干粉速溶型水泥降失水劑的研制及應(yīng)用第28卷第4期2006年8月石油鉆采工藝OILDRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYVol-28No.4Aug.2006文章編號(hào):10007393(2006)04002504干粉速溶型水泥降失水劑的研制及應(yīng)用李文斌肖海東李世梅祁曉峰(大慶石油管理局鉆探集團(tuán),黑龍江大慶163411)摘要:針對(duì)目前干粉降失水劑水溶性差,溶脹時(shí)間長(zhǎng),穩(wěn)定性差,影響水泥漿性能的均勻性,不可能以濕混的方式進(jìn)行施工的問題,通過選擇含有磺酸基,酰胺基,烷基,羧基的單體,以過氧化物作引發(fā)劑在水溶液中共聚,合成了聚合物DsJ.DsJ具有良好的濾失控制性能,失水控制穩(wěn)定(100mL以下),同時(shí)有較好的水溶性,常溫自然狀態(tài)下溶解僅需150min;溫度適應(yīng)范圍廣(常溫一120),耐鹽20%;與各種水泥配伍性好,稠化時(shí)間可調(diào),有較高的抗壓強(qiáng)度和較高的抗污染能力.在海拉爾探井上應(yīng)用表明,DsJ在降低運(yùn)輸費(fèi)用,防油氣浸,竄等方面均取得了較好的效果,從而有效地保證了固井質(zhì)量.關(guān)鍵詞:干粉速溶型;水泥降失水劑;固井;評(píng)價(jià)試驗(yàn);現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中圖分類號(hào):TE256,7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A國(guó)內(nèi)各油田應(yīng)用的降失水劑多為高分子聚合物,使用方式有干混和濕混之分,干混使用的降失水劑為固體粉末,常溫下很難溶于水,必須有干混設(shè)備,混配工藝較復(fù)雜;濕混使用的降失水劑多為液體,加量大,不利于長(zhǎng)途運(yùn)輸,同時(shí)冬季保溫問題也比較突出.目前國(guó)內(nèi)外能夠濕混使用的固體降失水劑很少,且混拌功率要求較高,溶解時(shí)間長(zhǎng).為了滿足外圍油田勘探,開發(fā)的需要,有必要開發(fā)一種干粉速溶型降失水劑,既混配工藝簡(jiǎn)單,方便運(yùn)輸,又有利于儲(chǔ)存.在充分調(diào)研和室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上,研制的干粉速溶型降失水劑不僅水溶性好,既可濕混又可干混,混配工藝簡(jiǎn)單,下灰順利,可泵性好,而且水泥漿各項(xiàng)性能能夠滿足提高固井質(zhì)量的要求.1實(shí)驗(yàn)儀器與試劑1.1實(shí)驗(yàn)儀器紅外光譜儀,數(shù)控恒溫水浴,常壓及高壓稠化儀,失水儀,壓力機(jī),水泥石滲透率儀.1.2試劑單體:A為N,N一二甲基丙烯酰胺,B為丙烯磺酸鈉,c為N一乙烯基吡咯烷酮;引發(fā)劑NH;自制分子量調(diào)節(jié)劑.2合成條件優(yōu)選2.1合成方法在一定溫度下,將N,N一二甲基丙烯酰胺,丙烯磺酸鈉,N一乙烯基吡咯烷酮置于水溶液中用過氧化物引發(fā)進(jìn)行水溶液聚合,反應(yīng)完畢,真空干燥.2.2反應(yīng)溫度的影響聚合溫度對(duì)產(chǎn)物的降失水性能有著較為明顯的影響,試驗(yàn)條件為:Ft/,A:mB:mc=70:10:20;NH用量為單體質(zhì)量的1%,調(diào)節(jié)劑用量為單體質(zhì)量的10%,水泥為四川嘉化G級(jí)水泥,水泥漿密度為1.90g/em,DSJ摻量占純水泥質(zhì)量的1.1%.在此試驗(yàn)條件下考查溫度對(duì)其降失水效果的影響,在反應(yīng)溫度為45,55,70時(shí),API失水量分別為37mL,33mL,71mL.