一種新型弱酸性減阻降黏劑

安少輝，盧海川，田東誠，馮望生，，高繼超，劉艷軍，閆宇博

（1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井工程研究院，天津 300451；2.中國石油集團(tuán)大慶鉆探工程公司鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)一公司，

黑龍江大慶 163358；3.中國石油集團(tuán)渤海鉆探第一固井分公司，河北任丘 062450）

0 引言

減阻劑[4-5]被認(rèn)為是解決上述問題的常用手段，但目前減阻劑主要通過分散減阻的方式改善水泥漿的流變性，而對高黏度物質(zhì)所形成的流變作用改善效果不明顯，且一些減阻劑酸性較強(qiáng)，腐蝕性高，運(yùn)輸、存放、使用都存在較大的安全風(fēng)險。針對以上問題，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)了一種綜合性能良好的新型弱酸性減阻降黏劑。

1 高性能減阻降黏劑的開發(fā)

1.1 微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

①為了使體系具有良好的減阻效果，減阻降黏劑應(yīng)含有大量的羧基及磺酸基等強(qiáng)分散基團(tuán)，從而釋放出大量的自由水，改善體系流變性。②為了進(jìn)一步降低體系黏度，減阻降黏劑應(yīng)為多支鏈聚合物，含有豐富的強(qiáng)吸附支鏈，從而降低體系因其他聚合物較多而導(dǎo)致的體系黏聚力較大的問題。③為了避免強(qiáng)酸性帶來的安全風(fēng)險同時又保證其具有較好的減阻降黏效果，減阻劑pH 值在4～7 范圍內(nèi)。

1.2 原材料研選

首先根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對減阻降黏劑原料進(jìn)行了篩選，通過大量篩選初步得到3 種性能優(yōu)良的原材料A、B、C。對3 種減阻降黏劑原材料進(jìn)行了pH 值測試，結(jié)果A、B、C 的pH 值分別為6、6、5。3 種原材料均為弱酸性，滿足環(huán)境保護(hù)要求。

參考SY/T 5504.3—2008《油井水泥外加劑評價方法第3 部分：減阻劑》的相關(guān)內(nèi)容對3 種減阻降黏劑原材料進(jìn)行了相關(guān)性能評價。評價結(jié)果見表1，所用水泥漿基礎(chǔ)配方為：G 級水泥+4%降失水劑+40%水+減阻降黏劑原材料。

通過表1 可以看出，在室溫、52 ℃和85 ℃下，對比凈漿，加有A 的水泥漿的流性指數(shù)提高，稠度系數(shù)下降，表觀黏度分別下降了32.5%、44.4%、43.3%，減阻降黏效果明顯。稠化曲線正常，稍有緩凝作用。抗壓強(qiáng)度略有增長；加有B 的水泥漿的流性指數(shù)提高，稠度系數(shù)下降，表觀黏度分別下降了26.0%、36.1%、32.7%，減阻降黏效果較A 差。稠化曲線正常，緩凝作用較強(qiáng)?？箟簭?qiáng)度略有下降。減阻劑原材料C 相關(guān)性能評價；加有C 的水泥漿的流性指數(shù)提高，稠度系數(shù)下降，表觀黏度分別下降了9.1%、16.7%、23.1%，表觀黏度降低率是三劑中最低的。稠化曲線正常，緩凝作用較強(qiáng)?？箟簭?qiáng)度基本一致。

表1 加入不同減阻劑原材料的水泥漿性能評價

綜上所述，原材料A 相比B 和C 具有更好的減阻降黏效果，綜合性能較好。原料A 具有較多的分散基團(tuán)，吸附能力強(qiáng)，可在水泥漿中充分發(fā)揮其靜電排斥作用，且其分子量較低，自身黏度很低，不會產(chǎn)生增黏副作用，所以其表現(xiàn)出更優(yōu)良的減阻降黏作用，因此選定原材料A 進(jìn)一步研究。

1.3 改進(jìn)和復(fù)配研究[6]

為了進(jìn)一步增強(qiáng)材料的減阻降黏作用，優(yōu)選具有豐富支鏈結(jié)構(gòu)的聚合物與A 進(jìn)行復(fù)配，得到減阻降黏劑D。經(jīng)測試，D 的pH 值為6。對減阻降黏劑D 的流變性能進(jìn)行了對比，結(jié)果見表2。所用水泥漿基礎(chǔ)配方為：G 級水泥+4%降失水劑+40%水+減阻降黏劑。

表2 加入減阻降黏劑D 的水泥漿流變性能評價

通過對比可以看到，在室溫、52 ℃、85 ℃下，對比A，加有D 的水泥漿表觀黏度分別下降了13.5%、8.3%、18.6%。D 比A 具有更好的減阻效果。這是因?yàn)镈 是由具有較多強(qiáng)吸附分散基團(tuán)的A 和具有豐富支鏈結(jié)構(gòu)的聚合物復(fù)合而成的，兩者可以充分發(fā)揮協(xié)同作用，一方面靠靜電排斥作用改善漿體流變性能，另一方依靠空間位阻效應(yīng)進(jìn)一步降低體系之間黏聚力，從而起到明顯的減阻降黏效果。

