新型固井用超高温降失水剂C-FL94的研究

孙 刚

（中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，河北三河 065201）

固井是石油天然气钻采过程中的关键环节，固井质量的优劣，关系着油气产量及井筒的寿命。为了保证施工质量及安全，防止水泥浆滤液进入地层，需要在水泥浆中添加降失水剂，降失水剂是固井添加剂中用量最大、最关键的产品之一[1，2]。随着钻探深度的增加，井底温度的不断升高，研发抗高温的降失水剂是目前的一个发展方向，目前常用的降失水剂在超过200℃后控制失水能力大幅下降，超高温固井作业受到了限制。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）具有庞大刚性侧基，具有较强的抗温能力，腐殖酸是自然界中广泛存在的大分子有机物质，腐殖酸分子中的大量羧基和酚羟基为接枝共聚反应的进行提供了良好的条件[3，4]，将腐殖酸与烯类单体接枝共聚，可以使产物有良好的抗温性[5，6]。因此，以腐殖酸钠和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）以及丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）为原料，合成了一种降失水剂，并对其进行了性能评价。

1 实验方法

1.1 材料

G级油井水泥（HSR），山东中昌水泥有限公司；降失水剂、缓凝剂、消泡剂、硅粉、加重剂等，天津中海油服化学有限公司。

1.2 仪器

高温高压稠化仪、旋转黏度计、高温高压翻转失水仪，超声波强度测试仪，美国千德乐仪器公司；常压稠化仪、恒速搅拌器，沈航应用技术研究所；MS6002S型电子天平，瑞士梅特勒仪器有限公司。

1.3 制备方法

1.3.1 原料 腐殖酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、氢氧化钠、过硫酸铵、链转移剂、阻聚剂、去离子水，以上均为工业品。

1.3.2 合成 将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）三种单体依次缓慢加入到含有去离子水的四口瓶中（AMPS:AM:AA摩尔质量比为1:0.32:0.11），搅拌20 min，确保充分溶解，加入氢氧化钠中和，调节pH值至6，后缓慢加入腐殖酸钠（单体与腐殖酸钠的质量比为1:0.18），搅拌30 min后，加入链转移剂，充氮气40 min并将四口瓶移至水浴锅加热至55℃，缓慢滴加引发剂（10%过硫酸铵溶液），待反应3 h后加入阻聚剂，得到黑色黏稠液体（固含量为23%），即为降失水剂产品C-FL94。

1.4 性能评价

评价降失水剂C-FL94性能的水泥浆配方由G级水泥、蒸馏水、待测产品、缓凝剂、消泡剂、硅粉及其他添加剂构成，水灰比为0.44，密度为1.9 g/cm3。实验方法参考API RP 10B-2 2013。

2 实验结果与讨论

2.1 残留单体分析

将C-FL94产品低温烘干后准确称取0.5 g（精确到0.000 1 g）加入醇类混合提取剂，并加入适量阻聚剂，磁力搅拌2 h。充分静置后取上清液过0.45 μm滤膜分析。用高效液相色谱仪进行分析残留单体含量，结果（见表1），可以看出在产品中残留的AMPS单体仅有0.47%（占反应单体量的百分比），AM和AA残留小于0.01%，说明绝大多数单体都参与了反应。

表1 产品中残留单体分析结果

2.2 热分析

C-FL94的热重分析曲线（见图1），260℃之前的失重为共聚物分子中水分的损失，当温度升至260℃之后，失重为共聚物分解导致，在300℃以后发生快速分解，至580℃失重约10%，主要是聚合物侧链的分解，从580℃至840℃失重约为5%，而此时的热重损失为35%，说明该聚合物有较高的热稳定性，作为降失水剂产品而言，能够满足抗温大于200℃的热稳定要求。

