膠乳水泥漿GWT-100L的研發(fā)與性能評(píng)價(jià)

魏繼軍

(中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司固井公司)

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，為了更好地開(kāi)發(fā)和最大程度地獲取油氣資源、降低生產(chǎn)成本，出現(xiàn)了大位移井、分支井、大斜度井、調(diào)整井和小井眼井等，這些井在鉆井和開(kāi)采過(guò)程中，既要求水泥漿具有良好的可施工性，同時(shí)又要求提高充填于地層和套管之間的封隔水泥環(huán)的力學(xué)性能質(zhì)量。膠乳水泥漿是一類特殊的水泥漿體系，具有良好的抗沖擊性能，改善成型水泥石質(zhì)量，提高水泥石對(duì)外力的緩沖性能和抗開(kāi)裂能力，較大程度地提高了水泥石的體積穩(wěn)定性，有利于提高疑難復(fù)雜井的固井質(zhì)量[1]。針對(duì)以上問(wèn)題，研發(fā)了一種適用于油井水泥用的防竄增韌并具有良好抗溫耐鹽的膠乳GWT-100L，水泥漿綜合性能優(yōu)越，有助于提高固井質(zhì)量。

一、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1. 實(shí)驗(yàn)材料

羧基丁苯膠乳JR-1、非離子表面活性劑FLZ-1、非離子表面活性劑FLZ-2、非離子表面活性劑FLZ-3、陰離子表面活性劑YLZ-1、AMPS類聚合物JS-1、硅氧共聚物YP-1、聚羧酸聚合物FS-1、撫順G級(jí)水泥、撫順G級(jí)加砂水泥、降失水劑GWF-200L、緩凝劑GWR-100L、消泡劑GWX-1L、抑泡劑GWX-2L。

2. 實(shí)驗(yàn)儀器

電子天平、泥漿攪拌器、恒溫干燥箱、表面張力儀、酸度計(jì)、恒速攪拌器、增壓稠化儀、靜態(tài)失水儀、增壓養(yǎng)護(hù)釜、壓力試驗(yàn)機(jī)、六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、超聲波靜膠凝強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度分析儀、氣竄模擬分析儀、水泥石力學(xué)性能分析儀等。

3. 實(shí)驗(yàn)方法

按SH/T 1608-1995、SH/T 1151-1992、SH/T 1154-1992、SH/T 1152-1992、SH/T 1156-1992、SH/T 1150-1992分別測(cè)試膠乳的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、總固物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏度、表面張力和pH值。

外加劑的加量按照水泥質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)計(jì)算。各種外加劑直接配入水中,水灰比為0.44,試驗(yàn)水泥漿密度均為1.90 g/cm3，水泥漿配漿及性能試驗(yàn)按照API 10A標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

二、物化性能

1.膠乳穩(wěn)定劑的優(yōu)選

在羧基丁苯膠乳里加入不同類型的表面活性劑，用20%的CaCl2溶液評(píng)價(jià)表面活性劑對(duì)羧基丁苯膠乳穩(wěn)定性的影響，見(jiàn)表1。

表1 表面活性劑對(duì)羧基丁苯膠乳穩(wěn)定性的影響

由表1看出，不加表面活性劑的膠乳在高鈣離子濃度下是不穩(wěn)定的，非離子表面活性劑FLZ-1對(duì)膠乳的穩(wěn)定性無(wú)效果。非離子表面活性劑FLZ-2、FLZ-3和陰離子表面活性劑YLZ-1的加入可明顯地提高膠乳的Ca2+穩(wěn)定性,而且隨著表面活性劑相對(duì)含量的提高,穩(wěn)定性也提高了。將穩(wěn)定后的膠乳加水稀釋到適宜黏度后，其固相含量相應(yīng)降低，但穩(wěn)定性不受影響。

由表1看出配方10、配方11、配方12不僅穩(wěn)定性好，其黏度和固相含量都較低，因此初步按照配方10、配方11、配方12來(lái)確定表面活性劑。

2. 膠乳水泥漿的穩(wěn)定性

將配方10定為A液，配方11定為B液，配方12定為C液，使用增壓稠化儀在不同溫度下，依據(jù)膠乳水泥漿稠化影響確定最終膠乳配方，結(jié)果見(jiàn)表2。膠乳水泥漿基本配方：G+15%膠乳+0.02%GWX-1L+0.5%GWX-2L+39%水。

