耐鹽膠乳水泥漿體系的室內(nèi)研究

摘 要

摘要：膠乳水泥漿體系已廣泛應(yīng)用于大位移井、分支井、大斜度井、調(diào)整井和小井眼井等疑難井的固井，用以提高水泥漿的防氣竄和控制失水能力，同時(shí)改善水泥石的膠結(jié)性能、韌性和防腐
摘要：膠乳水泥漿體系已廣泛應(yīng)用于大位移井、分支井、大斜度井、調(diào)整井和小井眼井等疑難井的固井，用以提高水泥漿的防氣竄和控制失水能力，同時(shí)改善水泥石的膠結(jié)性能、韌性和防腐蝕能力。但是，由于鹽的存在會(huì)使膠乳雙電層的zeta電位降低，從而破壞膠乳的穩(wěn)定性，導(dǎo)致膠乳在鹽水中發(fā)生絮凝，因而限制了其在含鹽巖層(鹽層、鹽膏層、鹽水層)和水敏地層等復(fù)雜井的使用。針對(duì)這一難題，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)并在國(guó)內(nèi)首報(bào)了一種耐鹽膠乳水泥漿體系，采用動(dòng)態(tài)光散射、Zeta電位儀、差示掃描熱分析儀以及熱重分析儀對(duì)其粒徑、穩(wěn)定性、玻璃化溫度以及熱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析描述；還開(kāi)發(fā)了配套的耐鹽緩凝劑以及降失水劑，并研究了鹽含量為15%BWOW時(shí)耐鹽膠乳水泥漿體系的性能。對(duì)該耐鹽膠乳水泥漿體系性能的研究結(jié)果表明：①能耐飽和氯化鈣溶液、飽和鹽水以及耐250℃高溫；②具有流變性好、失水量小、防氣竄等優(yōu)點(diǎn)；③可滿足含鹽巖層井和含水敏地層井固井要求。
關(guān)鍵詞：固井；膠乳水泥漿體系；含鹽巖層；水敏地層；實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)；耐鹽；耐高溫；防氣竄
截至20世紀(jì)80年代末，世界上45%的天然氣和11%的石油都與鹽丘有關(guān)。我國(guó)的含鹽油氣田主要分布在塔里木盆地、川渝地區(qū)、酒東地區(qū)、江漢盆地的王場(chǎng)油田、東濮凹陷的文留油田、東營(yíng)凹陷中央隆起帶、羌塘盆地雁石坪等區(qū)塊。而中國(guó)石油天然氣股份有限公司海外作業(yè)區(qū)塊如土庫(kù)曼斯坦阿姆河右岸地區(qū)、波斯灣(伊朗和伊拉克)以及肯基亞克等地區(qū)也存在含鹽巖層[1～2]。
膠乳水泥漿體系已廣泛應(yīng)用于大位移井、分支井、大斜度井、調(diào)整井和小井眼井等疑難井的固井，用以提高水泥漿的防氣竄和控制失水能力，同時(shí)改善水泥石的膠結(jié)性能、韌性和防腐蝕能力[3～8]。但是，由于鹽的存在會(huì)使膠乳雙電層的zeta電位降低，從而破壞膠乳的穩(wěn)定性，導(dǎo)致膠乳在鹽水中發(fā)生絮凝，因而限制了膠乳在含鹽巖層(鹽層、鹽膏層、鹽水層)和水敏地層等復(fù)雜井的使用。為此，筆者開(kāi)發(fā)了一種耐鹽膠乳水泥漿體系，并對(duì)其粒徑、穩(wěn)定性、玻璃化溫度以及熱穩(wěn)定性進(jìn)行了表征。通過(guò)加入與多價(jià)離子和鹽水相容的穩(wěn)定劑，膠乳在水泥漿和鹽水中不會(huì)發(fā)生破乳。筆者還開(kāi)發(fā)了相配套的耐鹽緩凝劑和降失水劑，并研究了鹽含量為15%BWOW、膠乳摻量高達(dá)17%BWOC的膠乳水泥漿體系性能。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)材料
    G級(jí)高抗硫水泥：四川嘉華水泥廠；耐鹽丁苯膠乳L(zhǎng)(含穩(wěn)定劑)、降失水劑F、分散劑D、消泡劑DF以及緩凝劑R均由天津中油渤星工程科技有限公司提供。
1.2 試驗(yàn)儀器及方法
1.2.1試驗(yàn)儀器
    激光光散射(LLS)、差示掃描熱分析儀(DSC)、熱重分析儀(TGA)、Zeta電位儀、恒速攪拌儀、增壓稠化儀、失水儀、高壓養(yǎng)護(hù)釜、六速旋轉(zhuǎn)黏度劑、靜膠凝測(cè)試儀以及萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)等。
1.2.2實(shí)驗(yàn)方法
    1) 化學(xué)(鈣離子)穩(wěn)定性：參照日本瑞翁公司的方法。
    2) 粒徑：樣品用BI-200SM型激光光散射進(jìn)行動(dòng)態(tài)光散射測(cè)試。動(dòng)態(tài)測(cè)試散射角為90°，溫度為25℃。
    3) 耐鹽性：參照化學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試方法。
    4) 機(jī)械穩(wěn)定性：按照GB 2955—1982進(jìn)行測(cè)試。
    5) DSC測(cè)試：樣品在NETZSCH DSC 204上測(cè)試，升溫速率為5K/min，氮?dú)獗Ｗo(hù)。
    6) zeta電位測(cè)試：樣品在Brookhaven的Zeta-PALS+BI-90Plus上測(cè)試。
    7) TGA測(cè)試：樣品在NETZSCH TG209上測(cè)試，升溫速率為10K/min，氮?dú)獗Ｗo(hù)。
    8) 水泥漿配漿及性能試驗(yàn)按API標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
2 結(jié)果與討論
2.1 對(duì)耐鹽膠乳水泥漿體系的分析描述
    為提高膠乳本身的耐鹽性、化學(xué)、機(jī)械和高溫穩(wěn)定性，丁苯聚合物分子鏈上引入羧基以增大聚合物的極性，以提高膠乳和基材之間的親和性，同時(shí)離子化羧基間的靜電斥力使得丁苯乳液的穩(wěn)定性大為提高。另一方面，為進(jìn)一步提高膠乳乳液穩(wěn)定性和抗多價(jià)離子能力，優(yōu)選適宜的乳化劑，成功開(kāi)發(fā)了耐鹽型膠乳。同時(shí)考慮到高價(jià)離子和鈉離子會(huì)降低膠乳的zeta電位，從而降低膠乳的穩(wěn)定性，因此，還開(kāi)發(fā)了配套的穩(wěn)定劑，以防止膠乳在水泥漿中發(fā)生破乳。
    對(duì)所開(kāi)發(fā)的膠乳水泥漿體系進(jìn)行了分析描述。膠乳的粒徑、化學(xué)穩(wěn)定性、耐鹽性和機(jī)械穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出：①膠乳的粒徑較小且多分散性小，表明膠乳較小且尺寸均一；②加入穩(wěn)定劑后，膠乳化學(xué)穩(wěn)定性、耐鹽性以及機(jī)械穩(wěn)定性均有較大幅度的提高。
 

