39DSJ水溶性油井水泥降失水剂的研制与应用(肖海东)

-1-DSJ水溶性油井水泥降失水剂的研制与应用肖海东(大庆石油管理局钻探集团钻井工程技术研究院，黑龙江大庆，163413)摘要：针对边远地区固井无干混设备，而使用液体湿混型降失水剂又存在加量大，不利于长途运输，同时冬季保温问题也比较突出的问题。通过试验合成了干粉速溶型降失水剂（简称DSJ）。该降失水剂不仅水速溶性好，且具有低失水，较高的抗压强度和较高的抗污染能力，与各种水泥配伍性好，稠化时间可调，有较强的温度稳定性和抗盐性。现场应用表明，该降失水剂对现场混配要求低，具有良好的推广前景。关键词：水泥降失水剂干粉水溶性1前言目前国内外能够湿混使用的固体降失水剂很少，且混拌功率要求较高，溶解时间长。为了满足外围油田勘探、开发的需要，有必要开发一种既混配工艺简单，方便运输，又有利于储存的干粉速溶型降失水剂。研究了在高分子链上引入耐温耐盐热稳定性好的吡咯烷酮基团以及磺酸基团合成的DSJ的实验条件，评价了DSJ的降失水性及配伍性等，结果表明：DSJ不仅水溶性好，降失水性能优良，且水泥浆各项性能能够满足提高固井质量的要求。2实验研究2.1主要仪器及药品单体：N，N-二甲基丙烯酰胺、丙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮；引发剂：NH；分子量调节剂：自制；仪器：红外光谱仪、恒温水浴、常压及高压稠化仪、失水仪。2.2合成方法在一定温度下，N，N-二甲基丙烯酰胺、丙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮于水溶液中用过氧化物引发进行水溶液聚合，反应完毕，真空干燥。2.3反应温度的影响聚合温度对产物的降失水性能有着较为明显的影响，在N，N-二甲基丙烯酰胺：丙烯磺酸钠：乙烯基吡咯烷酮=70：10：20；NH用量为单体重量的1%，调节剂用量为单体重量的10%条件下，考查温度对其降失水效果的影响；试验结果如下表：表1温度影响反应温度45℃55℃70℃API失水（ml）373371注：水泥为四川嘉化G级水泥，水泥浆密度1.90g/cm3，DSJ1.1%。合成温度过低或高，均不利于聚全反应，温度较低，聚合反应在较短时间内难以完成，并造成单体引发不完全；温度太高，不利于引发剂的引发，试验表明：在55℃进行聚合较为适宜。2.4单体配比对产物性能的影响改变投料配比就可以得到不同的反应产物，在反应温度为55℃，NH用量为单体重量的1%，调节剂用量为单体重量的10%条件下通过水泥浆性能测定来获得最佳投料比。试验结果见表2。表2投料配比对水泥浆性能的影响N，N-二甲基丙烯酰胺：丙烯磺酸钠：乙烯基吡咯烷酮初始稠度BCAPI失水ml稠化性能60：5：351546双峰70：5：251530正常70：10：202090正常75：5：202046正常85：5：1013100包心注：水泥为四川嘉化G级水泥，API失水条件52°C×7.0MPa，水泥浆密度1.90g/cm3，DSJ1.1%。由表2数据可以看出不同配比的产品其对水泥浆性能的影响是不同的，综合各方面的性能得-2-以确定，N，N-二甲基丙烯酰胺：丙烯磺酸钠：N-乙烯基吡咯烷酮=70：5：25最佳配比。2.5引发剂及链转移剂用量对降失水性能的影响引发剂及链转移剂的用量对产物的组成、分子量大小及分布有直接影响，从而影响产物的滤失、稠度等性能。在反应温度55℃，N，N-二甲基丙烯酰胺：丙烯磺酸钠：N-乙烯基吡咯烷酮=70：5：25，DSJ掺量占纯水泥重量1.1%,反应时间为3h的条件下，考察这一因素对降失水性能的影响。试验结果见表3。表3引发剂及链转移剂用量对降失水性能的影响NH用量%（单体重量）0.751111.21.2调节剂用量%（单体重量）61810820API失水（ml）323833343336水泥浆初始稠度（BC）805020309095注：水泥为四川嘉化G级水泥，API失水条件52°C×7.0Mpa，水泥浆密度1.90g/cm3，DSJ1.1%。