表7 北209井水泥漿性能Table7 PropertiesofcementslurryofBei209well類(lèi)型密度/(g·cm-3)API失水量7.0MPa×30min℃mL自由液/mL初始稠度/Bc流動(dòng)度/cm24h強(qiáng)度/MPa稠化時(shí)間/min領(lǐng)漿①1.309540017.12114.1262尾漿②1.509538015.62214.5187 注:①領(lǐng)漿:華銀G+33%T60+12%微硅+6%SCF-1+0.9%DZS(分散劑)+1%H(早強(qiáng)劑)+100%H2O;②尾漿:華銀G+17%T60+11%微硅+6%SCF-1+0.8%DZS(分散劑)+1.7%H(早強(qiáng)劑)+75%H2O;所有用量均為%BWOC。

區(qū)塊地層薄弱，易發(fā)生井漏，設(shè)計(jì)采用低密度水泥漿固井。一級(jí)固井，2 300～3 100 m水泥漿密度1.30 g/cm3，3 100～3 908 m水泥漿密度1.50 g/cm3，采用SCF-1降失水劑，現(xiàn)場(chǎng)水泥漿混配良好，固井施工順利，固井質(zhì)量良好。水泥漿性能見(jiàn)表7。

3　結(jié) 論

(1) 選擇具有特殊官能團(tuán)的單體，通過(guò)自由基聚合,制備了在高溫及含鹽條件下綜合性能良好的AMPS/DMAA/AHPS/AA四元共聚物降失水劑SCF-1，并對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

(2) 降失水劑SCF-1在30～150 ℃的范圍內(nèi)，在占水泥干重3%～6%(w)的加量下，能將失水控制在50 mL內(nèi)；SCF-1具有優(yōu)良的抗鹽性能，能耐飽和鹽水；SCF-1使水泥漿的稠化時(shí)間稍有延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度略有降低，抗析水能力增強(qiáng)。

(3) 降失水劑SCF-1靠改變?yōu)V餅的電性質(zhì)和增加水泥漿體相黏度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)失水量的控制。

(4) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，降失水劑SCF-1調(diào)配的水泥漿性能良好，能夠滿(mǎn)足固井需求。

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Synthesis and property evaluation of high temperature resistant fluid loss additive SCF-1 for cement slurry

Liu Fei1, Liu Xuepeng1, Xia Chengyu2，Zhou Shiming1, Deng Tian’an3

(1.PetroleumEngineeringResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100101,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,YangtzeUniversity,Jingzhou434023,China; 3.CementingCompanyofSINOPECSouthwestPetroleumEngineeringCo.,Ltd.,Deyang610800,China)

In this paper, a high temperature resistant fluid loss additive for cement slurry was synthesized using DMAA, AHPS, AMPS and AA, and was characterized through infrared spectrum. The synthetical performances of the cement slurry added with fluid loss additive were evaluated. The results show that the API fluid loss of that cement slurry can be controlled below 50 mL, and its temperature tolerance can be up to 150 ℃. The thickening time of cement slurry is extended slightly, yet its compressing strength is decreased lightly and its water precipitation resistance is also improved. Its salt-resistance performance is enough to reach 36% of salt concentration.

oil well cement slurry, fluid loss additive, high temperature resistance, synthesis

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“酸性氣體對(duì)固井水泥石的腐蝕機(jī)理及控制機(jī)制”(51374218)；中國(guó)石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“溫度廣譜型油井降失水劑和緩凝劑開(kāi)發(fā)”(P14101)部分研究?jī)?nèi)容。

劉飛(1984-)，博士，研究方向?yàn)楣叹饧觿?、防腐。E-mail: liufei-swpu@qq.com

TE256+.6

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.04.014

2015-11-19；編輯：馮學(xué)軍