一種超低密度水泥漿抗高溫降失水穩(wěn)定劑QX-2的制備與性能評價(jià)

劉 福,張軍義,鄭文武,張 蝶,韓 婧,何斌斌,王 雄,王 松*

(1.中石化華北石油工程有限公司,河南 鄭州 450006;2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司,北京 102206;3.長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 荊州 434023)

隨著石油勘探開發(fā)向深井、超深井的目標(biāo)鉆探,遇到的低孔、低滲、低壓、膠結(jié)較差的地層逐漸增多,這些地層更容易發(fā)生井漏等井下復(fù)雜事故。低密度水泥漿體系為解決低壓易漏層固井問題發(fā)揮了重要作用,長期以來,廣泛應(yīng)用于低壓易漏層的封固以及低壓油氣層長封固段固井作業(yè)中[1-3]。但水泥漿中使用的低密度減輕劑大部分是漂珠,由于漂珠與水泥漿的密度有較大的差異,更容易向上移動、聚結(jié)合并、擠壓破碎,可能在環(huán)空空間形成橋堵,甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的“灌香腸”井下事故[4-5];另外,如果水泥漿體系的性能不穩(wěn)定,也會降低低密度水泥漿固化時(shí)的膠結(jié)性能,直接影響復(fù)雜地層的固井質(zhì)量[6-7]。為解決低密度水泥漿的懸浮失穩(wěn)問題,常用的辦法是加入懸浮穩(wěn)定劑。

鄂爾多斯盆地是典型的低壓、低滲、致密儲層,建井過程中由于地層承壓能力低,鉆、固井過程易發(fā)生漏失,造成固井低返,影響固井質(zhì)量。為此,開展了1.15～1.25 g·cm-3超低密度水泥漿體系研究。在產(chǎn)能開發(fā)建設(shè)過程中,鉆井深度不斷增加,井底溫度超過100 ℃,現(xiàn)有高溫懸浮穩(wěn)定劑效果不理想,造成體系不穩(wěn)定,減輕劑漂浮嚴(yán)重,導(dǎo)致固井質(zhì)量下降。因此,迫切需要研制一種抗高溫懸浮穩(wěn)定劑。

基于此,作者以N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)、二乙烯苯(DVB)、對苯乙烯磺酸鈉(SSS)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)為單體,利用水溶液聚合法制備超低密度水泥漿抗高溫降失水穩(wěn)定劑QX-2(以下簡稱穩(wěn)定劑QX-2),通過傅立葉變換紅外光譜表征其結(jié)構(gòu),并考察其對超低密度水泥漿體系的沉降穩(wěn)定性能、降濾失性能、流變性能、稠化性能、水泥石抗壓強(qiáng)度、抗鹽性能的影響,為拓寬超低密度水泥漿體系的應(yīng)用范圍提供幫助。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

G級油井水泥,嘉華特種水泥股份有限公司。

N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)、二乙烯苯(DVB)、對苯乙烯磺酸鈉(SSS)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、過硫酸銨、氫氧化鈉、無水乙醇等均為分析純;去離子水,自制。

WQF520型傅立葉變換紅外光譜儀,上海浦東分析儀器有限公司;GJSS-B12K型變頻高速攪拌機(jī)、XGRL-4A型高溫滾子加熱爐,山東美科儀器有限公司;Φ2.5 cm×20 cm沉降管;ZNS-2型常溫中壓失水儀,上海肯測儀器有限公司;OWC89508D型高溫高壓失水儀,沈陽石油儀器研究所有限責(zé)任公司;ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),青島海通達(dá)石油科技儀器有限公司;DFC-0712B型高溫高壓稠化儀,北京海富達(dá)科技有限公司;ZYL-300型壓力試驗(yàn)機(jī),東莞博萊德儀器設(shè)備有限公司。