试验结果表明：NH与调节剂用量在较宽的范围内都能够满足其对失水效果的要求，但其用量对初始稠度影响较显著，综合考虑各方面因素得以确定：NH与调节剂用量之比=1：10-1：8效果较理想。3评价试验3.1.1水溶性试验为了验证其水溶性，用增力搅拌器在不同搅拌速度下测其完全溶解所需的时间，绘制成图1。图1完全溶解时间随搅拌速度关系曲线0500100015002000020406080100120140160溶解时间，min搅拌速度，r/min从图1可以看出，DSJ常温自然状态下溶解需150分钟，200r/min情况下溶解需20分钟，随着搅拌速度的增加，溶解速度加快，当搅拌速度达到1500r/min时，2分钟内即可溶解，最后其塑性粘度为17.9mpa.s。将完全溶解的溶液对其粘度进行连续检测1周，其粘度无变化，说明其稳定性好。3.1.2速溶机理由于合成的丙烯酰胺-乙烯吡咯烷酮-丙烯磺酸钠共聚物由于在大分子侧链上引入磺酸基(—SO3)及链刚性结构的吡咯烷酮基，使其水溶性增强。另外，对于此三元共聚物而言，各单体侧链基团较大，空间位阻的因数使聚合物倾向于形成直链型结构，该结构能完全地生成氢键，使水分子很快地进入全部聚合结构中，也有利于提高其水溶性；该降失水剂分子量较低，在水中的扩散速度快；溶液粘度低，对分子运动的阻力小；该降失水剂的粒度在40目左右，既不抱团也不影响溶解速度。3.2适宜的溶液粘度该降失水剂属于高分子聚合物，其溶液有一定的粘度，但其溶液粘度并不是其降失水的主要因素，只起到辅助控制失水的作用，试验证明DSJ水溶液粘度能够满足现场施工的要求，但为了不同的需求，在满足水溶性，降失水等特性的前提条件下，研制了有效的降粘剂，即能调节溶液粘度又能改善水泥浆流动度。-3-降粘剂和常规分散剂的作用对比试验情况见图2。图2加入不同外加剂条件下粘度发展曲线05101520050100150200时间，min塑性粘度，MPa·sDSJDSJ+常规分散剂DSJ+降粘剂从加入不同外加剂条件下粘度发展曲线可以看出，DSJ与常规分散剂（如SXY、FDN、SM）混溶后溶液粘度变化不明显，通过加入降粘剂可以使其粘度降低一半。其主要作用是降低了分子间作用力，从而降低了溶液粘度。通过试验证明粘度的降低不会影响失水，且使其下灰更加容易。分散剂与降粘剂对失水和流动度的影响见下表4。表4分散剂与降粘剂失水流动度对比表辅剂性能原样SXYFDNSM降粘剂失水ml8014012813075流动度cm2222242325注：水泥为四川嘉化G级水泥，API失水条件52°C×7.0Mpa。从试验结果可看出常规分散剂不仅对其失水和流动度没有贡献，反而使其失水量增加，而降粘剂的加入不影响失水，且使其流动度增大。3.3掺量和温度对失水量的影响3.3.1掺量对失水量和流动度的影响降失水剂掺量对API失水量和流动度的影响结果如表5所示：表5DSJ掺量对失水量和流动度的影响降失水剂掺量（WOC%）0.91.11.21.3API失水（ml）140754540流动度（cm）26252321注：水泥为四川嘉化G级水泥，API失水条件52°C×7.0MPa，水泥浆密度1.90g/cm3。从上表数据可得出：降失水性能优良，加量在1.2%以上可使API失水50ml；掺量与失水量具有良好的线性关系；随着加量的增加，失水量降低，但是水泥浆流动度进一步下降，考虑流动性和现场施工DSJ最佳加量在0.9-1.1%之间较为理想。3.3.2温度对失水量的影响温度对水泥浆失水量的影响结果如表6所示。表6温度对水泥浆失水量的影响温度（℃）40608093API失水（ml）56657278注：水泥为四川嘉化G级水泥，水泥浆密度1.90g/cm3，DSJ掺量1.1%。从上表数据可看出：随温度的升高,水泥浆失水量有所增加，但趋势不明显，说明降失水剂具-4-有良好的热稳定性。3.3.3降失水机理分析研制的降失水剂属于高分子聚合物，由于其含有大量的-CONH2、-CH-SO3-、-COOH等基团，-CH-SO3-、-COOH基有较强的水化及吸附作用，-CONH2则主要通过氢键吸附大量水。