高溫水熱合成固井材料與外加劑的配伍性能研究

鄧 平

（四川京川大正油田技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，四川 德陽 618000）

0 引言

深部油氣資源的勘探與開發(fā)需要面臨2個(gè)最重要的問題：溫度和壓力。長時(shí)間的地層高溫環(huán)境會令固井體系的水體、槳體穩(wěn)定性變差，水泥石強(qiáng)度衰減變化以及外加劑失效等多種問題，給固井工程帶來了許多工藝上的挑戰(zhàn)。因此，如何解決高溫高壓給固井工程帶來的問題，是目前在固井建設(shè)過程中需要考慮的重點(diǎn)性問題之一。一般來說，工程師會采用在油井的水泥砂漿中加入硅砂，通過傳統(tǒng)添加劑的方式加強(qiáng)后期的水泥石強(qiáng)度。這種傳統(tǒng)方式在長期高溫高壓的過程中，其水泥石的強(qiáng)度會不斷減弱，產(chǎn)生脆性形變。

深部油氣勘探需要面對高溫和高壓2個(gè)問題，地層的高溫會使常規(guī)的水泥漿體系穩(wěn)定性變差。造成水泥石強(qiáng)度下降、容易破碎等多種問題，會給固井工程帶來相對較多的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)僅加入水泥砂漿的配伍體系的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致基體內(nèi)水份變多，基體松垮。因此容易出現(xiàn)后期水泥強(qiáng)度衰減加快，外加劑失去效益以及易破碎等多種問題。為了解決傳統(tǒng)方法中存在的后期強(qiáng)度衰減變快，容易破裂的問題，不少學(xué)者針對高溫高壓的水熱固井體系的添加劑材料進(jìn)行了實(shí)際的研究，希望能夠?qū)ξ覈母邷厮疅峁叹w系具有對應(yīng)的貢獻(xiàn)。

1 固井外加劑類型

1.1 高溫固井材料體系

因?yàn)槠胀ǖ墓叹饧觿┧嗖牧显诟邷馗邏后w系受到擠壓之后，其強(qiáng)度和硬度會快速衰減，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫，影響整體固井的安全。針對這一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，有學(xué)者提出了可以通過改變水泥中石灰以及二氧化硅的摩爾比例來解決強(qiáng)度衰減的問題。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水泥內(nèi)的二氧化硅以及石灰的比例在0.6～0.8、井下溫度大約處于110℃區(qū)間時(shí)，可以降低水泥中水化產(chǎn)物，即水化凝膠的脆性形變。因?yàn)榇丝踢@種水泥體系中的水化產(chǎn)物會從雪硅鈣石轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕群蛷?qiáng)度更高的硬硅鈣石和白鈣沸石，能夠更加有效地抑制水泥石嵌固端的衰減。

李世軍（2020）研究的一種磷鋁酸鹽的水泥材料具有較強(qiáng)的耐高溫性能，在沒有其他強(qiáng)度和高溫外加劑的添加下，常溫形態(tài)下硬度可以達(dá)到16MPa。其在高溫下的產(chǎn)物是一種磷鋁酸鹽材料，形成的三元磷鋁酸鹽相的強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性較好。并且在溫度高達(dá)1400攝氏度時(shí)，強(qiáng)度仍然能夠達(dá)到60.7MPa。

楊智光、李吉軍等人（2020）從實(shí)驗(yàn)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)出發(fā)，深入研究了高溫固井材料體系給水泥石強(qiáng)度帶來的影響。認(rèn)為在110℃之下，G級的水泥水化產(chǎn)物即C2SH2能夠形成凝聚的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于水泥石的強(qiáng)度的發(fā)展。然而在溫度高于150℃之后，因?yàn)樗a(chǎn)物的結(jié)晶體開始破裂，水化產(chǎn)物的強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降的趨勢。

1.2 油井水泥緩釋劑

緩釋劑是一種增加水泥漿稠化時(shí)間，防止因水泥漿內(nèi)部凝結(jié)過快造成的空鼓以及空洞問題的添加劑。這種緩釋劑的添加對后期的強(qiáng)度具有一定的提升作用，并且能夠保障施工過程中水泥凝固速度變慢，保障施工安全。在化學(xué)成分以及作用機(jī)理上來看，緩釋劑材料可以分為木質(zhì)磺酸鹽類緩凝劑、羥基羧酸類緩凝劑和高分子聚合物緩凝劑三種。

1.3 油井水泥降水劑

油井水泥降水劑是控制水泥漿中的水分過度向外界滲透的添加劑，一般來說，油井水泥降水材料可以分為兩大類。一大類是超細(xì)的顆粒材料，另一類是可溶于水的高分子有機(jī)聚合材料。