1.2 穩(wěn)定劑QX-2的制備

按照配比稱取一定量的SSS,將其溶解于適量蒸餾水中并攪拌均勻,用一定濃度的NaOH溶液調(diào)節(jié)SSS溶液pH值為7～8,轉(zhuǎn)移至三口燒瓶中并持續(xù)攪拌;依次向三口燒瓶中加入稱量好的DVB、DMAM、NVP,單體總加量為10%;向三口燒瓶中通氮?dú)?0 min以確保無氧環(huán)境;然后升溫至60 ℃,加入引發(fā)劑過硫酸鉀,反應(yīng)6～8 h,得白色膠狀物;用無水乙醇多次洗滌,70 ℃真空干燥并粉碎,得到穩(wěn)定劑QX-2。

1.3 穩(wěn)定劑QX-2的表征

采用傅立葉變換紅外光譜儀對穩(wěn)定劑QX-2進(jìn)行表征,用來觀察4種單體的聚合程度。首先,取少量的溴化鉀、穩(wěn)定劑QX-2,研磨成粉末狀,然后壓片進(jìn)行測試。掃描次數(shù)為16,波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1。

1.4 穩(wěn)定劑QX-2的性能評價(jià)

1.4.1 超低密度水泥漿的制備

按照GB/T 19139-2012《油井水泥試驗(yàn)方法》進(jìn)行水泥漿的制備與養(yǎng)護(hù)。超低密度水泥漿體系基礎(chǔ)配方如下:G級油井水泥+30%密度減輕劑+30%微硅+1%早強(qiáng)劑ZQJ-3+1.5%緩凝劑PAID+1%～3%穩(wěn)定劑QX-2,水灰比0.45,密度1.25～1.35 g·cm-3。

1.4.2 超低密度水泥漿的性能測試

按照GB/T 19139-2012《油井水泥試驗(yàn)方法》對水泥漿的沉降穩(wěn)定性能、降濾失性能、流變性能、稠化性能、水泥石抗壓強(qiáng)度及抗鹽性能進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)定劑QX-2的傅立葉變換紅外光譜分析(圖1)

圖1 穩(wěn)定劑QX-2的傅立葉變換紅外光譜

2.2 穩(wěn)定劑QX-2的性能評價(jià)

2.2.1 沉降穩(wěn)定性能

當(dāng)水泥漿的沉降穩(wěn)定性不好時(shí),水泥漿中的固相顆粒會向下沉,而上層的含水量會增加,使得環(huán)空中的水泥柱上、下層的密度和水泥石的強(qiáng)度產(chǎn)生差異[8]。若在超低密度水泥漿(基礎(chǔ)配方)中加入不同量的穩(wěn)定劑QX-2,測定上、下層的密度,就可以分析穩(wěn)定劑QX-2對超低密度水泥漿沉降穩(wěn)定性能的影響。基于此,在超低密度水泥漿中分別加入0%、1.0%、1.25%、1.5%的穩(wěn)定劑QX-2,稠化一段時(shí)間,倒進(jìn)沉降管中,分別于70 ℃、90 ℃、110 ℃、130 ℃、150 ℃、170 ℃養(yǎng)護(hù)24 h,測定上、下層距離為2 cm時(shí)的密度,結(jié)果見表1。

表1 穩(wěn)定劑QX-2對超低密度水泥漿體系沉降穩(wěn)定性能的影響

由表1可知,未添加穩(wěn)定劑QX-2時(shí),超低密度水泥漿懸浮失穩(wěn)嚴(yán)重,高溫條件下水泥漿上、下層密度差更大,無法滿足性能要求。當(dāng)加入1.0%～1.5%的QX-2時(shí),超低密度水泥漿懸浮失穩(wěn)問題得到不同程度的改善,高溫條件下也能保證水泥漿上、下層密度差小于0.03 g·cm-3,無游離液。表明,加入穩(wěn)定劑QX-2可大幅緩解超低密度水泥漿體系沉降失穩(wěn)的問題,使水泥漿上、下層的密度更加均勻,提高固井質(zhì)量。

