油井水泥降失水劑進展研究

程鳳翔 楊濤 張丹

摘要：科技在迅猛發展，社會在不斷進步，綜合國力顯著加強，本文從失水量、濾液黏度和濾餅結構等試驗數據出發，闡釋了聚乙烯醇降失水劑和AMPS聚合物降失水劑的作用機理。研究結果表明，聚乙烯醇降低失水量的主要原因不是其對水泥漿的增粘作用，而是其對濾餅滲透率的降低，即在濾餅和過濾介質表面形成的一層致密聚合物膜;AMPS聚合物降失水劑是靠改變濾餅電性，增加濾液黏度發揮作用。

關鍵詞：油井水泥;降失水劑;聚乙烯醇;AMPS聚合物;作用機理

引言：

固井施工時，水泥漿被擠入環空，流經滲透性地層時會發生濾失，導致部分液相漏入地層，這個過程即“失水”。失水導致水泥漿的水灰比和膠凝特征均發生變化，泥餅增厚，水泥漿液柱壓力急劇下降，可能引發環空竄流，嚴重時需進行補救固井作業，單井開發成本劇增。通常用油井水泥降失水劑來為降低水泥漿中液相濾失量，提高固井質量，從而能有效保護油氣層。目前國內使用的固井水泥降失水劑有纖維素衍生物類，如羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、羧甲基羥乙基纖維素;改性淀粉類;水溶性合成聚合物類，如丙烯酰胺類聚合物。這些降失水劑普遍存在抗高溫、抗鹽能力差的問題，當溫度達到150℃時，水泥漿濾失嚴重。隨著溫度的升高，丙烯酰胺類聚合物降失水劑分子常發生強烈的水解，造成水泥漿過度緩凝，無法滿足復雜地層固井的需要。

1天然高分子類研究現狀

天然高分子材料由于來源廣泛、價格低、對環境友好等優點，在石油行業中被廣泛應用和研究。常用的水溶性天然材料有纖維素、木質素、淀粉、褐煤、單寧等。這些天然材料的結構特點是：分子鏈多為大分子剛性鏈，具有耐溫、耐鹽、抗剪切等特點，而且易進行各種化學改性，如接枝改性、磺化等。例如，使用磺化、磺甲基化等化學改性的方法可降低水泥漿失水，磺酸基團還能有效改善水泥漿的分散性，且對水泥漿其他性能影響不大。木質素、淀粉等因其熱穩定性差、增稠等缺點，在油井水泥降失水劑方面應用不多，多應用于鉆井液用降濾失劑。不過國外曾有報道，將乙烯類單體引入單寧、褐煤中，得到的產物具有良好的耐鹽性、耐溫性。

2油井水泥降失水劑進展研究

2.1降失水劑耐溫性能

在6.9±0.3MPa、降失水劑摻量2%和不同溫度下測試水泥漿的失水量。隨著溫度升高，水泥漿失水量增大，150℃時的API失水量為86mL，失水量仍控制在100mL以內。合成的降失水劑具有微交聯結構，高溫耐水解能力強，且在水泥漿體系中布滿網狀結構，失水時高分子線團可部分進入濾餅孔隙中，降低濾餅滲透率。合成單體中，NVP分子中內酰胺結構對酰胺基團高溫水解具有一定的屏蔽作用。此外，分子中—SO3-基團既可以使聚合物具有較好的耐溫耐鹽性能，同時，其較強的吸附能力也使得其可牢固吸附在水泥顆粒表面，通過靜電排斥作用使水泥顆粒分散得更加均勻，失水時形成致密濾餅，從而降低失水率。由此可見，該降失水劑具有優良的耐溫性能。

2.2 G32S的作用機理研究

降失水劑的作用機理研究表明，降失水劑發揮作用主要通過 3 種方式：①增大水泥漿液相黏度，從而增大向地層的濾失阻力 ;②改變水泥顆粒表面電性質，增加濾餅表面潤濕性 ;③改善水泥濾餅的質量，使其更加致密，減少其滲透性。在 25 ℃下，考察了不同 G32S 加量下水泥漿的失水量，并從水泥漿濾液黏度和濾餅顆粒的電泳遷移率方面研究了 G32S 的作用機理，隨著降失水劑G32S 加量的增加，失水量減小，而其濾液黏度也隨著加量增大逐漸增加，表現出相關性。說明 G32S 對水泥漿失水性能的改變與其黏度有關，即增大水泥漿液相黏度，從而增大向地層的濾失阻力，減少失水 ;同時，隨著 G32S 加量增大，濾餅的電泳遷移率 U 會由凈漿的正值變為負值，當加量逐漸增大時，U 的絕對值會更大，說明隨著 G32S 的加入，水泥顆粒表面的電性質發生了本質上的改變，這種改變會增加濾餅潤濕性，減少水的濾失。G32S 的作用機理可以推測為，G32S 分子吸附在水泥顆粒表面，通過提高濾餅的電荷密度，改善濾餅潤濕性來穩定濾餅中的水 ;當增大加量后，顆粒表面的電荷增加趨緩 ;隨著溶液中 G32S聚合物濃度增加，濾液黏度增加，在一定程度上增加了水分子的濾失阻力 ;當濾餅形成，顆粒表面吸附飽和后，共聚物黏度對降低失水起主要作用。

2.3降失水劑的設計原則

通過上述研究，對于油井水泥降失水劑的開發可以借鑒以下原則：AMPS類陰離子聚合物電性變化與降失水量變化規律說明低濃度時改變濾餅電性，高濃度時黏度增加使其對降失水發揮重要的作用。陰離子降失水劑的設計合成重點應該注重單體的選擇和不同電性單體的比例;在滿足水泥漿基本性能需要的前提下，應盡可能地增加降失水劑分子對濾餅的吸附性，同時注意調整聚合物的分子量。聚乙烯醇降失水劑在水泥顆粒表面的吸附量很低，遠小于其在體相的加有濃度;同時濾液粘度的研究表明其對失水量影響也不大;另外濾餅的電性也沒有太大改變，這三點說明濾液黏度和濾餅結構性質不是該類降失水劑性能的決定因素。研究表明，濾膜才是決定其性能的最主要因素。如何增強濾膜的耐溫性，改善濾膜的結構才是提高其抗溫性能，增加其降失水效率的關鍵。

結語：

油井水泥降失水劑作為重要的油田化學品，對安全優質的固井具有至關重要的作用，特別是在復雜的地質環境下，對油井水泥降失水劑提出了更高的要求，今后的研究也應多與現場相結合，并且不應只針對某個單一的特定環境，需要在研究的思路上不斷拓展，不斷地加強對油井水泥降失水劑的研究與應用，在降失水劑的環境適應性和制備成本上下功夫。國外早在20世紀40年代就已經對油井水泥降失水劑進行研究，并已經形成了從低溫到高溫等一系列成熟產品，我國在油井水泥降失水劑方面的研究雖然取得了不小成績，但是與國外還存在不小的差距，國內的研究者應該多向國外學習和交流，不斷補充新的知識，以滿足我國石油工業的發展。

參考文獻：

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