表2 膠乳水泥漿的稠化穩(wěn)定性

由表2看出，助劑FS-1可以降低水泥漿初始稠度，JS-1對(duì)縮短過(guò)渡時(shí)間有積極作用。使用A液配方時(shí)，當(dāng)溫度升至75℃，水泥漿增稠迅速，稠化曲線不平穩(wěn)；使用B液配方時(shí)，當(dāng)溫度升至120℃，水泥漿增稠迅速，稠化曲線不平穩(wěn)；使用C液配方，實(shí)驗(yàn)溫度從低溫45℃至高溫120℃，各溫度段的稠化曲線平穩(wěn)，過(guò)渡時(shí)間短。

分析其原因，為了在溫度高于90℃環(huán)境中使用，采用濁點(diǎn)較高的非離子型表面活性劑FLZ-3，其濁點(diǎn)大于100℃。陰離子表面活性劑YLZ-1分子結(jié)構(gòu)中含有C5-C14的烷基及其同分異構(gòu)體增強(qiáng)了與羧基丁苯膠乳的匹配性和兩種非離子表面活性劑相互之間的配伍性；同時(shí)，陰離子表面活性劑YLZ-1分子結(jié)構(gòu)中含有的-C6H5可以增加其本身穩(wěn)定性，引入的強(qiáng)親水基團(tuán)-SO3可以分布在膠粒表面，保證膠乳和無(wú)機(jī)類化合物的配伍性,提高膠乳的耐溫抗鹽能力[3]。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和綜合考慮各個(gè)因素，確定膠乳GWT-100 L的配方為: 100%JR-1+10%FLZ-2+10%FLZ-3+2.5%YLZ-1+5%FS-1+5%JS-1+0.002%YP-1+120%水。

三、GWT-100L膠乳水泥漿性能及應(yīng)用

基本配方為：FSG+0～35%GWY-500S+5%～15%GWT-100 L+2%～3%GWF-200 L+0.1%～1%GWR-100 L+0.5%GWX-2L+0.2%GWX-1L+23%～36%水。

1.稠化性能

實(shí)驗(yàn)按照基本配方考察了不同的膠乳加量對(duì)水泥漿稠化性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，隨GWT-100L加量的增大，稠化時(shí)間相應(yīng)增加。溫度在45℃～90℃范圍內(nèi)，GWT-100L加量每增加5%，稠化時(shí)間延長(zhǎng)；溫度在105℃～120℃范圍內(nèi)，GWT-100L加量增加，稠化時(shí)間變化不大；這是由于加入的膠乳穩(wěn)定劑具有延長(zhǎng)稠化時(shí)間的作用，當(dāng)溫度升高到一定值后，這種作用將會(huì)被削弱。同時(shí)，加入GWT-100L后的水泥漿在整個(gè)稠化過(guò)程中，稠度值基本穩(wěn)定在10 Bc左右，且水泥漿過(guò)渡時(shí)間短，形成“直角稠化”。在羧基丁苯膠乳中加入穩(wěn)定劑后，大量穩(wěn)定劑能夠?qū)δz乳顆粒形成一層較好的保護(hù)隔離膜，在水泥顆粒與膠乳顆粒間進(jìn)行填充、隔離[4]。

圖1 GWT-100L對(duì)稠化時(shí)間的影響

2. 防竄性能

圖2為膠乳水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展曲線。由實(shí)驗(yàn)得知，GWT-100L膠乳水泥漿的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展時(shí)間為10 min，具有良好的防氣竄性能。

圖2 52℃膠乳水泥漿靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展曲線

利用7150型氣竄模擬分析儀進(jìn)行膠乳水泥漿防氣竄性能室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，可以看出,當(dāng)孔隙壓力降至注入壓力時(shí),采集到的氣竄量幾乎為零,說(shuō)明GWT-100L膠乳水泥漿體系具有良好的防氣竄性能。

以上實(shí)驗(yàn)表明GWT-100 L膠乳水泥漿體系具有良好的防氣竄性能，這是因?yàn)?，膠乳水泥漿的低失水特性能保證水泥顆粒充分水化,有助于水泥孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)育,增大環(huán)空的抗?jié)B阻力；在水泥漿失重時(shí)，膠乳水泥漿膠凝強(qiáng)度迅速發(fā)展，環(huán)空的抗?jié)B阻力迅速增大，正是由于環(huán)空抗?jié)B阻力的增大，阻止了氣體侵入水泥漿[5]。

