中低温缓凝剂的研究与应用

2018-08-22魏周胜周兴春

石油化工应用 2018年7期

安娜，魏周胜，周兴春，李鹏

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，陕西西安 710018）

长庆油田致密油开发大量采用水平井钻井，随着技术进步，水平段不断在增长。目前水平段长集中在1500 m～3000 m。此类工艺井表现为埋深浅、含水高、温度低，固井要求低温下水泥浆具有较长的稠化时间、水泥浆体系稳定且水泥石早期强度高。传统的油井水泥缓凝剂易出现加量大、热稳定性差、对水泥石强度发展影响较大等问题[1]。无机缓凝剂使用温度范围＜60℃，且只在低温下缓凝效果明显，但水泥石强度损失大。现普遍采用淀粉类缓凝剂，其使用温度范围＜90℃，在70℃～80℃使用效果最好。在低温时缓凝效果不明显，加量大、水泥浆增稠明显、对水泥石强度影响巨大。聚合物类缓凝剂使用温度范围＜240℃，高温度下缓凝效果良好。但在低温下会引起水泥过缓凝现象。为了克服上述缺点，在中低温下获得最佳缓凝效果，需要研发新型复配缓凝剂，对其性能进行评价和分析，并对现场应用情况进行探讨。

1 中低温缓凝剂的研究

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）是连接羧酸、膦酸等起缓凝作用的活性很高的共聚单体，具有高活性和耐温耐盐性能好的特点[2]，起骨架作用。羟基羧酸盐分子能在碱性环境中形成不稳定的络合物。水解后的α-羧基（H3C-CO-）与水泥水化的水溶液中钙离子生成络合物'降低了水泥水化诱导期的钙离子浓度，阻止Ca（OH）2和钙盐晶体的生成、析出，而延缓水泥水化的进程。

技术思路：单一缓凝剂加量大，对强度影响大。优选AMPS和羟基羧酸盐复合作为单体。二组分互补，缓凝时间明显延长、扩大温度使用范围，对强度影响小。引入聚合物分散剂使二组分间发挥更好的协同作用。其不仅能延长稠化时间，还可作为分散剂改善流动性，降低稠度。为消除缓凝剂在固井现场加量相对较少，混配难度高、混配不均匀影响施工安全的弊端，特引入无机盐B增强稳定性、增大加量以降低敏感性、便于混配操作。

合成的宽温度带缓凝剂：AMPS+羟基羧酸盐+聚合物分散剂+无机盐，施工安全性高，可显著提高水泥浆各项综合性能。

2 GJ-H性能评价

2.1 稠化时间可调性

试验条件：G级水泥+缓凝剂，水灰比为0.44，做稠化试验（见表1、图1）。

图1 不同温度不同加量下的稠化时间

从图1看出，在40℃～90℃范围内，缓凝剂都能发挥良好作用。在适宜稠化时间范围内，同等温度下稠化时间随着加量的增加而增加，呈很好的线性关系，判定其稠化时间可调；同等加量下，稠化时间随着温度的升高而减少。

2.2 温度敏感性试验

温度敏感性:试验温度增加5℃条件下的稠化时间变化率。考察温度变化对水泥浆稠化时间的影响程度，值越小固井作业安全性较好[3]。

TTCR=（TTT+5-TTT）/TTT（温度敏感性指标＜20%）

中低温缓凝剂在不同温度条件下每增加5℃的稠化时间变化率＜20%，符合温度敏感性指标（见表2）。

表2 每增加5℃条件下的水泥浆稠化时间表

2.3 加量敏感性

缓凝剂用量变化对稠化时间的影响程度。系数越小调节越容易、越安全（见表3）。

表3 同一温度下不同缓凝剂加量的水泥浆稠化时间表

加量敏感系数=T稠化时间增加率/缓凝剂用量增加率（指标 0.1～3.0）

中低温缓凝剂在不同温度范围内加量敏感系数均符合温度敏感性指标0.1～3.0。

2.4 缓凝剂水泥浆游离液量的测定（见表4、图2）

表4 不同温度不同加量下水泥浆游离液值

图2 不同温度不同加量时水泥浆游离液值

由图2可知，该缓凝剂能够有效地控制水泥浆自由水且随着加量增加游离液减少。主要是因为其分子链上有高活性的磺酸基团（-SO3-）和羧酸基团（-COO-），这些极性基团既能够束缚住自由水，又能在浆体中互相连接和缠绕，并形成一定的空间网状结构，阻止了水泥颗粒的沉降作用和自由水析出[4-6]，从而使水泥浆体系具有良好的稳定性。