抗高温油井水泥降失水剂的研究进展_李晓岚

抗高温油井水泥降失水剂的研究进展

李晓岚1

,石凤歧2

,孙　举1

,李韶利2

,姜雪清

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(1.中原石油勘探局钻井工程技术研究院,濮阳457001;2.中原石油勘探局固井工程处,清丰457331)

[摘　要]　综述了近年来抗高温油井水泥降失水剂的研究现状,分为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(A M P S )聚合物、改性天然高分子以及聚合物与其他处理剂复配体系三大类。将国内外研究降失水剂的具体实例进行对比分析,总结了国内与国外研究存在的差距,展望了该领域的研究重点和发展方向。

[关键词]　降失水剂　固井　聚合物　改性　复配

收稿日期:2011-01-17。

作者简介:李晓岚,博士,毕业于中国科学院成都有机化学研究所高分子化学与物理专业,现从事油井水泥外加剂的研究工作。

油井水泥降失水剂在油田固井施工中能增强水泥浆的保水作用,防止水泥浆在渗透性地层中先期脱水,保证水泥浆体的稳定性,提高固化水泥石的强度,防止气窜,提高水泥环的抗渗能力,保护水敏地层,防止水泥浆滤液污染油气层及水泥浆颗粒对油气层的堵塞

〔1〕

。在石油可采和易采

储量不断减少的情况下,油田勘探开发已向海洋、复杂地层、深井、中深井以及超深井方面发展,为满足高温高压固井需求,需要不断研制出性能良好而且稳定的降失水剂〔2〕

。因此,抗高

温油井水泥降失水剂成为近年来国内外学者研

究的热点之一。1　国内研究现状

目前国内常用的聚乙烯醇(P V A )和羟乙基纤维素(H E C )两种降失水剂都存在缺陷。P V A 型降失水剂具有价格低、防气窜的优点,在低温下无缓凝作用,且与氯化钙配伍性好;但高温适应性能差,使用温度最高只能达到95℃,而且抗盐(N a C l )性能差(通常不超过5%)〔3〕。H E C 等纤维素类降失水剂价格适中,降失水性能也较强;但增稠作用明显,同时会延缓水泥浆的凝固时间,而且由于分子环状链单元中醚键在高温下会发生氧化分解,导致其使用温度一般不超过110℃

〔4〕

。

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(A M P S )共聚物是国内近年来研究最多的一类新型抗高温油井水泥浆降失水剂,主要包括线型和微交联型两大类。

1.1　线型A MP S 共聚物类

卢甲晗等

〔5〕

在水溶液中合成了A M P S 、丙烯

酸(A A )和丙烯酰胺(A M )的液体三元共聚物〔5〕

,

利用共聚物中的吸附基团(—C O N H 2)和磺化基团(—S O 3H )在水泥颗粒表面形成“水泥颗粒-线型高分子-水分子吸附层”网状结构的凝胶聚集物。这种凝胶聚集物可以楔入水泥滤饼的微孔结构中,有效降低滤饼的渗透率;同时高分子聚合物还可以适当增加水泥浆液相黏度,从而增加液相向地层滤失的阻力,达到降低水泥浆失水量的效果。实验结果表明,加有该降失水剂的水泥浆,其失水量随着温度的升高或盐水浓度的增大而有所增大,但当盐水达到饱和时,在40～175℃范围内,加量(液体)为5%～7.5%时,仍可将失水量控制在100m L 以内。但是在低温下该产品有较强的缓凝作用,需加入促凝剂配伍使用。在此基础上,他们又研制了一种抗高温、抗盐性能好、方便使用和贮运、可以满足高温高盐条件下固井工程需要的固体油井水泥降失水剂A M P S /A A /A M /烯类磺酸钠,其适用温度范围为30～180℃,抗盐性能从淡水直至饱和盐水,加量(干粉)为1%～2%时,可将水泥浆在180℃时的A P I 失水控制在100m L 以下

〔6〕

。

山东沃尔德油田技术有限公司也研制了A M P S /A A /A M 液体油井水泥降失水剂,该降失水剂加量(液体)为5%～8%时,在210℃下固井时水泥浆的失水量可有效控制在50m L 以内,并将该降失水剂试用于胜科1井,固井质量良好

〔7〕

。

宋春雷等〔8,9〕

利用自由基水溶液聚合法制备

4

精　细　石　油　化　工　进　展

A D V A N C E SI NF I N EP E T R O C H E M I C A L S

第12卷第3期　

了A M/A M P S/N-乙烯基吡咯烷酮(N V P)耐温型油井水泥降失水剂,N V P的引入起到了抑制高温下酰胺基水解的作用,提高了共聚物的耐温能力,该降失水剂在加量(液体)为10.9%时,水泥浆在180℃下的A P I失水量为48m L。王永泉〔10〕、李燕〔11〕、孙玲〔12〕等也分别尝试在A M P S共聚物里引入N V P单体,合成了A M/A M P S/A A/N V P和A M/A M P S/N V P降失水剂,并对其降失水性能进行了评价。实验结果表明,A M/A M P S/N V P降失水剂在加量(液体)为4%以上时,耐温性能可达100℃以上,抗N a C l含量达18%,水泥浆的A P I 失水量在50m L以下;但A M/A M P S/A A/N V P降失水剂具有絮凝作用,需外加硼酸以增加水泥浆的流动性,而且当聚合物中A A比例增加到20%时,需要加入更多的硼酸。

