一種固井聚合物類降失水劑用交聯(lián)劑的研制與應(yīng)用

盧甲晗，郭 娟，梁海祥

(衛(wèi)輝市化工有限公司，河南 新鄉(xiāng) 413001)

固井用油井水泥聚合物降失水劑通常是用含有磺酸基團(tuán)的2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸單體和丙烯酰胺單體以及一小部分丙烯酸單體接枝共聚而成的三元聚合物。因?yàn)槠淇箿匦院涂果}性能好，失水低，水泥適應(yīng)性好，能夠改善水泥漿在即將稠化時(shí)的過渡時(shí)間，使聚合物降失水劑在固井工程中廣泛應(yīng)用。但隨著應(yīng)用體系的擴(kuò)大，聚合物降失水劑在固井工程中的一些缺陷也逐步顯現(xiàn)出來，聚合物降失水劑隨著溫度的升高會水解產(chǎn)生一部分羧酸基團(tuán)，會讓水泥漿稠化時(shí)間在低溫時(shí)比高溫條件下還短，這在固井工程中是不被允許的，特別是80～90 ℃溫度下，該現(xiàn)象非常明顯，給固井工程的安全帶來威脅，也給固井質(zhì)量帶來了不利影響。

本研究針對使用現(xiàn)有聚合物降失水劑后工程中的稠化時(shí)間隨著溫度的升高反而變長的技術(shù)問題，研制了一種聚合物用交聯(lián)劑，分別從流變性、稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度性能方面對其在水泥漿中交聯(lián)后的效果進(jìn)行了評價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的聚合物交聯(lián)劑能夠解決聚合物降失水劑在水泥漿中聚合物水解產(chǎn)生的稠化時(shí)間倒掛的問題，同時(shí)，經(jīng)過交聯(lián)的聚合物降失水劑在流變和失水方面也得到了改善，聚合物降失水劑用交聯(lián)劑的加入不影響水泥漿強(qiáng)度的發(fā)展，有效解決了聚合物降失水劑存在的問題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

高抗硫酸鹽型G級水泥、自來水、石英砂(二氧化硅含量≥85%)、聚合物降失水劑(以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸為主要單體聚合而成的三元共聚物)、油井水泥分散劑(磺化丙酮甲醛縮合物類)、油井水泥消泡劑(以磷酸三丁脂為主要原材料復(fù)配而成)、試劑級偏鋁酸鈉、試劑級氧化鈣、試劑級硫酸鈉、試劑級硫酸鋁。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

①JJ2000B型電子天平：稱取范圍0～2 000 g，精度為0.01 g；②ZNN-D6II六速旋轉(zhuǎn)黏度儀；③HH-W420數(shù)顯三用恒溫水浴箱，可控制在(20±0.1)℃；④DFC-0708恒速攪拌機(jī)；⑤DFC-0706A型常壓稠化儀，應(yīng)符合GB 10238中第7.1.4的要求；⑥OWC-9480G 雙缸增壓稠化儀；⑦YJ-2001勻加荷壓力試驗(yàn)機(jī)；⑧DFC-0702增壓養(yǎng)護(hù)釜。

1.3 聚合物降失水劑用交聯(lián)劑基礎(chǔ)配方的組成

聚合物降失水劑用交聯(lián)劑的基礎(chǔ)配方由以下幾種物質(zhì)組成：偏鋁酸鈉20～25份，氧化鈣20～25份，硫酸鈉23～30份，硫酸鋁25～35份。

1.4 聚合物降失水劑用交聯(lián)劑的制備方法

①在密閉的混合釜將偏鋁酸鈉和氧化鈣按1∶1比例進(jìn)行充分混合；②快速加入硫酸鈉和硫酸鋁，避免進(jìn)入濕空氣，繼續(xù)攪拌10 min。

2 性能評價(jià)

