一种超低密度水泥浆抗高温降失水稳定剂QX-2的制备与性能评价

刘 福,张军义,郑文武,张 蝶,韩 婧,何斌斌,王 雄,王 松*

(1.中石化华北石油工程有限公司,河南 郑州 450006;2.中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206;3.长江大学化学与环境工程学院,湖北 荆州 434023)

随着石油勘探开发向深井、超深井的目标钻探,遇到的低孔、低渗、低压、胶结较差的地层逐渐增多,这些地层更容易发生井漏等井下复杂事故。低密度水泥浆体系为解决低压易漏层固井问题发挥了重要作用,长期以来,广泛应用于低压易漏层的封固以及低压油气层长封固段固井作业中[1-3]。但水泥浆中使用的低密度减轻剂大部分是漂珠,由于漂珠与水泥浆的密度有较大的差异,更容易向上移动、聚结合并、挤压破碎,可能在环空空间形成桥堵,甚至会导致严重的“灌香肠”井下事故[4-5];另外,如果水泥浆体系的性能不稳定,也会降低低密度水泥浆固化时的胶结性能,直接影响复杂地层的固井质量[6-7]。为解决低密度水泥浆的悬浮失稳问题,常用的办法是加入悬浮稳定剂。

鄂尔多斯盆地是典型的低压、低渗、致密储层,建井过程中由于地层承压能力低,钻、固井过程易发生漏失,造成固井低返,影响固井质量。为此,开展了1.15～1.25 g·cm-3超低密度水泥浆体系研究。在产能开发建设过程中,钻井深度不断增加,井底温度超过100 ℃,现有高温悬浮稳定剂效果不理想,造成体系不稳定,减轻剂漂浮严重,导致固井质量下降。因此,迫切需要研制一种抗高温悬浮稳定剂。

基于此,作者以N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)、二乙烯苯(DVB)、对苯乙烯磺酸钠(SSS)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)为单体,利用水溶液聚合法制备超低密度水泥浆抗高温降失水稳定剂QX-2(以下简称稳定剂QX-2),通过傅立叶变换红外光谱表征其结构,并考察其对超低密度水泥浆体系的沉降稳定性能、降滤失性能、流变性能、稠化性能、水泥石抗压强度、抗盐性能的影响,为拓宽超低密度水泥浆体系的应用范围提供帮助。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

G级油井水泥,嘉华特种水泥股份有限公司。

N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)、二乙烯苯(DVB)、对苯乙烯磺酸钠(SSS)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、过硫酸铵、氢氧化钠、无水乙醇等均为分析纯;去离子水,自制。

WQF520型傅立叶变换红外光谱仪,上海浦东分析仪器有限公司;GJSS-B12K型变频高速搅拌机、XGRL-4A型高温滚子加热炉,山东美科仪器有限公司;Φ2.5 cm×20 cm沉降管;ZNS-2型常温中压失水仪,上海肯测仪器有限公司;OWC89508D型高温高压失水仪,沈阳石油仪器研究所有限责任公司;ZNN-D6型六速旋转黏度计,青岛海通达石油科技仪器有限公司;DFC-0712B型高温高压稠化仪,北京海富达科技有限公司;ZYL-300型压力试验机,东莞博莱德仪器设备有限公司。

1.2 稳定剂QX-2的制备

按照配比称取一定量的SSS,将其溶解于适量蒸馏水中并搅拌均匀,用一定浓度的NaOH溶液调节SSS溶液pH值为7～8,转移至三口烧瓶中并持续搅拌;依次向三口烧瓶中加入称量好的DVB、DMAM、NVP,单体总加量为10%;向三口烧瓶中通氮气30 min以确保无氧环境;然后升温至60 ℃,加入引发剂过硫酸钾,反应6～8 h,得白色胶状物;用无水乙醇多次洗涤,70 ℃真空干燥并粉碎,得到稳定剂QX-2。

1.3 稳定剂QX-2的表征

采用傅立叶变换红外光谱仪对稳定剂QX-2进行表征,用来观察4种单体的聚合程度。首先,取少量的溴化钾、稳定剂QX-2,研磨成粉末状,然后压片进行测试。扫描次数为16,波数范围为400～4 000 cm-1。

