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，水泥漿在壓力下經過高滲透地層時會發生“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增壓養護釜、OWC－9510型高溫高壓失水儀，沈陽航空工業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量的百分數。

(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，置于增壓養護釜中養護后脫模，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;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;當FAN加量不小于0.5%時，失水量控制在50 mL以內，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，造成水泥環封固質量差。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;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生過度緩凝現象，且分子結構中的磺酸基及內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，FAN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酰胺基增加了分子熱穩定性。因此，FAN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，顆粒的橋聯形成遍布整個水泥漿體系的空間網狀結構，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。

［1］劉崇建，黃柏宗，徐同臺，等.油氣井注水泥理論與應用［M］.北京:石油工業出版社，2001:90－91.

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