耐高溫油井水泥降失水劑FAN的性能研究

國安平，李曉嵐，孫 舉，楊國濤，張宗鑠

(1.中原石油勘探局鉆井工程技術研究院;2.中原油田天然氣處理廠:濮陽 457001)

隨著油田開發(fā)進入后期，油氣井鉆探深度不斷增加，地層溫度、壓力也隨之升高，對固井用油井水泥外加劑提出了更高的要求。固井施工時，水泥漿在壓力下經(jīng)過高滲透地層時會發(fā)生“滲濾”，水泥漿濾液進入地層使水泥漿失水，流動性變差，嚴重時導致施工失敗;同時，還會對儲層造成不同程度的傷害［1］。

近年來，國內(nèi)廣泛開展了聚丙烯酰胺降失水劑的改性研究［2－5］，但此類降失水劑的主要缺點是耐溫性差［6－9］;同時由于酰胺基的水解，易造成水泥漿過度緩凝，無法滿足固井需要。

為克服聚丙烯酰胺降失水劑耐溫性差、易水解的缺陷，作者前期選用2－丙烯酰胺基 －2－甲基丙磺酸(AMPS)、N－乙烯基吡咯烷酮(NVP)和丙烯酰胺(AM)為單體，合成了三元共聚物降失水劑FAN。由于AMPS含有磺酸基團，有良好的耐溫及抗水解性;NVP含有內(nèi)酰胺基，具有抑制水解的能力;且這兩種單體都含有大側基，增強了聚合物分子鏈的剛性，從而提高了聚合物的熱穩(wěn)定性。本研究主要對FAN的降失水性能進行評價，考察其對水泥漿稠化時間和對水泥石抗壓強度的影響，并對其降失水機理進行分析。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

降失水劑FAN，自制;G級水泥，石家莊嘉華特種水泥有限公司;減阻劑(USZ)、消泡劑(XP－1)，衛(wèi)輝化工有限公司;緩凝劑(EDTMPS)，山東泰和水處理有限公司。

1.2 主要儀器

OWC－2250型常壓稠化儀，沈陽市固測井石油儀器研究所;OWC－9360型恒速攪拌器、OWC－9380型增壓稠化儀、OWC－9390B增壓養(yǎng)護釜、OWC－9510型高溫高壓失水儀，沈陽航空工業(yè)大學應用技術研究所;YAW－300C微機控制電液伺服壓力試驗機，濟南瑞普機電技術制造有限公司。

1.3 評價方法

(1)水泥漿配制。按GB 10238－1998標準配制:水灰比0.44，外加劑采用外摻法，摻量為占水泥干灰質(zhì)量的百分數(shù)。

(2)失水量測定。配制好的水泥漿在指定溫度下于稠化儀中養(yǎng)護20 min后，放入高溫高壓失水儀中，在指定溫度下測定水泥漿失水量。

(3)抗壓強度測定。在直徑2.54 cm×2.54 cm的模塊中裝入水泥漿，置于增壓養(yǎng)護釜中養(yǎng)護后脫模，測定其抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 降失水劑FAN加量對水泥漿失水量的影響

在水泥漿體系中，分別加入0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%，1.2% 的降失水劑 FAN，在75℃，6.9 MPa條件下，測定水泥漿的失水量，結果見圖1。水泥漿的失水量隨FAN加量的增大而減小，當FAN加量增大到一定程度時，水泥漿的失水量趨于平穩(wěn);當降失水劑加量為0.3%時，可將水泥漿的失水量控制在100 mL以內(nèi);當FAN加量不小于0.5%時，失水量控制在50 mL以內(nèi)，且變化不大。

圖1 水泥漿失水量與FAN加量的關系曲線

2.2 FAN的耐溫性能評價

固定 FAN加量0.5%，在不同溫度(75～160℃)下測定水泥漿在6.9 MPa條件下養(yǎng)護30 min后的失水量，結果見圖2。隨著溫度升高，加入0.5%FAN的水泥漿體系的失水量呈增加趨勢，但增幅不大，在160℃時仍可以將失水量控制在80 mL以下，這說明 FAN具有良好的耐溫性能。

圖2 水泥漿在不同溫度下的失水量

2.3 FAN對水泥漿稠化時間的影響

水泥漿的稠化時間是固井施工的關鍵指標。稠化時間太短，容易造成水泥漿在套管中凝固，導致施工失敗;稠化時間過長則易引起層間流體的竄流，造成水泥環(huán)封固質(zhì)量差。為此，考察了FAN對水泥漿稠化時間的影響，實驗結果見表1。

