新型高溫緩凝劑WHJ在深井固井中的應(yīng)用

摘 要

摘要：緩凝劑對于保證水泥漿在高溫下的流變性是不可缺少的，但目前國內(nèi)自主開發(fā)的高溫緩凝劑使用溫度均低于180℃。為了確保深井高溫條件下固井施工的順利進行，以含磷化合物為主
摘要：緩凝劑對于保證水泥漿在高溫下的流變性是不可缺少的，但目前國內(nèi)自主開發(fā)的高溫緩凝劑使用溫度均低于180℃。為了確保深井高溫條件下固井施工的順利進行，以含磷化合物為主要原料研制出了高分子油井水泥緩凝劑WHJ。該緩凝劑中含有多種易被水泥顆粒吸附、抑制水泥水化能力強的基團，分子與水泥顆粒之間的作用力大，另外緩凝劑分子量大，在高溫下的脫附能力差，高溫下緩凝性能優(yōu)良?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，緩凝劑WHJ在高溫下具有良好的抑制水泥水化的能力，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：深井；超深井；固井；水泥漿；緩凝劑；高溫
0 引言
    勝利油田及國內(nèi)各大油氣田深井的開發(fā)越來越多，隨著井深的增加，地溫也相應(yīng)增加，為了保證施工安全和固井質(zhì)量，必須使用高溫緩凝劑[1～2]。已成功應(yīng)用的油井水泥緩凝劑主要有羥基羧酸類化合物(檸檬酸、酒石酸、蔗糖、葡萄糖等)、木質(zhì)素磺酸鹽(木質(zhì)素磺酸鈣、木質(zhì)素磺酸鈉等)和纖維素類化合物(羥乙基纖維素、羧甲基羥乙基纖維素等)，其中羥基羧酸類化合物是目前應(yīng)用最廣泛的緩凝劑，但上述3類緩凝劑的最高使用溫度均低于180℃[3～4]。
    國外對于油井水泥高溫緩凝劑的研究和應(yīng)用以含磷化合物改性木質(zhì)素磺酸鹽為主要研究對象。通過接枝木質(zhì)素磺酸鹽，提高其抑制水化的能力和抗溫性能。國內(nèi)各大石油院校雖然都開展了對油井水泥緩凝劑的研究，但從事新型油井水泥高溫緩凝劑研制開發(fā)的卻很少，國內(nèi)很少有使用溫度超過180℃的高溫緩凝劑，目前主要側(cè)重于利用現(xiàn)有緩凝劑、降失水劑和調(diào)凝劑復配，使水泥漿性能達到使用要求[5]。因此，為了確保深井高溫條件下固井施工的順利進行，筆者以含磷化合物為主要原料進行了油井水泥高溫緩凝劑的開發(fā)及應(yīng)用研究。
1 高溫緩凝劑WHJ的合成
    研究表明，油井水泥緩凝劑的抑制水化能力和溫度穩(wěn)定性決定于其分子結(jié)構(gòu)。筆者的合成思路是優(yōu)選含有羥基、羧基和磷的單體進行共聚反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)單體配比和反應(yīng)條件來控制所合成聚合物的組成和分子量大小，優(yōu)化產(chǎn)品的性能，最終合成出具有抗高溫性能的高分子油井水泥緩凝劑。這樣合成出的高分子緩凝劑中就含有多種易被水泥顆粒吸附、抑制水泥水化能力強的基團(羥基、羧基和磷)，因而分子與水泥顆粒之間的作用力大，另外合成的緩凝劑分子量大，在高溫下的脫附能力差，所以在高溫下具有良好的抑制水泥水化的能力[6]。
1.1 聚合單體的優(yōu)選及配比確定
    根據(jù)合成思路，聚合單體主要包括含有羥基、羧基的單體、磺酸鹽和亞磷酸鹽，初步選定丙烯酸、乙烯基磺酸鹽、丙烯酸羥乙酯、2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸磷酸酯、丙烯酸亞磷酸酯等6種單體進行合成實驗見表1。
    實驗發(fā)現(xiàn)8號配方三元共聚物對水泥石的強度發(fā)展影響最小，因而確定聚合單體及配比為丙烯酸羥乙酯/乙烯基磺酸鹽/丙烯酸磷酸酯(4:2:1)。
表1 單體配比優(yōu)選室內(nèi)實驗表
編號
單體配比
稠化時間(min)
100℃；30MPa
120℃；70MPa
180℃；85MPa
175℃；100MPa
180℃；120MPa
1
丙烯酸/AMPS/丙烯酸磷酸酯(3:2:1)
164
/
/
/
/
2
丙烯酸/AMPS/丙烯酸亞磷酸酯(3:2:1)
195
/
/
/
/
3
丙烯酸羥乙酯/AMPS/丙烯酸磷酸酯(3:2:1)
198
87
/
/
/
4
丙烯酸羥乙酯/AMPS/丙烯酸亞磷酸酯(3:2:1)
467
305
176
/
/
5
