PEG 对纳米硅水泥浆触变性改善的研究

2018-10-18魏浩光张鑫丁士东周仕明熊晓菲

钻井液与完井液 2018年4期

魏浩光，张鑫，丁士东，周仕明，熊晓菲

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京100101；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249）

纳米硅防气窜水泥浆冷浆极强的触变性是阻碍其在固井防气窜推广应用的一个主要难题。以往固井防气窜以胶乳等有机水泥浆体系为主，存在敏感性强等问题[1]，容易造成固井事故。纳米硅防气窜乳液相对于胶乳乳液，主要成分是无机材料，对水泥浆密度变化、配浆水水质变化、温度变化和配浆搅拌速率变化等敏感性低，水泥浆配方易于调节，使用难度小、风险低。近年来国外公司研发了一种新型的以无机材料作为主要成分的防气窜剂MicroBlock，在北海、墨西哥湾等地区MicroBlock的用量已经超过了胶乳。中国石化石油工程技术研究院固井所在对比分析国外产品的特点，降低固井成本的基础上，研制出了纳米硅防气窜乳液，将其加入到水泥浆后，可有效控制水泥浆游离液为零，降低滤失量，提高水泥浆稳定性和耐腐蚀性，能很好地填充在水泥石当中，降低了水泥石的渗透率[2]，在实际应用中取得了良好的效果。但是纳米硅防气窜水泥浆冷浆具有极强的触变性，阻碍其在固井防气窜中的推广应用。因此寻找合适的解凝剂，改善纳米硅防气窜水泥浆的触变性，对无机防窜乳液的深入研究、减少固井成本具有重要意义。介绍了一种可以改善纳米硅防气窜乳液触变性的解凝剂聚乙二醇，对其适用于解凝剂的机理进行分析，并对比了不同分子量聚乙二醇的作用效果，提出了最优分子量的聚乙二醇为PEG200，确定其加量为2%，改善了纳米硅防气窜水泥浆冷浆的触变性，对后续工作具有指导意义。

1 纳米硅防气窜乳液的触变机理

纳米材料颗粒表面结构不同于晶体内部，导致过剩能量——表面能的产生。随着二氧化硅颗粒尺度变小，比表面积增加，表面能增大，表面效应（如弛豫现象、吸附作用）、无定形程度强烈，因此纳米硅表面性质非常活跃[3]。一个典型的现象是：纳米硅防气窜乳液加入水泥浆中，水泥浆很快失去流动性，主要是因为表面羟基层的形成，一方面使表面结构发生变化，减少了表面因弛豫现象而产生的静电排斥作用；另一方面，导致羟基间范德华力、氢键产生[4]，使颗粒间的排斥力变为吸引力，团聚就不可避免了。随着羟基的密度、数量及活度增加，团聚凝结加剧。纳米硅的表面羟基特征见图1。

纳米硅防气窜水泥浆极强的触变性正是因其内部分子的物理团聚和静电吸引形成的羟基和硅氧基，使得流体内部形成一个网状结构，在外力作用下，微观上网状结构随剪切时间发生改变，宏观上表现出增稠现象，其机理如图2所示。

图1 纳米硅的表面羟基特征

图2 触变性体系的颗粒作用

PEG对纳米硅分子具有较强的吸附作用，能够与纳米硅分子反应，减弱纳米硅水泥浆的团聚作用，并且与水泥浆体有较好的相容性，是比较理想的固井用解凝外加剂。研究了PEG对纳米硅水泥浆触变性的改善作用，并对改善机理进行了分析。

2 实验部分

2.1 实验材料及仪器

实验材料：四川嘉华G级油井水泥，分散剂USZ，降失水剂DZJ-Y，消泡剂DZX，PEG200，PEG400，PEG600，纳米硅乳液。

实验仪器：六速流变仪、电子天平、高速搅拌器、常压稠化仪、秒表、Bruker VECTOR红外光谱仪、YA-300型电子液压试验机；CMS 300岩心孔渗联测仪；高温高压稠化仪（美国千德乐工业仪器公司）。

2.2 实验方法

在实验室通过基浆模拟现场实验遇到的触变性问题，通过调节不同分子量PEG的加量，计算初切、终切、动切力和塑性黏度等流变参数，分析触变性的改善效果，从而选出解凝剂PEG的最优分子量和最优配量，再通过配制最优配量的水泥浆与基浆的性能作对比，确认可以作为固井使用的外加剂。实验配方如下。

基浆 G级水泥+3%DZJ-Y+1%USZ+15%SCLS+1%DZX+44%H2O

1#基浆+1%PEG

2#基浆+2%PEG

3#基浆+3%PEG

参照GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》[5]对水泥浆进行配制、养护和测试。水泥石抗压强度采用电子液压式试验机进行测试，试样尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，在140 ℃、80 MPa和70 min下，用高温高压稠化仪做水泥浆的稠化实验；用CMS 300岩心孔渗联测仪测试水泥石渗透率。

