一种抗盐抗高温非离子型防窜丁苯胶乳

齐　奔，付家文，孙勤亮，刘文明，于倩倩，杜　滨

（渤海钻探第二固井公司，天津300280）

一种抗盐抗高温非离子型防窜丁苯胶乳

齐奔，付家文，孙勤亮，刘文明，于倩倩，杜滨

（渤海钻探第二固井公司，天津300280）

齐奔等.一种抗盐抗高温非离子型防窜丁苯胶乳[J].钻井液与完井液，2016，33（2）：79-83.

非离子丁苯胶乳原浆直接应用于油井水泥浆体系中时，水泥浆体系的稳定性差，适用温度低，不具有抗盐的性能，难以满足高温深井、复杂结构井固井的需求。通过在非离子丁苯胶乳原浆中加入3%非离子表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚（10）FB-1、1%烷基酚聚氧乙烯醚（40）FB-2，制备出一种油井水泥防窜胶乳BZT-L2。对BZT-L2胶乳的抗温、抗盐以及防窜性能评价。结果表明，在30～170 ℃下，加入8%BZT-L2胶乳的水泥浆的API失水量控制在50 mL以内；稠化曲线呈直角，SPN值小于3，静胶凝强度过渡时间仅为11 min，抗盐达半饱和，胶乳的加入不但可以减少水泥浆失水量，而且可以增强水泥浆的防窜性能。此外，BZT-L2胶乳与其它水泥浆外加剂的相容性好，由其配制的水泥浆体稳定，综合性能好，自由水和密度差均接近零，流变性和流动度良好，抗压强度较高。BZT-L2胶乳水泥浆可以应用于复杂结构井、小井眼井以及水平井固井。

非离子丁苯胶乳；胶乳水泥；烷基酚聚氧乙烯醚； 固井；抗盐抗高温

丁苯胶乳水泥浆具有优异的降失水性能、防窜性能、耐腐蚀性能，因此被广泛应用于高温高压井、气井和复杂结构井以及水平井固井施工中[1-5]。胶乳是一种乳化的聚合物体系，直径为50～500 nm的聚合物球形颗粒，分散在黏稠的胶体体系中，再加入一定的表面活性剂以防止聚合物颗粒聚结，通常固相含量为35%～50%。根据所用乳化剂种类的不同，胶乳可分为阳离子型胶乳、阴离子型胶乳及非离子型胶乳[6-10]。目前研究较多的是阴离子型胶乳以及其稳定方法，如靳建洲等[11]介绍了采用BCT-830L来稳定胶乳BCT-800L，取得良好的效果；赖金荣等[12]在自制的胶乳SDJR中加入稳定剂SDW后，制备的水泥浆具有良好的防窜性能；陈大钧等[13]采用OP-10和烷基二苯醚磺酸二钠盐复配作为稳定剂，制备的胶乳水泥浆无析水、无外渗且具有良好的抗盐性能。笔者以一种非离子的丁苯胶乳作为胶乳原浆，通过添加2种烷基酚聚氧乙烯醚，制备出一种胶乳。该胶乳具有降低水泥浆的失水量、增加其防窜、抗腐蚀和增韧等性能特点。

1　实验部分

1.1主要药剂及仪器

JR-2胶乳原浆为山东某胶乳厂生产的非离子型胶乳产品；非离子表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚（10）FB-1、烷基酚聚氧乙烯醚（40）FB-2为江苏海安石油化工厂提供；分散剂GF-1、降失水剂BZF-L1为渤海钻探第二固井公司产品；胶乳专用消泡剂D50、中低温缓凝剂BXR-200L、高温缓凝剂BCR-300L为天津中油渤星工程科技股份有限公司产品；G级水泥为山东华银水泥厂产品；微硅、硅粉为天津大港港诚商贸有限公司提供。超声波静胶凝仪，电子压力试验机。