丙烯酸/乙烯基磺酸鹽/丙烯酸亞磷酸酯(3:2:1)
312
155
/
/
/
6
丙烯酸/乙烯基磺酸鹽/丙烯酸磷酸酯(3:2:1)
328
132
/
/
/
7
丙烯酸羥乙酯/乙烯基磺酸鹽/丙烯酸磷酸酯(4:1:1)
594
429
253
87
/
8
丙烯酸羥乙酯/乙烯基磺酸鹽/丙烯酸磷酸酯(4:2:1)
726
578
404
315
257
9
丙烯酸羥乙酯/乙烯基磺酸鹽/丙烯酸亞磷酸酯(2:2:1)
625
492
374
295
242
10
丙烯酸羥乙酯/乙烯基磺酸鹽/丙烯酸亞磷酸酯(3:2:1)
659
537
408
321
231
1.2 反應(yīng)溫度的確定
    反應(yīng)溫度決定著聚合物的分子量見表2，對產(chǎn)品的性能有著重要影響。在不同溫度下進行了一系列緩凝劑的合成實驗，并進行了共聚物分子量(分子量的測定采用凝膠滲透色譜法)、單體轉(zhuǎn)化率和水泥漿(1.90g/cm3)稠化時間的測定。
表2 反應(yīng)溫度對聚合物分子量和水泥凈漿凝結(jié)時間的影響表
溫度(℃)
50
60
70
75
80
85
分子量
8.45×104
8.03×104
7.86×104
76.5×104
5.02×104
3.75×104
轉(zhuǎn)化率(%)
68.0
77.0
88.0
95.5
96.5
97.0
初凝時間(min)
535
583
597
630
600
590
終凝時間(min)
652
713
715
735
727
727
    實驗結(jié)果表明，隨著反應(yīng)溫度的提高，單體的轉(zhuǎn)化率提高，聚合物分子量減小，水泥漿的初凝時間先增長后減少，綜合產(chǎn)品性能以及生產(chǎn)成本，確定了反應(yīng)溫度為75℃。
1.3 反應(yīng)時間的確定
    在相同丙烯酸羥乙酯/乙烯基磺酸鹽/丙烯酸磷酸酯單體配比和反應(yīng)溫度為75℃的條件下，研究反應(yīng)時間對體系轉(zhuǎn)化率的影響(圖1)。
 
    由圖1可知，隨著反應(yīng)時間的增加，體系轉(zhuǎn)化率提高，在反應(yīng)6h后，反應(yīng)體系的轉(zhuǎn)化率趨于平穩(wěn)，說明在一定的條件下，存在最佳的反應(yīng)時間，少于這個時間，體系反應(yīng)不充分，長于該時間，對體系的轉(zhuǎn)化率影響很小。因次，確定反應(yīng)時間為6h左右。
1.4 引發(fā)劑用量的確定
    在相同單體配比，反應(yīng)溫度為75℃和反應(yīng)時間為6h的條件下，在不同引發(fā)劑用量的情況下合成了一系列共聚物，研究了引發(fā)劑用量和合成緩凝劑的分子量、單體轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系見表3。
表3 引發(fā)劑用量和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系表
引發(fā)劑用量(%)
0.2
0.4
0.6
0.8
轉(zhuǎn)化率(%)
45.1
95.3
96.8
98.2
分子量
8.07×104
7.62×104
7.43×104
3.43×104
由表3可以看出，隨著引發(fā)劑用量的增加，單體轉(zhuǎn)化率逐步提高，說明引發(fā)劑用量越大，反應(yīng)體系中自由基越多，反應(yīng)更充分，當?shù)揭欢繒r，轉(zhuǎn)化率出現(xiàn)一個最大值。但是，隨著引發(fā)劑量的增加，合成緩凝劑的分子量降低，相應(yīng)的導致緩凝能力的下降。所以綜合分子量和轉(zhuǎn)化率兩方面的因素，確定引發(fā)劑用量為0.4%。通過對共聚物分子量以及轉(zhuǎn)化率影響因素的分析和實驗對比，優(yōu)選和確定出了高溫緩凝劑的合成條件：反應(yīng)溫度為75℃，反應(yīng)時間為6h，引發(fā)劑用量占反應(yīng)單體的0.4%，單體組合為丙烯酸羥乙酯/乙烯基磺酸鹽/丙烯酸磷酸酯按照4:2:1配比，在一定條件下所合成出的聚合物為目標產(chǎn)品抗高溫緩凝劑WHJ。
2 高溫緩凝劑WHJ的性能特征
2.1 WHJ的抗高溫性能
    高溫緩凝劑WHJ對水泥漿稠化時間的影響實驗結(jié)果見圖2、圖3。
 
    實驗結(jié)果表明，隨著緩凝劑加量的增加，水泥漿稠化時間增大，稠化時間與摻量具有良好的線性關(guān)系。加入該高溫緩凝劑的水泥漿，初始稠度低，且在長時間內(nèi)穩(wěn)定，具有很好的直角稠化特性，抗竄能力強。