2.1 聚合物降失水劑水泥漿性能測試

在固井工程中，稠化時(shí)間、失水性能、流變性能和抗壓強(qiáng)度是評價(jià)水泥漿綜合性能是否良好的關(guān)鍵指標(biāo)，在對聚合物降失水劑性能評價(jià)時(shí)，選用油井水泥分散劑、油井水泥消泡劑和石英砂(油井水泥在高溫條件下水泥石強(qiáng)度會有衰退現(xiàn)象，摻入石英砂能夠起到水泥高溫穩(wěn)定劑和抗強(qiáng)度衰退的作用)與其復(fù)配。

聚合物降失水劑水泥漿性能評價(jià)結(jié)果見表1。

表1 聚合物降失水劑水泥漿性能評價(jià)

由表1可知，聚合物降失水劑在加量相同，溫度不同的條件下，失水量、流變性能和抗壓強(qiáng)度具有良好的線形關(guān)系。但從稠化時(shí)間數(shù)據(jù)來看，80～90 ℃稠化時(shí)間出現(xiàn)倒掛現(xiàn)象(倒掛現(xiàn)象即為摻有聚合物降失水劑的水泥漿上部溫度低，水泥漿提前凝固，水泥漿在下部溫度高的條件下反而未凝固)，此現(xiàn)象無法實(shí)現(xiàn)水泥漿靜注壓力的傳遞，致使地下流體竄槽，從而導(dǎo)致固井質(zhì)量不好，因此解決時(shí)間倒掛問題，對提高固井質(zhì)量至關(guān)重要。

經(jīng)分析，因摻有聚合物降失水劑的水泥漿在堿性條件下，隨著溫度的升高，聚合物開始水解，分子鏈斷裂產(chǎn)生的羧酸基團(tuán)和水泥中的鈣離子發(fā)生反應(yīng)，阻止鈣礬石的形成，從而導(dǎo)致水泥漿的稠化時(shí)間變長，出現(xiàn)倒掛現(xiàn)象。聚合物降失水劑用交聯(lián)劑主要通過氧化鈣在水的作用下形成氫氧化鈣，作為潛在激活劑，促進(jìn)鈣礬石的形成，同時(shí)通過兩性離子鋁離子絡(luò)合水解的羧酸基團(tuán)以及部分鈉離子，增加的硅酸根和鈣離子進(jìn)一步反應(yīng)，從這幾個(gè)方面縮短了水泥漿在高溫下的稠化時(shí)間，從而解決隨著溫度升高稠化時(shí)間反而長的問題。室內(nèi)將配制好的聚合物降失水劑用交聯(lián)劑分別按0、0.5%、1%、1.5%添加到體系中進(jìn)行水泥漿性能評價(jià)和數(shù)據(jù)分析。

2.2 聚合物降失水劑用交聯(lián)劑水泥漿稠化性能和失水量的測試

固井施工設(shè)計(jì)要求中，不僅要求水泥漿的稠化時(shí)間適宜，過渡時(shí)間短，盡量呈現(xiàn)直角稠化，而且要求水泥漿初始稠度適中，稠化線形良好，且無鼓包、包芯現(xiàn)象出現(xiàn)。在聚合物降失水劑用交聯(lián)劑水泥漿性能測試過程中，選擇分散劑和消泡劑與其復(fù)配進(jìn)行稠化實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度選擇倒掛最嚴(yán)重的溫度段80、90 ℃，不同濃度的聚合物降失水劑用交聯(lián)劑失水量和稠化性能測試如表2所示。

表2 不同濃度聚合物降失水劑用交聯(lián)劑的失水量和稠化性能

由表2可知：隨著聚合物降失水劑用交聯(lián)劑濃度的增加，初始稠度和過渡時(shí)間影響不大，稠化線形良好，無鼓包、包芯現(xiàn)象出現(xiàn)，稠化時(shí)間在80、90 ℃差距明顯降低，隨著聚合物降失水劑交聯(lián)劑濃度的增加，水泥漿失水量降低，到1.0%達(dá)到最佳。

