高温水泥浆降失水剂DRF-120L的制备及评价

2011-01-11于永金刘硕琼刘丽雯靳建洲袁进平齐奉忠

石油钻采工艺 2011年3期

于永金刘硕琼刘丽雯靳建洲袁进平齐奉忠

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100195；2.中国石油浙江油田公司，浙江杭州 310023）

随着油气井钻探深度的增加，井底温度、压力不断升高，对固井水泥外加剂的要求越来越高，近年来国内广泛开展了聚丙烯酰胺的改性研究［1-10］。目前国内使用的以AMPS（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸）为主的合成共聚物类降失水剂普遍存在抗高温能力差的问题，此类降失水剂在中低温条件下表现出良好的降失水性能，但是温度高于150 ℃后，水泥浆的失水量很难控制在理想范围内。为解决这一问题，通过优选单体及分子结构设计合成了多元共聚物抗温、抗盐降失水剂DRF-120L，该降失水剂分子主链中引入了强吸附性基团和链刚性基团，使得在高温条件下分子链热运动相对变慢，分子链能够牢牢吸附在水泥粒子表面，从而在高温条件下能够将水泥浆的失水量控制在理想范围内。

1 DRF-120L的研制

1.1 DRF-120L分子设计思路

（1）以AMPS为主单体，AMPS上的磺酸基具有良好的热稳定性和耐盐性能，同时具有很强的水化能力，这使得制备的共聚物降失水剂具有良好的抗高温、抗盐能力。

（2）降失水剂分子主链上引入了双羧基基团，提高了高温下降失水剂分子对水泥粒子的吸附能力，从而提高了降失水剂在高温条件下对水泥浆失水的控制能力。

（3）降失水剂分子主链引入了不易水解的链刚性基团单体，使得降失水剂分子链在高温条件下的热运动变慢，同时也提高了分子链的抗温能力。

（4）通过优化聚合工艺，得到了具有最佳分子量和分子量分布的降失水剂分子，从而使降失水剂的性能达到最佳。

1.2 DRF-120L的室内制备

降失水剂DRF-120L的室内合成工艺为：在500 mL的3口烧瓶中加入一定量的水然后将单体依次加入水中，缓慢加入一定量的氢氧化钠调节溶液的pH值至5左右，在低速搅拌下将溶液加热至预定温度，到达预定温度后将配制好的引发剂溶液在5 min内滴加完毕，采用过硫酸盐作为引发剂，恒温继续反应2~3 h，加入链终止剂，最后得到浅黄色黏稠液体DRF-120L。

1.3 DRF-120L性能

DRF-120L的适用温度为90~200 ℃；在淡水水泥浆中加量一般为2%~5%（占水泥量，下同），含盐水泥浆中加量一般为4%~6%；加入DRF-120L水泥浆的API失水量可以控制在100 mL以内；DRF-120L在低温下的缓凝作用较强，因此不建议低于90℃条件下使用；高温条件下水泥石强度发展良好，24 h抗压强度一般可达20 MPa以上；水泥浆的稠化时间易调，过渡时间短，呈“直角”稠化；具有一定的分散作用，水泥浆的流变性好，加量增大不会使水泥浆变稠。

2 实验合成条件对DRF-120L降失水性能的影响

2.1 引发剂加量对DRF-120L降失水性能的影响

引发剂加量决定着聚合反应体系中自由基的数量，随着引发剂加量增加，在单位时间内分解产生的初级自由基数目增加，同时由于自由基浓度增加，在单体总量保持不变的情况下，生成的聚合物分子链数目增多，聚合物相对分子质量减小；另外，聚合物链转移机率增大，也会使平均相对分子质量下降。聚合物分子量在适宜范围内才能保证具有良好的降失水性能。合成时温度70~80 ℃，单体浓度25%，改变引发剂加量，结果表明：引发剂加量在0.2%~1.0%范围内，水泥浆失水量变化范围较小。通过在90 ℃条件下测试所得失水量结果得知，引发剂加入量0.60%时具有适宜的分子量，降失水性能最佳（见表1）。

表1 引发剂加量与水泥浆失水量的关系

2.2 反应温度对DRF-120L降失水性能的影响

表2为反应温度对降失水剂降失水性能的影响。从表2可看出，随着反应温度升高，失水量先减小再增大。聚合反应温度显著影响反应速率和单体的竞聚率，反应温度过低或过高，均不利于共聚反应。温度太低，自由基数量少且活性低，聚合反应速度缓慢；温度太高，大量引发剂发生热分解从而迅速产生大量的自由基引发聚合，使聚合反应速度太快甚至引起爆聚。引发剂加量为0.6%，单体浓度为25%时，反应温度以70~80 ℃为最佳，在此温度范围内合成的降失水剂降失水性能最好。

