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(duì)于保證水泥漿在高溫下的流變性是不可缺少的，但目前國(guó)內(nèi)自主開(kāi)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(jìn)行，以含磷化合物為主
摘要：緩凝劑對(duì)于保證水泥漿在高溫下的流變性是不可缺少的，但目前國(guó)內(nèi)自主開(kāi)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(jìn)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(qiáng)的基團(tuán)，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(chǎng)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(guó)內(nèi)各大油氣田深井的開(kāi)發(fā)越來(lái)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(lèi)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(lèi)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(lèi)化合物是目前應(yīng)用最廣泛的緩凝劑，但上述3類(lèi)緩凝劑的最高使用溫度均低于180℃[3～4]。
    國(guó)外對(duì)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(duì)象。通過(guò)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(guó)內(nèi)各大石油院校雖然都開(kāi)展了對(duì)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(kāi)發(fā)的卻很少，國(guó)內(nèi)很少有使用溫度超過(guò)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(fù)配，使水泥漿性能達(dá)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(jìn)行，筆者以含磷化合物為主要原料進(jìn)行了油井水泥高溫緩凝劑的開(kāi)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(jìn)行共聚反應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)單體配比和反應(yīng)條件來(lái)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(qiáng)的基團(tuán)(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(jìn)行合成實(shí)驗(yàn)見(jiàn)表1。
    實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)8號(hào)配方三元共聚物對(duì)水泥石的強(qiáng)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(shí)驗(yàn)表
編號(hào)
單體配比
稠化時(shí)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(jiàn)表2，對(duì)產(chǎn)品的性能有著重要影響。在不同溫度下進(jìn)行了一系列緩凝劑的合成實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了共聚物分子量(分子量的測(cè)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(shí)間的測(cè)定。
表2 反應(yīng)溫度對(duì)聚合物分子量和水泥凈漿凝結(jié)時(shí)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(shí)間(min)
535
583
597
630
600
590
終凝時(shí)間(min)
652
713
715
735
727
727
    實(shí)驗(yàn)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(shí)間先增長(zhǎng)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(shí)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(shí)間對(duì)體系轉(zhuǎn)化率的影響(圖1)。
 
    由圖1可知，隨著反應(yīng)時(shí)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(shuō)明在一定的條件下，存在最佳的反應(yīng)時(shí)間，少于這個(gè)時(shí)間，體系反應(yīng)不充分，長(zhǎng)于該時(shí)間，對(duì)體系的轉(zhuǎn)化率影響很小。因次，確定反應(yīng)時(shí)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(shí)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(jiàn)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(shuō)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(dāng)?shù)揭欢繒r(shí)，轉(zhuǎn)化率出現(xiàn)一個(gè)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(dǎo)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(guò)對(duì)共聚物分子量以及轉(zhuǎn)化率影響因素的分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)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(biāo)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(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。
 
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著緩凝劑加量的增加，水泥漿稠化時(shí)間增大，稠化時(shí)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，具有很好的直角稠化特性，抗竄能力強(qiáng)。
2.2 WHJ的抗鹽性能
由抗鹽性實(shí)驗(yàn)看出見(jiàn)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(shí)間和過(guò)渡時(shí)間變化不大，這說(shuō)明共聚物有較好的抗鹽性。聚合物中的磺酸基團(tuán)有很好的抗鹽能力，它能夠抑制NaCl對(duì)共聚物的分散作用，特別是抵抗Cl-對(duì)共聚物結(jié)構(gòu)的破壞，在配漿水含有18%的鹽時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)稠化時(shí)間明顯減短的現(xiàn)象。
表4 緩凝劑的抗鹽性實(shí)驗(yàn)表
緩凝劑加量(%)
0.2
0.2
0.2
水質(zhì)
自來(lái)水
5%鹽水
18%鹽水
溫度(℃)
175
175
175
稠化時(shí)間(min)
321
293
326
初始稠度(Bc)
12
14
14
2.3 WHJ對(duì)水泥漿體系的影響
    室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，隨著緩凝劑加量的增加，水泥漿的流變曲線沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，所研制的新型緩凝劑對(duì)水泥漿的流變性影響不大。同時(shí)在不同的緩凝劑加量下，水泥石的24h抗壓強(qiáng)度均大于20MPa，這說(shuō)明緩凝劑對(duì)水泥漿僅僅起到緩凝的作用，而對(duì)水泥石抗壓強(qiáng)度無(wú)影響，見(jiàn)表5。
表5 緩凝劑對(duì)水泥石強(qiáng)度的影響表
緩凝劑加量(%)
0
0.1
0.15
0.2
0.3
75℃，48h強(qiáng)度(MPa)
20.5
20.3
21.0
20.5
21.7
2.4 WHJ的配伍性研究
    在對(duì)高溫緩凝劑的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)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(jìn)行了室內(nèi)高溫緩凝劑與嘉華G級(jí)水泥、張店G級(jí)水泥、勝濰G級(jí)水泥、減阻劑和降失水劑的配伍性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。
表6 185℃下緩凝劑與SW系列產(chǎn)品的配伍性實(shí)驗(yàn)表
水泥類(lèi)型
嘉華G級(jí)水泥
張店G級(jí)水泥
勝濰G級(jí)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(shí)間(min)
385.000
352.000
287.000
抗壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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?xún)?nèi)，游離液為0mL，抗壓強(qiáng)度均大于18MPa，稠化時(shí)間可調(diào)，能完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。
3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果
    抗高溫緩凝劑WHJ與其他外加劑復(fù)配已在BIN深16x1井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該井完鉆井深為5109m，采用G級(jí)油井水泥，加入緩凝劑0.9%；密度為1.92g/cm3；流動(dòng)度為23cm，稠化時(shí)間為423min/150℃×40MPa×100Bc，48h測(cè)井，封固段質(zhì)量?jī)?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(mǎn)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(duì)較常規(guī)油井水泥緩凝劑，WHJ分子量更大，分子基團(tuán)間共軛作用更明顯，耐高溫性能更優(yōu)越，緩凝能力更強(qiáng)。
    2) WHJ對(duì)水泥漿流動(dòng)性、失水、強(qiáng)度等無(wú)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(shí)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(chǎng)試驗(yàn)表明，該緩凝劑高溫下緩凝性能優(yōu)良，漿體流動(dòng)性好，施工安全方便，固井質(zhì)量?jī)?yōu)良，可滿(mǎn)足深井開(kāi)發(fā)對(duì)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(xiàn)
[1] 房志毅.三凝水泥漿體系在深井、超深井固井中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，2008，28(7)：58-59.
[2] 陶永金，左訓(xùn)國(guó).兩凝水泥漿在青海油田深井固井中的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，1997(9)：37-40.
[3] 劉德平，付華才，吳林龍，等.川東深井固井技術(shù)[J].鉆采工藝，2006(1)：27-30.
[4] 張宏軍.復(fù)雜地層多套壓力層系尾管完井固井新工藝[J].石油鉆探技術(shù)，2004(5)：67-70.
[5] 劉崇建，黃柏宗，徐同臺(tái)，等.油氣井注水泥理論與應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001.
[6] 佟曼麗.油田化學(xué)[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，1996.
 
(本文作者：彭志剛1 許遵見(jiàn)2 馮茜3 陳軍2 曹會(huì)蓮1 1.中國(guó)石化勝利油田鉆井工藝研究院；2.中國(guó)石化勝利油田河口采油廠；3.中國(guó)石化勝利油田采油工藝研究院)