3 结果与讨论

3.1 不同分子量的PEG对触变性改善效果

对比3种不同分子量PEG对基浆流变性质的影响，见表1。可以看出，加入PEG200水泥浆的终切与初切的差值最小，塑性黏度和动切力相比基浆有所改善，表明PEG200对纳米硅水泥浆的冷浆触变性有很好的改善效果。基浆的流性指数减小，稠度系数增大，是因为PEG是有机物，会增加浆体的稠度，因此要优化最优加量。

表1 3种不同分子量PEG对基浆流变性质对比

3.2 PEG200最优加量优选

对比不同加量PEG200对基浆流变性质的影响，见表2。从表2可以看出，虽然2%和3%加量的读数都小于基浆，但是2%加量的PEG200效果更好。这是因为2%加量的PEG200的氢键和醚键基本上与水泥浆中的纳米硅分子的配位键作用反应完全，正好形成包覆作用，对触变性的改善效果达到最好；而随着PEG200含量的加大，有机物含量的增加会增大浆体的稠度，流动性大大降低，不利于触变性问题的解决。

表2 不同加量的PEG200对基浆流变性质的影响

3.3 添加2%PEG200前后水泥浆的性能

测试基浆加入2%PEG200前后的性能，结果如表3所示。从表3可以看出，基浆加入2%PEG200前后制备的水泥石性能基本一致，稠化时间基本一致，说明2%PEG200在保持原有水泥浆性能的基础上，改善了纳米二氧化硅水泥浆体系触变性极强的问题，适用于作为固井的解凝剂。

表3 加入2%PEG200前后的纳米硅水泥石性能对比

3.4 现场应用

在新疆顺北区块开展了10井次的试验应用，作业类型涉及双级固井、尾管固井、尾管回接等一系列工艺，整体优良率达90%，具体数据见表4。从表4可以看出，加入PEG的纳米硅配方在新疆顺北区块的应用井固井质量得到了大幅度的提升，固井质量优良率为100%；相比而言，没有加入PEG的纳米硅配方的应用井，虽然固井质量也不错，但效果不如加入了PEG的纳米硅配方。

表4 加入PEG200前后的纳米硅配方现场应用效果对比

4 解凝剂PEG的作用机理

4.1 FTIR光谱分析

PEG分子有2个羟基和若干醚氧键，PEG和纳米硅分子间可以通过氢键发生多种缔合，从而使得红外光谱呈现特征峰形。通过对烘干纳米硅乳液和加入PEG的纳米硅乳液做红外光谱分析，得到纳米硅吸收PEG前后的FTIR光谱如图3所示。

图3 纳米硅加入PEG前后的FTIR光谱

从图3可以看出，470 cm-1和800 cm-1附近是Si—O—Si键的对称伸缩振动峰[6]，1 090 cm-1附近是Si—O—Si键的反对称伸缩振动峰[7]， 3 400 cm-1附近是Si—OH键的伸缩振动吸收峰[8]，符合文献参考值。对比纳米硅的图谱分析，纳米硅+PEG的吸收峰强度普遍减弱，有2个原因，①PEG的C—O—C减弱了原有纳米硅中Si—O—Si的电负性，纳米硅是极性分子且硅原子呈正电性，纳米硅分子中的硅作为电子受体与PEG的羟基氧及醚键氧发生相互作用，从而降低纳米硅的双键性质，使得分子振动中偶极距变化变小，导致纳米硅+PEG的吸收峰强度普遍减弱[9]；②纳米硅分子中含有大量的氢键，PEG吸收了大量的纳米硅分子中的氢键，减少了氢键数量，从而减弱了化学键的极化程度，使得分子振动中偶极距变小，导致纳米硅+PEG的吸收峰强度普遍减弱[10]。470 cm-1、800 cm-1和1 090 cm-1附近的峰位置基本不变，但峰有所变宽，这是由于纳米硅Si—O—Si的伸缩振动和PEG中C—O—C的伸缩振动峰叠加造成的；3 400 cm-1处则是由于Si—OH与C—OH的伸缩振动叠加造成的。

FTIR光谱一方面证实了PEG与纳米硅的结合方式为分子间氢键及硅氧配位作用，此硅氧配位作用包括PEG中羟基氧原子与纳米硅中硅原子的配位作用 [—CH2CH2—O(H)…(O)SiO]，还包括醚键氧原子与纳米硅中硅原子的配位作用[—CH2CH2—O—(CH2CH2—OH)…(O)SiO…]；另一方面也表明PEG-纳米硅缔合物并不稳定，即体系对纳米硅有较强的解吸能力，与事实相符。