1.2胶乳的制备

将一定量的非离子表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚（10）、非离子表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚（40）和适量的水依次加入反应釜中，升温至50 ℃，恒温搅拌，直至混合物全部溶解，然后关闭反应釜加热器，至釜体温度降至40 ℃以下，再加入一定的非离子胶乳原浆和0.5份消泡剂，继续搅拌1.0 h，即制备出非离子丁苯胶乳成品BZT-L2。用以上方法合成出的非离子丁苯胶乳的密度为1.02 g/cm3，固相含量为46%，黏度为55 mPa·s，pH值为7～9，丁苯胶乳粒子的平均粒径为114 nm。

2　结果与讨论

2.1表面活性剂的优选

非离子丁苯胶乳相对于阴离子丁苯胶乳在水泥浆中较稳定，然而随着水泥水化过程中释放出Ca2+、Al3+等高价阳离子，将破坏胶乳的稳定性。特别是在高温、高压和机械搅拌下，胶乳的稳定性将大大降低。因此，加入一定量的非离子表面活性剂使胶乳稳定均匀地分散在水泥浆中，一方面，加入的非离子表面活性剂中带有苯环和环氧聚合物，使其具有较好的抗高温性能和机械稳定性；另一方面，非离子表面活性剂在水泥浆中不电离，高价阳离子对其影响较小，从而提高了其抗盐性能。考察了表面活性剂的种类和含量对胶乳水泥浆的稳定性能，结果见表1。由表1可知，在未加入表面活性剂的情况下，水泥浆的初始稠度大于30 Bc，而且在稠化升温阶段结束后，水泥浆发生了絮凝，浆体稠度达到70 Bc，从稠化杯中倒出来呈絮凝状态；加入非离子表面活性剂FB-1，水泥浆升温至93 ℃时稠度增加到32 Bc，这可能是由于FB-1的浊点在85 ℃，当温度大于85 ℃时，FB-1在水泥浆中的溶解度降低，影响了水泥浆的性能；当加入非离子表面活性剂FB-2时，升温结束后曲线起包，虽然FB-2的浊点大于100 ℃，但是仅仅加入一种表面活性剂，它和水泥浆的配伍性不好，造成了水泥浆有一定的“包芯”；当加入2种表面活性剂时，水泥浆的稠化曲线正常，最后调节其加量比例；确认FB-1加量为3%、FB-2为1%（相对于胶乳的百分含量），在整个稠化过程中可以实现直角稠化。因此选择FB-1为3%、FB-2为1%作为胶乳的配方，制备胶乳BZT-L2。实验用水泥浆基本配方如下。

800 g华银G级水泥+0.2%GF-1+8%胶乳+ 3%BZF-L1+0.5% D50+0.1% XP-1+BXR-200L+自来水（密度为1.90 g/cm3）

表1　表面活性剂的加量对非离子丁苯胶乳稳定性的影响

2.2BZT-L2掺量对水泥浆性能的影响

由于胶乳的粒径比水泥小得多，所以在水泥中掺入胶乳微粒，具有堵塞滤饼的孔隙、优化水泥浆的颗粒级配的作用；另外，胶乳颗粒与水泥的水化产物互相作用，在压差的作用下，胶乳颗粒会形成一个网状结构，最终形成一种不渗透性的薄膜。然而，在不加入降失水剂BZF-L1的条件下，必须加入12%以上的胶乳BZT-L2才能控制失水量在100 mL以下，所以在使用的过程中加入一定量的BZF-L1来调整配方，既可以增加体系的稳定性能，又可以节约固井成本。考察了胶乳掺量对水泥浆性能的影响，结果见表2。由表2可知，随着胶乳掺量的增加，水泥浆的初始稠度下降，当加量为8%时，稠度降到14 Bc，这是由于胶乳中含有表面活性剂，具有润滑、湿润和分散水泥浆的作用，当继续增加胶乳加量时，稠度变化不明显，这可能是随着胶乳量的增加，水泥浆在搅拌的过程中会产生大量的气泡，消泡剂不能完全消泡，导致水泥浆的稠度略增。当胶乳加量为8%～12%时，水泥浆的SPN值小于3，属于强防窜水泥浆体系。随着胶乳量的增加，水泥浆的抗压强度会小幅度地逐渐减小，这是由于胶乳的加入，一定程度上阻碍了水泥石的水化进展。综上所述，BZT-L2的最佳加量为8%～10%。实验用水泥浆配方如下。