2.3 水泥浆性能

2.3.1 降失水性能评价 在高温条件下，C-FL94与普通产品的控制失水能力对比（见表2）（水泥浆组成为：100%SDG级水泥+40%硅粉+X%C-FL94/普通降失水剂+2%～5%高温缓凝剂+0.25%消泡剂+蒸馏水），目前常用的降失水剂产品抗高温性能较差，通过表中数据看出，普通降失水剂在150℃以下失水可以控制在50 mL左右，当温度升至150℃以上，失水控制能力变差，180℃以上出现气窜，无法控制失水；由腐殖酸钠和抗温单体AMPS及AM、AA聚合而成的产品CFL94具有更好的控制失水能力，失水控制规律性好，在160℃加量为6%（BWOC）API失水即可控制在46.6 mL，190 ℃加量 8%（BWOC） 失水为 47.8 mL，即使在210℃条件下，通过增大加量至10%（BWOC），API失水仍然可以控制在50 mL以内。

图1 C-FL94的热重分析曲线

表2 在高温条件下C-FL94与常规产品的控制失水能力对比

2.3.2 稠化时间和抗压强度 降失水剂会影响水泥浆的稠化时间和抗压强度，因此对C-FL94进行了相关评价（水泥浆组成为：100%SDG级水泥+40%硅粉+X%C-FL94+2%～5%高温缓凝剂+0.25%消泡剂+蒸馏水），结果（见表3），在150℃、170℃、190℃条件下，加入不同加量，对稠化时间的影响不明显。在200℃条件下养护水泥石，在改变加量情况下，水泥石强度没有降低的现象。因此说明该产品对稠化时间和强度并无不利影响。该产品与高温缓凝剂、防气窜剂等配合使用构建高温水泥浆体系，可在200℃甚至以上应用，常规密度水泥浆的230℃稠化曲线（见图2）（水泥浆组成为：100%SDG级水泥+50%硅粉+15%超细硅粉+5%防窜剂+10%C-FL94+8.6%高温缓凝剂+0.5%消泡剂+蒸馏水），稠化时间为438 min，曲线无异常。

表3 加有C-FL94的水泥浆稠化时间和抗压强度

2.3.3 在不同水泥浆体系中评价 为了评价产品的普适性，分别在高密度体系、胶乳水泥体系中进行了评价（实验条件为 BHST：200 ℃，BHCT：180 ℃，BHP：80 MPa），性能（见表4），可以看到，掺有C-FL94的各水泥浆体系，各项性能均满足固井施工要求，说明该产品与铁矿粉、胶乳等添加剂配伍良好，有较好的普适性。

表4 掺有C-FL94的不同水泥浆体系的性能

3 结论

（1）通过热重分析证明C-FL94的热稳定性满足抗温200℃以上；与普通降失水剂相比，C-FL94在超高温下有更好的控制失水能力。

图2 230℃高温水泥浆稠化曲线图

（2）C-FL94对稠化时间、强度无不利影响，在不同的水泥浆体系中具有良好的普适性，是一种综合性能优良的超高温降失水剂。

参考文献：

[1]刘崇建，黄柏宗，徐同台，等.油气井注水泥理论与应用[M].北京：石油工业出版社，2001.

[2]王清顺.油井水泥用合成聚合物降失水剂现状及发展趋势[J].钻井液与完井液，2007，24（2）：67-69.

[3]宋维凯，王清顺，侯亚伟，等.一种固井用腐植酸-AMPS/DMAM/FA接枝共聚物降失水剂[J].钻井液与完井液，2017，34（1）：101-105.

[4]Tang Y B，Chen F Y，Ye W，et al.A novel rectorite-based composite adsorbent for removing heavy metal ions and PAHs[J].Journal of Chemical and Pharmaceutical Research，2014，6（8）：102－111.

[5]郝延顺，杨决算，邓茜珊，等.NaHm/AMPS/AM/AA接枝共聚物降滤失剂的合成[J].广东化工，2014，41（15）：12-14.

[6]王中华.腐殖酸接枝共聚物超高温钻井液降滤失剂合成[J].西南石油大学学报（自然科学版），2010，32（4）：149-155.