2 高性能減阻降黏劑的綜合性能

2.1 不同減阻降黏劑加量對水泥漿流變性的影響

實(shí)驗(yàn)考察了不同加量的減阻降黏劑D 在室溫和85 ℃對水泥漿流變性能的影響。結(jié)果如表3 所示。水泥漿基礎(chǔ)配方為：G 級水泥+4%降失水劑+40%水+減阻降黏劑D。

阿克蘇是新疆自治區(qū)的農(nóng)業(yè)大區(qū)，其境內(nèi)的渭干河灌區(qū)屬于一個典型的山前平原灌區(qū)，灌溉水源主要是黑孜水庫以下的渭干河，并適度開采地下水，灌溉面積257.30萬畝。灌區(qū)受益范圍有3縣28個建制鎮(zhèn)，總?cè)丝?1.77萬人。目前灌區(qū)渠系老損嚴(yán)重、效率低下，水土流失、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，供水成本不斷加大，嚴(yán)重影響效益發(fā)揮，因此必須實(shí)施續(xù)建配套與節(jié)水改造。本次工程設(shè)計(jì)改造渠道270.86km，規(guī)模為中型，工程級別為4級，臨時建筑物為5級。

表3 減阻降黏劑D 的不同加量對水泥漿流變性能影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著減阻降黏劑D加量的增加，水泥漿流變性能得到顯著改善，水泥漿流變讀數(shù)先逐漸變小后變化不大，當(dāng)減阻降黏劑加量為1.0%時，減阻降黏效果達(dá)到最佳，再增加水泥漿流變性能變化不大。

2.2 不同溫度下稠化性能評價

實(shí)驗(yàn)分別考察了中低溫以及高溫下不同減阻降黏劑加量對水泥漿稠化時間的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。實(shí)驗(yàn)所用水泥漿基礎(chǔ)配方如下。

表4 不同溫度水泥漿稠化性能評價

1#（中低溫水泥漿）G 級水泥+4%降失水劑+40%水+減阻降黏劑D

2#（高溫水泥漿）G 級水泥+35%硅石粉+5%降失水劑+52%水+減阻降黏劑D+3.0%緩凝劑

由表4 稠化實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著減阻降黏劑D加量的增加，水泥漿不同溫度下稠化時間都有所增加，表現(xiàn)出一定的緩凝作用，但整體對稠化時間影響不大，加與不加減阻降黏劑D 的水泥漿稠化時間之比可控制在1.0～2.0。

2.3 不同溫度下強(qiáng)度性能評價

實(shí)驗(yàn)分別考察了不同溫度下不同減阻降黏劑加量下的水泥石24 h 抗壓強(qiáng)度情況，結(jié)果見表5。實(shí)驗(yàn)表明，不同溫度下減阻降黏劑D 對水泥石強(qiáng)度影響不大，加與不加D 的水泥石24 h 抗壓強(qiáng)度之比不小于0.9。這說明開發(fā)的新型減阻降黏劑D 在明顯降低體系黏度改善流變性的同時，對水泥石強(qiáng)度影響不大。

表5 不同溫度水泥石強(qiáng)度性能評價

2.4 其他高黏體系減阻降黏效果評價

含鹽高密度體系、增韌體系漿體較稠，漿體黏度大，下灰時間長，漿體較難制備，施工過程中也存在較大風(fēng)險。對加有D 的含鹽高密度體系和增韌體系進(jìn)行了研究，并與傳統(tǒng)的聚羧酸高效減阻劑進(jìn)行了對比，結(jié)果見表6 和表7。實(shí)驗(yàn)所用水泥漿基礎(chǔ)配方如下。

表6 含鹽高密度水泥漿流變性能評價

表7 增韌水泥漿流變性能評價

含鹽高密度水泥漿 G 級水泥+95%鐵礦粉+5.0%錳礦粉+8.8%鹽+5.5%降失水劑+45%水+減阻降黏劑

增韌水泥漿 G 級水泥+3.0%粉體降失水劑+6.0%增韌劑 +44%水+減阻降黏劑

由實(shí)驗(yàn)可知，鹽水高密度在不加減阻降黏劑的情況下，漿體常溫下稠度很大，觸變性也很強(qiáng)，加入減阻降黏劑D 后體系稠度明顯降低，流變性改善明顯，觸變性明顯降低，從降黏方面減阻降黏劑D 降黏效果明顯好于傳統(tǒng)聚羧酸減阻劑，且高溫下效果要更明顯，減阻降黏率可達(dá)40%以上。加入減阻降黏劑D 后水泥漿下灰時間明顯變短，流變讀數(shù)明顯降低，流變性能得到顯著改善，加入1.0%D后黏度降低率大于20%，水泥漿靜切力也可顯著降低，表現(xiàn)出明顯的降黏降切作用。

3 結(jié)論

1.針對傳統(tǒng)減阻劑存在的問題，根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過研選和復(fù)配，開發(fā)出了一種新型的弱酸性減阻降黏劑。

2.該減阻降黏劑能顯著降低以聚合物為主劑的水泥漿體系的黏度，明顯改善其流變性能，且該減阻降黏劑對水泥漿稠化和強(qiáng)度等性能無不良影響，綜合性能良好。