一种新型弱酸性减阻降黏剂

2021-08-16安少辉卢海川田东诚冯望生高继超刘艳军闫宇博

钻井液与完井液 2021年2期

安少辉，卢海川，田东诚，冯望生，，高继超，刘艳军，闫宇博

（1.中国石油集团海洋工程有限公司钻井工程研究院，天津 300451；2.中国石油集团大庆钻探工程公司钻井生产技术服务一公司，

黑龙江大庆 163358；3.中国石油集团渤海钻探第一固井分公司，河北任丘 062450）

0 引言

减阻剂[4-5]被认为是解决上述问题的常用手段，但目前减阻剂主要通过分散减阻的方式改善水泥浆的流变性，而对高黏度物质所形成的流变作用改善效果不明显，且一些减阻剂酸性较强，腐蚀性高，运输、存放、使用都存在较大的安全风险。针对以上问题，根据结构设计，开发了一种综合性能良好的新型弱酸性减阻降黏剂。

1 高性能减阻降黏剂的开发

1.1 微观结构设计

①为了使体系具有良好的减阻效果，减阻降黏剂应含有大量的羧基及磺酸基等强分散基团，从而释放出大量的自由水，改善体系流变性。②为了进一步降低体系黏度，减阻降黏剂应为多支链聚合物，含有丰富的强吸附支链，从而降低体系因其他聚合物较多而导致的体系黏聚力较大的问题。③为了避免强酸性带来的安全风险同时又保证其具有较好的减阻降黏效果，减阻剂pH 值在4～7 范围内。

1.2 原材料研选

首先根据微观结构设计，对减阻降黏剂原料进行了筛选，通过大量筛选初步得到3 种性能优良的原材料A、B、C。对3 种减阻降黏剂原材料进行了pH 值测试，结果A、B、C 的pH 值分别为6、6、5。3 种原材料均为弱酸性，满足环境保护要求。

参考SY/T 5504.3—2008《油井水泥外加剂评价方法第3 部分：减阻剂》的相关内容对3 种减阻降黏剂原材料进行了相关性能评价。评价结果见表1，所用水泥浆基础配方为：G 级水泥+4%降失水剂+40%水+减阻降黏剂原材料。

通过表1 可以看出，在室温、52 ℃和85 ℃下，对比净浆，加有A 的水泥浆的流性指数提高，稠度系数下降，表观黏度分别下降了32.5%、44.4%、43.3%，减阻降黏效果明显。稠化曲线正常，稍有缓凝作用。抗压强度略有增长；加有B 的水泥浆的流性指数提高，稠度系数下降，表观黏度分别下降了26.0%、36.1%、32.7%，减阻降黏效果较A 差。稠化曲线正常，缓凝作用较强。抗压强度略有下降。减阻剂原材料C 相关性能评价；加有C 的水泥浆的流性指数提高，稠度系数下降，表观黏度分别下降了9.1%、16.7%、23.1%，表观黏度降低率是三剂中最低的。稠化曲线正常，缓凝作用较强。抗压强度基本一致。

表1 加入不同减阻剂原材料的水泥浆性能评价

综上所述，原材料A 相比B 和C 具有更好的减阻降黏效果，综合性能较好。原料A 具有较多的分散基团，吸附能力强，可在水泥浆中充分发挥其静电排斥作用，且其分子量较低，自身黏度很低，不会产生增黏副作用，所以其表现出更优良的减阻降黏作用，因此选定原材料A 进一步研究。

1.3 改进和复配研究[6]

为了进一步增强材料的减阻降黏作用，优选具有丰富支链结构的聚合物与A 进行复配，得到减阻降黏剂D。经测试，D 的pH 值为6。对减阻降黏剂D 的流变性能进行了对比，结果见表2。所用水泥浆基础配方为：G 级水泥+4%降失水剂+40%水+减阻降黏剂。

表2 加入减阻降黏剂D 的水泥浆流变性能评价

通过对比可以看到，在室温、52 ℃、85 ℃下，对比A，加有D 的水泥浆表观黏度分别下降了13.5%、8.3%、18.6%。D 比A 具有更好的减阻效果。这是因为D 是由具有较多强吸附分散基团的A 和具有丰富支链结构的聚合物复合而成的，两者可以充分发挥协同作用，一方面靠静电排斥作用改善浆体流变性能，另一方依靠空间位阻效应进一步降低体系之间黏聚力，从而起到明显的减阻降黏效果。

