抗高温油井水泥降失水剂SZ1－1的研制与应用

2018-12-06李雨威黄志宇

钻采工艺 2018年6期

李雨威，黄志宇

(1西南石油大学化学化工学院2中石化西南工程公司固井分公司)

在固井过程中，如果水泥浆失水量过大，不仅会使水泥浆性能变差，影响固井质量或固井施工，还会对储层造成一定程度的损害［1］。油井水泥降失水剂是一种能控制水泥浆液相向渗透性地层滤失，从而保持水泥浆有适当水灰比的材料［2］。综合性能优良的抗温、抗盐降失水剂是油田化学研究的重点和前沿。2－丙烯酰胺－2－甲基丙磺酸(AMPS)因含有磺酸基团，具有良好的抗温、抗盐性及抗水解性，以AMPS作为功能单体可以与多种单体聚合制备出优良的降失水剂［3－11］。本文以AMPS、丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)为主要单体，以水溶性自由基聚合方法，通过调节分子结构和优化实验条件合成一种AMPS/AM/AA三元无规共聚物抗高温降失水剂(SZ1－1)，并对其进行性能评价和现场应用，以满足固井工程的现场实际应用需求。

一、实验材料及仪器

1．实验材料

2－丙烯酰胺－2－甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、高抗硫G级油井水泥(JHG)。

2．主要实验仪器

符合GB/T 19139－2012标准要求的油井水泥浆性能测试仪器和美国PE公司生产的红外光谱仪Paragon1000、热重分析仪TGA－Q500。

二、实验方法

1．降失水剂的合成

通过前期的优化实验，降失水剂(SZ1－1)合成方法确定为:按比例将AMPS和AA溶于去离子水中，用NaOH溶液中和至pH为7～8，再加入AM，调节浓度配成20%的滴加液。将引发剂配成2%的滴加液。在65℃下同时将两种滴加液加至恒温的反应容器中，控制滴加速率，使反应不超过80°C，滴加完后在80°C搅拌3 h。所得降失水剂产品为无色透明或略带乳白色黏稠液体，密度为1．07～1．08 g/cm3(20°C)，浓度为20%±0．5%。

2．降失水剂结构的红外光谱表征

用无水乙醇对降失水剂合成样品进行多次分离纯化，置于真空干燥箱中60℃下干燥24 h。将烘干的样品研磨成粉末，采用KBr压片制样，用Paragon 1000型红外光谱仪进行分析。

3．降失水剂的热重分析

用2中纯化的烘干的样品研磨成粉末，用TGA Q500型热重分析仪进行热重分析，考察降失水剂本身的抗温性。

4．降失水剂性能评价方法

按照GB/T 19139－2012《油井水泥试验方法》和SY/T 5504．2－2013《油井水泥外加剂评价方法第2部分:降失水剂》相关章节要求，对降失水剂性能及加入降失水剂的水泥浆体系性能进行评价。

三、实验结果与讨论

1．降失水剂SZ1－1的结构分析

利用红外光谱对三元共聚物降失水剂SZ1－1进行结构表征。2 981 cm－1、2 932 cm－1和1 456 cm－1处为亚甲基吸收峰，1 678 cm－1为羰基吸收峰，1 042 cm－1和1 187 cm－1为磺酸根吸收峰。经分析，合成产物中有－SO3H、－COOH、－CO－NH－等官能团的特征峰，包括了AMPS、AA和AM单体上所有特征官能团;在1 635～1 620 cm－1处没有出现C=C的伸缩振动吸收峰，说明样品中无单体存在;红外光谱分析表明三种单体进行了充分的共聚。

2．降失水剂SZ1－1的热重分析

采用热重法对降失水剂SZ1－1的抗温性能进行表征。从图1可知，产品在干态、氮气气氛下，5%分解温度点为151℃，10%分解温度点为260℃左右，大量分解温度点为338℃。由于SZ1－1是带有大量强吸水基团的高分子，在10%分解量内重量损失的绝大部分为高分子结合水，表明SZ1－1在260℃以下共聚物分子本身有较好的热稳定性，即抗温性理论可以达到260℃。因产品是在水溶液体系中使用，产品更难热分解或降解，SZ1－1至少可在200℃以下的温度范围内的水泥浆体系中使用。

图1降失水剂(SZ1－1)的热重曲线图

3．降失水剂SZ1－1基本性能评价

3．1降失水剂SZ1－1的失水性能评价

降失水剂的主要功能是控制水泥浆体系的失水，但一种外加剂通常除了起到其主要作用外还会对水泥浆其他性能产生一定影响。通过变化降失水剂SZ1－1加量，考察降失水剂的失水控制能力和对水泥浆主要性能的影响。实验配方:JHG+X%SZ1－1+0．6%SXY－2+44%水;实验条件:温度75℃。实验结果如表1。

