程鳳翔 楊濤 張丹

摘要：科技在迅猛發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，綜合國(guó)力顯著加強(qiáng)，本文從失水量、濾液黏度和濾餅結(jié)構(gòu)等試驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，闡釋了聚乙烯醇降失水劑和AMPS聚合物降失水劑的作用機(jī)理。研究結(jié)果表明，聚乙烯醇降低失水量的主要原因不是其對(duì)水泥漿的增粘作用，而是其對(duì)濾餅滲透率的降低，即在濾餅和過(guò)濾介質(zhì)表面形成的一層致密聚合物膜;AMPS聚合物降失水劑是靠改變?yōu)V餅電性，增加濾液黏度發(fā)揮作用。

關(guān)鍵詞：油井水泥;降失水劑;聚乙烯醇;AMPS聚合物;作用機(jī)理

引言：

固井施工時(shí)，水泥漿被擠入環(huán)空，流經(jīng)滲透性地層時(shí)會(huì)發(fā)生濾失，導(dǎo)致部分液相漏入地層，這個(gè)過(guò)程即“失水”。失水導(dǎo)致水泥漿的水灰比和膠凝特征均發(fā)生變化，泥餅增厚，水泥漿液柱壓力急劇下降，可能引發(fā)環(huán)空竄流，嚴(yán)重時(shí)需進(jìn)行補(bǔ)救固井作業(yè)，單井開(kāi)發(fā)成本劇增。通常用油井水泥降失水劑來(lái)為降低水泥漿中液相濾失量，提高固井質(zhì)量，從而能有效保護(hù)油氣層。目前國(guó)內(nèi)使用的固井水泥降失水劑有纖維素衍生物類(lèi)，如羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、羧甲基羥乙基纖維素;改性淀粉類(lèi);水溶性合成聚合物類(lèi)，如丙烯酰胺類(lèi)聚合物。這些降失水劑普遍存在抗高溫、抗鹽能力差的問(wèn)題，當(dāng)溫度達(dá)到150℃時(shí)，水泥漿濾失嚴(yán)重。隨著溫度的升高，丙烯酰胺類(lèi)聚合物降失水劑分子常發(fā)生強(qiáng)烈的水解，造成水泥漿過(guò)度緩凝，無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜地層固井的需要。

1天然高分子類(lèi)研究現(xiàn)狀

天然高分子材料由于來(lái)源廣泛、價(jià)格低、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，在石油行業(yè)中被廣泛應(yīng)用和研究。常用的水溶性天然材料有纖維素、木質(zhì)素、淀粉、褐煤、單寧等。這些天然材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：分子鏈多為大分子剛性鏈，具有耐溫、耐鹽、抗剪切等特點(diǎn)，而且易進(jìn)行各種化學(xué)改性，如接枝改性、磺化等。例如，使用磺化、磺甲基化等化學(xué)改性的方法可降低水泥漿失水，磺酸基團(tuán)還能有效改善水泥漿的分散性，且對(duì)水泥漿其他性能影響不大。木質(zhì)素、淀粉等因其熱穩(wěn)定性差、增稠等缺點(diǎn)，在油井水泥降失水劑方面應(yīng)用不多，多應(yīng)用于鉆井液用降濾失劑。不過(guò)國(guó)外曾有報(bào)道，將乙烯類(lèi)單體引入單寧、褐煤中，得到的產(chǎn)物具有良好的耐鹽性、耐溫性。

2油井水泥降失水劑進(jìn)展研究

2.1降失水劑耐溫性能

在6.9±0.3MPa、降失水劑摻量2%和不同溫度下測(cè)試水泥漿的失水量。隨著溫度升高，水泥漿失水量增大，150℃時(shí)的API失水量為86mL，失水量仍控制在100mL以?xún)?nèi)。合成的降失水劑具有微交聯(lián)結(jié)構(gòu)，高溫耐水解能力強(qiáng)，且在水泥漿體系中布滿(mǎn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，失水時(shí)高分子線(xiàn)團(tuán)可部分進(jìn)入濾餅孔隙中，降低濾餅滲透率。合成單體中，NVP分子中內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)對(duì)酰胺基團(tuán)高溫水解具有一定的屏蔽作用。此外，分子中—SO3-基團(tuán)既可以使聚合物具有較好的耐溫耐鹽性能，同時(shí)，其較強(qiáng)的吸附能力也使得其可牢固吸附在水泥顆粒表面，通過(guò)靜電排斥作用使水泥顆粒分散得更加均勻，失水時(shí)形成致密濾餅，從而降低失水率。由此可見(jiàn)，該降失水劑具有優(yōu)良的耐溫性能。