表2 反应温度与水泥浆失水量的关系

2.3 单体浓度对DRF-120L降失水性能的影响

表3为单体总浓度对降失水剂降失水性能的影响。从表3可看出，随单体总浓度增加，失水量先减小后增大，当单体总浓度为25%时，失水量最低。这是由于在水溶液自由基聚合过程中，单体浓度太低，会造成反应速率过慢；而单体浓度过高，则会出现局部过热，而引起凝胶效应甚至爆聚，使合成聚合物分子量过大，降失水效果变差。确定反应温度70~80℃，引发剂加量0.6%时，单体总浓度25%为最佳，水泥浆的失水量达到最低值。

表3 单体总浓度与水泥浆失水量的关系

3 DRF-120L降失水剂性能评价

3.1 DRF-120L抗高温性能评价

图1考察了在不同DRF-120L加量下水泥浆失水量随试验温度的变化而变化的情况。从图1可以看出，水泥浆的失水量随实验温度的升高逐渐增大，通过增大DRF-120L的加量可以降低高温下水泥浆的失水量。当DRF-120L加量为6%时，在180 ℃条件下，水泥浆的API失水量可以控制在100 mL以内，证明了DRF-120L具有良好的抗高温性能。

图1 水泥浆失水量随温度的变化

3.2 DRF-120L抗盐性能评价

含盐水泥浆主要用于封固盐层、盐膏层、高压盐水层等，防止盐侵入水泥浆中，改善水泥环与地层的胶结状态。

图2为含盐水泥浆在不同温度下半饱和盐水水泥浆和饱和盐水水泥浆的失水量变化。其中NaCl浓度为18%时，DRF-120L加量为4%；NaCl浓度为36%时，DRF-120L加量为6%。

从图2可以看出，随着试验温度升高，含盐水泥浆的失水量逐渐增大，但仍能将半饱和盐水水泥浆和饱和盐水水泥浆的API失水量控制在100 mL以内，证明DRF-120L具有良好的抗盐性能。

图2 含盐水泥浆不同温度下失水量变化

3.3 DRF-120L高密度水泥浆性能评价

采用高密度水泥浆体系的目的在于：首先能控制固井过程中环空固井流体的液柱压力与地层压力平衡或略大于地层压力；其次，水泥浆与钻井液之间有一定密度差值，能够提高固井时的顶替效率［11］。

表4为高密度水泥浆在高温条件下的综合性能。从表4可以看出，DRF-120L在高密度水泥浆体系中表现出良好的综合性能，水泥浆API失水量低于100 mL，流动性能好，水泥石强度可高达20 MPa以上，可以满足固井施工要求。图3为高密度水泥浆的稠化试验曲线，可以看出水泥浆基本呈“直角”稠化。

表4 DRF-120L高密度水泥浆性能

图3 密度2.2 g/cm3水泥浆稠化曲线（120 ℃）

3.4 水泥浆综合性能评价

在不同试验温度下，对以DRF-120L为主剂的水泥浆综合性能进行了评价，稠化时间的调节由缓凝剂DRH-200L来调节。试验配方如下。

1#：G级水泥+35%石英砂+5%微硅+0.2%分散剂+3%DRF-120L降失水剂+1.5%DRH-200L缓凝剂+水；2#：G级水泥+35%石英砂+5%微硅+0.2%分散剂+3%DRF-120L降失水剂+2.0%DRH-200L缓凝剂+水；3#：G级水泥+35%石英砂+5%微硅+0.2%分散剂+3%DRF-120L降失水剂+2.2%DRH-200L缓凝剂+水；4#：G级水泥+35%石英砂+5%微硅+0.2%分散剂+5%DRF-120L降失水剂+2.5%DRH-200L缓凝剂+水；5#：G级水泥+35%石英砂+5%微硅+0.2%分散剂+6%DRF-120L降失水剂+4.0%DRH-200L缓凝剂+水；6#： G级水泥+35%石英砂+5%微硅+0.2%分散剂+7%DRF-120L降失水剂+6.0%DRH-200L缓凝剂+水；7#：G级水泥+35%石英砂+5%微硅+0.2%分散剂+7%DRF-120L降失水剂+5.5%DRH-200L缓凝剂+水。水泥浆综合性能见表5。