新型固井用超高溫降失水劑C-FL94的研究

孫 剛

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，河北三河 065201）

固井是石油天然氣鉆采過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，固井質(zhì)量的優(yōu)劣，關(guān)系著油氣產(chǎn)量及井筒的壽命。為了保證施工質(zhì)量及安全，防止水泥漿濾液進(jìn)入地層，需要在水泥漿中添加降失水劑，降失水劑是固井添加劑中用量最大、最關(guān)鍵的產(chǎn)品之一[1，2]。隨著鉆探深度的增加，井底溫度的不斷升高，研發(fā)抗高溫的降失水劑是目前的一個發(fā)展方向，目前常用的降失水劑在超過200℃后控制失水能力大幅下降，超高溫固井作業(yè)受到了限制。2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）具有龐大剛性側(cè)基，具有較強的抗溫能力，腐殖酸是自然界中廣泛存在的大分子有機物質(zhì)，腐殖酸分子中的大量羧基和酚羥基為接枝共聚反應(yīng)的進(jìn)行提供了良好的條件[3，4]，將腐殖酸與烯類單體接枝共聚，可以使產(chǎn)物有良好的抗溫性[5，6]。因此，以腐殖酸鈉和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）以及丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）為原料，合成了一種降失水劑，并對其進(jìn)行了性能評價。

1 實驗方法

1.1 材料

G級油井水泥（HSR），山東中昌水泥有限公司；降失水劑、緩凝劑、消泡劑、硅粉、加重劑等，天津中海油服化學(xué)有限公司。

1.2 儀器

高溫高壓稠化儀、旋轉(zhuǎn)黏度計、高溫高壓翻轉(zhuǎn)失水儀，超聲波強度測試儀，美國千德樂儀器公司；常壓稠化儀、恒速攪拌器，沈航應(yīng)用技術(shù)研究所；MS6002S型電子天平，瑞士梅特勒儀器有限公司。

1.3 制備方法

1.3.1 原料 腐殖酸鈉、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、氫氧化鈉、過硫酸銨、鏈轉(zhuǎn)移劑、阻聚劑、去離子水，以上均為工業(yè)品。

1.3.2 合成 將2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）三種單體依次緩慢加入到含有去離子水的四口瓶中（AMPS:AM:AA摩爾質(zhì)量比為1:0.32:0.11），攪拌20 min，確保充分溶解，加入氫氧化鈉中和，調(diào)節(jié)pH值至6，后緩慢加入腐殖酸鈉（單體與腐殖酸鈉的質(zhì)量比為1:0.18），攪拌30 min后，加入鏈轉(zhuǎn)移劑，充氮氣40 min并將四口瓶移至水浴鍋加熱至55℃，緩慢滴加引發(fā)劑（10%過硫酸銨溶液），待反應(yīng)3 h后加入阻聚劑，得到黑色黏稠液體（固含量為23%），即為降失水劑產(chǎn)品C-FL94。

1.4 性能評價

評價降失水劑C-FL94性能的水泥漿配方由G級水泥、蒸餾水、待測產(chǎn)品、緩凝劑、消泡劑、硅粉及其他添加劑構(gòu)成，水灰比為0.44，密度為1.9 g/cm3。實驗方法參考API RP 10B-2 2013。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 殘留單體分析

將C-FL94產(chǎn)品低溫烘干后準(zhǔn)確稱取0.5 g（精確到0.000 1 g）加入醇類混合提取劑，并加入適量阻聚劑，磁力攪拌2 h。充分靜置后取上清液過0.45 μm濾膜分析。用高效液相色譜儀進(jìn)行分析殘留單體含量，結(jié)果（見表1），可以看出在產(chǎn)品中殘留的AMPS單體僅有0.47%（占反應(yīng)單體量的百分比），AM和AA殘留小于0.01%，說明絕大多數(shù)單體都參與了反應(yīng)。