2 高性能减阻降黏剂的综合性能

2.1 不同减阻降黏剂加量对水泥浆流变性的影响

实验考察了不同加量的减阻降黏剂D 在室温和85 ℃对水泥浆流变性能的影响。结果如表3 所示。水泥浆基础配方为：G 级水泥+4%降失水剂+40%水+减阻降黏剂D。

阿克苏是新疆自治区的农业大区，其境内的渭干河灌区属于一个典型的山前平原灌区，灌溉水源主要是黑孜水库以下的渭干河，并适度开采地下水，灌溉面积257.30万亩。灌区受益范围有3县28个建制镇，总人口61.77万人。目前灌区渠系老损严重、效率低下，水土流失、水资源浪费严重，供水成本不断加大，严重影响效益发挥，因此必须实施续建配套与节水改造。本次工程设计改造渠道270.86km，规模为中型，工程级别为4级，临时建筑物为5级。

表3 减阻降黏剂D 的不同加量对水泥浆流变性能影响

实验结果表明，随着减阻降黏剂D加量的增加，水泥浆流变性能得到显著改善，水泥浆流变读数先逐渐变小后变化不大，当减阻降黏剂加量为1.0%时，减阻降黏效果达到最佳，再增加水泥浆流变性能变化不大。

2.2 不同温度下稠化性能评价

实验分别考察了中低温以及高温下不同减阻降黏剂加量对水泥浆稠化时间的影响。实验结果如表4 所示。实验所用水泥浆基础配方如下。

表4 不同温度水泥浆稠化性能评价

1#（中低温水泥浆）G 级水泥+4%降失水剂+40%水+减阻降黏剂D

2#（高温水泥浆）G 级水泥+35%硅石粉+5%降失水剂+52%水+减阻降黏剂D+3.0%缓凝剂

由表4 稠化实验结果可知，随着减阻降黏剂D加量的增加，水泥浆不同温度下稠化时间都有所增加，表现出一定的缓凝作用，但整体对稠化时间影响不大，加与不加减阻降黏剂D 的水泥浆稠化时间之比可控制在1.0～2.0。

2.3 不同温度下强度性能评价

实验分别考察了不同温度下不同减阻降黏剂加量下的水泥石24 h 抗压强度情况，结果见表5。实验表明，不同温度下减阻降黏剂D 对水泥石强度影响不大，加与不加D 的水泥石24 h 抗压强度之比不小于0.9。这说明开发的新型减阻降黏剂D 在明显降低体系黏度改善流变性的同时，对水泥石强度影响不大。

表5 不同温度水泥石强度性能评价

2.4 其他高黏体系减阻降黏效果评价

含盐高密度体系、增韧体系浆体较稠，浆体黏度大，下灰时间长，浆体较难制备，施工过程中也存在较大风险。对加有D 的含盐高密度体系和增韧体系进行了研究，并与传统的聚羧酸高效减阻剂进行了对比，结果见表6 和表7。实验所用水泥浆基础配方如下。

表6 含盐高密度水泥浆流变性能评价

表7 增韧水泥浆流变性能评价

含盐高密度水泥浆 G 级水泥+95%铁矿粉+5.0%锰矿粉+8.8%盐+5.5%降失水剂+45%水+减阻降黏剂

增韧水泥浆 G 级水泥+3.0%粉体降失水剂+6.0%增韧剂 +44%水+减阻降黏剂

由实验可知，盐水高密度在不加减阻降黏剂的情况下，浆体常温下稠度很大，触变性也很强，加入减阻降黏剂D 后体系稠度明显降低，流变性改善明显，触变性明显降低，从降黏方面减阻降黏剂D 降黏效果明显好于传统聚羧酸减阻剂，且高温下效果要更明显，减阻降黏率可达40%以上。加入减阻降黏剂D 后水泥浆下灰时间明显变短，流变读数明显降低，流变性能得到显著改善，加入1.0%D后黏度降低率大于20%，水泥浆静切力也可显著降低，表现出明显的降黏降切作用。