2.2 G32S的作用機(jī)理研究

降失水劑的作用機(jī)理研究表明，降失水劑發(fā)揮作用主要通過(guò) 3 種方式：①增大水泥漿液相黏度，從而增大向地層的濾失阻力 ;②改變水泥顆粒表面電性質(zhì)，增加濾餅表面潤(rùn)濕性 ;③改善水泥濾餅的質(zhì)量，使其更加致密，減少其滲透性。在 25 ℃下，考察了不同 G32S 加量下水泥漿的失水量，并從水泥漿濾液黏度和濾餅顆粒的電泳遷移率方面研究了 G32S 的作用機(jī)理，隨著降失水劑G32S 加量的增加，失水量減小，而其濾液黏度也隨著加量增大逐漸增加，表現(xiàn)出相關(guān)性。說(shuō)明 G32S 對(duì)水泥漿失水性能的改變與其黏度有關(guān)，即增大水泥漿液相黏度，從而增大向地層的濾失阻力，減少失水 ;同時(shí)，隨著 G32S 加量增大，濾餅的電泳遷移率 U 會(huì)由凈漿的正值變?yōu)樨?fù)值，當(dāng)加量逐漸增大時(shí)，U 的絕對(duì)值會(huì)更大，說(shuō)明隨著 G32S 的加入，水泥顆粒表面的電性質(zhì)發(fā)生了本質(zhì)上的改變，這種改變會(huì)增加濾餅潤(rùn)濕性，減少水的濾失。G32S 的作用機(jī)理可以推測(cè)為，G32S 分子吸附在水泥顆粒表面，通過(guò)提高濾餅的電荷密度，改善濾餅潤(rùn)濕性來(lái)穩(wěn)定濾餅中的水 ;當(dāng)增大加量后，顆粒表面的電荷增加趨緩 ;隨著溶液中 G32S聚合物濃度增加，濾液黏度增加，在一定程度上增加了水分子的濾失阻力 ;當(dāng)濾餅形成，顆粒表面吸附飽和后，共聚物黏度對(duì)降低失水起主要作用。

2.3降失水劑的設(shè)計(jì)原則

通過(guò)上述研究，對(duì)于油井水泥降失水劑的開(kāi)發(fā)可以借鑒以下原則：AMPS類(lèi)陰離子聚合物電性變化與降失水量變化規(guī)律說(shuō)明低濃度時(shí)改變?yōu)V餅電性，高濃度時(shí)黏度增加使其對(duì)降失水發(fā)揮重要的作用。陰離子降失水劑的設(shè)計(jì)合成重點(diǎn)應(yīng)該注重單體的選擇和不同電性單體的比例;在滿(mǎn)足水泥漿基本性能需要的前提下，應(yīng)盡可能地增加降失水劑分子對(duì)濾餅的吸附性，同時(shí)注意調(diào)整聚合物的分子量。聚乙烯醇降失水劑在水泥顆粒表面的吸附量很低，遠(yuǎn)小于其在體相的加有濃度;同時(shí)濾液粘度的研究表明其對(duì)失水量影響也不大;另外濾餅的電性也沒(méi)有太大改變，這三點(diǎn)說(shuō)明濾液黏度和濾餅結(jié)構(gòu)性質(zhì)不是該類(lèi)降失水劑性能的決定因素。研究表明，濾膜才是決定其性能的最主要因素。如何增強(qiáng)濾膜的耐溫性，改善濾膜的結(jié)構(gòu)才是提高其抗溫性能，增加其降失水效率的關(guān)鍵。

結(jié)語(yǔ)：

油井水泥降失水劑作為重要的油田化學(xué)品，對(duì)安全優(yōu)質(zhì)的固井具有至關(guān)重要的作用，特別是在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下，對(duì)油井水泥降失水劑提出了更高的要求，今后的研究也應(yīng)多與現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合，并且不應(yīng)只針對(duì)某個(gè)單一的特定環(huán)境，需要在研究的思路上不斷拓展，不斷地加強(qiáng)對(duì)油井水泥降失水劑的研究與應(yīng)用，在降失水劑的環(huán)境適應(yīng)性和制備成本上下功夫。國(guó)外早在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)對(duì)油井水泥降失水劑進(jìn)行研究，并已經(jīng)形成了從低溫到高溫等一系列成熟產(chǎn)品，我國(guó)在油井水泥降失水劑方面的研究雖然取得了不小成績(jī)，但是與國(guó)外還存在不小的差距，國(guó)內(nèi)的研究者應(yīng)該多向國(guó)外學(xué)習(xí)和交流，不斷補(bǔ)充新的知識(shí)，以滿(mǎn)足我國(guó)石油工業(yè)的發(fā)展。

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