超細(xì)顆粒材料、超細(xì)顆粒材料可以通過自身的間隙堵塞水泥顆粒之間的間隙，達(dá)到減少水份流失的目的。整體來說，超細(xì)顆粒材料的降水能力較為有限，因顆粒配比的原因，不管使用多細(xì)的顆粒材料，都不能較好地提升降水能力。

溫雪麗（2020）使用白色的藥用油材料作為載體，油性介質(zhì)中采用環(huán)保的黃原膠聚合物材料與纖維素醚類材料等衍生物制作了生物降水劑。這種降水劑是一種十分環(huán)保的外加緩釋劑材料，對地層的傷害性較小。

Bach（2020）等人從羥乙基纖維素的合成路徑出發(fā)，將其與羧甲基纖維素結(jié)合，合成了一種全新的纖維素型的降失水劑HEC。這種降水劑能夠適用于140℃左右的高溫，控制失水能力在60mL/g左右，是一種降失水能力較好的環(huán)保水劑。

1.4 油井水泥分散劑

分散劑可以用于降低水泥砂漿中所需的加水量，降低水灰比以及改善水泥漿的流動性。在目前的國內(nèi)固井過程中最常使用的分散劑材料是磺化醛酮類的縮聚物材料。2020年，張請玉等人使用甲基氧聚乙二醇加急丙烯酸酯類材料，采用新型的聚羧酸油井水泥分散劑材料合成了一種新的水泥分散劑體系。這種水泥分散劑在使用之后能夠讓水泥泥漿的流動性變好，稠化時(shí)間沒有明顯不同，并且還能夠抗地層中的高鹽性對固井的干擾。

2 固井材料及外加劑原理研究

2.1 研究目的

目前的固井已經(jīng)朝著深井和超深井的方向進(jìn)發(fā)。超深井的一般性溫度高達(dá)200℃，在傳統(tǒng)的油井水泥固井材料不能夠滿足現(xiàn)代高溫固井材料的需求之下，該文希望研究新型固井外加劑材料在水泥體系中的合理化運(yùn)用。1） 在高溫體系下，常規(guī)的水泥固井材料的強(qiáng)度衰減較快，容易發(fā)生破碎的問題。2） 在高溫體系條件下，水泥泥漿體系因?yàn)樗俣冗^長，稠度增長過快需要加入大量的高溫緩凝劑材料才能夠合理稠化的問題。3） 解決因?yàn)榫钸^深，加上外部壓力過大，導(dǎo)致井口和井底的水泥材料凝固時(shí)間不同的問題。

傳統(tǒng)的G級水泥在硅砂增加的情況下，水泥基體會存在很大的強(qiáng)度衰減和裂縫問題，因此對超深井的高溫固井材料來說，需要使用全新的外加劑配伍體系，保障固井在超深層尤其開采的過程中不會出現(xiàn)各種安全性問題。

2.2 各種外加配伍劑的原理研究

緩釋劑是油井水泥中一種十分重要的外加劑體系。因?yàn)樯罹统罹母邷馗邏喝菀鬃屗鄻w結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，因此需要加入緩凝劑增加水泥槳體的稠化時(shí)間，延長槳體的輸送時(shí)間效益，以此來滿足固井施工過程中對施工安全的需要。主要使用的高溫緩凝劑是木質(zhì)素的磺酸鹽類，羥基羧酸類，AMPS聚合物之類的產(chǎn)品。

以AMPS類的緩釋劑舉例，這一類緩釋劑的有機(jī)官能團(tuán)能夠與水泥砂漿體系中的離子基團(tuán)隨機(jī)結(jié)合，在固體顆粒的表面形成一種透明薄片狀的物質(zhì)緩釋劑分子，這種分子能夠降低水泥砂漿體系與水分子中的共價(jià)鍵進(jìn)行的接觸反應(yīng)，降低水合物的形成，進(jìn)而減緩了凝結(jié)速度，如圖1所示。

圖1 未添加緩釋劑（a）和添加緩釋劑（b）的電鏡圖片對比

從圖1中可以看出，添加了緩釋劑之后，顆粒之間會形成一種致密的針織狀結(jié)構(gòu)，在固體與固體顆粒之間的接觸面積提升的同時(shí)生成了一種凝膠類物質(zhì)。讓體系后期的整體稠度上升，強(qiáng)度發(fā)展較為迅速，能夠較好地提升固井水泥體系的強(qiáng)度。

降失水劑一般具有數(shù)目較多的高分子聚合物，其含有的一些羥基、羧基等有機(jī)官能團(tuán)能夠固定在固體顆粒的表面，改變體系原有的電位。這種高分子聚合物中的固體顆粒還會形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將整體水泥漿體的致密性和硬度提升。圖2為添加和未添加降失水劑的電鏡掃描圖片。在添加了降失水劑之后，其內(nèi)的高分子基團(tuán)通過橋接作用連接在一起，整體的網(wǎng)格致密結(jié)構(gòu)比未添加降失水劑體系的水熱合成材料的強(qiáng)度更高，能夠更好地抵御高溫和高壓的干擾。