2.2.2 降濾失性能

在超低密度水泥漿中分別加入0%、1.0%、1.25%、1.5%的穩(wěn)定劑QX-2,測定超低密度水泥漿體系在不同溫度下的降濾失性能,結(jié)果見表2。

表2 穩(wěn)定劑QX-2對超低密度水泥漿體系降濾失性能的影響

由表2可知,在一定溫度下,隨著穩(wěn)定劑QX-2加量的增加,超低密度水泥漿的濾失量逐漸降低;當(dāng)加量增至1.5%時(shí),API濾失量均低于50 mL,150 ℃時(shí)的API濾失量降為43 mL,可以認(rèn)為QX-2具有較高的抗高溫性能。分析其原因,主要是在QX-2的分子結(jié)構(gòu)中引入了抗高溫的苯環(huán)基團(tuán)以及耐水解的DMAM單體,替代了傳統(tǒng)單體丙烯酰胺,使其具有較強(qiáng)的空間位阻效應(yīng),而且DMAM中2個(gè)甲基的空間位阻使得酰胺基團(tuán)在高溫下不容易發(fā)生高分子的降解,另外引入了具有長側(cè)鏈和吸附能力強(qiáng)的單體[8],對QX-2抗高溫性能的提高具有關(guān)鍵作用。

2.2.3 流變性能

水泥漿流變性能的好壞直接關(guān)系到固井質(zhì)量。為進(jìn)一步分析穩(wěn)定劑QX-2對超低密度水泥漿體系流變性能的影響,在超低密度水泥漿中分別加入0%、1.0%、1.25%、1.5%的穩(wěn)定劑QX-2,用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定超低密度水泥漿分別在3轉(zhuǎn)、6轉(zhuǎn)、100轉(zhuǎn)、200轉(zhuǎn)、300轉(zhuǎn)下的讀數(shù),結(jié)果見表3。

表3 穩(wěn)定劑QX-2對超低密度水泥漿體系流變性能的影響

由表3可知,隨著穩(wěn)定劑QX-2加量的增加,旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)讀數(shù)逐漸增大,水泥漿變稠,稠度系數(shù)K逐漸增大,說明QX-2分子結(jié)構(gòu)中的疏水締合基團(tuán)起到了防止超低密度水泥漿流變性能變差的作用。隨著QX-2加量的增加,超低密度水泥漿的流動度先升高后降低,當(dāng)QX-2加量為1.25%時(shí),流動度達(dá)到最高(24.2 cm),這主要是因?yàn)镼X-2分子結(jié)構(gòu)中含有大量的具有強(qiáng)分散作用的長支鏈,隨著QX-2加量的增加,強(qiáng)分散作用增強(qiáng),流動度相應(yīng)升高;但QX-2加量過多,由于高分子聚合物的增黏效應(yīng),會導(dǎo)致超低密度水泥漿黏度增大,進(jìn)而導(dǎo)致流動度降低[9-10]。因此,在超低密度水泥漿中合理控制穩(wěn)定劑QX-2加量,可以保證水泥漿的流變穩(wěn)定性。

2.2.4 稠化性能

水泥漿的稠化時(shí)間是油井水泥性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。為保證注水泥施工安全,考慮到水泥漿在淺層低溫環(huán)境下早期強(qiáng)度的大小,應(yīng)設(shè)計(jì)合理的稠化時(shí)間[11-12]。在超低密度水泥漿中分別加入0%、1.0%、1.25%、1.5%的穩(wěn)定劑QX-2,測定超低密度水泥漿體系在不同溫度下的稠化性能,結(jié)果見表4。

表4 穩(wěn)定劑QX-2對超低密度水泥漿體系稠化性能的影響

由表4可知,未添加穩(wěn)定劑QX-2時(shí),超低密度水泥漿的初始稠度隨溫度升高而降低,由22.4 Bc降至16.7 Bc;而添加穩(wěn)定劑QX-2后,初始稠度隨溫度的升高變化很小,110 ℃下的初始稠度僅略高于70 ℃下的初始稠度,表明即使升高溫度,加有穩(wěn)定劑QX-2的水泥漿的稠度也能夠保持相對穩(wěn)定。隨著穩(wěn)定劑QX-2加量的增加和溫度的升高,稠化時(shí)間均呈縮短趨勢,但趨勢緩慢,在可接受范圍。表明,穩(wěn)定劑QX-2可以滿足超低密度水泥漿對稠化性能的要求[13]。

