油井水泥高溫緩凝劑CHR40的合成與評價

田宏偉，汪蕾，耿國偉，肖淼，宋維凱，侯亞偉

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司化學(xué)公司，天津塘沽300450；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北三河065201）

油井水泥高溫緩凝劑CHR40的合成與評價

田宏偉1，汪蕾2，耿國偉1，肖淼1，宋維凱2，侯亞偉2

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司化學(xué)公司，天津塘沽300450；2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北三河065201）

為了克服在深井固井過程中面臨的高溫難題，以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、馬來酸酐（MA）和丙烯酸（AA）為聚合單體，采用水溶液聚合的方式制得高溫緩凝劑CHR40。此緩凝劑溫度敏感性和摻量敏感性小，抗高溫能力強(qiáng)，可使用溫度高達(dá)200℃，與各種水泥外加劑配伍性良好，且稠化過渡時間短，具有直角稠化和曲線平穩(wěn)的特性，易于現(xiàn)場調(diào)節(jié)。

深井；高溫緩凝劑；稠化時間；水泥漿性能

目前石油勘探開發(fā)不斷的向深井、超深井方向發(fā)展，井溫隨著井深的增加而增加，這就要求固井水泥漿具有良好的抗高溫性能，主要表現(xiàn)在油井水泥緩凝劑抗高溫性能方面[1，2]。傳統(tǒng)的緩凝劑多為木質(zhì)素磺酸鹽及其衍生物、羥基羧酸、有機(jī)磷酸鹽、無機(jī)酸、有機(jī)酸等材料，或者是兩種及以上的復(fù)配物，這些緩凝劑存在超緩凝、敏感性大、不耐高溫等問題，無法滿足現(xiàn)場的施工要求[3，4]。自20世紀(jì)90年代，國外首先開始研究合成聚合物類高溫緩凝劑，國內(nèi)也相繼研究出類似的聚合物高溫緩凝劑[5-7]，但普遍存在價格昂貴、敏感性大、規(guī)律性不強(qiáng)等問題，不能滿足現(xiàn)場施工條件。針對以上問題，研制了一種以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、馬來酸酐（MA）和丙烯酸（AA）為單體的三元共聚物，該高溫緩凝劑CHR40具有良好的緩凝效果和抗高溫性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試劑2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS），馬來酸酐（MA），丙烯酸（AA），引發(fā)劑M，氫氧化鈉（分析純），去離子水。

1.1.2 儀器OWC-9360型恒速攪拌器，OWC-9480C型高溫高壓稠化儀，旋轉(zhuǎn)黏度計，增壓養(yǎng)護(hù)釜，高溫高壓失水儀，勻加荷壓力試驗機(jī)等。

1.2 共聚物的合成

稱取一定量的AMPS、馬來酸酐（MA），丙烯酸（AA）配制成水溶液，用NaOH調(diào)節(jié)pH值，加入裝有溫度計和攪拌器的三口燒瓶中攪拌升溫，待溫度升至60℃開始通入氮?dú)猓?0 min后開始滴加引發(fā)劑，待反應(yīng)2 h后，冷卻至室溫，得到共聚物。

1.3 緩凝劑性能評價

實驗水泥漿配方：山東G級水泥+35%300目硅粉+6%PC-G80L+x%CHR40+0.25%PC-X60L，式中：降失水劑PC-G80L和消泡劑PC-X60L，天津中海油服化學(xué)有限公司；百分?jǐn)?shù)為占水泥質(zhì)量的百分比。本文中水泥漿都使用此配方配制，根據(jù)需要調(diào)節(jié)緩凝劑CHR40加量，水泥漿密度為1.90 g/cm3，水灰比為0.44。

水泥漿的制備和各性能的評價方法按試驗方法參照API-RP-10B-2-2013規(guī)定的方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 CHR40溫度敏感性

水泥漿的稠化時間一般隨著溫度的升高而呈現(xiàn)縮短趨勢，或許出現(xiàn)超緩凝現(xiàn)象，或許出現(xiàn)稠化時間反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，影響固井施工安全。CHR40溫度敏感性關(guān)系（見圖1、圖2）。