    耐鹽膠乳粒子表面帶負(fù)電荷，為固定層。在固定層周?chē)捎陟o電吸引而吸附等量的陽(yáng)離子，由于熱運(yùn)動(dòng)而致使陽(yáng)離子向周?chē)橘|(zhì)擴(kuò)散，從而形成擴(kuò)散層。雙層之間的電位即為zeta電位，zeta電位越大，乳液就越穩(wěn)定[9]。耐鹽膠乳的zeta電位如表2所示。
 

    從表2可以看出，耐鹽膠乳和含穩(wěn)定劑的膠乳L(zhǎng)的zeta電位分別為-33.23mV和-42.72mV，由此可見(jiàn)穩(wěn)定劑的加入，有利于提高膠乳的穩(wěn)定性。含10%的氯化鈉和含15%氯化鈉的膠乳L(zhǎng)的zeta電位分別為-38.77mV和-37.34mV，由于NaCl的加入，使得鈉離子向擴(kuò)散層擴(kuò)散，降低了乳液的zeta電位，即降低了膠乳的穩(wěn)定性，即使這樣，由于穩(wěn)定劑的存在，使得含鹽膠乳的zeta電位仍大于不含穩(wěn)定劑的原膠乳的zeta電位，即含鹽膠乳L(zhǎng)仍比原膠乳穩(wěn)定。
    Parcevaux等人[10]指出膠乳的選擇性成膜(‘selective’film-formation)是阻止水泥漿中氣體遷移和運(yùn)動(dòng)的原因，而膠乳的成膜溫度與膠乳的玻璃化溫度直接相關(guān)。耐鹽膠乳膜用DSC測(cè)得的玻璃化溫度為-20.2℃，根據(jù)Hoy方程，估算出膠乳的最低成膜溫度為-18～-20℃，可以滿足膠乳在低溫下使用。