3. 水泥石性能

將不同膠乳加量的水泥漿在60℃條件養(yǎng)護(hù)24 h后，分別使用壓力試驗(yàn)機(jī)和水泥石機(jī)械性能分析儀測(cè)定水泥石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。結(jié)果表明，水泥石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均隨著膠乳的加量增大而降低，結(jié)果表明摻有膠乳GWT-100 L的膠乳水泥石具有較好的韌性。

表3 水泥石抗壓強(qiáng)度與彈性模量

膠乳水泥漿中，膠乳作為分散相大量分散在水泥漿中，影響水泥整個(gè)水化過(guò)程的微觀機(jī)理，改善水泥石的性能。這是因?yàn)椋z乳的聚合物大分子鏈節(jié)可以自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使聚合物具有彈性和縮性，當(dāng)水泥和膠乳混合時(shí)，聚合物膠粒即分散于水泥漿中[6]。研究結(jié)果表明，膠乳水泥漿體系水泥水化過(guò)程中，膠乳和水泥形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的過(guò)程分三個(gè)步驟：

(1)膠乳與水泥混合后，膠粒即分散在水泥漿中，隨著水泥水化的進(jìn)行，膠粒將部分地附著在水化水泥的表面。

(2)隨著水泥水化凝膠結(jié)構(gòu)的發(fā)育，膠乳中膠粒被封閉于毛細(xì)空隙中，當(dāng)水泥進(jìn)一步水化，毛細(xì)空隙中水份逐漸減少，膠粒就聚集在水化水泥顆粒表面并形成連續(xù)的薄膜，同時(shí)在水化凝膠較大的空隙中也充滿了膠粒。

(3)隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，更多的水被消耗掉，在水化產(chǎn)物表面積聚的膠粒形成連續(xù)薄膜并和水化產(chǎn)物連接在一起，從而形成一種有聚合物和水化產(chǎn)物互相滲透復(fù)合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[7]。

同時(shí)，由于膠乳在水泥微縫隙間形成橋接并抑制了縫隙的發(fā)展從而增強(qiáng)了水泥石的彈性，提高了抗沖擊性能，水泥石滲透率降低，提高了抗腐蝕的能力[8]。

4. 膠乳水泥漿綜合性能

考慮水泥漿綜合性能，確定膠乳GWT-100 L的加量范圍在5%～15%，室內(nèi)評(píng)價(jià)了5%膠乳加量的水泥漿在不同溫度下的綜合性能，見(jiàn)表4。

表4 不同溫度下膠乳水泥漿的綜合性能

由表4可知，GWT-100 L膠乳水泥漿具有稠化時(shí)間可調(diào)、過(guò)渡時(shí)間短、稠化曲線呈“直角”、失水量低、流變性能優(yōu)越、游離液低、防氣竄、水泥石抗壓強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)。

5. 膠乳水泥漿體系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該膠乳水泥漿體系研發(fā)至今，在遼河油田、長(zhǎng)慶蘇里格氣田、委內(nèi)瑞拉東部氣田已成功實(shí)施固井作業(yè)50余井次，固井24 h后進(jìn)行固井質(zhì)量檢測(cè)，聲幅顯示固井質(zhì)量一次合格率100%，有效解決了各油氣田油氣水竄的技術(shù)難題。

四、結(jié)論

(1)非離子表面活性劑和陰離子表面活性劑可以作為羧基丁苯膠乳的穩(wěn)定劑，保證膠乳在受到極性離子的干擾、劇烈的機(jī)械攪拌或者較大的溫度變化時(shí)能夠穩(wěn)定，不絮凝，不破乳。

(2)羧基丁苯膠乳中加入合適的穩(wěn)定劑及其他助劑后，可以作為油井水泥外加劑，配合使用其他外加劑，即可配制出性能優(yōu)越的膠乳水泥漿。

(3)膠乳水泥漿體系可顯著降低水泥漿的失水量，提高水泥漿的流變性能，控制水泥漿的稠化時(shí)間，稠化曲線呈“直角”，具有防氣竄和韌性性能，膠乳水泥漿綜合性能滿足固井要求。

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