1.4 稳定剂QX-2的性能评价

1.4.1 超低密度水泥浆的制备

按照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》进行水泥浆的制备与养护。超低密度水泥浆体系基础配方如下:G级油井水泥+30%密度减轻剂+30%微硅+1%早强剂ZQJ-3+1.5%缓凝剂PAID+1%～3%稳定剂QX-2,水灰比0.45,密度1.25～1.35 g·cm-3。

1.4.2 超低密度水泥浆的性能测试

按照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》对水泥浆的沉降稳定性能、降滤失性能、流变性能、稠化性能、水泥石抗压强度及抗盐性能进行测试。

2 结果与讨论

2.1 稳定剂QX-2的傅立叶变换红外光谱分析(图1)

图1 稳定剂QX-2的傅立叶变换红外光谱

2.2 稳定剂QX-2的性能评价

2.2.1 沉降稳定性能

当水泥浆的沉降稳定性不好时,水泥浆中的固相颗粒会向下沉,而上层的含水量会增加,使得环空中的水泥柱上、下层的密度和水泥石的强度产生差异[8]。若在超低密度水泥浆(基础配方)中加入不同量的稳定剂QX-2,测定上、下层的密度,就可以分析稳定剂QX-2对超低密度水泥浆沉降稳定性能的影响。基于此,在超低密度水泥浆中分别加入0%、1.0%、1.25%、1.5%的稳定剂QX-2,稠化一段时间,倒进沉降管中,分别于70 ℃、90 ℃、110 ℃、130 ℃、150 ℃、170 ℃养护24 h,测定上、下层距离为2 cm时的密度,结果见表1。

表1 稳定剂QX-2对超低密度水泥浆体系沉降稳定性能的影响

由表1可知,未添加稳定剂QX-2时,超低密度水泥浆悬浮失稳严重,高温条件下水泥浆上、下层密度差更大,无法满足性能要求。当加入1.0%～1.5%的QX-2时,超低密度水泥浆悬浮失稳问题得到不同程度的改善,高温条件下也能保证水泥浆上、下层密度差小于0.03 g·cm-3,无游离液。表明,加入稳定剂QX-2可大幅缓解超低密度水泥浆体系沉降失稳的问题,使水泥浆上、下层的密度更加均匀,提高固井质量。

2.2.2 降滤失性能

在超低密度水泥浆中分别加入0%、1.0%、1.25%、1.5%的稳定剂QX-2,测定超低密度水泥浆体系在不同温度下的降滤失性能,结果见表2。

表2 稳定剂QX-2对超低密度水泥浆体系降滤失性能的影响

由表2可知,在一定温度下,随着稳定剂QX-2加量的增加,超低密度水泥浆的滤失量逐渐降低;当加量增至1.5%时,API滤失量均低于50 mL,150 ℃时的API滤失量降为43 mL,可以认为QX-2具有较高的抗高温性能。分析其原因,主要是在QX-2的分子结构中引入了抗高温的苯环基团以及耐水解的DMAM单体,替代了传统单体丙烯酰胺,使其具有较强的空间位阻效应,而且DMAM中2个甲基的空间位阻使得酰胺基团在高温下不容易发生高分子的降解,另外引入了具有长侧链和吸附能力强的单体[8],对QX-2抗高温性能的提高具有关键作用。

2.2.3 流变性能

水泥浆流变性能的好坏直接关系到固井质量。为进一步分析稳定剂QX-2对超低密度水泥浆体系流变性能的影响,在超低密度水泥浆中分别加入0%、1.0%、1.25%、1.5%的稳定剂QX-2,用六速旋转黏度计测定超低密度水泥浆分别在3转、6转、100转、200转、300转下的读数,结果见表3。

表3 稳定剂QX-2对超低密度水泥浆体系流变性能的影响

由表3可知,随着稳定剂QX-2加量的增加,旋转黏度计读数逐渐增大,水泥浆变稠,稠度系数K逐渐增大,说明QX-2分子结构中的疏水缔合基团起到了防止超低密度水泥浆流变性能变差的作用。随着QX-2加量的增加,超低密度水泥浆的流动度先升高后降低,当QX-2加量为1.25%时,流动度达到最高(24.2 cm),这主要是因为QX-2分子结构中含有大量的具有强分散作用的长支链,随着QX-2加量的增加,强分散作用增强,流动度相应升高;但QX-2加量过多,由于高分子聚合物的增黏效应,会导致超低密度水泥浆黏度增大,进而导致流动度降低[9-10]。因此,在超低密度水泥浆中合理控制稳定剂QX-2加量,可以保证水泥浆的流变稳定性。