    此外，為保證耐鹽膠乳在水泥石中發(fā)揮作用，保證膠乳具有較好的熱穩(wěn)定性是必要的。耐鹽膠乳的熱失重曲線如圖1所示，從圖1可以看出，膠乳在250℃下沒(méi)有明顯降解。表明耐鹽膠乳的理論使用溫度為200℃(BHCT)。結(jié)合DSC測(cè)試結(jié)果，表明耐鹽膠乳理論適用溫度范圍為-18～200℃。
2.2 耐鹽膠乳水泥漿體系配套外加劑研究
    由于作為抗衡離子的Na+會(huì)擴(kuò)散到陰離子聚電解質(zhì)分子鏈周?chē)?，屏蔽聚電解質(zhì)自身所帶負(fù)電荷，降低聚合物分子鏈間斥力，導(dǎo)致聚合物分子鏈蜷縮，從而使得普通型外加劑性能變差，因此，必須開(kāi)發(fā)耐鹽型外加劑。本研究成功開(kāi)發(fā)了耐鹽型的緩凝劑R和降失水劑F。通過(guò)調(diào)整緩凝劑R的加量，水泥漿稠化時(shí)間可調(diào)，緩凝劑加量在120℃下對(duì)稠化時(shí)間的影響如圖2所示。水泥漿的API失水隨F加量變化如圖3所示，水泥漿的失水在試驗(yàn)條件下能控制在50mL以內(nèi)。
 

2.3 水泥漿性能研究
2.3.1水泥漿的流變性
耐鹽膠乳水泥漿的流變性如表3所示，流變參數(shù)滿足工程要求。此外，本文參考文獻(xiàn)研究表明[11]，當(dāng)鹽含量達(dá)到15%BWOW時(shí)，水泥漿體系觸變性非常明顯。本研究中，由于采用高效分散劑，水泥漿放置5min后流動(dòng)度基本保持不變，表明水泥漿體系觸變較小。
 

2.3.2水泥漿的防氣竄性能
    氣井固井的主要風(fēng)險(xiǎn)之一是發(fā)生環(huán)空氣竄。嚴(yán)重的環(huán)空氣竄可能導(dǎo)致很高的井口壓力和氣體流動(dòng)，不僅使后續(xù)鉆井工程和開(kāi)采工程無(wú)法進(jìn)行，還可能造成全井報(bào)廢的惡果。根據(jù)Sabins理論，水泥漿的防氣竄性能可以通過(guò)參數(shù)“過(guò)渡時(shí)間”來(lái)預(yù)測(cè)，該時(shí)間越短防氣竄性能越好[6]。耐鹽膠乳水泥漿體系在80℃的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展情況如圖4所示。從圖4可以看出，水泥漿體系過(guò)渡時(shí)間較短(為20min)，有助于防止氣竄的發(fā)生。
 

2.3.3水泥石強(qiáng)度發(fā)展情況
    據(jù)本文參考文獻(xiàn)[5]報(bào)道，鹽摻量大于10%時(shí)以上時(shí)會(huì)造成水泥石早期強(qiáng)度損失，其強(qiáng)度明顯下降。因此，必須考慮含鹽膠乳水泥漿的強(qiáng)度發(fā)展情況。耐鹽膠乳水泥漿在90℃下的超聲強(qiáng)度發(fā)展眙線如圖5所示。從圖5可以看出，膠乳水泥石24h抗壓強(qiáng)度大于14MPa。

2.3.4耐鹽膠乳水泥漿綜合性能研究
    耐鹽膠乳水泥漿體系由嘉華G級(jí)水泥、膠乳L(zhǎng)(含穩(wěn)定劑)、硅粉、降失水劑F、分散劑D、消泡劑DF以及緩凝劑R組成。水泥漿綜合性能研究結(jié)果如表4所示。
 

3 結(jié)論
    1) 新開(kāi)發(fā)的耐鹽膠乳L(zhǎng)具有耐飽和氯化鈣溶液、耐飽和鹽水、機(jī)械穩(wěn)定性好、適用溫度寬(-18～200℃)以及熱穩(wěn)定性高(250℃下不分解)等優(yōu)點(diǎn)。
    2) 開(kāi)發(fā)了配套的耐鹽緩凝劑和降失水劑，耐鹽膠乳水泥漿在高溫下稠化時(shí)間可調(diào)、API失水較小，水泥漿綜合性能優(yōu)異。
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(本文作者：曾建國(guó) 孫富全 李鵬曉 劉愛(ài)萍 高永會(huì) CNPC鉆井工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固井技術(shù)研究室·天津中油渤星工程科技有限公司)