2.2 WHJ的抗鹽性能
由抗鹽性實驗看出見表4，摻有高溫緩凝劑的淡水水泥漿體系和鹽水水泥漿體系的稠化時間和過渡時間變化不大，這說明共聚物有較好的抗鹽性。聚合物中的磺酸基團有很好的抗鹽能力，它能夠抑制NaCl對共聚物的分散作用，特別是抵抗Cl-對共聚物結(jié)構(gòu)的破壞，在配漿水含有18%的鹽時，沒有發(fā)現(xiàn)稠化時間明顯減短的現(xiàn)象。
表4 緩凝劑的抗鹽性實驗表
緩凝劑加量(%)
0.2
0.2
0.2
水質(zhì)
自來水
5%鹽水
18%鹽水
溫度(℃)
175
175
175
稠化時間(min)
321
293
326
初始稠度(Bc)
12
14
14
2.3 WHJ對水泥漿體系的影響
    室內(nèi)實驗表明，隨著緩凝劑加量的增加，水泥漿的流變曲線沒有發(fā)生明顯的變化，所研制的新型緩凝劑對水泥漿的流變性影響不大。同時在不同的緩凝劑加量下，水泥石的24h抗壓強度均大于20MPa，這說明緩凝劑對水泥漿僅僅起到緩凝的作用，而對水泥石抗壓強度無影響，見表5。
表5 緩凝劑對水泥石強度的影響表
緩凝劑加量(%)
0
0.1
0.15
0.2
0.3
75℃，48h強度(MPa)
20.5
20.3
21.0
20.5
21.7
2.4 WHJ的配伍性研究
    在對高溫緩凝劑的性能進行了評價后，為了保證配制的水泥漿體系性能穩(wěn)定，需要高溫緩凝劑和其他水泥外加劑具有良好的配伍性。因此，進行了室內(nèi)高溫緩凝劑與嘉華G級水泥、張店G級水泥、勝濰G級水泥、減阻劑和降失水劑的配伍性實驗評價，部分實驗結(jié)果見表6。
表6 185℃下緩凝劑與SW系列產(chǎn)品的配伍性實驗表
水泥類型
嘉華G級水泥
張店G級水泥
勝濰G級水泥
緩凝劑加量(%)
0.8
0.8
0.8
SW系列外加劑
SWJZ-1：0.5%；SWJ-3：8%
流變參數(shù)
n
0.870
0.790
0.730
K(Pa·sn)
0.240
0.263
0.402
API失水量(mL)
36.000
40.000
44.000
稠化時間(min)
385.000
352.000
287.000
抗壓強度[MPa(48h)]
19.500
21.200
25.400
游離液(mL)
0
0
0
注：油井水泥593g+硅粉207g；水灰比為44%。
    從緩凝劑與其他油井水泥外加劑的配伍性實驗結(jié)果可以看出，該高溫緩凝劑與油井水泥添加劑配伍性能好，水泥漿具有良好的流變性，API失水量控制在50mL以內(nèi)，游離液為0mL，抗壓強度均大于18MPa，稠化時間可調(diào)，能完全滿足現(xiàn)場施工要求。
3 現(xiàn)場應(yīng)用效果
    抗高溫緩凝劑WHJ與其他外加劑復配已在BIN深16x1井現(xiàn)場應(yīng)用，該井完鉆井深為5109m，采用G級油井水泥，加入緩凝劑0.9%；密度為1.92g/cm3；流動度為23cm，稠化時間為423min/150℃×40MPa×100Bc，48h測井，封固段質(zhì)量優(yōu)良。應(yīng)用表明，該高溫緩凝劑高溫下性能穩(wěn)定，水泥漿施工性能優(yōu)良，稠化性能穩(wěn)定，固井質(zhì)量良好，滿足了深井高溫條件下的固井要求。
4 結(jié)論
    1) 合成出使用溫度大于等于170℃的抗高溫油井水泥緩凝劑WHJ。相對較常規(guī)油井水泥緩凝劑，WHJ分子量更大，分子基團間共軛作用更明顯，耐高溫性能更優(yōu)越，緩凝能力更強。
    2) WHJ對水泥漿流動性、失水、強度等無明顯不良影響，與油井水泥及其他外加劑配伍性好，加量與稠化時間具有良好的線性關(guān)系，漿體具有較好的直角稠化曲線。
    3) 現(xiàn)場試驗表明，該緩凝劑高溫下緩凝性能優(yōu)良，漿體流動性好，施工安全方便，固井質(zhì)量優(yōu)良，可滿足深井開發(fā)對油井水泥高溫緩凝劑的需求，推廣應(yīng)用前景廣闊。
參考文獻
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(本文作者：彭志剛1 許遵見2 馮茜3 陳軍2 曹會蓮1 1.中國石化勝利油田鉆井工藝研究院；2.中國石化勝利油田河口采油廠；3.中國石化勝利油田采油工藝研究院)