2.3 聚合物降失水劑用交聯(lián)劑水泥漿的流變性能測試

依據(jù)GB/T 19139—2012中水泥漿流變性能的測試方法，采用ZNN-D611型六速旋轉(zhuǎn)黏度儀測定水泥漿的流變參數(shù)。通過記錄水泥漿在不同剪切速率下的剪切數(shù)據(jù)，由于水泥漿屬于冪律流體，所以采用冪律流變方程分別計(jì)算出水泥漿的流變參數(shù)，從而衡量水泥漿的流變性能[1]。

式中：n，流性指數(shù)，無因次；θ300，轉(zhuǎn)速為300r/min時(shí)黏度儀讀數(shù)，無因次；θ100，轉(zhuǎn)速100 r/min時(shí)黏度儀讀數(shù)，無因次；K，稠度系數(shù)，Pa·sn。

室內(nèi)將聚合物降失水劑用交聯(lián)劑按不同的濃度加量和空白水泥進(jìn)行干混。空白水泥基本配方為水泥100 g+1.5 g聚合物降失水劑+0.5 g油井水泥用分散劑，按照測流變的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同濃度聚合物降失水劑交聯(lián)劑的流變

由表3可以看出，隨著聚合物降失水劑用交聯(lián)劑濃度的增加，流變性能變化不大，當(dāng)加量到1.5%時(shí)，流變性能略有增加。

2.4 聚合物降失水劑用交聯(lián)劑抗壓強(qiáng)度性能測試

水泥石抗壓強(qiáng)度是評價(jià)水泥漿性能的一個(gè)重要指標(biāo)，對固井質(zhì)量有較大的影響，一般情況下，在固井中要求交聯(lián)劑的加入不會對水泥石的強(qiáng)度發(fā)展造成負(fù)面影響，室內(nèi)將聚合物降失水劑用交聯(lián)劑按不同的濃度加量和空白水泥進(jìn)行干混，空白水泥基本配方為：水泥100 g+1.5 g聚合物降失水劑+0.5 g油井水泥用分散劑，按照GB/T 19139—2012中水泥石抗壓強(qiáng)度的測試方法進(jìn)行測試，水泥石養(yǎng)護(hù)溫度為80 ℃，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同濃度聚合物降失水劑用交聯(lián)劑的抗壓強(qiáng)度

由表4可知，隨著聚合物降失水劑用交聯(lián)劑濃度的增加，和空白的水泥石抗壓強(qiáng)度基本相同，這可能是因?yàn)榫酆衔锝凳畡┙宦?lián)劑的加入，減弱了水解羧酸根帶來的緩凝作用，并且增加了鈣離子和硅酸根離子，促進(jìn)了鈣礬石的形成，對水泥漿有一定的促凝作用，從而促進(jìn)了水泥石抗壓強(qiáng)度的發(fā)展[2-3]。

2.5 聚合物降失水劑用交聯(lián)劑沉降穩(wěn)定性能測試

水泥漿高溫沉降是目前固井普遍存在的問題，水泥漿沉降穩(wěn)定性不好，會給固井施工帶來安全隱患，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致氣竄的發(fā)生，影響固井質(zhì)量，因此，保證水泥漿具有良好的沉降穩(wěn)定性是非常重要的。解決此問題之一可以從外加劑入手，在其反應(yīng)體系中加入交聯(lián)劑，制備具有微交聯(lián)結(jié)構(gòu)的外加劑，進(jìn)而提高水泥漿黏度，減小水泥漿沉降現(xiàn)象，但是目前市場上所研制的交聯(lián)劑所起到的效果并不是很理想。盧海川[4]研制的新型抗高溫固井降失水劑中以N,N-亞甲基雙丙烯酰胺作為聚合物降失水劑交聯(lián)劑，對其水泥漿失水量和沉降穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)(實(shí)驗(yàn)溫度為90 ℃)，檢驗(yàn)結(jié)果表明隨著交聯(lián)劑的增加，失水量成降低趨勢；但是交聯(lián)劑用量較大時(shí)，會導(dǎo)致降失水劑相對分子質(zhì)量太大，加入到水泥漿后，水泥漿將裹成一團(tuán)，無法應(yīng)用；加入交聯(lián)劑的降失水劑沉降穩(wěn)定性雖有提高，但是效果不明顯。室內(nèi)將本研究研制的交聯(lián)劑按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19139—2012檢測方法對其不同溫度水泥漿體系的失水量、流變性能和沉降穩(wěn)定性進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表5。