600 g华银G级水泥 +210 g硅粉+BZT-L2+20 g BZF-L1+3 gD50+BXR-200L+自来水（密度为1.90 g/cm3）

表2　BZT-L2的加量对水泥浆性能的影响

2.3BZT-L2的抗温性能

考察了水泥浆在30～170 ℃的稠化性能、失水量以及水泥浆的防窜性能，结果见表3。由表3可知，不同温度下，胶乳水泥浆在30～100 Bc过渡时间短，能实现直角稠化（除了30 ℃），且水泥浆的失水量都低于50 mL；依据防气窜公式，其SPN值均小于3，水泥浆均属于强防窜水泥浆。图1是水泥浆在170 ℃下的稠化曲线。由图1可知，胶乳水泥浆体系在170 ℃下稠化曲线平稳，没有出现“起包”、“假凝”等现象，这说明胶乳BZT-L2在高温稠化过程中表现出良好的稳定性，而且水泥浆的稠化曲线均为直角稠化，进一步说明了胶乳BZT-L2具有较强的抗温性能。水泥浆配方如下。

1#800 g华银G级水泥+2%微硅+0.2%GF-1 + 2%SW-2+8%BZT-L2+3%BZF-L1+0.5%D50+0.1% XP-1+BXR-200L+自来水（30 ℃、50 ℃、70 ℃）

2#800 g华银G级水泥+2%微硅+0.2% GF-1+ 8%BZT-L2 + 3% BZF-L1+0.5%D50+0.1% XP-1+ BXR-200L +自来水 （90 ℃）

3#600 g华银G级水泥+35%硅粉+8%BZTL2+4%BZF-L1+0.5%D50+0.1%XP-1+BXR-200L+自来水 （110 ℃、130 ℃）

4#600 g华银G级水泥+35%硅粉+8% BZT-L2+4.7%BZF-L1+0.5%D50+0.1%XP-1+BCR-300L+自来水（150～170 ℃）

表3　BZT-L2水泥浆在不同温度下的性能

图1　BZT-L2胶乳水泥浆在170oC的稠化曲线（4#）

2.4BZT-L2的抗盐性能

考察BZT-L2胶乳水泥浆在90 ℃下的抗盐性能，实验结果见表4。配方为：800 g华银G级水泥+16 g微硅+1.6 g GF-1+64 g BZT-L2+24 g BZF-L1+ 4 g D50 +盐水，水泥浆密度为1.90 g/cm3。从表4可以看出，在半饱和盐水下，胶乳曲线平稳，基本可以实现直角稠化；即使使用半饱和盐水配制水泥浆，流变性能依然良好，水泥浆的失水量可以控制在60 mL以下。因此，BZT-L2胶乳具有良好的抗盐性能。

表4　BZT-L2水泥浆的抗盐性能

2.5防窜性能

根据Sabins理论，水泥浆的防气窜性能可以通过胶凝强度发展的过渡时间来评估，过渡时间越短，水泥浆的防气窜性能越好。胶乳水泥浆静胶凝强度发展情况见图2。从图2可以看出，水泥浆的静胶凝强度从48 Pa到240 Pa的过渡时间仅为11 min。结合SPN值和过渡时间，进一步证明了BZT-L2胶乳水泥浆具有良好的防气窜性能；而且水泥浆在养护24 h后的抗压强度大于14 MPa，符合固井施工要求。

图2　BZT-L2胶乳水泥浆的静胶凝强度发展曲线

2.6BZT-L2水泥浆的综合性能

考察了胶乳水泥浆的流变性能、游离水及密度差等性能，结果见表5。由表5可知，胶乳水泥浆的综合性能良好，水泥浆的游离水均低于0.15%，密度差均小于0.02 g/cm3，浆体具有良好的稳定性，满足复杂井和水平井的固井要求；水泥浆的流动度均大于20 cm，具有良好的流动性，且水泥石养护24 h后，抗压强度均大于14 MPa，符合施工要求。