表1 產(chǎn)品中殘留單體分析結(jié)果

2.2 熱分析

C-FL94的熱重分析曲線（見圖1），260℃之前的失重為共聚物分子中水分的損失，當(dāng)溫度升至260℃之后，失重為共聚物分解導(dǎo)致，在300℃以后發(fā)生快速分解，至580℃失重約10%，主要是聚合物側(cè)鏈的分解，從580℃至840℃失重約為5%，而此時的熱重?fù)p失為35%，說明該聚合物有較高的熱穩(wěn)定性，作為降失水劑產(chǎn)品而言，能夠滿足抗溫大于200℃的熱穩(wěn)定要求。

2.3 水泥漿性能

2.3.1 降失水性能評價 在高溫條件下，C-FL94與普通產(chǎn)品的控制失水能力對比（見表2）（水泥漿組成為：100%SDG級水泥+40%硅粉+X%C-FL94/普通降失水劑+2%～5%高溫緩凝劑+0.25%消泡劑+蒸餾水），目前常用的降失水劑產(chǎn)品抗高溫性能較差，通過表中數(shù)據(jù)看出，普通降失水劑在150℃以下失水可以控制在50 mL左右，當(dāng)溫度升至150℃以上，失水控制能力變差，180℃以上出現(xiàn)氣竄，無法控制失水；由腐殖酸鈉和抗溫單體AMPS及AM、AA聚合而成的產(chǎn)品CFL94具有更好的控制失水能力，失水控制規(guī)律性好，在160℃加量為6%（BWOC）API失水即可控制在46.6 mL，190 ℃加量 8%（BWOC） 失水為 47.8 mL，即使在210℃條件下，通過增大加量至10%（BWOC），API失水仍然可以控制在50 mL以內(nèi)。

圖1 C-FL94的熱重分析曲線

表2 在高溫條件下C-FL94與常規(guī)產(chǎn)品的控制失水能力對比

2.3.2 稠化時間和抗壓強度 降失水劑會影響水泥漿的稠化時間和抗壓強度，因此對C-FL94進(jìn)行了相關(guān)評價（水泥漿組成為：100%SDG級水泥+40%硅粉+X%C-FL94+2%～5%高溫緩凝劑+0.25%消泡劑+蒸餾水），結(jié)果（見表3），在150℃、170℃、190℃條件下，加入不同加量，對稠化時間的影響不明顯。在200℃條件下養(yǎng)護(hù)水泥石，在改變加量情況下，水泥石強度沒有降低的現(xiàn)象。因此說明該產(chǎn)品對稠化時間和強度并無不利影響。該產(chǎn)品與高溫緩凝劑、防氣竄劑等配合使用構(gòu)建高溫水泥漿體系，可在200℃甚至以上應(yīng)用，常規(guī)密度水泥漿的230℃稠化曲線（見圖2）（水泥漿組成為：100%SDG級水泥+50%硅粉+15%超細(xì)硅粉+5%防竄劑+10%C-FL94+8.6%高溫緩凝劑+0.5%消泡劑+蒸餾水），稠化時間為438 min，曲線無異常。

表3 加有C-FL94的水泥漿稠化時間和抗壓強度

2.3.3 在不同水泥漿體系中評價 為了評價產(chǎn)品的普適性，分別在高密度體系、膠乳水泥體系中進(jìn)行了評價（實驗條件為 BHST：200 ℃，BHCT：180 ℃，BHP：80 MPa），性能（見表4），可以看到，摻有C-FL94的各水泥漿體系，各項性能均滿足固井施工要求，說明該產(chǎn)品與鐵礦粉、膠乳等添加劑配伍良好，有較好的普適性。

表4 摻有C-FL94的不同水泥漿體系的性能

3 結(jié)論

（1）通過熱重分析證明C-FL94的熱穩(wěn)定性滿足抗溫200℃以上；與普通降失水劑相比，C-FL94在超高溫下有更好的控制失水能力。

圖2 230℃高溫水泥漿稠化曲線圖

（2）C-FL94對稠化時間、強度無不利影響，在不同的水泥漿體系中具有良好的普適性，是一種綜合性能優(yōu)良的超高溫降失水劑。

參考文獻(xiàn)：

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