2.2.5 水泥石抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是評價(jià)水泥漿力學(xué)性能最關(guān)鍵的指標(biāo)。抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)弱直接影響對油、氣、水的封隔效果以及油井的使用壽命和采收率,對支撐套管、封固井壁及后續(xù)油層安全開發(fā)等至關(guān)重要[14-15]。在超低密度水泥漿中分別加入0%、1.0%、1.25%、1.5%的穩(wěn)定劑QX-2,用壓力試驗(yàn)機(jī)測定超低密度水泥漿在不同溫度下養(yǎng)護(hù)24 h、48 h、72 h的水泥石抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見表5。

表5 穩(wěn)定劑QX-2對水泥石抗壓強(qiáng)度的影響

由表5可知,添加穩(wěn)定劑QX-2的超低密度水泥漿養(yǎng)護(hù)24 h的水泥石抗壓強(qiáng)度較未添加時(shí)大幅提升,均能達(dá)到7.0 MPa以上;隨著穩(wěn)定劑QX-2加量的增加、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長,超低密度水泥漿固化后形成的水泥石抗壓強(qiáng)度不斷增強(qiáng),且養(yǎng)護(hù)溫度越高,水泥石抗壓強(qiáng)度也越強(qiáng),這是高溫下水泥水化速度加快的原因[16-17]。因此,穩(wěn)定劑QX-2可以增強(qiáng)水泥石抗壓強(qiáng)度,有利于對油、氣、水的封隔,支撐套管、封固井壁及后續(xù)油層安全開發(fā)。

2.2.6 抗鹽性能

在超低密度水泥漿中分別加入0%、1.0%、1.25%、1.5%的穩(wěn)定劑QX-2,測定超低密度水泥漿在加入不同量NaCl時(shí)的濾失量,結(jié)果見表6。

表6 穩(wěn)定劑QX-2對超低密度水泥漿體系抗鹽性能的影響

由表6可知,隨著穩(wěn)定劑QX-2加量的增加,含NaCl的超低密度水泥漿體系的API濾失量和高溫高壓濾失量均降低;當(dāng)穩(wěn)定劑QX-2加量增至1.5%時(shí),可將含15%NaCl超低密度水泥漿體系的API濾失量控制在50 mL以內(nèi),滿足固井基本要求;同樣,當(dāng)穩(wěn)定劑QX-2加量增至1.5%時(shí),可將含30%NaCl超低密度水泥漿體系的API濾失量控制在55 mL以內(nèi),說明穩(wěn)定劑QX-2具有較優(yōu)的抗鹽性能。這主要是因?yàn)?在穩(wěn)定劑QX-2的分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)及磺酸基團(tuán),一方面苯環(huán)結(jié)構(gòu)可以提高其抗高溫抗鹽穩(wěn)定性,另一方面磺酸基團(tuán)可以提高水泥顆粒表面的水化膜厚度,提高顆粒的聚結(jié)穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性,從而提高水泥漿的抗鹽性能[18-19]。

3 結(jié)論

以N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)、二乙烯苯(DVB)、對苯乙烯磺酸鈉(SSS)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)為單體制得抗高溫降失水穩(wěn)定劑QX-2。QX-2可在不同溫度下增大超低密度水泥漿的黏度,同時(shí),水化作用下聚合物大分子鏈發(fā)生交聯(lián)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高沉降穩(wěn)定性能和降濾失性能;在溫度高達(dá)150 ℃的超低密度水泥漿體系中,其上、下層密度差在0.03 g·cm-3以內(nèi),具有良好的沉降穩(wěn)定性能;QX-2能保證超低密度水泥漿的稠度系數(shù)穩(wěn)定,具有良好的流變性能;QX-2能使水泥石的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng),有利于提高超低密度水泥漿體系的固井質(zhì)量;QX-2同時(shí)具有優(yōu)良的抗鹽性能,可拓寬超低密度水泥漿體系的應(yīng)用環(huán)境。