耐高温油井水泥降失水剂FAN的性能研究

国安平，李晓岚，孙 举，杨国涛，张宗铄

(1.中原石油勘探局钻井工程技术研究院;2.中原油田天然气处理厂:濮阳 457001)

随着油田开发进入后期，油气井钻探深度不断增加，地层温度、压力也随之升高，对固井用油井水泥外加剂提出了更高的要求。固井施工时，水泥浆在压力下经过高渗透地层时会发生“渗滤”，水泥浆滤液进入地层使水泥浆失水，流动性变差，严重时导致施工失败;同时，还会对储层造成不同程度的伤害［1］。

近年来，国内广泛开展了聚丙烯酰胺降失水剂的改性研究［2－5］，但此类降失水剂的主要缺点是耐温性差［6－9］;同时由于酰胺基的水解，易造成水泥浆过度缓凝，无法满足固井需要。

为克服聚丙烯酰胺降失水剂耐温性差、易水解的缺陷，作者前期选用2－丙烯酰胺基 －2－甲基丙磺酸(AMPS)、N－乙烯基吡咯烷酮(NVP)和丙烯酰胺(AM)为单体，合成了三元共聚物降失水剂FAN。由于AMPS含有磺酸基团，有良好的耐温及抗水解性;NVP含有内酰胺基，具有抑制水解的能力;且这两种单体都含有大侧基，增强了聚合物分子链的刚性，从而提高了聚合物的热稳定性。本研究主要对FAN的降失水性能进行评价，考察其对水泥浆稠化时间和对水泥石抗压强度的影响，并对其降失水机理进行分析。

1 实验部分

1.1 主要试剂

降失水剂FAN，自制;G级水泥，石家庄嘉华特种水泥有限公司;减阻剂(USZ)、消泡剂(XP－1)，卫辉化工有限公司;缓凝剂(EDTMPS)，山东泰和水处理有限公司。

1.2 主要仪器

OWC－2250型常压稠化仪，沈阳市固测井石油仪器研究所;OWC－9360型恒速搅拌器、OWC－9380型增压稠化仪、OWC－9390B增压养护釜、OWC－9510型高温高压失水仪，沈阳航空工业大学应用技术研究所;YAW－300C微机控制电液伺服压力试验机，济南瑞普机电技术制造有限公司。

1.3 评价方法

(1)水泥浆配制。按GB 10238－1998标准配制:水灰比0.44，外加剂采用外掺法，掺量为占水泥干灰质量的百分数。

(2)失水量测定。配制好的水泥浆在指定温度下于稠化仪中养护20 min后，放入高温高压失水仪中，在指定温度下测定水泥浆失水量。

(3)抗压强度测定。在直径2.54 cm×2.54 cm的模块中装入水泥浆，置于增压养护釜中养护后脱模，测定其抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 降失水剂FAN加量对水泥浆失水量的影响

在水泥浆体系中，分别加入0.1%，0.3%，0.5%，0.7%，0.9%，1.2% 的降失水剂 FAN，在75℃，6.9 MPa条件下，测定水泥浆的失水量，结果见图1。水泥浆的失水量随FAN加量的增大而减小，当FAN加量增大到一定程度时，水泥浆的失水量趋于平稳;当降失水剂加量为0.3%时，可将水泥浆的失水量控制在100 mL以内;当FAN加量不小于0.5%时，失水量控制在50 mL以内，且变化不大。

图1 水泥浆失水量与FAN加量的关系曲线

2.2 FAN的耐温性能评价

固定 FAN加量0.5%，在不同温度(75～160℃)下测定水泥浆在6.9 MPa条件下养护30 min后的失水量，结果见图2。随着温度升高，加入0.5%FAN的水泥浆体系的失水量呈增加趋势，但增幅不大，在160℃时仍可以将失水量控制在80 mL以下，这说明 FAN具有良好的耐温性能。

图2 水泥浆在不同温度下的失水量

2.3 FAN对水泥浆稠化时间的影响

水泥浆的稠化时间是固井施工的关键指标。稠化时间太短，容易造成水泥浆在套管中凝固，导致施工失败;稠化时间过长则易引起层间流体的窜流，造成水泥环封固质量差。为此，考察了FAN对水泥浆稠化时间的影响，实验结果见表1。