2.2.4 稠化性能

水泥浆的稠化时间是油井水泥性能的关键技术指标。为保证注水泥施工安全,考虑到水泥浆在浅层低温环境下早期强度的大小,应设计合理的稠化时间[11-12]。在超低密度水泥浆中分别加入0%、1.0%、1.25%、1.5%的稳定剂QX-2,测定超低密度水泥浆体系在不同温度下的稠化性能,结果见表4。

表4 稳定剂QX-2对超低密度水泥浆体系稠化性能的影响

由表4可知,未添加稳定剂QX-2时,超低密度水泥浆的初始稠度随温度升高而降低,由22.4 Bc降至16.7 Bc;而添加稳定剂QX-2后,初始稠度随温度的升高变化很小,110 ℃下的初始稠度仅略高于70 ℃下的初始稠度,表明即使升高温度,加有稳定剂QX-2的水泥浆的稠度也能够保持相对稳定。随着稳定剂QX-2加量的增加和温度的升高,稠化时间均呈缩短趋势,但趋势缓慢,在可接受范围。表明,稳定剂QX-2可以满足超低密度水泥浆对稠化性能的要求[13]。

2.2.5 水泥石抗压强度

抗压强度是评价水泥浆力学性能最关键的指标。抗压强度的强弱直接影响对油、气、水的封隔效果以及油井的使用寿命和采收率,对支撑套管、封固井壁及后续油层安全开发等至关重要[14-15]。在超低密度水泥浆中分别加入0%、1.0%、1.25%、1.5%的稳定剂QX-2,用压力试验机测定超低密度水泥浆在不同温度下养护24 h、48 h、72 h的水泥石抗压强度,结果见表5。

表5 稳定剂QX-2对水泥石抗压强度的影响

由表5可知,添加稳定剂QX-2的超低密度水泥浆养护24 h的水泥石抗压强度较未添加时大幅提升,均能达到7.0 MPa以上;随着稳定剂QX-2加量的增加、养护时间的延长,超低密度水泥浆固化后形成的水泥石抗压强度不断增强,且养护温度越高,水泥石抗压强度也越强,这是高温下水泥水化速度加快的原因[16-17]。因此,稳定剂QX-2可以增强水泥石抗压强度,有利于对油、气、水的封隔,支撑套管、封固井壁及后续油层安全开发。

2.2.6 抗盐性能

在超低密度水泥浆中分别加入0%、1.0%、1.25%、1.5%的稳定剂QX-2,测定超低密度水泥浆在加入不同量NaCl时的滤失量,结果见表6。

表6 稳定剂QX-2对超低密度水泥浆体系抗盐性能的影响

由表6可知,随着稳定剂QX-2加量的增加,含NaCl的超低密度水泥浆体系的API滤失量和高温高压滤失量均降低;当稳定剂QX-2加量增至1.5%时,可将含15%NaCl超低密度水泥浆体系的API滤失量控制在50 mL以内,满足固井基本要求;同样,当稳定剂QX-2加量增至1.5%时,可将含30%NaCl超低密度水泥浆体系的API滤失量控制在55 mL以内,说明稳定剂QX-2具有较优的抗盐性能。这主要是因为,在稳定剂QX-2的分子结构中含有苯环结构及磺酸基团,一方面苯环结构可以提高其抗高温抗盐稳定性,另一方面磺酸基团可以提高水泥颗粒表面的水化膜厚度,提高颗粒的聚结稳定性和沉降稳定性,从而提高水泥浆的抗盐性能[18-19]。

3 结论

以N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)、二乙烯苯(DVB)、对苯乙烯磺酸钠(SSS)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)为单体制得抗高温降失水稳定剂QX-2。QX-2可在不同温度下增大超低密度水泥浆的黏度,同时,水化作用下聚合物大分子链发生交联形成空间网状结构,提高沉降稳定性能和降滤失性能;在温度高达150 ℃的超低密度水泥浆体系中,其上、下层密度差在0.03 g·cm-3以内,具有良好的沉降稳定性能;QX-2能保证超低密度水泥浆的稠度系数稳定,具有良好的流变性能;QX-2能使水泥石的抗压强度增强,有利于提高超低密度水泥浆体系的固井质量;QX-2同时具有优良的抗盐性能,可拓宽超低密度水泥浆体系的应用环境。