可解決異常膠凝問題的抗高溫抗鹽油井水泥降失水劑的研制

摘要?在設(shè)計(jì)及調(diào)整鹽水固井水泥漿配方時(shí)，水泥漿經(jīng)常發(fā)生異常膠凝、脫水、氣竄等異常現(xiàn)象。本文通過對(duì)水泥漿降失水劑合成配方的調(diào)整及甲基丙烯酰胺的引入制備了一種可解決異常膠凝問題的抗高溫抗鹽油井水泥降失水劑。

關(guān)鍵詞?油井水泥;異常膠凝;抗高溫;抗鹽;降失水劑

在使用淡水水泥漿封固鹽膏層時(shí)極易發(fā)生鹽層溶解導(dǎo)致地層間流體竄槽的形成，水泥石與地層膠結(jié)質(zhì)量差造成固井質(zhì)量差，因而需要用飽和或半飽和鹽水進(jìn)行固井作業(yè)，而鹽水水泥漿經(jīng)常發(fā)生異常膠凝、失水脫水、氣竄等異?，F(xiàn)象。這些現(xiàn)象一旦出現(xiàn)將直接導(dǎo)致固井事故的發(fā)生。

在油井水泥稠化實(shí)驗(yàn)中，異常膠凝現(xiàn)象通常被稱為“包心”現(xiàn)象，有文獻(xiàn)[2]研究分析認(rèn)為是由于：1、聚合物分子中的羧基-COO-與硅酸類化合物-O-Si-O-產(chǎn)生反應(yīng)形成長(zhǎng)鏈狀物質(zhì)纏結(jié)在一起并纏在槳葉上。2、聚合物分子與水泥漿中的鋁元素發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)產(chǎn)生交聯(lián)，加重膠凝的程度。

在上述理論中，究其根本原因還是由于以下問題造成：1、聚合物單體中的羧酸類物質(zhì)使用過多。2、聚合物中的酰胺基團(tuán)-CONH2或-CONH-發(fā)生水解形成了過多的羧基-COO-。而在鹽水水泥漿體系中，由于Na+、Ca2+、Mg2+等離子的大量存在并與-COO-發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)使得聚合物交聯(lián)成為團(tuán)狀，所以在解決上述問題時(shí)首先應(yīng)減少或不使用羧酸類單體，其次要抑制酰胺基團(tuán)的水解。

本文選用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、N-苯基丙烯酰胺通過水溶液自由基聚合制備了一種抗高溫抗鹽降失水劑，該降失水劑可抑制異常膠凝現(xiàn)象的產(chǎn)生。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS），南京艾普拉斯化工有限公司;丙烯酰胺（AM），N-苯基丙烯酰胺，北京沃凱生物科技有限公司，丙烯酸（AA），山東巨和生物技術(shù)有限公司;高抗硫G級(jí)油井水泥，淄博中昌特種水泥有限公司;石英砂（80-120目）。

1.2樣品的制備

在1000mL燒杯中稱取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、N-苯基丙烯酰胺、丙烯酸（AA）和去離子水，開啟磁力攪拌及加熱器，使物料保持在40℃左右，完全溶解后加入AMPS繼續(xù)攪拌，待物料完全溶解后滴加40%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值，將物料加入到配有攪拌器、恒壓滴液漏斗和溫度計(jì)的2000mL三口燒瓶中;放入55℃的水浴中，待物料溫度升至55℃時(shí)加入引發(fā)劑;在80℃下反應(yīng)6h后，將物料烘干得到成品。

為了對(duì)異常膠凝現(xiàn)象進(jìn)行分析與解決，本文用不同比例的單體合成了4種樣品進(jìn)行對(duì)比，為保證實(shí)驗(yàn)條件的一致性，所有樣品的合成方法以及反應(yīng)條件均相同。如表1所示

1.3水泥漿的制備

水泥漿的制備及評(píng)價(jià)分別按照《油井水泥實(shí)驗(yàn)方法》（GB/T?19139-2012）及《油井水泥外加劑評(píng)價(jià)方法?第2部分：降失水劑》（SY/T?5504.2-2013）中的要求進(jìn)行。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1水泥漿實(shí)驗(yàn)方案