表1 FAN对水泥浆稠化时间的影响

从表1可看出，固定测试温度为90℃时，水泥浆稠化时间随着FAN加量的增大而延长，说明FAN对水泥浆具有一定的缓凝作用，且稠化时间可调;固定FAN加量，水泥浆稠化时间随着温度的升高而缩短，说明FAN在高温下没有因羧基的增多而产生过度缓凝现象，且分子结构中的磺酸基及内酰胺基在一定程度上抑制了酰胺基的水解。

2.4 加有FAN的水泥浆的工程性能综合评价

优良的降失水剂对水泥浆的流变性、游离液、稠化时间及水泥石的抗压强度不应有不良影响。在水灰比 0.44、FAN加量 0.5%、分散剂加量0.5%的条件下，对水泥浆的综合性能进行了评价，结果见表2。加有FAN的水泥浆失水量小(＜50 mL)，无游离液析出，流变性好，水泥石的抗压强度等性能符合固井施工的技术要求。

表2 加有FAN的水泥浆的工程性能综合评价结果

3 降失水剂FAN的降失水机理分析

由达西定律可知，控制水泥浆失水的方法有2种:一是增大液相黏度，二是降低滤饼的渗透率。降失水剂FAN的相对分子质量约为20×104，增黏作用不是聚合物降失水机理的主要方面。因此，分别从宏观和微观角度对水泥浆滤饼的厚度和孔隙大小进行分析，考察失水量与渗透率的关系。

FAN加量不同(0.1%和0.5%)的水泥浆滤饼对比见图3。FAN加量分别为0.1%和0.5%的水泥浆在75℃下的API失水量分别为264 mL和37 mL，结合图3可以得出，滤饼厚度与水泥浆失水量呈正比关系，失水量越多，滤饼就越厚，越疏松;而失水量越少，形成的滤饼就越薄，越致密。所以，滤饼质量的改善是 FAN的主要降失水机理。

图3 FAN加量不同的水泥浆滤饼对比

图4为上述水泥滤饼的扫描电镜照片。从图4同样可以看出，FAN加量为0.1%的水泥浆滤饼结构松散，空隙较大，由于加量很小，几乎看不到FAN在水泥颗粒表面的吸附;而FAN加量为0.5%的滤饼颗粒之间相互粘结在一起，结构致密，并且可观察到吸附在水泥颗粒表面的聚合物。

图4 水泥浆滤饼的扫描电镜照片

降失水剂FAN属于水溶性高分子，分子中含有大量的吸附基团——酰胺基，可以稳定地吸附在水泥颗粒表面;同时含有大量磺酸基与酰胺基部分水解产生的羧酸基等水化能力较强的基团，它们也具有吸附作用，且能与Ca2+形成配位键，这种配位键的配合作用使极性基团的亲固能力大大增加。此外，分子中的磺酸基和内酰胺基增加了分子热稳定性。因此，FAN能在水泥浆中形成“水泥颗粒－线性水溶性高分子－水分子吸附层”结构，同时由于其具有较宽的相对分子质量分布，可形成若干大小不等的胶团颗粒，这样通过水溶性高分子的吸附、溶剂化作用以及对不同粒度水泥颗粒的级配作用，形成致密、渗透率低的滤饼，从而降低失水量。此外，颗粒的桥联形成遍布整个水泥浆体系的空间网状结构，使水泥浆体具有比自由水更高的黏度和流动阻力，阻止水泥颗粒聚结，同时圈闭了一部分自由水，从而减少了失水量。

4 结论

(1)降失水剂FAN具有较好的耐温性能和一定的缓凝性能，且对水泥石早期强度的发展影响不大;加有0.5%FAN的水泥浆在160℃时的失水量低于100 mL，在110℃，21 MPa条件下养护24 h的抗压强度为26.1 MPa。

(2)FAN通过水溶性高分子的吸附、溶剂化作用及若干大小不等的胶团颗粒形成渗透率低的滤饼，从而改善了滤饼质量，起到降失水作用。

(3)掺有FAN的水泥浆综合工程性能良好，无游离液析出，水泥石的抗压强度等性能满足固井施工技术要求，具有一定的应用前景。

［1］刘崇建，黄柏宗，徐同台，等.油气井注水泥理论与应用［M］.北京:石油工业出版社，2001:90－91.

［2］黄柏宗.黄柏宗教授油井固井研究专集［M］.北京:石油工业出版社，1998.

［3］刘讯，潘敏，邓生辉.高温高压固井降失水剂的研究［J］.钻井液与完井液，2007，24(5):38－40.

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