試驗(yàn)結(jié)果表明,合成溫度過低或過高,均不利于聚合反應(yīng),溫度較低,聚合反應(yīng)在較短時(shí)間內(nèi)難以完成,并造成單體引發(fā)不完全;溫度太高,不利于引發(fā)劑的引發(fā);在55進(jìn)行聚合較為適宜.2.3單體配比對(duì)產(chǎn)物性能的影響改變投料配比可得到不同的反應(yīng)產(chǎn)物,在反應(yīng)溫度為55,NH用量為單體質(zhì)量的1%,調(diào)節(jié)劑用科研項(xiàng)目:大慶石油管理局科研項(xiàng)目”干粉速溶型水泥降失水劑的研究”,編號(hào):zJ04006.作者簡(jiǎn)介:李文斌,1957年生.1977年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院鉆井工程專業(yè),2003年獲油氣井工程碩士學(xué)位,高級(jí)工程師.電話:04595680058.l3303697755.石油鉆采工藝2006年8月(第28卷)第4期量為單體質(zhì)量的10%條件下通過水泥漿性能測(cè)定來(lái)獲得最佳投料比.試驗(yàn)結(jié)果見表1,表1中,水泥為四川嘉化G級(jí)水泥,API失水條件為52oC7.0MPa,水泥漿密度為1.90g/cm,DSJ摻量占純水泥質(zhì)量的初始稠度影響較顯著,綜合考慮各方面因素確定NH與調(diào)節(jié)劑用量之比為1:101:8效果較理想.表2引發(fā)劑及鏈轉(zhuǎn)移劑用量對(duì)降失水性能的影響3評(píng)價(jià)試驗(yàn)3.1水溶性為驗(yàn)證其水溶性,用增力攪拌器在不同攪拌速度下測(cè)其完全溶解所需的時(shí)間以及在不同攪拌速度下黏度的變化,DSJ常溫自然狀態(tài)下溶解需150min,200r/min情況下溶解需20min,隨著攪拌速度的增加,溶解速度加快,當(dāng)攪拌速度達(dá)到1500r/min時(shí),2min內(nèi)即可溶解,最后其塑性黏度為17.9mPa?s.將完全溶解的溶液對(duì)其黏度進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)1周,其黏度無(wú)變化,說(shuō)明其穩(wěn)定性好.由于其水溶性較好,在與水接觸時(shí)容易抱團(tuán),影響其水溶性,在合成過程中,在其表面涂上一層表面活性劑,使其在水中能分散開,提高了溶解速度.3.2降失水劑DSJ摻量和溫度對(duì)失水量的影響3.2.1摻量對(duì)失水量和流動(dòng)度的影響見表3,試驗(yàn)條件與表2試驗(yàn)條件相同.由表3可見:降失水性能優(yōu)良,加量在1.2%以上可使API失水小于50mL;摻量與失水量有良好的線性關(guān)系;隨著加量的增加,失水量降低,但是水泥漿流動(dòng)度進(jìn)一步下降,考慮流動(dòng)性和現(xiàn)場(chǎng)施工要求,DSJ最佳加量為0.9%一1.1%較為理想.表3DSJ摻量對(duì)失水量和流動(dòng)度的影響3.2.2溫度對(duì)失水量的影響試驗(yàn)條件同表2,在溫度為40,60,80,93時(shí),API失水量分別為56mL,65mL,72mL,78mL,試驗(yàn)結(jié)果表明:隨溫度的升高,水泥漿失水量有所增加,但趨勢(shì)不明顯,說(shuō)明降失水劑具有良好的熱穩(wěn)定性.3.3抗鹽性能試驗(yàn)條件:水泥漿密度1.90g/cm,溫度52,鹽的加量是指其在配漿水中的濃度.試驗(yàn)結(jié)果表明:隨配漿水中鹽濃度增大,水泥漿失水量增大,但增加DSJ摻量,仍可取得較小的失水量,當(dāng)鹽的加量為20%,降失水劑的加量加到1.4%時(shí),失水量仍可控制在100mL以下,表明降失水劑具有一定的抗鹽性能.主要是由于DSJ分子鏈上的一CHSO水化作用很強(qiáng),水化膜對(duì)Na,Mg,Ca”的穩(wěn)定性也較強(qiáng),表現(xiàn)出一定的抗鹽性能.3.4水泥漿綜合性能3.4.1水泥漿常規(guī)性能不同溫度下DSJ水泥漿常規(guī)性能試驗(yàn)條件同表1,試驗(yàn)結(jié)果見表4.