表5　BZT-L2水泥浆的综合性能

还考察了非离子丁苯胶乳BZT-L2的陈化实验，将制备的胶乳在常温下放置12个月，没有发生分层，且无腐烂；进一步测试其稠化、失水等性能，与新制备的胶乳性能类似，说明了胶乳可以稳定存放。另一方面，还考察了胶乳的防冻实验，即加入3%的防冻液，制备了防冻型胶乳BZT-L2（AF），其倾点为-10 ℃。并且，胶乳在低温下放置一段时间后，测试其性能基本不变。

3　结论

1.选择了2种非离子表面活性剂作为胶乳稳定剂加入到丁苯胶乳原浆后，该丁苯胶乳（BZT-L2）在水泥浆中具有良好的化学稳定性、抗高温、抗盐性能以及机械稳定性。稳定剂的最佳配方为3%FB-1、1%FB-2，胶乳水泥浆在高温高压下不会发生絮凝、破乳、闪凝和分层等现象，而且胶乳具有抗半饱和盐水的能力，稠化曲线呈直角稠化，BZT-L2与其他水泥浆外加剂具有良好的配伍性。

2.BZT-L2胶乳水泥浆适应温度高达170 ℃，失水量低（低于50 mL），浆体流动性好，水泥浆的SPN小于3，属于强防窜水泥浆体系，超声波静胶凝测试其具有优异的防窜性能。水泥浆体稳定，水泥浆的自由水和水泥浆密度差较小（均接近0）。而且，浆体的流变性和流动度良好，水泥石的抗压强度较高。

3.BZT-L2胶乳水泥浆可以应用于复杂结构井、小井眼井以及水平井固井中。

4.通过以非离子丁苯胶乳原浆作为半成品，寻找合适的稳定剂稳定胶乳，该方法易于操作和控制，生产设备简单，产品放大生产容易，而且在存储过程中胶乳具有良好的抗低温性能和存放稳定性。

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High Temperature Salt Resistant Nonionic Anti-channeling Styrene Butadiene Latex

QI Ben, FU Jiawen, SUN Qinliang, LIU Wenming, YU Qianqian, DU Bin
(No.2 Cementing Branch of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited, Tianjin 300280, China)

Oil well cement slurries treated with nonionic styrene-butadiene latex have poor stability, low temperature tolerance and low salt resistance， not suitable for cementing high temperature deep wells or wells with complex borehole profile. An anti-channeling latex，BZT-L2, has recently been developed by adding two alkylphenol ethoxylate of different degrees of polymerization into the nonionic styrene-butadiene latex. Evaluation of the BZT-L2 latex revealed that a cement slurry treated with 8% of the latex at temperatures between 30 ℃ and 170 ℃had API filter loss controlled less than 50 mL， and the latex can be used in saturated salt system. The latex treated cement slurries had good stability and the thickening curves were right-angled. BZT-L2 not only reduced filter loss of the cement slurries, it also rendered the cement slurries anti-channeling capability. The non-ionic styrene-butadiene latex had good compatibility with other cement slurry additives, and the general properties of cement slurries, such as rheology, free water and stability have all been excellent.

Nonionic styrene-butadiene latex; Latex treated cement slurry; Alkylphenol ethoxylate; Well cementing; Resistant to salt contamination and high temperature

TE256.6

A

1001-5620（2016）02-0079-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.017

中国石油集团渤海钻探工程有限公司2015年重大研发项目“抗高温、抗盐水泥浆核心外加剂及体系研究”（2015ZD03K）。

齐奔，博士，毕业于南开大学材料物理与化学专业，现在从事固井技术研究工作。电话 13920590539；E-mail：benqi2007@163.com。

（2015-12-03；HGF=1601C10；编辑王超）