圖2 未添加降失水劑（左）和添加降失水劑（右）的電鏡圖片對比

分散劑加入水中之后，能夠通過等離子電力形成較多的游離例子基團(tuán)。這些基團(tuán)通過電位作用能夠吸附在外加固井劑的水泥顆粒體表面，擴(kuò)大顆粒表面的電位差，并讓其Zeta電位發(fā)生變化的同時(shí)，將不同基團(tuán)帶有的電荷剝離，進(jìn)而產(chǎn)生了更大的電位差，大大增加其排斥力。

分散劑添加量越大，顆粒劑就能夠通過吸附作用吸附越多的離子基團(tuán)，讓漿體處于一種懸浮狀態(tài)。能夠有效增強(qiáng)漿體的分散效果，讓漿體在流動的過程中，成為流動性較好的液體，進(jìn)而讓體系內(nèi)的固體顆粒分散開來，整體槳體的流變性能提升。在水熱合成材料體系中添加不同比例的USZ分散劑后的電位差情況如圖3所示。整體槳體的電位和分散劑比例的關(guān)系由此得出。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，未添加分散劑的過程中，水熱合成材料體系中的Zeta電位為-3mV，加入分散劑之后，其Zeta電位迅速降低，而后變化趨勢逐漸變緩。

圖3 不同分散劑下的Zeta電位

2.3 各種外加配伍劑的試驗(yàn)性能研究

在高溫水熱固井合成材料體系中加入AMPS的降失水劑HX-15L，水灰比設(shè)計(jì)為0.4～0.44左右。并將該溶液配置為槳體，使用翻轉(zhuǎn)式的失水儀計(jì)算120℃下整體槳體（API）的失水量。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 AMPS類降失水劑HX-12L在120℃下的失水量

圖4為120℃下不同HX-12L添加量下API的失水率。從圖4中可以看出，隨著HX-12L緩釋劑的不斷添加，高溫固井水熱合成材料體系的失水量逐漸下降。并且在添加量大約為2.5%時(shí)。失水量以及趨近于平衡。也就是在120℃下，HX-12L類型的降失水劑在添加量為2.5%左右即可有效控制漿體的失水問題。因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以將HX-12L的降失水劑添加比例添加為2.5%左右。

圖4 120℃下不同HX-12L添加量下API的失水率

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)的需要，選擇合適的試驗(yàn)藥品和試驗(yàn)儀器研究分散劑對水熱合成材料的實(shí)際性能規(guī)律影響研究，具體使用的藥品和儀器如表2及表3所示。

表2 試驗(yàn)試劑生產(chǎn)廠家

表3 試驗(yàn)儀器生產(chǎn)廠家

水泥漿的流變性能測試。在高溫水熱固井合成的不同材料體系中加入不同劑量的分散劑，并使用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測試年度，計(jì)算相應(yīng)的黏度指數(shù)，研究分散劑對高溫水熱固井合成材料性能的影響。

電位儀測試方法。用Zeta電位儀測試分散劑對高溫水熱合成材料體系中表面Zeta電位的變化，并使用有機(jī)碳分析儀材料研究高溫固井水熱合成材料對分散劑的吸附性能。

研究固井目前使用最廣泛的一種磺化醛酮縮聚物類的分散劑作為材料。使用USZ產(chǎn)品作為本次研究的分散劑材料。先在水熱合成材料中添加不同質(zhì)量的分散劑USZ，將其配置成為槳體，計(jì)算其黏度。不同分散劑下水熱合成材料的黏度見表4。

表4 不同分散劑下水熱合成材料的黏度

從表4中可以看出，隨著分散劑的添加，體系的流動阻力隨之改善。流體更加容易達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。這種狀態(tài)有利于槳體的泵送與成型均勻過程，利于高溫固井水熱合成材料的強(qiáng)度提升。因此在高溫水熱固井材料體系中適量添加分散劑USZ有利于整體槳體的穩(wěn)定和強(qiáng)度的提升，可為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過程提供一定的參考。

3 結(jié)語

該文對水熱合成材料與外加劑的配伍體系的現(xiàn)狀以及原理進(jìn)行了研究。通過分析緩釋劑、降水劑、分散劑等多種具體性能、配伍機(jī)理和研究機(jī)理，對新型的高溫固井液體物質(zhì)的配伍方法和作用原理進(jìn)行了研究。并且通過降水劑及分散劑設(shè)計(jì)了對應(yīng)的試驗(yàn)，為全文提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考，也為未來的學(xué)者提供了理論依據(jù)。