表1 FAN對水泥漿稠化時間的影響

從表1可看出，固定測試溫度為90℃時，水泥漿稠化時間隨著FAN加量的增大而延長，說明FAN對水泥漿具有一定的緩凝作用，且稠化時間可調(diào);固定FAN加量，水泥漿稠化時間隨著溫度的升高而縮短，說明FAN在高溫下沒有因羧基的增多而產(chǎn)生過度緩凝現(xiàn)象，且分子結構中的磺酸基及內(nèi)酰胺基在一定程度上抑制了酰胺基的水解。

2.4 加有FAN的水泥漿的工程性能綜合評價

優(yōu)良的降失水劑對水泥漿的流變性、游離液、稠化時間及水泥石的抗壓強度不應有不良影響。在水灰比 0.44、FAN加量 0.5%、分散劑加量0.5%的條件下，對水泥漿的綜合性能進行了評價，結果見表2。加有FAN的水泥漿失水量小(＜50 mL)，無游離液析出，流變性好，水泥石的抗壓強度等性能符合固井施工的技術要求。

表2 加有FAN的水泥漿的工程性能綜合評價結果

3 降失水劑FAN的降失水機理分析

由達西定律可知，控制水泥漿失水的方法有2種:一是增大液相黏度，二是降低濾餅的滲透率。降失水劑FAN的相對分子質(zhì)量約為20×104，增黏作用不是聚合物降失水機理的主要方面。因此，分別從宏觀和微觀角度對水泥漿濾餅的厚度和孔隙大小進行分析，考察失水量與滲透率的關系。

FAN加量不同(0.1%和0.5%)的水泥漿濾餅對比見圖3。FAN加量分別為0.1%和0.5%的水泥漿在75℃下的API失水量分別為264 mL和37 mL，結合圖3可以得出，濾餅厚度與水泥漿失水量呈正比關系，失水量越多，濾餅就越厚，越疏松;而失水量越少，形成的濾餅就越薄，越致密。所以，濾餅質(zhì)量的改善是 FAN的主要降失水機理。

圖3 FAN加量不同的水泥漿濾餅對比

圖4為上述水泥濾餅的掃描電鏡照片。從圖4同樣可以看出，F(xiàn)AN加量為0.1%的水泥漿濾餅結構松散，空隙較大，由于加量很小，幾乎看不到FAN在水泥顆粒表面的吸附;而FAN加量為0.5%的濾餅顆粒之間相互粘結在一起，結構致密，并且可觀察到吸附在水泥顆粒表面的聚合物。

圖4 水泥漿濾餅的掃描電鏡照片

降失水劑FAN屬于水溶性高分子，分子中含有大量的吸附基團——酰胺基，可以穩(wěn)定地吸附在水泥顆粒表面;同時含有大量磺酸基與酰胺基部分水解產(chǎn)生的羧酸基等水化能力較強的基團，它們也具有吸附作用，且能與Ca2+形成配位鍵，這種配位鍵的配合作用使極性基團的親固能力大大增加。此外，分子中的磺酸基和內(nèi)酰胺基增加了分子熱穩(wěn)定性。因此，F(xiàn)AN能在水泥漿中形成“水泥顆粒－線性水溶性高分子－水分子吸附層”結構，同時由于其具有較寬的相對分子質(zhì)量分布，可形成若干大小不等的膠團顆粒，這樣通過水溶性高分子的吸附、溶劑化作用以及對不同粒度水泥顆粒的級配作用，形成致密、滲透率低的濾餅，從而降低失水量。此外，顆粒的橋聯(lián)形成遍布整個水泥漿體系的空間網(wǎng)狀結構，使水泥漿體具有比自由水更高的黏度和流動阻力，阻止水泥顆粒聚結，同時圈閉了一部分自由水，從而減少了失水量。

4 結論

(1)降失水劑FAN具有較好的耐溫性能和一定的緩凝性能，且對水泥石早期強度的發(fā)展影響不大;加有0.5%FAN的水泥漿在160℃時的失水量低于100 mL，在110℃，21 MPa條件下養(yǎng)護24 h的抗壓強度為26.1 MPa。

(2)FAN通過水溶性高分子的吸附、溶劑化作用及若干大小不等的膠團顆粒形成滲透率低的濾餅，從而改善了濾餅質(zhì)量，起到降失水作用。

(3)摻有FAN的水泥漿綜合工程性能良好，無游離液析出，水泥石的抗壓強度等性能滿足固井施工技術要求，具有一定的應用前景。

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