分別使用如下實(shí)驗(yàn)配方及條件測(cè)定水泥漿的失水、稠化時(shí)間及24h抗壓強(qiáng)度：

方案1：中昌水泥600g+降失水劑6g+中低溫緩凝劑3g+18%NaCl溶液318g，水泥漿密度為1.9g/cm3，失水、稠化實(shí)驗(yàn)條件為90℃，24h抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)條件為85℃;

方案2：中昌水泥600g+石英砂210g+降失水劑12g+高溫緩凝劑18g+18%NaCl溶液432g，水泥漿密度為1.9g/cm3，失水、稠化實(shí)驗(yàn)條件為150℃，24h抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)條件為85℃;

方案3：中昌水泥600g+降失水劑6g+NaCl飽和溶液426g，水泥漿密度為1.9g/cm3，失水、稠化實(shí)驗(yàn)、24h抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)均條件為60℃;

方案4：中昌水泥600g+降失水劑6g+18%NaCl溶液318g，水泥漿密度為1.9g/cm3，稠化實(shí)驗(yàn)條件為50℃與85℃;

2.2結(jié)果與討論

按上述水泥漿實(shí)驗(yàn)方案測(cè)定水泥漿的失水及稠化時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示

24h抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，樣品1在90℃18%NaCl溶液水泥漿體系、150℃及60℃飽和NaCl溶液水泥漿體系中的失水均能控制在50mL一下，但是在稠化實(shí)驗(yàn)中均出現(xiàn)了異常膠凝現(xiàn)象，而樣品2由于N-苯基丙烯酰胺的引入，異常膠凝現(xiàn)象得到了明顯改善，但是失水又有所增大，樣品3中各單體的比例既抑制了異常膠凝現(xiàn)象的發(fā)生又控制了失水在合理范圍，在50℃和85℃溫度段未產(chǎn)生稠化時(shí)間反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。表3中的數(shù)據(jù)表明，樣品3在85℃18%NaCl溶液水泥漿體系及60℃飽和NaCl溶液水泥漿體系中的24h抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到15MPa以上。

2.3作用機(jī)理分析

水泥水化是水泥熟料中各礦物組分與水之間發(fā)生復(fù)合化學(xué)反應(yīng)而使水泥漿逐步稠化和硬化的復(fù)雜過程，?在油井水泥稠化實(shí)驗(yàn)中，異常膠凝現(xiàn)象已有文獻(xiàn)[2]對(duì)其機(jī)理進(jìn)行深入分析并對(duì)水泥試樣的膠凝部分與未膠凝部分進(jìn)行了測(cè)定及對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)膠凝部分富集了聚合物和水化硅酸類化合物。這是由于聚合物水解物的絡(luò)合作用使其聚集成團(tuán)，而在半飽和鹽水及飽和鹽水體系中，大量金屬離子的存在加劇了這種作用，而N-苯基丙烯酰胺由于在-CONH-的鄰位苯環(huán)的存在形成了一種共軛效應(yīng)[5][6]，弱化了-CONH-中的羰基-C=O-與氮原子對(duì)金屬離子的絡(luò)合作用，同時(shí)也提高了-CONH-的穩(wěn)定性，使其不容易水解成為羧基-COO-，從根本上解決水泥漿異常膠凝的問題。

結(jié)語

1.通過單體N-苯基丙烯酰胺的引入及分子設(shè)計(jì)，研制了一種可解決水泥漿異常膠凝問題的抗高溫抗鹽油井水泥降失水劑。

2.該降失水劑對(duì)18%NaCl溶液水泥漿體系和飽和NaCl溶液水泥漿體系有良好的適應(yīng)性，在50℃和85℃溫度段不會(huì)產(chǎn)生稠化時(shí)間反轉(zhuǎn)，對(duì)水泥石的強(qiáng)度發(fā)展無不良影響，能夠滿足鹽水體系水泥漿的施工需求，因此該降失水劑的應(yīng)用前景良好。

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作者簡(jiǎn)介：

李鵬翔（1986.5-）男，漢族，籍貫河南省衛(wèi)輝市，大專學(xué)歷，助理工程師

研究方向——油井水泥外加劑