由于大分子在水泥颗粒表面吸附作用，使其能在水泥颗粒表面形成较厚的吸附膜，可以将自由水包裹起来，同时大分子间相互作用形成布满水泥浆本系的网状结构就避免了水泥颗粒的接触，防止水泥颗粒聚结，改变了其级配并形成致密泥饼，从而圈闭自由水，表现很好的降失水效果。而水泥颗粒上的水化基团的水化层在压力差作用下变形堵塞滤饼颗粒之间的孔道，降低了水泥饼的渗透率，从而降低失水。聚合物的粘度对控制失水也起到一定的辅助作用3.4抗盐性能试验抗盐性能试验结果如表7所示：表7抗盐性能试验NaCl/DSJ（WOC%）5/1.110/1.215/1.320/1.4API失水（ml）48546265注：水泥浆密度1.90g/cm3，温度52℃，盐的加量是指其在配浆水中的浓度。由表中数据可见：随配浆水中盐浓度的增大，水泥浆失水量增大，但增加DSJ掺量，仍可取得较小的失水量，表明降失水剂具有一定的抗盐性能。由于DSJ分子链上的-CH-SO3-，水化作用很强，其水化膜对Na+、Mg2+、Ca2+的稳定性也较强，表现出一定的抗盐性能。3.5水泥浆综合性能评价3.5.1水泥浆常规性能不同温度下水泥浆常规性能见表8。表8四川嘉华DSJ水泥浆（石）性能性能温度℃稠化时间min/BC失水ml游离液ml流动度cm24h抗压强度MPa52119/30131/50134/70143/1008502423.562110/30116/50125/70133/1008202424.272105/30111/50115/70126/1009002424.882108/30112/50115/70120/1009502428.1注：水泥为四川嘉化G级水泥，水泥浆密度1.90g/cm3，DSJ掺量1.1%。从表中试验数据可知，加有DSJ的失泥浆不仅失水量低，自由水为零，且水泥石强度发育好，流动度好。并且针对性的研制了配伍的速凝剂和缓凝剂。3.5.2渗透率试验渗透率试验是利用双缸养护釜在60℃×20.7Mpa下，将不同水泥养护48小时制作试块，并在恒温箱里进行烘干至其重量基本恒定后，用水泥石渗透率仪测定每块的渗透率。结果见下表：表9水泥石渗透率对比表水泥浆类型序号Lcm△PMPaQ测Ml/minK×10-3m2k×10-3m2G级原浆19.9103.05300.043610.0443529.4404.06550.04512DSJ水泥浆17.4063.33170.015850.0159529.5263.32140.0168939.4123.30130.0156948.5823.28140.01538-5-注：水泥为四川嘉化G级水泥，水泥浆密度1.90g/cm3，DSJ掺量1.1%。从以上数据可见，DSJ水泥浆体系与原浆相比水泥石更加致密，渗透率降低了40%，提高了水泥石的耐蚀性，降低了地层流体对套管的腐蚀程度。4应用效果该降失水剂体系在充分的室内试验基础上，在海拉尔盆地乌23井,33井，35井，楚2井进行了四口井现场应用。该四口井均为长封井固井，为了防止压漏地层，乌23井、苏33井、苏35井采用上部低密度，下部原浆的固井方案，楚2井采用全井低密度的固井方案。表10现场施工数据统计表序号井号井深m封高m平均井径mm低密度g/cm3水泥浆密度g/cm3注速方/分替压MPa质量1乌2323701390231.9大:1.69小:1.51均:1.58大:1.96小:1.86均:1.901.5714合格2苏3324971447242.5大:1.62小:1.53均:1.59大:1.97小:1.86均:1.911.3614合格3苏3525701320240.0大:1.67小:1.57均:1.61大:1.98小:1.89均:1.931.5413合格4楚220221422238.3大:1.65小:1.56均:1.60---1.3112优质固井现场施工情况：下灰顺利，可泵性好，密度控制较均匀，达到了设计要求，固井施工正常,固井后48小时测井，声变结果为合格井。5结论1）该降失水剂合成条件易于