谭春勤等〔13〕以A M、A M P S以及苯乙烯(S t)为原料合成了油井水泥降失水剂J S S300,合成条件为:温度控制在60℃左右、反应时间6h、引发剂(过硫酸铵)加量不低于0.6%,单体配比为45∶24∶30。对合成产物进行性能评价的结果表明,该降失水剂在160℃下能将淡水水泥浆的失水量控制在50m L左右,对盐水水泥浆的失水量也有较强的控制作用,并且具有较高的热稳定性和良好的配伍性。

吕兴辉等〔14〕通过用无机盐硅酸钠对A M/ A M P S二元共聚物进行改性,并对合成条件进行优化,制备了一种耐温抗盐的干粉型油井水泥浆降失水剂S D J S。该降失水剂抗温达150℃,抗盐达饱和,当其加量为0.4%时,就能在任何含盐浓度下将失水量控制在100m L以下;其饱和盐水水泥浆24h抗压强度达14M P a。加有S D J S的半饱和盐水水泥浆在120℃、60M P a下的增压稠化曲线成直角,过渡时间短,该降失水剂可用于深井、盐膏层固井。

中国海洋石油总公司和中海油田服务股份有限公司共同申请了合成聚合物类油井水泥降失水剂及其合成方法的专利〔15〕。该聚合物包含选自A M P S、乙烯基磺酸(V S A)或甲基丙烯酸(M A A)的第一单体,选自N,N-二甲基丙烯酰胺(D M A M)、A M或N,N-二乙基丙烯酰胺(D E A M)的第二单体,选自马来酸酐(M A)或富马酸(F A)的第三类单体,以及选自丙烯磺酸钠(S A S)或十二烷基硫醇(D A)的第一调节剂的原料水溶液。该降失水剂性能好,耐温抗盐性能好,对环境温度适应宽,可用于高温井固井或海水固井。在加量(液体)为6%时,水泥浆在150℃下的A P I失水量为56.2m L。

刘中华〔16〕申请了A M P S/A M/A A/丁二酸酐(S A)四元共聚物降失水剂的专利,称该降失水剂适用温度范围为常温至180℃,抗盐达饱和,但专利文献中并没有在高温高盐下的具体测试数据。

1.2　微交联型A MP S共聚物类

李焕明等〔17〕尝试了以A M、D M A M、A M P S和3-烯丙基氧基-2-羟基丙磺酸(A H P S)为原料,以N,N-亚甲基双丙烯酰胺(M B A)为交联剂合成了具有微交联结构的油井水泥降失水剂。交联剂的加入使分子间的化学键位阻增大,阻碍了分子链的运动,提高了聚合物的耐热性。实验结果表明,当D M A M加量2%、引发剂(过硫酸钠)加量1.4%、交联剂加量0.02%时,合成的聚合物降失水剂具有优良的耐温降失水性能。在降失水剂加量(干粉)为1%时,160℃、饱和盐水条件下,可将常规水泥浆的A P I失水量控制在100m L 以下。

中国石油天然气集团公司和中国石油集团工程技术研究院共同申请了具有微交联结构的聚合物降失水剂专利〔18〕。该降失水剂是一种五元共聚物,共聚物单体选自A M P S/D M A M/A A、M A A/衣康酸(I A)、M A和F A/M B A。该专利从3个方面提高了聚合物降失水剂的使用性能和抗高温性能:(1)通过用抗水解能力强的D M A M代替A M,抑制了酰胺基在高温下的水解,扩大了产品温度应用范围,适用温度范围由原有的30～70℃扩展到30～180℃;(2)采用M B A使共聚物由线性结构变为微交联结构,这种结构的共聚物容易在水泥浆中形成三维网状结构,提高水泥浆体的切力,圈闭住自由水,防止游离液析出和水泥颗粒发生沉降,使水泥浆的稳定性得到大幅提高;(3)共聚物中同时引入一元羧基和二元羧基,使其对水泥颗粒的螯合能力比单独的一元或二元羧基都更强,因此共聚物控制滤失的能力更为出色。实验结果表明,该降失水剂有良好的降失水性能和流变性能,使用温度范围宽,适用于淡水和盐水泥浆,在加量(液体)为5%时,水泥浆在180℃下的

5

　2011年3月 李晓岚等.抗高温油井水泥降失水剂的研究进展