新型固井用超高溫降失水劑C-FL94的研究

孫 剛

（中海油田服務股份有限公司油田化學事業部，河北三河 065201）

固井是石油天然氣鉆采過程中的關鍵環節，固井質量的優劣，關系著油氣產量及井筒的壽命。為了保證施工質量及安全，防止水泥漿濾液進入地層，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、最關鍵的產品之一[1，2]。隨著鉆探深度的增加，井底溫度的不斷升高，研發抗高溫的降失水劑是目前的一個發展方向，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，腐殖酸分子中的大量羧基和酚羥基為接枝共聚反應的進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，天津中海油服化學有限公司。

1.2 儀器

高溫高壓稠化儀、旋轉黏度計、高溫高壓翻轉失水儀，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，沈航應用技術研究所；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、鏈轉移劑、阻聚劑、去離子水，以上均為工業品。

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，調節pH值至6，后緩慢加入腐殖酸鈉（單體與腐殖酸鈉的質量比為1:0.18），攪拌30 min后，加入鏈轉移劑，充氮氣40 min并將四口瓶移至水浴鍋加熱至55℃，緩慢滴加引發劑（10%過硫酸銨溶液），待反應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、待測產品、緩凝劑、消泡劑、硅粉及其他添加劑構成，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 實驗結果與討論

2.1 殘留單體分析

將C-FL94產品低溫烘干后準確稱取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行分析殘留單體含量，結果（見表1），可以看出在產品中殘留的AMPS單體僅有0.47%（占反應單體量的百分比），AM和AA殘留小于0.01%，說明絕大多數單體都參與了反應。

表1 產品中殘留單體分析結果

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，當溫度升至260℃之后，失重為共聚物分解導致，在300℃以后發生快速分解，至580℃失重約10%，主要是聚合物側鏈的分解，從580℃至840℃失重約為5%，而此時的熱重損失為35%，說明該聚合物有較高的熱穩定性，作為降失水劑產品而言，能夠滿足抗溫大于200℃的熱穩定要求。

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品抗高溫性能較差，通過表中數據看出，普通降失水劑在150℃以下失水可以控制在50 mL左右，當溫度升至150℃以上，失水控制能力變差，180℃以上出現氣竄，無法控制失水；由腐殖酸鈉和抗溫單體AMPS及AM、AA聚合而成的產品CFL94具有更好的控制失水能力，失水控制規律性好，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。

圖1 C-FL94的熱重分析曲線

表2 在高溫條件下C-FL94與常規產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進行了相關評價（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℃條件下養護水泥石，在改變加量情況下，水泥石強度沒有降低的現象。因此說明該產品對稠化時間和強度并無不利影響。該產品與高溫緩凝劑、防氣竄劑等配合使用構建高溫水泥漿體系，可在200℃甚至以上應用，常規密度水泥漿的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 為了評價產品的普適性，分別在高密度體系、膠乳水泥體系中進行了評價（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 結論

（1）通過熱重分析證明C-FL94的熱穩定性滿足抗溫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，是一種綜合性能優良的超高溫降失水劑。

參考文獻：

[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.

[2]王清順.油井水泥用合成聚合物降失水劑現狀及發展趨勢[J].鉆井液與完井液，2007，24（2）：67-69.

[3]宋維凱，王清順，侯亞偉，等.一種固井用腐植酸-AMPS/DMAM/FA接枝共聚物降失水劑[J].鉆井液與完井液，2017，34（1）：101-105.

[4]Tang Y B，Chen F Y，Ye W，et al.A novel rectorite-based composite adsorbent for removing heavy metal ions and PAHs[J].Journal of Chemical and Pharmaceutical Research，2014，6（8）：102－111.

[5]郝延順，楊決算，鄧茜珊，等.NaHm/AMPS/AM/AA接枝共聚物降濾失劑的合成[J].廣東化工，2014，41（15）：12-14.

[6]王中華.腐殖酸接枝共聚物超高溫鉆井液降濾失劑合成[J].西南石油大學學報（自然科學版），2010，32（4）：149-155.