圖1 試驗溫度對CHR40（4%）緩凝效果影響

由圖1可知，CHR40具有很好的緩凝效果，對稠化時間的影響隨著溫度的降低呈縮短趨勢并無反轉(zhuǎn)、無超緩凝現(xiàn)象，溫度敏感性小，稠化時間易調(diào)節(jié)，抗高溫能力強(qiáng)，抗溫可高達(dá)200℃，滿足固井施工要求。

由圖2可知，加入該緩凝劑的水泥漿稠化過渡時間短，無鼓包、臺階等不良現(xiàn)象，且長時間內(nèi)稠度穩(wěn)定，具有很好的穩(wěn)定性和防竄性能。

2.2 CHR40摻量敏感性

不同CHR40摻量對水泥漿稠化時間作用規(guī)律（見圖3）。由圖3可知，新型高溫緩凝劑CHR40的摻量與稠化時間幾乎呈直線線性關(guān)系，表明摻量敏感性小。摻量敏感性呈直線線性關(guān)系的緩凝劑在固井施工過程中稠化時間易于調(diào)控，屬于一種理想、安全的高效緩凝劑。

2.3 CHR40對水泥漿抗壓強(qiáng)度的影響

緩凝劑CHR40對24 h水泥漿抗壓強(qiáng)度的影響（見表1）。1＃配方與2＃配方測試溫度分別為120℃和160℃，控制水泥漿的稠化時間5 h左右。24 h水泥漿抗壓強(qiáng)度隨著溫度的升高而升高，根據(jù)現(xiàn)場井況要求，試驗測得的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際需求。因此得出結(jié)論：CHR40對水泥漿抗壓強(qiáng)度無不良影響。

2.4 CHR40對水泥漿流變性、失水性能的影響

CHR40對水泥漿流變性與失水性能的影響（見表2）。在90℃條件下按照標(biāo)準(zhǔn)分別測試1＃配方與2＃配方的水泥漿流變性和失水性能，兩組配方分別為加入3%CHR40的水泥漿與空白漿，從表2可知，兩組水泥漿性能差別不大，流變性與失水均未出現(xiàn)異常情況，可見CHR40對水泥漿流變性與失水性能無不利影響。

圖2 135℃、65 MPa條件下的稠化曲線圖

圖3 CHR40摻量對稠化時間的影響

表1 CHR40對水泥漿抗壓強(qiáng)度的影響

表2 CHR40對水泥漿流變性的影響

3 結(jié)論

（1）CHR40是一種性能優(yōu)良的高溫緩凝劑，溫度敏感性和摻量敏感性小，適用溫度范圍廣，抗高溫能力強(qiáng)，可高達(dá)200℃，緩凝效果明顯，具有良好的規(guī)律性，且稠化過渡時間短，具有直角稠化和曲線平穩(wěn)的特性，易于現(xiàn)場調(diào)節(jié)。

（2）CHR40與降失水劑、消泡劑等固井水泥添加劑配伍性良好，對水泥漿的抗壓強(qiáng)度、穩(wěn)定性、流變性、失水性等性能無不良影響。

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The synthesis and evaluation of high-temperature oil well cement retarder CHR40

TIAN Hongwei1，WANG Lei2，GENG Guowei1，XIAO Miao1，SONG Weikai2，HOU Yawei2
（1.Chemical Company，COSL，Tanggu Tianjin 300450，China；2.Oilfield Chemicals Institute，COSL，Sanhe Hebei 065201，China）

In order to overcome the high temperature problem in the process of deep well cementing,the article is to introduce a kind of high-temperature retarder CHR40 with the method of aqueous solution polymerization,synthesized from 2-acrylamide-2-methyl propane sulfonic acid（AMPS）,maleic anhydride（MA）and acrylic acid（AA）.The results show that the retarder has small temperature sensitivity and small dosage sensitivity,strong ability to resist high temperature,can use temperature as high as 200℃.It also has good compatibility with all kinds of cementing additive,the slurry performance is stable,and the thickening transition time is short,the thickening curve appears 90-degree rise and smooth.So,the hightemperature retarder CHR40 is easy field adjustable.

deep well；high-temperature retarder；thickening time；cement slurry properties

TE256.6

A

1673-5285（2016）01-0017-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.01.005

2015－11-05

田宏偉，在中海油田服務(wù)股份有限公司化學(xué)公司從事油田化學(xué)方面的研發(fā)工作，郵箱：tianhw4@cosl.com.cn。