表5 聚合物降失水劑用交聯(lián)劑沉降穩(wěn)定性能

由表5可知，不加交聯(lián)劑的水泥漿體系90 ℃密度差為160 kg/m3，存在沉降現(xiàn)象，加入交聯(lián)劑后，隨著溫度的升高，水泥漿體系失水量、流變性和沉降穩(wěn)定仍然具有良好的性能，在溫度高達(dá)120 ℃時(shí)，失水可控制在100 mL以下，密度差僅為10 kg/m3。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

油井水泥聚合物降失水劑交聯(lián)劑通過寧209H28-6井、瀘203H56-2井等30多口井的現(xiàn)場應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果，下面主要以寧209H28-6井為例，介紹聚合物降失水劑交聯(lián)劑的現(xiàn)場應(yīng)用情況。

寧209H28-6井是四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司在四川盆地的川南褶皺帶與婁山斷褶帶的交界部位布置的一口開發(fā)井。設(shè)計(jì)完鉆井深5 080 m，實(shí)際完鉆井深定為5 100 m。固井難點(diǎn)：①一次性封固井段長，水泥漿量大，注灰時(shí)間長，上下溫差大，對水泥漿綜合性能要求高。②目的層為低孔低滲的頁巖氣儲層，固井施工結(jié)束后需采取大型壓裂增產(chǎn)措施，對固井膠結(jié)質(zhì)量提出了更高的要求，在滿足水泥漿膠結(jié)良好的前提下，還要求水泥石具有較好的彈韌性。③大斜度段、水平段套管居中困難，套管易貼在井壁上。油基鉆井液、水泥漿之間相容性差，接觸污染流體變稠，流變性變差，不利于頂替，清洗和驅(qū)替效果差，影響水泥膠結(jié)質(zhì)量，竄槽風(fēng)險(xiǎn)增大。井斜大，水平段長，鉆進(jìn)過程中易形成的不規(guī)則井眼和巖屑床，嚴(yán)重影響水泥漿的頂替效率。

全井段采用了加1%聚合物降失水劑交聯(lián)劑的水泥漿體系，聲幅測井檢測固井質(zhì)量，顯示固井合格率100%，固井質(zhì)量綜合評定為優(yōu)良，取得了良好的固井效果。

4 結(jié)論

聚合物降失水劑交聯(lián)劑由以下幾種物質(zhì)組成：偏鋁酸鈉20～25份、氧化鈣20～25份、硫酸鈉23～30份、硫酸鋁25～35份，有效解決了聚合物降失水劑隨著溫度的升高水泥漿中聚合物降失水劑水解產(chǎn)生的凝固時(shí)間倒掛的問題，同時(shí)，經(jīng)過摻入交聯(lián)劑的聚合物降失水劑在流變、失水量和沉降穩(wěn)定性方面也得到了改善，聚合物降失水劑交聯(lián)劑的加入不影響水泥漿強(qiáng)度的發(fā)展，有效解決了聚合物降失水劑存在的問題，經(jīng)過30多口井的現(xiàn)場應(yīng)用，固井質(zhì)量綜合評定為優(yōu)良，取得了良好的固井效果。