从表1实验结果可知，降失水剂SZ1－1有较好的降低水泥浆体系的失水量的能力，当其加量达为4．0%时，失水量达到36 mL，满足油层固井小于50 mL的要求。降失水剂SZ1－1对抗压强度、稠化时间总体影响不大，表明其适应性较强。

表1SZ1－1加量对水泥浆体系基本性能的影响

3．2降失水剂SZ1－1抗温性能的评价

通过在不同温度条件下，失水量的变化，对降失水剂抗温能力进行评价。105℃以下的水泥浆配方:JHG+4．0%SZ1－1+0．6%SXY－2+44%;110℃以上的水泥浆配方:JHG+35%抗高温稳定剂+X%SZ1－1+0．6%SXY－2+1．0%SN－3+44%水，性能实验结果如表2。

从表2可知，SZ1－1水泥浆体系具有良好的抗温性能，随温度增加，体系的失水量、流变性、稠化时间变化不明显。失水可满足油气藏固井小于50 mL的要求，说明该产品有较好的抗温性和温度普适性。

4．降失水剂SZ1－1与常用外加剂配伍性的研究

降失水剂作为固井的主要外加剂通常会与其外加剂配合使用，通过考察其与常用的外加剂配伍性能研究降失水剂广泛适应性。

表2温度变化对水泥浆体系基本性能的影响

4．1降失水剂SZ1－1与减阻剂配伍性研究

减阻剂SXY是最常用的油井水泥浆减阻剂，变化SXY加量，考察降失水剂SZ1－1对减阻剂的适应性。配方:JHG+4．0%SZ1－1+X%SXY－2+44%水，实验温度:75℃。实验结果如表3。

由表3可知，SZ1－1水泥浆体系随减阻剂SXY加量增加，体系的流变性得到改善;对体系API失水量、抗压强度、稠化时间影响不大。而且当减阻剂加量达到0．6%，流变性达到较好效果。

4．2降失水剂与油井水泥膨胀剂的配伍性研究

油井水泥膨胀剂SEP－2是一种固井常用的晶格膨胀型补偿水泥浆固化体积收缩的外加剂，变化SEP－2加量，考察降失水剂SZ1－1对膨胀剂的适应性。实验配方:JHG+4．0%SZ1－1+0．6%SXY－2+X%SEP－2+44%水，实验温度:75℃。实验结果如表4。

从表4实验结果可知，SZ1－1水泥浆体系中加入膨胀剂，体系的API失水量、抗压强度和稠化时间延长变化不大。说明SZ1－1水泥浆体系与膨胀剂SEP－2有良好的配伍性。

表3SXY加量对水泥浆体系基本性能的影响

表4膨胀剂对水泥浆体系流变性和稠化时间等性能的影响

4．3降失水剂与早强增塑剂SX－1的配伍性研究

早强增塑剂SX－1是一种固井常用的应力分散型水泥石力学性能改进外加剂，变化SX－1加量，考察降失水剂SZ1－1对早强增塑剂的适应性。实验配方:配方:JHG+4．0%SZ1－1+0．6%SXY－2+X%SX－1+44%水;实验温度:75℃。如表5。

表5早强增塑剂对水泥浆体系流变性和稠化时间等性能的影响

从表5实验结果可知，SZ1－1水泥浆体系中加入早强增塑剂SX－1，体系的API失水量、抗压强度和稠化时间延长变化不大。说明SZ1－1水泥浆体系与早强增塑剂SX－1有良好的配伍性。

4．4降失水剂与缓凝剂SN－3配伍性的研究

缓凝剂是一种调节水泥浆满足施工时间要求的外加剂，变化SN－3加量，考察降失水剂SZ1－1对缓凝剂的适应性。实验配方:配方:JHG+4．0%SZ1－1+0．6%SXY－2+X%SN－3+44%水;实验温度:90℃ ～180℃。实验结果如表6。

从表6中可知，升高温度，随着缓凝剂SN－3加量的增加，体系的API失水量和抗压强度变化不大，稠化时间通过增加缓凝剂加量调节。说明SZ1－1水泥浆体系与缓凝剂SN－3有良好的配伍性。

表6缓凝剂对水泥浆体系流变性和稠化时间等性能的影响

四、降失水机理分析

五、降失水剂在川东北某井油层套管的应用

川东北某井位于重庆市永川区境内。该井为水平井，油层套管开次完钻井深5 700 m，垂深4 050 m，温度高达130℃。以降失水剂(SZ1－1)为基础，通过实验优化出了满足该井固井设计要求的抗高温水泥浆体系，水泥浆体系配方:JHG+35%GW－1+2．5%SEP－2+5．0%SZ1－1+0．6%SXY－2+2%SN－3+42%水。

该井使用SZ1－1油井水泥降失水剂体系固井，固井结果良好，其优良抗温性能、综合性能、适应性得到了实际应用的检验。