由表4可見,加有DSJ的水泥漿失水量低,自由水為零,且水泥石強(qiáng)度發(fā)育好,流動(dòng)度好;隨溫度的變化水泥漿稠化時(shí)間變化不明顯,說(shuō)明該水泥漿體系較適合長(zhǎng)封固井.3.4.2配伍性DsJ與速凝劑F的配伍性試驗(yàn)條件:API失水量測(cè)試條件52oC7.0MPa,稠化時(shí)間測(cè)試條件52oC26.9MPa.DSJ與緩凝劑P的配伍性試驗(yàn)條件:失水量測(cè)試條件82oC7.0MPa,李文斌等:干粉速溶型水泥降失水劑的研制及應(yīng)用稠化時(shí)間測(cè)試條件82oCX51.7MPa,抗壓強(qiáng)度測(cè)試條件82oCX常壓.試驗(yàn)結(jié)果見表5,表6.表4DSJ水泥漿(石)在不同溫度下的常規(guī)性能表5速凝劑F加量對(duì)稠化時(shí)間和失水的影響從表5可知,隨著速凝劑F加量的增加稠化時(shí)間縮短,失水量略有降低,說(shuō)明此速凝劑與DsJ配伍性好,分析原因主要是在加速了水泥漿水化的同時(shí),沒有破壞高分子的鏈結(jié)構(gòu),從表6得知,隨著緩凝劑加量的增加,稠化時(shí)間也變長(zhǎng),有良好的線性關(guān)系.表6緩凝DSJ水泥漿(石)常規(guī)性能3.4.3滲透率試驗(yàn)滲透率試驗(yàn)是利用雙缸養(yǎng)護(hù)釜在60X20.7MPa下,將不同水泥養(yǎng)護(hù)48h制作試塊,并在恒溫箱里進(jìn)行烘干至其重量基本恒定后,用水泥石滲透率儀測(cè)定每塊的滲透率,試驗(yàn)條件同表2,滲透率是根據(jù)達(dá)西定律進(jìn)行計(jì)算,試驗(yàn)結(jié)果見表7.從表7可見,DSJ水泥漿體系與原漿相比水泥石更加致密,滲透率降低36%,提高了水泥石的耐蝕性,降低了地層流體對(duì)套管的腐蝕程度.表7DSJ水泥石與G級(jí)原漿水泥石滲透率對(duì)比水泥漿L/MAp/乩k注:為試塊長(zhǎng)度.卻試塊截面進(jìn)口壓力與大氣壓之差,Q為一定壓差下的氣體流量,k為滲透率,為平均滲透率.3.4.4抗高溫試驗(yàn)為了解DsJ在高溫下的性能,進(jìn)行了稠化時(shí)間和失水高溫試驗(yàn),結(jié)果見表8.從表8可知,DSJ降失水劑可以抗9o120oC的溫度,且稠化時(shí)間可調(diào).4速溶與降失水機(jī)理分析4.1速溶機(jī)理合成的丙烯酰胺一乙烯吡咯烷酮一丙烯磺酸鈉表8不同溫度下的稠化,失水試驗(yàn)結(jié)果/m帥in柵/B徽c/rg/%溫度占固體含量占水泥質(zhì)量一一/%百分91)l00l00ll0ll0l20l201.51.5l51.51.51.51.50.10.20.30.40.5144l36248l8l2962l2275l5<20<20<20<20<20<20注:水泥組成1600gG級(jí)嘉華水泥+210g硅JD/330mL水,密度1.90g/cm.VH一02為高溫緩凝劑.共聚物由于在大分子側(cè)鏈上引入磺酸基(一sO)及鏈剛性結(jié)構(gòu)的吡咯烷酮基,使其水溶性增強(qiáng).另外,對(duì)于此三元共聚物而言,各單體側(cè)鏈基團(tuán)較大,空間位阻的因數(shù)使聚合物傾向于形成直鏈型結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)能完全地生成氫鍵,使水分子很快地進(jìn)入全部聚合結(jié)構(gòu)中,也有利于提高其水溶性.降失水劑分子量較低,在水中的擴(kuò)散速度快;溶液黏度低,對(duì)分子運(yùn)動(dòng)的阻力小.該降失水劑的粒度在40目左右,既不抱團(tuán)也不影響溶解速度.4.2降失水機(jī)理研制的降失水劑屬于高分子聚合物,由于其含有大量的一CONH2,一CHSO3一,一COOH等基團(tuán),一CHSO一,一COOH基有較強(qiáng)的水化及吸附作用,一cONH則主要通過氫鍵吸附大量水.由于大分子在水泥顆粒表面吸附作用,使其能在水泥琳勰舵勰石油鉆采工藝2006年8月(第28卷)第4期顆粒表面形成較厚的吸附膜,可將自由水包裹起來(lái),同時(shí)大分子間相互作用形成布滿水泥漿本系的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)避免了水泥顆粒的接觸,防止水泥顆粒聚結(jié),改變了其級(jí)配并形成致密濾餅,從而圈閉自由水,表現(xiàn)很好的降失水效果.而水泥顆粒上的水化基團(tuán)的水化層在壓差作用下變形堵塞濾餅顆粒間的孔道,降低了水泥濾餅的滲透率,從而降低失水.聚合物的黏度對(duì)控制失水也起到一定的輔助作用.5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)該降失水劑體系在海拉爾盆地4口井中進(jìn)行了應(yīng)用.4口井均為長(zhǎng)封井固井,為防止壓漏地層,烏23井,蘇33井,蘇35井采用上部低密度(p為1.60g/cm),下部原漿的固井方案,楚2井采用全井低密度(p為1.60g/cm)的固井方案.現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)見表9.表9干粉速溶型水泥降失水劑體系現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)固井現(xiàn)場(chǎng)施工表明:下灰順利,可泵性好,密度控制較均勻,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,固井施工正常,固井后48h測(cè)井,聲變結(jié)果為優(yōu)質(zhì)井.6結(jié)論(1)基于高分子水溶性基本原理,降失水劑機(jī)理,從單體選擇,單體比,平均分子量及分子量分布人手,研制的以丙烯酰胺一乙烯吡咯烷酮一丙烯磺酸鈉共聚物為主體的干粉速溶型降失水劑DSJ,合成條件易于控制,具有較強(qiáng)的溫度穩(wěn)定性和抗鹽性,且有較低的失水,較高的抗壓強(qiáng)度,稠化時(shí)間可調(diào),但其抗?jié)B性,強(qiáng)度發(fā)展有待研究.(上接第21頁(yè))鉆完進(jìn)尺,減少了起下鉆更換鉆頭時(shí)間,較大幅度地提高了鉆井速度,鉆井周期分別為13.4d,11.3d和7.4d,合計(jì)32.1d.而相鄰3口井使用的PDC鉆頭因?yàn)椴痪邆溷@礫石夾層的能力,在鉆進(jìn)含礫石夾層的館陶組地層時(shí),都是直接提鉆換牙輪鉆頭,其鉆井周期分別為20.4d,11.8d和8.3d,合計(jì)40.5d,相比之下,使用該新型PDC鉆頭,鉆井效率提高26%.4結(jié)論(2)研制的降失水劑水溶性好,混配工藝簡(jiǎn)單,方便運(yùn)輸,有利于儲(chǔ)存,從施工情況及測(cè)井情況分析,水泥漿體系性能可靠,可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工及固井質(zhì)量的要求,但降失水劑的抗高溫性能需要進(jìn)一步研究,以適應(yīng)油田發(fā)展的需求.參考文獻(xiàn):1黃柏宗,徐同臺(tái).國(guó)內(nèi)外油井水泥和外加荊現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J.鉆井液與完井液,1995,12(6):5675.2馬喜平.AMAC共聚物的合成及其油井水泥降失水性研究J.鉆采工藝,1997,19(6):8l一85.(修改稿收到日期20060427)編輯景暖本結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)合理;沒發(fā)現(xiàn)有復(fù)合片脫落現(xiàn)象,說(shuō)明該鉆頭復(fù)合片焊接工藝合理,焊接質(zhì)量牢固可靠.(3)鉆頭起出后,主切削齒磨損較小,說(shuō)明在主切削齒后面安排若干個(gè)PDC復(fù)合片輔助切削齒的設(shè)計(jì)是有效的,能夠保護(hù)了主切削齒.(4)鉆頭出井后測(cè)量其外徑尺寸仍為215.4mm,說(shuō)明采用的人造金剛石聚晶,天然大顆粒金剛